基于熱管的太陽(yáng)能中溫接收器設(shè)計(jì)
熱管技術(shù)已成功應(yīng)用于太陽(yáng)能低溫?zé)崂妙I(lǐng)域，應(yīng)用形式主要包括熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器、復(fù)合拋物面聚光器（CPC）熱管式太陽(yáng)能集熱器等。
熱管應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱效率高；吸熱段與放熱段分離，可靠性高；承壓性能好；熱虹吸管具有單向?qū)嵝?，熱管式太?yáng)能集熱器夜間散熱損失減少。在太陽(yáng)能中溫（250～400℃）熱利用領(lǐng)域，主要是拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器中熱管技術(shù)應(yīng)用較少，日本的Noboru Ezawa等M。o在20世紀(jì)80年代初研制了用于拋物面槽式熱管太陽(yáng)能集熱器的中溫?zé)峁芙邮掌鳎芯繘](méi)有繼續(xù)下去，希臘的Bakos等舊1設(shè)計(jì)了采用熱管接收器的拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器。中溫?zé)峁芙邮掌鳑](méi)有得到廣泛研究的原因在于采用中溫?zé)峁芙邮掌骱筇?yáng)能集熱器需要傾斜放置，并且需要額外的管路來(lái)輸送傳熱流體，導(dǎo)致集熱系統(tǒng)復(fù)雜。
近年來(lái)，為降低拋物面槽式太陽(yáng)能電站的成本，研究者提出用直接產(chǎn)蒸汽（DSG）系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)槽式太陽(yáng)能電站的雙回路系統(tǒng)（包括導(dǎo)熱油回路和水循環(huán)2個(gè)回路），省去導(dǎo)熱油回路后系統(tǒng)效率顯著提高。
但也帶來(lái)了一系列新的問(wèn)題：DSG系統(tǒng)中接收器吸熱管周向溫差較大，汽水混合物對(duì)管路的沖擊，導(dǎo)致接收器可靠性較差，容易產(chǎn)生彎曲、顫動(dòng)甚至損壞玻璃套管。熱管具有優(yōu)良的等溫性、蒸發(fā)段與冷凝段分離，可以很好地解決DSG系統(tǒng)中接收器的問(wèn)題，提高接收器可靠性。筆者采用中溫?zé)峁艽嫫胀ㄎ鼰峁埽灾鏖_(kāi)發(fā)了用于DSG系統(tǒng)的太陽(yáng)能中溫?zé)峁芙邮掌?，并通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)中溫?zé)峁芗爸袦責(zé)峁芙邮掌鞯男阅苓M(jìn)行研究。
1 太陽(yáng)能中溫?zé)峁芙邮掌鞯慕Y(jié)構(gòu)
中溫?zé)峁芙邮掌饔芍袦責(zé)峁?、玻璃套管組成，熱管的蒸發(fā)段外罩單層玻璃套管，蒸發(fā)段一端通過(guò)玻璃—金屬密封件與玻璃套管連接，另一端由支撐件支撐，構(gòu)成接收器的吸熱段；熱管的冷凝段伸人夾套內(nèi)構(gòu)成接收器的放熱段。熱管蒸發(fā)段外表面涂高溫選擇性吸收涂層，作為吸熱層，熱管蒸發(fā)段與冷凝段分離，接收器的吸熱段與放熱段也相應(yīng)分離，如圖1所示。
2 模擬試驗(yàn)研究
拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器工作過(guò)程中，接收器面對(duì)聚光器的一面與背對(duì)聚光器的一面接收到的熱流密度之比為62：1，這也是導(dǎo)致接收器周向溫差過(guò)大的主要原因。試驗(yàn)中采用電爐加熱模擬中溫?zé)峁芙邮掌魇軣釛l件，在熱管蒸發(fā)段（即熱管位于爐膛中的部分）的上表面加2層厚為4[nln的玻璃纖維帶，阻隔電爐對(duì)熱管的輻射換熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)中溫?zé)峁芙邮掌鲗?shí)際工作條件的模擬。中溫?zé)峁芙邮掌髟囼?yàn)中熱管工作傾角為4℃。
