太陽能相變儲能新風高效換熱系統設計及材料性能測試

齊欣

摘要：本文將太陽能集熱、熱管導熱和相變蓄熱三個部分進行集成，通過熱管技術的引入提高系統換熱效率，對太陽能技術和相變儲能技術的聯合應用是一次拓展。

關鍵詞：相變儲能；熱管；材料性能測試。

中圖分類號：TK511文獻標識碼： A

1引言

中國北方嚴寒地區由于冬季室外氣溫低，一直采取門窗緊閉，隔絕室內外空氣自然流通等密閉方式進行采暖保溫。通過太陽能集熱與相變蓄熱的聯合，通過熱管技術的引入使太陽能和相變儲能進行有機結合，實現嚴寒地區冬季通風換氣，此種聯合利用方式太陽能及相變儲能應用領域極具研究價值。以沈陽市某二層小樓為原型，設計了基于太陽能的相變儲能新風高效換熱技術集成利用的方案，由太陽能平板集熱器、熱管、換熱設備與相變蓄熱構件組成。

2基于太陽能的相變儲能新風高效換熱系統介紹

目前太陽能新風換熱系統效率普遍偏低，主要原因有三點：

(1)由于室外環境污染嚴重，玻璃蓋板附著灰塵影響透光性；

(2)空氣自身導熱系數低，充分換熱需要增加接觸面積，占用建筑外部空間；

(3)由于資金及技術原因，集熱板集熱效率參差不齊。其中主要原因是第二條。

由于太陽能空氣集熱器要與建筑相集成，覆蓋建筑面積受到嚴格控制，空氣流道不能無限制增大，空氣不能充分與集熱板進行熱量交換，造成新風溫度低，而集熱板熱量過剩。同時由于有機相變材料自身導熱能力差，低溫新風所提供熱量不足以使癸酸融化。其核心問題是集熱部分有熱量剩余而蓄熱部分又無熱量用，這樣就需要一種介質將過剩熱量搬運至蓄熱構件，從而提高系統熱量利用率。熱管一種導熱能力超強的金屬元件，其導熱過程中所產生的熱損失小，導熱迅速，完全符合解決本系統的不足。

3熱管

當今傳熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導熱材料。 具有良好導熱性的材料有鋁[(λ＝202w/m·℃)]、柴銅[λ＝385w/ m·℃]、和銀[λ＝410w/ m·℃)]，但其導熱系數只能達到102w/m·℃的數量級，遠不能滿足某些工程中的快速散熱和傳熱需要，熱管的發明就解決了這一問題。熱管的相當導熱系數可達105 w/m·℃的數量級。為一般金屬材料的數百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。由于熱管具有導熱性能好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等良好性能．熱管是傳熱領域的重大發明和科技成果，給人類社會帶來巨大的實用價值。

3.1熱管原理

熱管是一種導熱性能極高的被動傳熱元件。熱管利用相變原理和毛細作用，使得它本身的熱傳遞效率要千百倍的高于同樣材質的純銅。真空銅管內部充滿液體，這種液體作為媒介將熱量高速的從熱管一端傳遞到另外一端。水作為最典型的工作液體應用于大多數熱管中，圓柱形銅質熱管是最常見的一種。熱管壁被吸液芯覆蓋，冷凝液體依靠吸液芯產生的毛細力從冷凝段回到蒸發段。熱管內部首先被抽成真空，然后注入液體，最后封閉開口，工作液體蒸發后的蒸汽壓力決定熱管內部的壓的。熱管表明溫度稍有升高，工作液就會蒸發，此時受熱處蒸汽的溫度和壓力會較其他部分略高，熱管內部產生壓差，壓迫蒸汽流向熱管另外較冷的一端。當蒸汽冷凝蒸汽釋放汽化潛熱，熱量傳至冷凝段。之后，熱管的吸液芯結構使冷凝后液體再回到蒸發端。只要有熱源加熱，這一過程就會循環進行。

