新型相變蓄熱式太陽能集熱管及熱性能研究

上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所■華維三章學(xué)來羅孝學(xué)劉宇飛

新型相變蓄熱式太陽能集熱管及熱性能研究

上海海事大學(xué)蓄冷技術(shù)研究所■華維三章學(xué)來*羅孝學(xué)劉宇飛

結(jié)合太陽能真空集熱管和相變蓄熱材料的特點(diǎn)，提出了一種集熱/蓄熱一體化的新型相變蓄熱式太陽能集熱管，該集熱管主要由金屬-玻璃真空集熱管、螺旋換熱管和相變蓄熱材料組成。通過室外蓄放熱性能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明：該新型相變蓄熱式太陽能集熱管集熱效果良好，集熱溫度可達(dá)80℃以上，可很好地應(yīng)用于熱水供暖領(lǐng)域；以石蠟為相變蓄熱材料，單根集熱管的蓄熱量可達(dá)3.25 MJ；放熱過程中，有效得熱量為873.6 kJ，放熱損耗率為0.602；在保溫性能上，溫降率達(dá)1.67℃/h，保溫性能待進(jìn)一步提高。

太陽能；太陽能集熱管；相變材料；石蠟；螺旋管

0　引言

太陽能易受地域、天氣等因素影響，不能24 h源源不斷地為用戶提供能量，這種間隙性和分散性缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了人類對(duì)它的充分利用［1，2］。然而，隨著相變儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能的這種缺點(diǎn)得到了一定的改善。利用相變儲(chǔ)能技術(shù)和太陽能集熱器將白天充足的太陽能進(jìn)行高效的吸收和儲(chǔ)存，這不僅可以克服太陽能間隙性和分散性的缺點(diǎn)，還可節(jié)約大量的電加熱運(yùn)行費(fèi)用［3-5］。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)的結(jié)合進(jìn)行了大量研究［6-11］。如楊斯涵［12］提出了一種與太陽能集熱水箱耦合的相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的測試和模擬分析。結(jié)果表明，集熱水箱加入相變蓄熱器改善了釋能過程的水箱內(nèi)熱分層效果，提高了進(jìn)入水箱的釋熱總量。而國外，Eman-Bellah S Mettaweea等［13］研究了一種新型太陽能復(fù)合相變集熱器，該集熱器集熱/蓄熱一體化，沒有水箱。對(duì)該集熱器進(jìn)行戶外蓄放熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：平均換熱系數(shù)隨著相變蓄熱材料熔化層的增厚而增大，有效得熱量隨著水的質(zhì)量流量增加而增加。

綜上所述，國內(nèi)外對(duì)太陽能和相變蓄熱結(jié)合的研究已有很多，但將太陽能真空集熱管與相變蓄熱進(jìn)行一體化的研究還較少。本文提出將相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用于漸進(jìn)成熟的金屬-玻璃真空集熱管中，將其做成一種新型集熱/蓄熱一體化的太陽能相變集熱管。多根太陽能相變集熱管串接或并接起來，又可得到無水箱的相變蓄熱式太陽能集熱器。這種無水箱的相變蓄熱式太陽能集熱器是玻璃金屬太陽能真空管與納米復(fù)合相變蓄熱材料的有效耦合，可對(duì)太陽能進(jìn)行有效吸收和儲(chǔ)存，并實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的無水箱、防炸管、高蓄熱量。因此，該新型相變集熱管具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，值得深入的研究和開發(fā)。

1　相變蓄熱式太陽能真空集熱管

1.1結(jié)構(gòu)介紹

圖1為相變蓄熱式太陽能真空集熱管（簡稱相變集熱管）實(shí)物圖，其主要組成元件及參數(shù)如下：金屬-玻璃真空集熱管，外徑120 mm、內(nèi)徑100 mm、長1000 mm，外管為高硼硅玻璃、內(nèi)管（吸熱體）為不銹鋼材質(zhì)，太陽吸收比＞0.94、發(fā)射比0.06，由皇明太陽能（上海）有限公司提供；螺旋換熱管，外徑10 mm，螺旋總長2.3 m，表面積0.072 m2，由金屬銅管加工而成；相變蓄熱材料為高效切片石蠟，其相變溫度為58～60℃，由上海永華石蠟有限公司提供；密封法蘭，由鋁合金加工而成；金屬支架，為不銹鋼材質(zhì)。相變蓄熱式太陽能真空集熱管無需水箱、蓄熱量大、能承壓和防炸管，可對(duì)白天充足的太陽能進(jìn)行有效吸收和儲(chǔ)存。