2.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)
試驗(yàn)系統(tǒng)包括計(jì)量泵、脈沖阻尼器、電爐、冷卻器、背壓閥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示。脈沖阻尼器用于平衡計(jì)量泵產(chǎn)生的流量波動(dòng)，確保管路中水壓力、流量穩(wěn)定。背壓閥起背壓作用，調(diào)控閥前管路壓力。測(cè)量系統(tǒng)由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶、計(jì)算機(jī)、壓力表、流量計(jì)組成，測(cè)量熱管溫度、進(jìn)出口水溫、系統(tǒng)壓力、流量。熱電偶布置見(jiàn)圖3，熱管管壁沿軸向與3個(gè)橫截面圓周方向均布置K型熱電偶，測(cè)量熱管管壁軸向溫度與周向溫度分布，夾套進(jìn)出口處布置E型熱電偶。熱電偶直接焊在熱管管壁上，測(cè)溫點(diǎn)外面覆蓋2—3 mm厚的高溫膠，避免爐膛輻射對(duì)熱電偶測(cè)溫準(zhǔn)確性的影響。
圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
圖3 熱電偶布置
熱管傳輸功率Q：
式中：c。為比熱容，J／（kg·℃）；rh為質(zhì)量流量，kg／s；
熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)：
式中：疋為熱管蒸發(fā)段平均溫度，通過(guò)測(cè)量熱管蒸發(fā)段管壁正上方各點(diǎn)及3個(gè)截面上各點(diǎn)溫度平均得到；瓦為熱管絕熱段溫度；Ah為熱管蒸發(fā)段表面積。
熱管冷凝段傳熱系數(shù)：
式中：TC為熱管冷凝段平均溫度，通過(guò)測(cè)量熱管絕熱段緊鄰冷凝段正下方的管壁溫度得到；AHPC為冷凝段表面積。
處在蒸發(fā)段不同位置3個(gè)截面的溫度分布趨勢(shì)不同，因此，選擇3個(gè)截面的最大周向溫差的平均值作為熱管性能評(píng)價(jià)參數(shù)。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果 不同蒸汽溫度下的熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)曲線見(jiàn)圖4、熱管冷凝段傳熱系數(shù)曲線見(jiàn)圖5.由圖4、圖5可以看出，隨著傳輸功率的增大，熱管蒸發(fā)段和冷凝段傳熱系數(shù)都增加。熱管蒸發(fā)段包括液池段和液膜段兩部分，其傳熱過(guò)程為：在傳輸功率較小的情況下為薄膜蒸發(fā)，傳輸功率較大的情況下會(huì)產(chǎn)生飽和核態(tài)沸騰傳熱。熱管冷凝段傳熱過(guò)程為膜狀凝結(jié)，當(dāng)液膜雷諾數(shù)Re，<7.5時(shí)，認(rèn)為液膜為光滑層流；當(dāng)7.5<Re，<325時(shí)，認(rèn)為液膜處于波動(dòng)層流區(qū)；325<Re，<500時(shí)，則認(rèn)為液膜由層流向湍流轉(zhuǎn)變¨4J.當(dāng)液膜為光滑層流時(shí)，冷凝段傳熱為層流膜狀凝結(jié)，隨傳輸功率的增大液膜增厚，傳熱系數(shù)變小，與試驗(yàn)結(jié)果相反，所以可以斷定試驗(yàn)中冷凝段液膜已處于波動(dòng)層流區(qū)或湍流區(qū)。在這兩部分，隨著傳輸功率增大，液膜厚度增大，同時(shí)液膜波動(dòng)劇烈，當(dāng)液膜波動(dòng)對(duì)傳熱系數(shù)的影響超過(guò)液膜厚度增加的影響時(shí)，熱管冷凝段傳熱系數(shù)隨傳輸功率增大而增大。
