陶瓷板太阳能及换热管道特性研究.docx

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陶瓷板太阳能及换热管道特性研究

本科生毕业设计（论文）

题目：

陶瓷板太阳能及换热管道特性研究

学生姓名：

陈妍宁

系别：

信息与计算科学系

专业年级：

2009级自动化专业1班

指导教师：

胡长松

2013年6月10日

摘要

本论文主要对陶瓷板太阳能的性质以及换热管中哪种保温材料的保温效果性能研究，首先了解陶瓷板太阳能的特点，实验中通过对陶瓷板太阳能的不同热管间距和热管数量及陶瓷板太阳能保温与否进行测试，对测量数据进行整理分析，找出陶瓷板太阳能的优点所在。

实验时用不同的保温材料，对换热管道进行各种不同保温材料下的保温特性研究，找出合适的管道保温材料。

通过实验来获取数据，并对比不同的保温材料下温度的变化，进而分析数据，得出相应的结论。

由实验结论可知，陶瓷板太阳能集热器是一种热转化率较高、能利用可再生能源的新型装置，并且陶瓷板太阳能成本低，如果能充分发挥好陶瓷板太阳能的优势会给我们带来很多益处。

关键词：

陶瓷板太阳能；保温材料；转化率；新型装置

ABSTRACT

Inthispaper,themainpropertiesoftheceramicplatesolarandheattransferperformanceofthermalinsulationeffectwhichinsulationtube,firstunderstandthecharacteristicsofceramicplatesolarheatpipe,differentspacingandthequantityoftheheatpipeandceramicplatesolarheatandnottestedonceramicplateofsolarenergythroughtheexperiment,analyzingthemeasurementdatatofindout,theadvantagesofceramicplatesolar.

Experimentwithdifferentinsulationmaterials,heatpipethermalinsulationcharacteristicsofdifferentinsulationmaterialsunder,tofindthesuitablepipeinsulation.Toobtainthedataofexperiments,andcontrastthedifferentinsulationmaterialsundertemperaturechanges,andanalysisofdata,anddrawthecorrespondingconclusion.

Accordingtotheexperimentalconclusionshows,ceramicplatesolarcollectorisathermalconversionrateishigher,canmodeltheuseofrenewableenergy,andsolarenergycostoftheceramicplateislow,ifcangivefullplaytotheadvantagesofceramicplateofsolarenergywillbringusalotofbenefits.

Keywords：

Ceramicplatesolar；Heatinsulationmaterial；Conversionrate；Newdevice

目录

前言

第一章绪论…………………………………………………………………………1

1.太阳能集热器的概述…………………………………………………………1

2.太阳能集热器的发展现状…………………………………………………………3

3.保温材料的概述……………………………………………………………6

3.保温材料的国内外现状……………………………………………………………6

第二章陶瓷板太阳能的特点及实验…………………………………………………9

1.陶瓷板太阳能的特点…………………………………………………………9

1.1陶瓷板太阳能的特点……………………………………………………………9

1.2陶瓷板太阳能的用途……………………………………………………………9

2.陶瓷板太阳能的应用效果……………………………………………………11

3.陶瓷板太阳能的实验…………………………………………………………13

3.1陶瓷板太阳能的闷晒实验……………………………………………………13

3.2陶瓷板太阳能与热管的实验……………………………………………………13

3.3两根热管的陶瓷板太阳能实验…………………………………………………24

3.4四根热管的陶瓷板太阳能实验…………………………………………………28

第三章输送管保温材料的实验…………………………………………………………34

1.不同保温材料的实验原理………………………………………………………34

2.不同保温材料的实验数据及分析………………………………………………37

结论………………………………………………………………………………………40

参考文献…………………………………………………………………………………41

致谢………………………………………………………………………………………42

前言

本论文主要研究陶瓷板太阳能的性质以及换热管中哪种保温材料的保温效果更好，了解陶瓷板太阳能及换热管道特性研究的原理，通过对陶瓷板太阳能的不同热管间距和热管数量及陶瓷板太阳能保温与否，测试数据进行验证，对换热管道进行各种不同保温材料下的保温特性研究，找出合适的管道保温方法。

