摘要：本文从吸热、传热等方面计算了全玻璃真空热管的吸热、传热过程，吸热保温方面参照全玻璃太阳能真空集热管的设计进行，传热方面借鉴重力热管的设计，按管内气液两项流，及连续液膜理论计算了管内工质的充灌量，在此设计基础上加工了实验样品，并进行了相关的实验，实验数据和理论计算相差较小，证明设计的合理性，为后续的实验研究和工程实例提供了很好的计算方法。
论文关键词：全玻璃热管,太阳能利用,热虹吸热管
1 引言
热管是一种最有效的传热元件之一，它可以将大量的热量通过很小的传热面积不需要外加热源的情况下传递到较远的地方，所以热管一直很受人们的关注，热管的种类也由原来单一形式发展到了现在的功能丰富，种类齐全的各种热管，应用领域也涉及到了航天、电子、化工等社会的方方面面。将热管技术和太阳能结合起来，新型的真空管热管用在太阳能热水器中具有传热效率高、启动快等优点，而且生活用水经集热器的真空管，这样能够避免因真空管的破裂影响居民的正常用水，还可以有效地起到防冻措施，防止了真空管冻坏，太阳能资源丰富的广大北方地区有很好的发展前景。本文介绍的是一种新型的全全玻璃真空热管，这种热管在具有热管的以上优点的同时还具有加工方便、造价低、安全可靠、传热快等优点，是将来太阳能热水器发展的方向之一。
2 全玻璃真空热管吸热及热损失的计算
全全玻璃真空热管的吸热计算参照玻璃太阳能真空集热器管的设计。全全玻璃真空热管采用皇明公司生产的内径为keyimg147mm、外径为keyimg258mm、管长为2100mm的真空管加工而成，热管内保证一定得真空度，具体的如下图1所示
图1 全玻璃真空热管结构图
⑴全全玻璃真空热管的吸热计算
全玻璃真空热管的吸热量用PJ表示，
PJ=αG1.43A0
式中α为膜层吸收比（取0.94）
A0为内管投影面积
G为太阳辐照度
⑵全玻璃真空热管热损失的计算
根据传热学可知全全玻璃真空热管热损失主要由三部分组成：辐射传热、传导传热、对流传热。由于在分子流状态下，已不存在气体的对流传热，因此，全玻璃真空热管热损主要由辐射传热引起热量损失，其次为传导传热引起的热量损失。具体的从以下6个方面来考虑：
1)全玻璃真空热管涂层辐射热损：
ULT =A1ε1σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A1为涂层面积；
ε1为涂层和外管的有效发射率；
σ为玻尔兹曼常数（σ=5.67×10-8）；
A为内管的外表面积；
T1 为内管外壁温度，T2为外管内壁温度。
2)全玻璃真空热管管口无膜部分的辐射热损：
ULT =A2ε2σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A2为无镀膜部分内管的面积；
ε2为内外管的有效发射率，即ε2=1/（1/0.85+1/0.85－1）；
σ为玻尔兹曼常数（σ=5.67×10-8）；
A为内管的外表面积；
T1 为内管外壁温度，
T2为外管内壁温度。
3)全玻璃真空热管无膜部分管口的传导热损：
ULT =A3K1/ A L1
式中A3为外管的横截面积；
K1为玻璃导热系数
A为内管的外表面积；
L1为无膜部分长度。
4 )全玻璃真空热管管吸气剂辐射的传热：
ULT =A4ε4σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A4为镜面的面积；
ε4为内管向外管的有效发射，
σ为玻尔兹曼常数
A为内管的外表面积；
T1 为内管外壁温度；
T2为外管内壁温度。
5)全玻璃真空热管不锈钢卡子的热损：
ULT =A5K5（1/L5+1/ L6）/A
式中A5为不锈钢支架的横截面积；
K5不锈钢的导热系数
A为内管的外表面积；
L5 、L6为支架支撑点与外管间距离。
6 )全玻璃真空热管真空夹层的热损：
ULT =K0PAeffA6/A
式中A6为涂层面积；
K0自由分子传导系数（K0=4.23×10-5w/m·k）；
Aeff为有效适应系数，即Aeff取0.60；
P为真空夹层的压强（P=5.0×10-4Pa）；
A为内管的外表面积
7)全玻璃真空热管总热损：
ULT = Q1+ Q2 +Q3+Q4 +Q5 +Q6/A（T1-T2）=0.642 w/m2℃
式中Q为集热管各部分辐射传热。
A为内管面积；
T1 为内管外壁温度，
T2为外管内壁温度，
散失功率PS :
PS= ULT*A*（T3-T4）
集热管有效功率
PY= PJ- PS
通过计算可知PY为115.3652w，考虑在理想的状态下，这部分能量都来自水的气化潜热，设定水在80℃被汽化，该温度下的汽化潜热是2308 （汽化潜热在80℃—150℃范围内变化不是很大，对计算结果影响不是很大）则需要0.05g的水
3.热管中工质的充灌量
全玻璃真空热管中工质的充装主要由四部分组成：热管内部空间充满的工质蒸汽；及加热段和冷凝段的液膜部分；加热池中的池液部分（考虑到玻璃热管的充液量很小，在此忽略该项）；水汽化的部分。这是一个复杂的混合过程，在这里只考虑液膜部分、热管中的蒸汽部分、水汽化放的那部分。
⑴液膜部分的计算，液膜厚度计算是一个很复杂的过程，目前世界上也没给出精确的计算方法，在此采用了Nusselt提出的液膜厚度理来进行计算，该理论的前提给出了很多的假设条件，所以就算后的结果要进行系数修正：
H=0.295Re0.498(keyimg52/g)1/3
H代表液膜厚度；
 代表物体的运动粘度；
Re是液膜的雷诺数；
g 物体的密度；
对应液膜质体积V2=H*A*
V2=4.744124653e-5*0.2752*0.97182=12.68g，一个大气压下对应12.68ml
试验中全玻璃热管中没有形成连续的液膜、雷诺数的取值时经验取值，这就需要对这个数进行修正，根据多次的实验对这个值进行系数修正，用 表示修正系数，这里取0.2，这样得出液膜的实际量是2.536g。
⑵热管中的蒸汽的量
假设热管中充满蒸汽，根据热管的体积，和蒸汽的密度来计算出热管中的蒸汽量。
V= r2L=3.1415926*0.00047961*2.1=0.003161m3
热管内蒸汽120℃饱和蒸汽密度=1.121㎏/m3
所以对应的量V3=V*=3.54g对应的标况下3.54ml
所以应添加的工质应该为V=V1+V2+V3=0.05ml+2.536mlg+3.54ml =6.126ml
4.全玻璃热管性能试验
在上面计算的结果的基础上对全玻璃热管进行了加工，试验，试验采用了上面提到的充灌量，采用纯水作为了热工质进行了实验，试验的结果分析图下图2所示
5.结论
通过上面的计算和试验看出这种假设计算出的工质充灌量比较接近实际的充灌量。该种计算方法简洁，更适合工程、试验方面的计算，设计的出来的热管效率高，稳定性好，热启动快。通过该种方法的计算，为全玻璃热管的实验研究提供了原始的计算模型，为今后的实验研究提供了很好的依据。
参考文献
(1)第五届热管会议文集第60页
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