圖1相變蓄熱式太陽能真空集熱管

圖2為相變集熱管的剖視圖，其中相變蓄熱材料密封于玻璃-金屬集熱管中；玻璃-金屬集熱管外層為玻璃、內(nèi)層為金屬，兩者之間抽為真空；螺旋換熱管埋于相變材料中，其中心管由上至下布置有測溫點(diǎn)P1、P2和P3；螺旋換熱管的進(jìn)口端和出口端固定在法蘭盤上；法蘭盤用于密封相變蓄熱材料和固定螺旋換熱管，其中心孔上開有一個(gè)釋壓孔。整個(gè)相變集熱管利用玻璃-金屬內(nèi)管外表面上的選擇性吸收涂層進(jìn)行太陽能的吸收，利用集熱管內(nèi)的相變蓄熱材料進(jìn)行太陽能的熱儲(chǔ)存。

圖2　集熱管剖視圖

1.2運(yùn)行原理

晴朗的白天，太陽光透過玻璃-金屬真空集熱管的外管和真空層照射在帶有選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管上，金屬內(nèi)管由此開始吸熱，溫度升高，同時(shí)將熱量傳遞給封閉在其內(nèi)的相變蓄熱材料；相變蓄熱材料得到熱量后，開始進(jìn)行顯熱儲(chǔ)存和潛熱儲(chǔ)存，并將多余熱量傳遞給埋在其中的螺旋換熱管；螺旋換熱管得到熱量后將加熱其內(nèi)的傳熱工質(zhì)，傳熱工質(zhì)得到熱量后就可將熱量輸送到所需之處，當(dāng)白天太陽能充足而又不使用熱量的情況下，相變集熱管將積蓄越來越多的熱量；積蓄熱量過多可能導(dǎo)致集熱管過熱，此時(shí)法蘭盤上的釋壓孔將發(fā)揮其作用，可有效緩沖過熱產(chǎn)生的壓力。

在沒有太陽光和用水量大的情況下，該新型相變集熱管將發(fā)揮它的關(guān)鍵功能。往螺旋換熱管里通入冷水，則金屬內(nèi)管里的相變蓄熱材料將釋放在白天儲(chǔ)存的大量熱量，以此加熱螺旋換熱管和其內(nèi)的冷水，從而實(shí)現(xiàn)集熱器的連續(xù)放熱功能。放熱過程為顯熱放熱和潛熱放熱的綜合。

1.3測試系統(tǒng)

為了測試相變蓄熱式太陽能集熱管的熱性能參數(shù)，搭建了圖3所示的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)主要由相變蓄熱式太陽能集熱管、太陽能輻射儀、循環(huán)式恒溫槽和安捷倫數(shù)據(jù)采集儀組成。其中，太陽能輻射儀用于測試當(dāng)日的太陽能直射輻射值；循環(huán)式恒溫水槽作為系統(tǒng)的水循環(huán)動(dòng)力和模擬儲(chǔ)水箱，槽內(nèi)布置有水溫測試點(diǎn)；安捷倫數(shù)據(jù)采集儀用于采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的所有溫度信號(hào)和太陽能輻射值。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過相變蓄熱式太陽能集熱管中布置的P1、P2、P33個(gè)測溫點(diǎn)，可測試相變集熱管的蓄熱量、放熱效率和溫降率等熱性能參數(shù)。