通过对本课题中陶瓷太阳能板，传热管保热特性的研究，可以认识到，陶瓷太阳能板应具备一些特别的优点，陶瓷太阳能板和传热管保温研究，是为了找到有效地系统保温方法，保证系统在长期稳定运行中，尽可能是降低热损，提高系统的热效率，在太阳能利用过程中产生更好的经济效益。

陶瓷板太阳能及换热管道特性研究

第一章绪论

1.太阳能集热器的概述

太阳能集热器的定义是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。

第一：

太阳能集热器是一种装置；第二：

太阳能集热器可以吸收太阳辐射；第三：

太阳能能集热器可以产生热能；第四：

太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。

无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。

太阳能集热器的分类如下：

1）按集热器的传热工质类型分：

液体集热器、空气集热器

2）按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：

聚光型集热器、非聚光型集热器

3）按集热器是否跟踪太阳分为：

跟踪集热器、非跟踪集热器

4）按集热器内是否有真空空间分为：

平板型集热器、真空管集热器

5）按集热器的工作温度范围分为：

低温集热器、中温集热器、高温集热器

6）按集热板使用材料分别为：

纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板

平板型太阳能集热器

用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。

平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。

平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一（如图1-1）。

平板型太阳能集热器的工作原理是：

太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。

图1-1平板型集热器

真空管太阳能集热器

用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。

真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。

热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。

真空管按吸热体材料种类，可分为两类：

一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管）；一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃－金属真空管）（如图1-2）。

图1-2真空管太阳能集热器

热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比，具有以下不可替代的优点：

（1）耐冰冻：

采用抗冻型热管，即使在－50℃的严寒条件下也不会冻裂。

（2）启动快：

热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量，而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水。

（3）不结垢：

由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。

（4）保温好：

热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。

（5）承压高：

由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势。

（6）耐热冲击性好：

即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂。

（7）安装简便，运行可靠：

集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。

陶瓷太阳能集热器

用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。

陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成（如图1-3）。

图1-3陶瓷板太阳能集热器

陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。

其整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色，无毒、无害、无放射性，阳光吸收率不会衰减，具有长期较高的光热转换效率。

陶瓷板太阳能集热器的工作原理：

太阳辐射穿过透明盖板后，投射在陶瓷太阳能板上，被陶瓷太阳能板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。

2.太阳能集热器国内外发展现状

经过近200年的持续加速开采，煤、石油、天然气等常规化石燃料资源逐步减少，据有关资料，我国煤、石油、天然气的可开采年数分别是114年、20年、49年，人均占有量分别是世界人均占有量的70%、11%、4%，所以我国比多数国家更迫切需要研究

和寻求新能源和可再生能源[3]。

平板型集热器

根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。

如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87%，平板型集热器只占12%[4]。

国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右，有众多因素造成的：

（1）直接系统的平板热水器在冬季不能防冻，须排空，因此冬季不能使用并维护复杂；

（2）全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用；（3）全玻璃真空管由于技术创新，成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进太阳能热水器市场迅速扩大。

因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主[4]。

国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。

国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。

针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势：

（1）平板集热器最适合用于承压系统；

（2）最适合于双循环的太阳能热水器；（3）最有利于实现太阳能热水器与建筑结合；（4）系统寿命长，维护费用低；（5）大多数情况下可以提供更多的生活热水；（6）平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。

因此，在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势[4]。

目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。

国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出：

我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品，热损系数差别较大。

这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距，因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能，开展高效平板太阳能集热器研发。

尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合，集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著[4][7]。

真空管集热器

正是由于热管式真空管具有以上诸多优点，北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试，产品热性能指标达到了国际先进水平，成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位[5]。

