針對不同儲熱材料的脈動熱管太陽能集熱器性能分析

劉建紅,閻天海,商福民,2,劉 棟,曹 欣,楊 凱,鄭超凡,巨海嬌

(1.長春工程學院能源動力工程學院,吉林省 長春市 130012;2.吉林省建筑能源供應及室內環境控制工程研究中心,吉林省 長春市 130012)

0 引言

引隨著國家“雙碳”目標的確立,減少化石能源的使用,加大清潔能源利用將成為助力“雙碳”目標實現的重要舉措[1],太陽能作為一種清潔的可再生能源,是解決能源危機和環境污染問題的有效途徑之一,但利用過程中間歇性和不穩定性是太陽能利用突出的問題,為此國內外學者針對太陽能收集利用做了大量研究。文獻[2-5]為提高系統的穩定性和能量轉化效率,均采用實驗方法研究彌補太陽能間歇性的問題。文獻[6]針對空氣式真空管太陽能集熱器,提出了通過改進組合結構以及增加換熱面粗糙度提高相變蓄熱性能將是重點研究方向。文獻[7]設計的太陽能集熱裝置,按照標準測試方法對太陽能集熱裝置進行能效測試,提高了太陽能集熱裝置的質量,促進太陽能集熱裝置的優化升級。文獻[8]研究熱儲存與太陽能聚光系統結合,為改善純石蠟的低到電模式,提出新型的翅片結構。文獻[9-10]提出了一種新型的太陽能熱光伏集成系統,文獻[11]利用相變材料儲存系統吸收的熱量,研究表明能提高系統效率、儲存熱量和維持較長時間熱量輸出。文獻[12]對不同充液率的脈動熱管的熱性能進行了評估,將數值模擬與實驗結果進行了比較和驗證。文獻[13]從理論上建立了U 型脈動熱管的傳熱傳質模型,并通過數值模擬探討了絕熱段長度對熱性能的影響。脈動熱管[14-16]作為一種高效的傳熱元件,受到關內外學者廣泛關注。

本文利用脈動熱管作為傳熱元件,設計新型蓄熱式脈動熱管太陽能集熱器,實驗裝置采用全玻璃真空管內放置脈動熱管,同時添加儲熱材料,利用儲熱材料將太陽能儲存起來,在需要的時候釋放,解決太陽能具有的間歇性問題,實現持續供能的目的。

1 實驗裝置和實驗原理及方法

實驗系統主要有真空玻璃管、脈動熱管,Agilent 34980A型數據采集器、熱線風速儀、電磁式空氣泵、計算機等組成,如圖1所示。真空玻璃管內包括石蠟、傳熱元件(脈動熱管)、翅片。Agilent 34980A型數據采集器的采集時間為2s,熱線風速儀用于測量出口空氣流速,采用MR-4 輻射熱計監測太陽輻射。

真空玻璃管全長950mm,表面鍍有黑鎳選擇性鍍層,真空玻璃管內鍍層長度為850mm。真空玻璃管內的脈動熱管整體為一個閉合回路,壁面設置3組鋁質翅片,脈動熱管充液率φ=50.0%,管內工質采用去離子水,真空玻璃管內部構造如圖2所示。實驗一共布置了10個測點,脈動熱管管束上蒸發段、冷凝段、絕熱段各布置了2個測點,進出口各布置了1個測點,真空玻璃管內布置了1個測點,儲熱材料位置布置了1個測點。在圖2只標記了脈動熱管蒸發段、冷凝段和絕熱段3個測點位置。A1為脈動熱管頂端的壁面溫度,A2為脈動熱管Ⅱ段頂端的壁面溫度,A3為位于儲熱材料內脈動熱管底端的壁面溫度。脈動熱管Ⅱ段填充儲熱材料。

圖2 集熱器內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal structure of collector