圖3　實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

2　實(shí)驗(yàn)測試及分析

實(shí)驗(yàn)主要分為蓄熱實(shí)驗(yàn)、保溫實(shí)驗(yàn)和放熱實(shí)驗(yàn)，蓄熱實(shí)驗(yàn)在晴天的10:00～17:00進(jìn)行，蓄熱時(shí)長7 h；保溫性能實(shí)驗(yàn)在第一天20:00至第二天05:00進(jìn)行，歷時(shí)9 h；放熱性能實(shí)驗(yàn)在17:00點(diǎn)后進(jìn)行，放熱過程用循環(huán)式恒溫水槽模擬循環(huán)水泵和儲(chǔ)水箱（恒溫槽循環(huán)水流量為120 L/h，水槽總?cè)莘e為18 L，恒溫槽內(nèi)水的初始溫度為30℃）。實(shí)驗(yàn)采用的相變蓄熱材料為石蠟，其主要參數(shù)為：相變溫度58～60℃、相變潛熱189～220 kJ/kg、比熱容2.14～2.9 J/（g·K），導(dǎo)熱系數(shù)0.21～0.55 W/（m·K）。

2.1相變集熱管的蓄熱性能

圖4為相變集熱管的蓄熱性能曲線圖（實(shí)驗(yàn)從2015年5月19日10:00開始）。從圖4可看出：蓄熱開始前，P3點(diǎn)的溫度高于P1點(diǎn)和P2點(diǎn)的溫度；而蓄熱過程進(jìn)行1 h后，P1、P2和P3點(diǎn)之間的溫差出現(xiàn)較大的偏離和交叉，P1點(diǎn)的溫升速度明顯大于P2點(diǎn)和P3點(diǎn)的溫升速度；由于P2點(diǎn)處于相變集熱管的中部，因此該點(diǎn)的溫度介于P1點(diǎn)和P3點(diǎn)之間；而P3點(diǎn)處于相變集熱管的底部，所以蓄熱開始后溫升較慢，溫度處于最低。P1、P2和P3點(diǎn)之間蓄熱前后的這種溫度分布，符合材料熱脹冷縮和熱上浮冷下沉的原理。3條測溫曲線在60℃時(shí)都有一個(gè)小小的平臺(tái)，此平臺(tái)為石蠟的相變平臺(tái)，在該平臺(tái)段內(nèi)，相變材料溫度不變，保持相變潛熱蓄熱。在整個(gè)蓄熱過程中，相變集熱管內(nèi)存在熱分層現(xiàn)象，蓄熱效果好，可很好地應(yīng)用于日常生活熱水。

圖4　相變集熱管的蓄熱曲線

2.2相變集熱管的放熱性能

當(dāng)集熱器內(nèi)相變蓄熱材料的溫度為65℃時(shí)，進(jìn)行相變集熱管的放熱實(shí)驗(yàn)。放熱實(shí)驗(yàn)開始前，將恒溫槽循環(huán)泵的流量設(shè)置為120 L/h，并往恒溫水槽內(nèi)注滿16 L 30℃的自來水。待所有準(zhǔn)備工作完成后，打開恒溫槽循環(huán)泵，得到圖5所示的放熱曲線（實(shí)驗(yàn)從2015年5月21日17:00開始）。從圖5可看出，在放熱的前15 min內(nèi)，相變集熱管內(nèi)相變蓄熱材料的溫度下降較快，溫度從65℃降到了45℃；而恒溫槽內(nèi)自來水的溫度上升較快，前15 min內(nèi)上升了12℃。相變集熱管內(nèi)的相變蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)本身很低，但在本實(shí)驗(yàn)中能快速地放出熱量，這得益于相變集熱管內(nèi)的螺旋換熱管。螺旋換熱管是一種優(yōu)良的傳熱結(jié)構(gòu)，它具有單位體積內(nèi)換熱面積大、換熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于相變蓄熱裝置中［14，15］。在放熱持續(xù)15 min后，相變集熱管內(nèi)相變蓄熱材料的溫度和恒溫槽內(nèi)自來水的溫度都變化緩慢；特別是在35 min以后，二者之間的溫度幾乎趨于穩(wěn)定，平衡于43℃。仔細(xì)觀察相變集熱管內(nèi)3個(gè)測點(diǎn)的溫度變化曲線，還可發(fā)現(xiàn)其溫度存在上下波動(dòng)的現(xiàn)象，而并非平滑的下降。經(jīng)分析，這主要是相變材料的緩慢凝固、部分凝固、固液共存和潛熱放熱引起的，這種現(xiàn)象與相變對(duì)流的傳熱規(guī)律相吻合。