熱管蒸發(fā)段周向平均溫差如圖6所示，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí)，周向平均溫差為10℃左右，蒸汽溫度為350和380℃時(shí)，周向平均溫差為3℃左右。周向平均溫差定義是熱管蒸發(fā)段3個(gè)截面最大溫差的平均值。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，溫度為250和300℃時(shí)，3個(gè)截面溫度分布相似，均為截面下表面溫度高，上表面溫度低；蒸汽溫度為350和380 oC時(shí)，接近冷凝段的截面溫度分布為上表面溫度高，下表面溫度低，與另外2個(gè)截面剛好相反，所以平均值變小。
3 中溫?zé)峁芙邮掌餍阅芊治?/font> 本節(jié)主要分析熱管應(yīng)用到DSG系統(tǒng)接收器中對(duì)接收器性能的改進(jìn)，包括2個(gè)方面：接收器可靠性和接收器熱效率。 3.1 中溫?zé)峁芙邮掌骺煽啃?/font> Eck等對(duì)DSG系統(tǒng)接收器吸熱管周向溫差進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用普通鋼管作為吸熱管時(shí)，吸熱管周向最大溫差為40 oC.Almanza等研究結(jié)果顯示普通吸熱管周向最大溫差為60℃。為改善吸熱管周向溫差，Vicente等¨糾采用銅鋼復(fù)合管替代普通鋼管作為吸熱管，結(jié)果表明吸熱管周向溫差降至8℃，效果顯著。根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果，筆者開(kāi)發(fā)的中溫?zé)峁芙邮掌髟诟纳莆鼰峁苤芟驕夭罘矫嫘Ч蚕喈?dāng)顯著，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí)，周向平均溫差為10℃左右，最大值低于13℃。蒸汽溫度為350和380℃時(shí)，周向平均溫差僅為3℃左右。 同時(shí)熱管蒸發(fā)段與冷凝段分離的特殊結(jié)構(gòu)，使得汽水混合物對(duì)管路的沖擊很難傳遞到蒸發(fā)段，大大提高了接收器的可靠性。
3.2 中溫?zé)峁芙邮掌鳠嵝?/font>
通過(guò)能量平衡法建立拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型，將上節(jié)模擬試驗(yàn)得到的中溫?zé)峁苷舭l(fā)段和冷凝段的傳熱系數(shù)代人模型中，可算得中溫?zé)峁芙邮掌鞲鞑考囟确植?，接收器熱效率?jiàn)圖7、圖8.由圖8可以看出，中溫?zé)峁芙邮掌鳠嵝瘦^高，當(dāng)流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時(shí)，熱效率仍然高達(dá)0.8，驗(yàn)證了中溫?zé)峁芙邮掌鲀?yōu)良的傳熱性能。模擬計(jì)算中取太陽(yáng)輻射值為800 W／m2，系統(tǒng)流量為0.2 kg／s，系統(tǒng)壓力為4 MPa，環(huán)境溫度為20℃，集熱器參數(shù)見(jiàn)表1.
4 結(jié)論
1）熱管技術(shù)用于中溫太陽(yáng)能接收器中大大改善了吸熱管周向溫差，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí)，周向平均溫差為lO℃左右，最大值低于13℃。蒸汽溫度為350和380℃時(shí)，周向平均溫差僅為3℃左右，達(dá)到了與銅鋼復(fù)合管相當(dāng)?shù)男Ч粺峁苷舭l(fā)段與冷凝段分離，汽水混合物對(duì)管路的沖擊很難傳遞到蒸發(fā)段，提高了接收器可靠性。
2）中溫?zé)峁芙邮掌骶哂休^高的熱效率，當(dāng)流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時(shí)，熱效率仍然高達(dá)0.8.這驗(yàn)證了熱管技術(shù)用于中溫太陽(yáng)能接收器中的可靠性和優(yōu)越性。
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