我国能源供应紧张，依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应，而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。

我国太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/米2，年日照时数在2000小时以上，近年来太阳能热水器发展迅速，使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的，并已具备了与常规能源的竞争力。

现在的市场发展正逐年向居民住宅用热水倾斜，在国内的一些地区如昆明已陆续出现太阳能热水器在住宅中的统一设计和安装，取得了良好的社会经济效益[5]。

但是，太阳能热水器在北京等大中城市的推广速度极其缓慢。

究其原因，主要是太阳能热水器的安装问题。

由于太阳能热水器需要安装在屋顶，而一些住宅建筑在设计时未考虑太阳能热水器的管线问题，需要进行二次施工。

要解决这个问题，就要使太阳能热水器作为住宅的必备设施，在设计时将太阳能热水器的管线与暖气管一样埋在墙内，与主体建筑同步完工[5][7]。

其优势是：

（1）有利于节能和环保，每平方米太阳能热水器每年可节约100～150公斤标准煤，可减少温室气体及粉尘的排放；有利于建筑施工，由于太阳能热水器与建筑在设计和施工上均做到统一，避免了二次施工，还可起到保护屋顶和增加隔热的效果；

（2）有利于城市美观，太阳能热水器住宅将形成城市建设的一种新景观，可美化城市建筑；（3）有利于节省资金，且经济实惠，太阳能热水器的技术现在已基本成熟，以北京市太阳能研究所的热管式真空管太阳能集热器为例，使用周期为15年，80%依靠太阳能，20%依靠辅助电加热，运行费用相对较低。

陶瓷板太阳能集热器

生产陶瓷太阳能板，本身就是变废为宝的过程，低碳、节能、环保，是陶瓷太阳能板最大的特点。

我国年产陶瓷太阳能板十亿甚至上百亿平方米，这一点其他国家是不可想象的。

经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，陶瓷太阳能板的阳光吸收比为0.95，混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量为8.6MJ，远高于国家标准。

从理论上说，1000亿平方米即十万平方公里太阳能等于人类消耗能源的总和。

因此，发展陶瓷既可促进建筑节能、增加淡水资源、扩大可耕地资源，也可拉动内需、增加就业、保证能源安全，完全可作为民生之需所用[1][3]。

在技术方面，我国现拥有全面、完整的黑瓷复合陶瓷太阳板自主知识产权，已取得多项中国发明专利证书，同时也申报了美国、印度、澳大利亚等系列发明专利，在推广上已形成了良好的内外部环境。

撒哈拉沙漠、美洲沙漠、印度沙漠、澳洲沙漠都靠近海洋，只要解决太阳能使用成本问题，这些地区都可以实现大规模太阳能发电、淡化海水、变沙漠为耕地。

因此，发挥好黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统这一优势的话，于国于民都是一件大实事、大好事[2][6]。

