针对不同储热材料的脉动热管太阳能集热器性能分析

刘建红,阎天海,商福民,2,刘 栋,曹 欣,杨 凯,郑超凡,巨海娇

(1.长春工程学院能源动力工程学院,吉林省 长春市 130012;2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心,吉林省 长春市 130012)

0 引言

引随着国家“双碳”目标的确立,减少化石能源的使用,加大清洁能源利用将成为助力“双碳”目标实现的重要举措[1],太阳能作为一种清洁的可再生能源,是解决能源危机和环境污染问题的有效途径之一,但利用过程中间歇性和不稳定性是太阳能利用突出的问题,为此国内外学者针对太阳能收集利用做了大量研究。文献[2-5]为提高系统的稳定性和能量转化效率,均采用实验方法研究弥补太阳能间歇性的问题。文献[6]针对空气式真空管太阳能集热器,提出了通过改进组合结构以及增加换热面粗糙度提高相变蓄热性能将是重点研究方向。文献[7]设计的太阳能集热装置,按照标准测试方法对太阳能集热装置进行能效测试,提高了太阳能集热装置的质量,促进太阳能集热装置的优化升级。文献[8]研究热储存与太阳能聚光系统结合,为改善纯石蜡的低到电模式,提出新型的翅片结构。文献[9-10]提出了一种新型的太阳能热光伏集成系统,文献[11]利用相变材料储存系统吸收的热量,研究表明能提高系统效率、储存热量和维持较长时间热量输出。文献[12]对不同充液率的脉动热管的热性能进行了评估,将数值模拟与实验结果进行了比较和验证。文献[13]从理论上建立了U 型脉动热管的传热传质模型,并通过数值模拟探讨了绝热段长度对热性能的影响。脉动热管[14-16]作为一种高效的传热元件,受到关内外学者广泛关注。

本文利用脉动热管作为传热元件,设计新型蓄热式脉动热管太阳能集热器,实验装置采用全玻璃真空管内放置脉动热管,同时添加储热材料,利用储热材料将太阳能储存起来,在需要的时候释放,解决太阳能具有的间歇性问题,实现持续供能的目的。

1 实验装置和实验原理及方法

实验系统主要有真空玻璃管、脉动热管,Agilent 34980A型数据采集器、热线风速仪、电磁式空气泵、计算机等组成,如图1所示。真空玻璃管内包括石蜡、传热元件(脉动热管)、翅片。Agilent 34980A型数据采集器的采集时间为2s,热线风速仪用于测量出口空气流速,采用MR-4 辐射热计监测太阳辐射。

真空玻璃管全长950mm,表面镀有黑镍选择性镀层,真空玻璃管内镀层长度为850mm。真空玻璃管内的脉动热管整体为一个闭合回路,壁面设置3组铝质翅片,脉动热管充液率φ=50.0%,管内工质采用去离子水,真空玻璃管内部构造如图2所示。实验一共布置了10个测点,脉动热管管束上蒸发段、冷凝段、绝热段各布置了2个测点,进出口各布置了1个测点,真空玻璃管内布置了1个测点,储热材料位置布置了1个测点。在图2只标记了脉动热管蒸发段、冷凝段和绝热段3个测点位置。A1为脉动热管顶端的壁面温度,A2为脉动热管Ⅱ段顶端的壁面温度,A3为位于储热材料内脉动热管底端的壁面温度。脉动热管Ⅱ段填充储热材料。

图2 集热器内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of internal structure of collector

2 实验结果对比分析

2.1 不同储热材料集热器特性分析

图3(a)为储热材料为石蜡的集热器不同位置的温度随时间的变化曲线.全玻璃真空管吸收太阳辐射,一部分热量加热全玻璃真空管内的冷空气,一部分热量被石蜡直接吸收储存。从图3(a)可看出,A1的温度远远高于A3,说明此时I段为脉动热管蒸发段,Ⅱ段为脉动热管冷凝段。石蜡温度和A3温度近似相等,变化趋势都与加热时间呈正比关系。在整个热量转化过程中,当冷空气吸收的热量大于石蜡吸收的热量时,脉动热管蒸发段温度大于全玻璃真空管内的温度,蒸发段向全玻璃真空管传递热量,冷凝段温度与石蜡温度近似相同,致使冷凝段与石蜡之间没有热量交换,此时,脉动热管只向全玻璃真空管传递热量,保证集热器输出热量稳定。当τ=15780s时,A3测点温度与石蜡温度高于A1测点温度和全玻璃真空管内温度,但都随加热时间呈下降趋势,说明石蜡是集热器的主要热源,由于A3的温度远远高于A1,说明Ⅱ段为脉动热管蒸发段,I段为脉动热管冷凝段。石蜡在凝固过程中释放热量,冷空气入口流道设置在石蜡表面,冷空气先与石蜡进行一次换热,再经过脉动热管进行二次换热,随后通过出风口将热量传递出去。

图3 集热器温度曲线Fig.3 Temperature curve of the heat collector

图3(b)为储热材料为水的集热器测点温度随时间变化曲线。从图3(b)可看出:A1温度最高,远大于全玻璃真空管内温度,此时Ⅰ段为脉动热管蒸发段,脉动热管加热段向真空玻璃管传导热量,同时,脉动热管冷凝段壁温大于储热材料水的温度。脉动热管加热段开始时温度上升迅速,当壁温接近100℃时,温度上升缓慢;脉动热管冷凝段则是一直处于一个稳步缓慢上升的状态。脉动热管冷热端温度差随时间先增大后减小。当τ=12008s时,A3温度最高,A3为脉动热管蒸发段,此时,A1为脉动热管冷凝段。从图中可以看出,脉动热管蒸发段管壁温度有局部的波动,冷凝段壁温逐渐与水的温度接近,说明此阶段是水充当整个装置主要热源,向外界输送热量。全玻璃真空管内温度整体高于脉动热管加热段温度,此时,加热段向吸收真空玻璃管内的热量,将热量逆向传递给水,反向补给热源的热量。