2 實驗結果對比分析

2.1 不同儲熱材料集熱器特性分析

圖3(a)為儲熱材料為石蠟的集熱器不同位置的溫度隨時間的變化曲線.全玻璃真空管吸收太陽輻射,一部分熱量加熱全玻璃真空管內的冷空氣,一部分熱量被石蠟直接吸收儲存。從圖3(a)可看出,A1的溫度遠遠高于A3,說明此時I段為脈動熱管蒸發段,Ⅱ段為脈動熱管冷凝段。石蠟溫度和A3溫度近似相等,變化趨勢都與加熱時間呈正比關系。在整個熱量轉化過程中,當冷空氣吸收的熱量大于石蠟吸收的熱量時,脈動熱管蒸發段溫度大于全玻璃真空管內的溫度,蒸發段向全玻璃真空管傳遞熱量,冷凝段溫度與石蠟溫度近似相同,致使冷凝段與石蠟之間沒有熱量交換,此時,脈動熱管只向全玻璃真空管傳遞熱量,保證集熱器輸出熱量穩定。當τ=15780s時,A3測點溫度與石蠟溫度高于A1測點溫度和全玻璃真空管內溫度,但都隨加熱時間呈下降趨勢,說明石蠟是集熱器的主要熱源,由于A3的溫度遠遠高于A1,說明Ⅱ段為脈動熱管蒸發段,I段為脈動熱管冷凝段。石蠟在凝固過程中釋放熱量,冷空氣入口流道設置在石蠟表面,冷空氣先與石蠟進行一次換熱,再經過脈動熱管進行二次換熱,隨后通過出風口將熱量傳遞出去。

圖3 集熱器溫度曲線Fig.3 Temperature curve of the heat collector

圖3(b)為儲熱材料為水的集熱器測點溫度隨時間變化曲線。從圖3(b)可看出:A1溫度最高,遠大于全玻璃真空管內溫度,此時Ⅰ段為脈動熱管蒸發段,脈動熱管加熱段向真空玻璃管傳導熱量,同時,脈動熱管冷凝段壁溫大于儲熱材料水的溫度。脈動熱管加熱段開始時溫度上升迅速,當壁溫接近100℃時,溫度上升緩慢;脈動熱管冷凝段則是一直處于一個穩步緩慢上升的狀態。脈動熱管冷熱端溫度差隨時間先增大后減小。當τ=12008s時,A3溫度最高,A3為脈動熱管蒸發段,此時,A1為脈動熱管冷凝段。從圖中可以看出,脈動熱管蒸發段管壁溫度有局部的波動,冷凝段壁溫逐漸與水的溫度接近,說明此階段是水充當整個裝置主要熱源,向外界輸送熱量。全玻璃真空管內溫度整體高于脈動熱管加熱段溫度,此時,加熱段向吸收真空玻璃管內的熱量,將熱量逆向傳遞給水,反向補給熱源的熱量。

圖4(a)是儲熱材料為石蠟時蓄熱式脈動熱管太陽能集熱器瞬時效率隨時間變化曲線,從圖4(a)可看出,ηmax=79.4%。根據GB/T 17581—2021真空管型太陽能集熱器規范得知,基于采光面積和平均溫度,無反射器的全玻璃真空管型太陽能集熱器峰值效率不低與68%。集熱器最大集熱效率大于79.4%,符合國家規范要求。從整體曲線變化上來看,集熱器集熱效率隨時間變化呈上升趨勢。當集熱效率達到70%時,處于一個相對平穩的趨勢。

圖4 集熱器集熱效率曲線Fig.4 Efficiency curve of the heat collector

圖4(b)為儲熱材料為水時,蓄熱式脈動熱管太陽能集熱器瞬時效率隨時間變化曲線,從圖4(b)可看出,ηmax=74.8%,符合國家規范要求。儲熱材料為水時,集熱器瞬時效率曲線隨時間波動較大,從整體曲線變化上來看,集熱器集熱效率隨時間變化呈現一個先增大后減小的變化趨勢,且上升和下降速度都非?？?。從集熱效率上來看,儲熱材料為石蠟的集熱器,集熱性能優于儲熱材料為水的集熱器。

2.2 有、無光照時的集熱器特性分析

圖5(a)為儲熱材料為石蠟時,集熱器有、無光照時的熱量輸出隨時間變化曲線。從圖5(a)可看出,有光照時集熱器最高輸出熱量為54.2W,最低熱量為8.9W,光照時間為5000～15000s時,輸出熱量在50W 上下波動;在無光照時集熱器最高輸出熱量為31.45W,集熱器輸出的熱量隨著時間變化逐漸減少,當達到10W 時,輸出的熱量基本保持不變。