從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發段，絕熱段和冷凝段三部分。

常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。

熱管的管殼是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質與管殼不發生化學反應，不產生氣體。

管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內外壓力不等時所產生的壓力差。

熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。

熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用并產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發段破壞毛細結構。

3.2熱管的基本特性

高效的導熱性:

熱管內部主要靠工作液體的汽-液相變傳熱，熱阻很小。

(1)良好的等溫性

熱管受熱，內部工作液蒸發，處于飽和狀態的蒸汽從傳熱過程中產生微小壓降，有熱力學可知其溫降也很小。

(2)熱流密度的可變性

熱管的蒸發段受熱面積和冷卻段受熱面積在制作時可以自行改變。

(3)熱流方向的可變性（重力熱管有方向性）

毛細力是熱管內部的循環動力，因此非重力熱管任意端受熱皆可作為蒸發段。

(4)整體的恒溫性

一般熱管的各部分熱阻不變，不受熱量變化影響。

(5)環境的適應性

熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉軸、 燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的以適應長距離或冷熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。

熱管用途廣泛，種類繁多，其內部工作液體熱管材質和結構都不相同，本實驗選取的是重力熱管。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發段。其結構簡單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優良、工作可靠，因此他在地面上的各類傳熱設備中都可以作為高效傳熱元件，其應用領域非常廣泛。

3.3熱管性能檢驗

本實驗所采用的熱管由直管型熱管通過特殊工藝加工制作，具體見表3.1。

表3.1 熱管參數

Table 3.1 The parameters of the heat pipe

熱管參數

直徑 8.5mm 類型 重力式

長度 700mm 結構 溝槽結構

數量 18 材質 純銅

傾斜角度 95° 傳熱介質 水

啟動溫度 20℃ 傳熱效率 ≧99.9%

最佳傳熱溫度 30℃ 熱阻 0.0000000777℃/

1.熱管測試安裝。

2.加熱塊長度：DA=150mm，散熱塊長度：DB=300mm，室溫：Te=20±3℃。

3.在熱管的一端加熱 并將溫度保持在TH=50±5℃，另一端利用水套（或風扇）強制冷卻（冷卻端永遠保持最大冷凝功效），此時的功率值，即為熱管的最大傳熱功率。

4.熱管加熱端利用電源供應器提供加熱端所需之加熱功率。

結論：經測試，熱管溫升迅速，傳熱時間在3~5s之間，溫差在2°之內，性能良好，能夠應用于本實驗。

3.4相變材料的遴選

實驗所需相變材料用于冬季住宅蓄熱通風，相變材料可以從目前研究較多的低溫相變材料中選擇，結合室內溫度、新風換熱效率、熱管最佳工作溫度和相變材料蓄熱工作溫度范圍等因素的綜合考慮，選用癸酸作為本試驗的相變蓄熱材料。

癸酸的性質

試驗所用的相變蓄熱材料（癸酸）由天津市元立化工有限公司提供，經過差式掃描量熱儀測試可以得出癸酸的DSC相變峰值溫度為31.1℃，熔解熱158kJ/kg，導熱系數0.202 W/(m·K)，沸點270℃，45℃時液體密度為885.8 kg/m3，24℃時固體密度為1004 kg/m3。

3.5結論

本文主要對基于太陽能的相變儲能新風高效換熱系統的結構設計進行了介紹。經試驗測試，特殊定制的熱管導熱迅速，在系統運行中能夠高效提取集熱板熱量并傳入蓄熱器，提高太陽能利用率。經分析選取低溫相變材料癸酸作為本試驗相變蓄熱材料，由于熱管放熱端大部分與癸酸接觸，在蓄、放熱時熱管的存在改善了癸酸的導熱能力。經計算熱管在蓄熱器內所占體積僅為蓄熱器體積的1%，所以可近似忽略應用熱管所增加的體積。

參考文獻

[1]田瑋,王一乎,韓立君等.2005.聚光光伏系統的技術進展[J].太陽能學報,26(4): 597-604.

[2]Kalogirou S. 2003. The potential of solar industrial process heat appIications[J], Apply Energy, 76(4):337-61.