3.保温材料的概述

保温材料一般是指导热系数小于等于0.2的材料。

保温材料的导热系数是反映其导热性能的物理量，它不仅是评价材料热力学性能的指标，并且是材料在工程应用时的一个重要设计依据。

管道保温材料形式多种多样但大多数材料有以下几类：

（1）矿棉

矿产绒毛羊毛，包括岩石、炉渣，十五级矿物纤维素在一起用有机粘结剂。

矿产羊毛被应用于所有类型的管道保温——特别是工业管道运行在较高的温度下。

（2）玻璃棉

玻璃棉是一种耐高温纤维隔热材料。

（3）硬泡棉

由于是刚性管道保温，酚醛泡沫管道保温材料是很多国家最常应用的。

（4）聚乙烯

聚乙烯被广泛用于防止冰冻的家庭供水管道。

4.保温管道的国内外现状

国内外现状：

（1）矿棉：

国外矿棉的年产量在700万吨左右，其中80%～90%都应用于建筑节能。

另外，广泛应用于石油化工、电力、冶金等行业的管道、贮罐、烟道、车船等工业设备的保温工程。

我国的矿棉制品05年年产量在59～60万吨，在保温材料总量中所占比例为40%[8]。

（2）玻璃棉：

国外玻璃棉的年产量在300万吨，主要生产国是美国、法国和日本。

04年美国玻璃棉产量达198万吨。

玻璃棉制品的主要应用于建筑业，在建筑上的用量占玻璃棉的80%～90%以上。

我国05年玻璃棉制品产量23～24万吨。

玻璃棉广泛应用于建筑业、冷库、船舶、化工、汽车、飞机、空调机及壁板，特别适合制作消声设施设备，适用隔音、吸声等要求较高的场所[8][9]。

（3）硬泡棉：

硬泡棉应用领域广泛，如宾馆、医院、大型体育场、石油、化工、热电厂等低压蒸汽管道、设备绝热，其耐寒性尤其适用于冷藏、冷酷的保温。

近十几年弹性泡沫得到了飞速的发展，在英国、西欧和中东很多国家规定采用在新建工程中[][]。

（4）聚乙烯：

可用于建筑物、火车、水管、高潮湿地区的设备及管道保温，因毒性极低可以直接与食品接触。

由于聚乙烯自身防火性能较差，需添加大量阻燃剂，使其各项物理性能大幅度下降，同时因使用温度较低和原料较贵，其使用领域也受到一定限制。

采用聚乙烯为轻骨料，结合硅酸盐水泥等材料，可以制备出轻质、导热系数小、吸水性低等保温材料，可以满足冷库和一般建筑的保温隔热需要；另外，由于聚乙烯具有良好的加工性能，以聚乙烯为主料添加其他高分子弹性体制制成橡胶复合泡沫材料，可以改善聚乙烯泡沫塑料的柔韧性[8][9]。

发展趋势：

太平洋地区的发展中国家是保温材料的市场需求增长最快的。

随着这些国家的工业化进程及生活水平的提高，其保温材料市场需求增长非常迅速，尤其是中国的建筑行业的快速发展以及政府对节能提出了更高的要求，中国保温材料需求量将保持两位数的年增长率。

05年，美国的建筑保温市场占整个保温市场需求量的四分之三，并保持这种趋势直到10年。

西欧等国家由于欧盟的能源保护政策，尤其是有关住宅建设及翻新的建筑领域管理制度，使其保温材料市场呈现较快增长趋势[9][10]。

“十一五”期间，随着我国房地产、电力、冶金及环保产业的快速发展，特别是建筑节能的大力推进，绝热隔音材料得到快速发展。

我国的绝热材料市场有较大的发展空间。

国内也有多家企业在研发该类材料，如薄层隔热反射涂料、太阳热反射隔热涂料、水性反射隔热涂料、隔热防晒涂料、陶瓷绝热涂料等等。

主要是采用耐候性好、耐水性强、耐老化性强、有较强粘结力和弹性的、且能与保温填料、反射填料相溶性好的成膜材料，选择质轻中空、耐高温、热阻大、并具有良好反射性和辐射性的填料，折光系数高、表面光洁度高、热反射率及辐射率高的超细粉料适合作为反射填料，与成膜基料一起构成低辐射传热层，可有效隔断热量的传递。

这种薄层隔热反射涂料与多孔材料复合使用可用于建筑物、车船、石化油罐设备、粮库、冷库、集装箱、管道等不同场所涂装。

当今，全球保温隔热材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水外护一体化方向发展，在发展新型保温隔热材料及符合结构保温节能技术同时，更强调有针对性使用保温绝热材料，按标准规范设计及施工，努力提高保温效率及降低成本[11][12]。

第二章陶瓷板太阳能的特点及实验

1.陶瓷板太阳能的特点

1.1陶瓷板太阳能的特点

（1）制造陶瓷太阳能板的材料—成本低、能耗少、寿命长[6]

陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体，经1200℃一次烧成，阳光吸收比不会衰减，是功能型建筑材料，可以实现与建筑一体化，与建筑同寿命。

生产成本低：

陶瓷板是以工业废弃物制造的钒钛黑瓷，普通陶瓷制品如一吨低装饰要求的陶瓷墙地砖每平方米出厂价十几元，折合每吨数百元。

制造能耗少：

陶瓷太阳能板在辊道窑中1200℃高温段的时间约5分钟。

玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1500—1700℃，历时数小时，温度每提高100℃，能耗增加1倍，同时设备和耐火材料的价格、消耗也成倍提高，电解的能耗更远大于冶炼。

所以，普通陶瓷烧结与玻璃的熔制或金属材料的冶炼、电解有本质区别，能耗与成本均相差几倍至几十倍。

使用寿命长：

陶瓷原料是花岗岩风化后的微粒，人类将其重新成型、烧结成为比花岗岩更加致密、强度更高的瓷器，瓷器诞生1000多年，人类尚不知道瓷器的寿命。

（2）陶瓷太阳能板采用中空扁盒平板结构—太阳能是面能源、效率高[6]

太阳能是面能源，太阳能利用就是用最便宜、最大面积的收集器将面能源转化为能量流，直通式扁盒结构是太阳能集热体中阳光与介质距离最近、接触面最大、直接加热、效率最高的结构形式。

1.2陶瓷板太阳能的用途

（1）陶瓷太阳能板在建筑上的应用—提供热水、取暖、空调

在普通平房顶上可以采用陶瓷太阳能板以传统方法建造陶瓷太阳能热水系统。

也可以在平房顶上采用钢结构建造陶瓷太阳能房顶提供热水；在新建建筑上，采用锚桩结构陶瓷太阳能斜房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层；太阳能房顶结构简单、施工快速高效、造价低廉；提供热水、取暖、空调，使用、维护方便[6]。

我国有一部分人口都有独立住宅—农居、城乡结合部单户住宅、别墅等，这些房屋一般没有集中供暖系统，随着经济发展、生活水平的提高，我国长江流域及其以北部分希望建立取暖系统，全面积陶瓷太阳能斜房顶可以为独立住宅提供充分的生活热水和最低限度取暖用能的大部分能量；今后当空调工业可以提供量产的小型家用吸收式空调机时，夏天陶瓷太阳能房顶提供的热水可以开动吸收式空调机，为家庭供应冷风。

厂房、仓库普遍是单层和低层建筑，房顶面积比较大，可以为工业生产提供热水、为办公楼提供热水、取暖、空调。

为宾馆、酒店、学校、医院、浴池、游泳馆等提供热水。

（2）海水、苦咸水淡化

试验已经证明在我国东部地区，夏日晴天每平方米陶瓷太阳能板集热系统可将17～35公斤自来水加热到100～110℃；在国内外干旱、炎热的荒漠、沙漠、戈壁地区，陶瓷太阳能板集热系统可将更多的水加热到更高的温度。

黑瓷复合陶瓷太阳板由普通陶瓷基体和黑瓷表面层组成，不腐蚀、不老化、不退色，强度大、刚性好、阳光吸收率高、使用寿命长，在阳光充沛地区，使海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳能板集热系统中加热到80～120℃，使加热的海水或苦咸水及其蒸气进入到抽真空的扩容器中，产生扩容蒸气，然后将汽和水分离、排水、输汽进入汽轮发电机中做功发电，做功后的蒸气从汽轮机排入换热器，加热新抽取的海水或苦咸水，同时蒸气逐步降温、冷却、凝结为液态淡水，被加热的海水或苦咸水进入陶瓷太阳能板集热系统中继续加热到80～120℃。

重复上述过程，得到更多的电力、淡水和高浓度的海水或苦咸水，高浓度的海水或苦咸水也称作卤水是盐化工的主要原料。

传统海水或苦咸水淡化设备的主要问题是需要消耗大量能源，使用成本高。

黑瓷