圖5(b)為儲熱材料為水時,集熱器有、無光照時的熱量輸出隨時間變化曲線。從圖5(b)可看出,在有太陽輻射下,集熱器最高輸出熱量為26.7W,最低熱量為7.9W;在無太陽輻射下,集熱器最高輸出熱量為24.8 W。在有太陽輻射下,集熱器在4000～5000s時,輸出熱量在25 W 上下波動,而隨著太陽輻射下降,輸出熱量也開始減少;無太陽輻射條件下,集熱器輸出的熱量呈線性變化,隨著時間變化逐漸減少。

2.3 熱阻及當量導熱系數分析

圖6為不同儲熱材料脈動熱管當量導熱系數變化曲線,從圖6可看出,在相同充液率、相同傾斜角度以及相同的光照強度下,儲熱材料為石蠟的當量導熱系數要大于水的當量導熱系數。石蠟為儲熱工質時脈動熱管的當量導熱系數λmax=5574W/(m·K),而水為儲熱工質時脈動熱管當量導熱系數λmax=3014W/(m·K)。石蠟相較與水,脈動熱管當量導熱系數提高了64.9%,而實驗所用的黃銅導熱系數為109W/(m·K),石蠟為儲熱材料情況下當量導熱系數約為黃銅的51.14倍,而水為儲熱材料情況下當量導熱系數約為黃銅的27.65倍。通過分析可知,脈動熱管具有良好的傳熱性能,可以大大提高集熱器的傳熱性能。

圖6 不同儲熱材料的當量導熱系數曲線Fig.6 Equivalent thermal conductivity curve under different heat storage materials

圖7為不同儲熱材料熱阻隨時間變化曲線,從圖7可看出,在充液率50%、相同傾斜角度以及光照強度相同的條件下,儲熱材料為石蠟,其熱阻隨時間呈現一個先增大之后保持平穩,隨后減小的一個情況,而儲熱材料為水時,其熱阻出現了先增后減的一個變化規律。從圖7可看出,儲熱材料為石蠟時其熱阻最大值為Rmax=1.36K/W,最小值為Rmin=1.09K/W,而儲熱材料為水時其熱阻最大值為Rmax=2.15K/W,最小值為Rmin=0.36K/W,相比較石蠟,儲熱工質為水時,其最小熱阻降低了24.8%,其最大熱阻提高了61.2%。

圖7 不同儲熱材料的熱阻曲線Fig.7 Thermal resistance curve under different heat storage material

3 傳熱特性分析

圖8為脈動熱管蒸發段與冷凝段管壁溫度隨時間變化曲線如所示。從圖8可看出,脈動熱管蒸發段與冷凝段壁溫波動幅度較大,振蕩效果明顯。脈動熱管蒸發段壁溫升高,達到一個準平衡狀態。此時,蒸發段與冷凝段形成脈沖波形相互對應。蒸熱段呈“↓”,冷凝段呈“↑”。當脈動熱管呈“↓”時,蒸發段內工質受熱溫度升高,向冷凝段傳遞熱量,而冷凝段呈“↑”是受到蒸發段傳遞的熱量,出現溫升想象,出現向上的波形。

圖8 脈動熱管壁溫變化曲線Fig.8 Wall temperature of PHP under different times

4 結論

本文將脈動熱管應用到太陽能集熱器中,設計了新型蓄熱式脈動熱管太陽能集熱器。實現全天候持續提供能量,解決了太陽能間斷性和不穩定性的問題。研究結果表明:

(1) 儲熱材料為石蠟時集熱器最大集熱效率為79.4%,儲熱材料為水時集熱器最大集熱效率為74.8%,這2種儲熱材料的集熱器集熱效率都符合規范要求,但從整體效果來看,儲熱材料為石蠟的集熱器集熱效果明顯優于儲熱材料為水的集熱器。

(2) 相較與水,儲熱材料為石蠟時脈動熱管當量導熱系數提高了64.9%。

(3) 儲熱材料為石蠟的熱阻相對穩定,而為水的則呈現先增大后減小的趨勢,其最小熱阻降低了24.8%,其最大熱阻提高了61.2%。