图4(a)是储热材料为石蜡时蓄热式脉动热管太阳能集热器瞬时效率随时间变化曲线,从图4(a)可看出,ηmax=79.4%。根据GB/T 17581—2021真空管型太阳能集热器规范得知,基于采光面积和平均温度,无反射器的全玻璃真空管型太阳能集热器峰值效率不低与68%。集热器最大集热效率大于79.4%,符合国家规范要求。从整体曲线变化上来看,集热器集热效率随时间变化呈上升趋势。当集热效率达到70%时,处于一个相对平稳的趋势。

图4 集热器集热效率曲线Fig.4 Efficiency curve of the heat collector

图4(b)为储热材料为水时,蓄热式脉动热管太阳能集热器瞬时效率随时间变化曲线,从图4(b)可看出,ηmax=74.8%,符合国家规范要求。储热材料为水时,集热器瞬时效率曲线随时间波动较大,从整体曲线变化上来看,集热器集热效率随时间变化呈现一个先增大后减小的变化趋势,且上升和下降速度都非常快。从集热效率上来看,储热材料为石蜡的集热器,集热性能优于储热材料为水的集热器。

2.2 有、无光照时的集热器特性分析

图5(a)为储热材料为石蜡时,集热器有、无光照时的热量输出随时间变化曲线。从图5(a)可看出,有光照时集热器最高输出热量为54.2W,最低热量为8.9W,光照时间为5000～15000s时,输出热量在50W 上下波动;在无光照时集热器最高输出热量为31.45W,集热器输出的热量随着时间变化逐渐减少,当达到10W 时,输出的热量基本保持不变。

图5(b)为储热材料为水时,集热器有、无光照时的热量输出随时间变化曲线。从图5(b)可看出,在有太阳辐射下,集热器最高输出热量为26.7W,最低热量为7.9W;在无太阳辐射下,集热器最高输出热量为24.8 W。在有太阳辐射下,集热器在4000～5000s时,输出热量在25 W 上下波动,而随着太阳辐射下降,输出热量也开始减少;无太阳辐射条件下,集热器输出的热量呈线性变化,随着时间变化逐渐减少。

2.3 热阻及当量导热系数分析

图6为不同储热材料脉动热管当量导热系数变化曲线,从图6可看出,在相同充液率、相同倾斜角度以及相同的光照强度下,储热材料为石蜡的当量导热系数要大于水的当量导热系数。石蜡为储热工质时脉动热管的当量导热系数λmax=5574W/(m·K),而水为储热工质时脉动热管当量导热系数λmax=3014W/(m·K)。石蜡相较与水,脉动热管当量导热系数提高了64.9%,而实验所用的黄铜导热系数为109W/(m·K),石蜡为储热材料情况下当量导热系数约为黄铜的51.14倍,而水为储热材料情况下当量导热系数约为黄铜的27.65倍。通过分析可知,脉动热管具有良好的传热性能,可以大大提高集热器的传热性能。

图6 不同储热材料的当量导热系数曲线Fig.6 Equivalent thermal conductivity curve under different heat storage materials

图7为不同储热材料热阻随时间变化曲线,从图7可看出,在充液率50%、相同倾斜角度以及光照强度相同的条件下,储热材料为石蜡,其热阻随时间呈现一个先增大之后保持平稳,随后减小的一个情况,而储热材料为水时,其热阻出现了先增后减的一个变化规律。从图7可看出,储热材料为石蜡时其热阻最大值为Rmax=1.36K/W,最小值为Rmin=1.09K/W,而储热材料为水时其热阻最大值为Rmax=2.15K/W,最小值为Rmin=0.36K/W,相比较石蜡,储热工质为水时,其最小热阻降低了24.8%,其最大热阻提高了61.2%。

图7 不同储热材料的热阻曲线Fig.7 Thermal resistance curve under different heat storage material

3 传热特性分析

图8为脉动热管蒸发段与冷凝段管壁温度随时间变化曲线如所示。从图8可看出,脉动热管蒸发段与冷凝段壁温波动幅度较大,振荡效果明显。脉动热管蒸发段壁温升高,达到一个准平衡状态。此时,蒸发段与冷凝段形成脉冲波形相互对应。蒸热段呈“↓”,冷凝段呈“↑”。当脉动热管呈“↓”时,蒸发段内工质受热温度升高,向冷凝段传递热量,而冷凝段呈“↑”是受到蒸发段传递的热量,出现温升想象,出现向上的波形。

图8 脉动热管壁温变化曲线Fig.8 Wall temperature of PHP under different times

4 结论

本文将脉动热管应用到太阳能集热器中,设计了新型蓄热式脉动热管太阳能集热器。实现全天候持续提供能量,解决了太阳能间断性和不稳定性的问题。研究结果表明:

(1) 储热材料为石蜡时集热器最大集热效率为79.4%,储热材料为水时集热器最大集热效率为74.8%,这2种储热材料的集热器集热效率都符合规范要求,但从整体效果来看,储热材料为石蜡的集热器集热效果明显优于储热材料为水的集热器。

(2) 相较与水,储热材料为石蜡时脉动热管当量导热系数提高了64.9%。

(3) 储热材料为石蜡的热阻相对稳定,而为水的则呈现先增大后减小的趋势,其最小热阻降低了24.8%,其最大热阻提高了61.2%。