圖5　集熱管的放熱曲線

2.3相變集熱管的保溫性能

將相變集熱管頂部法蘭盤處用3 cm厚保溫棉進(jìn)行包裹，以減少法蘭盤和進(jìn)出口水管與環(huán)境接觸散熱。實(shí)驗(yàn)由2015年5月20日20:00開始，歷時(shí)9 h得到圖6所示的保溫曲線。從圖6可看出，在相變集熱管靜態(tài)情況下35°傾角放置時(shí)，管內(nèi)存在明顯的熱分層現(xiàn)象，測溫點(diǎn)P1（頂部）的溫度始終處于最低，P2點(diǎn)（中部）的溫度次之，而P3點(diǎn)（底部）的溫度最高。相變集熱管內(nèi)相變蓄熱材料靜態(tài)情況下的這種溫度分布與集熱管的結(jié)構(gòu)和放置有關(guān)。因?yàn)橄嘧兗療峁芴幱?5°傾角放置，P1、P2和P3之間存在高度差，按照液體靜置時(shí)熱上浮冷下沉的原理，P1、P2和P3之間的溫度大小關(guān)系應(yīng)為P1＞P2＞P3，然而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合這種大小分布關(guān)系，管內(nèi)實(shí)際溫度分布為P1＜P2＜P3，這主要是由真空管自身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)引起的（真空管中下部為真空結(jié)構(gòu)、散熱量小，而頂部為金屬法蘭盤結(jié)構(gòu)、散熱量大，因此管內(nèi)相變蓄熱材料由頂部開始降溫和凝固）。對(duì)于相變集熱管的保溫性能，可從圖6所示的溫降曲線來分析。經(jīng)過夜間9 h的溫降后，相變集熱管內(nèi)的相變蓄熱材料溫度從80℃降到了約65℃，溫降率為1.66℃/ h，因此保溫不是很好，后期應(yīng)加強(qiáng)保溫。

圖6　集熱管的保溫實(shí)驗(yàn)

3　相變集熱管的熱性能分析

3.1有效蓄熱量

相變集熱管的總蓄熱量Q可由式（1）來計(jì)算：

式中，c、m、h分別為石蠟的比熱容、質(zhì)量、潛熱值；ΔT1、ΔT2為溫差，ΔT1=T相-T1，ΔT2= T2-T相，其中，T1為相變蓄熱材料的起始溫度，T2為相變蓄熱材料的終止溫度，T相為相變溫度。

將T1=30℃、T2=80℃、T相=59℃、c=2.5 J/ （g·K）、h=200 kJ/kg、m=10 kg代入式（1），可計(jì)算出單根相變集熱管相變蓄熱材料的蓄熱量為3.25 MJ。

3.2放熱損耗率

根據(jù)能量守恒定律和傳熱學(xué)定理，可得到相變集熱管的有效得熱量和放熱損耗率為：

式中，Qp為相變集熱管中相變蓄熱材料石蠟的放熱量，kJ；Qw為16 L水的有效得熱量，kJ；q損為相變集熱管放熱過程中的放熱損耗率；cw、mw分別16 L水的比熱容和質(zhì)量；Tp1為相變蓄熱材料放熱前的溫度，Tp2為放熱后的溫度，ΔTp1= T相-Tp1，ΔTp2=Tp2-T相；ΔTw=Tw2-Tw1，其中，Tw1為恒溫水槽內(nèi)自來水的起始溫度；Tw2為恒溫水槽內(nèi)自來水的終止溫度（假設(shè)恒溫水槽為絕熱）。

以圖5所示的放熱過程為例，則相變集熱管的有效得熱量為873.6 kJ，放熱損耗率為0.602。

3.3平均溫降率（環(huán)境溫度）

實(shí)驗(yàn)裝置利用真空管的真空性能進(jìn)行保溫，真空度的大小對(duì)保溫性能的影響較大。實(shí)驗(yàn)所用的玻璃-金屬真空集熱管的理論真空度為10-4～10-3，成品真空管真空度為固定值，實(shí)驗(yàn)過程中無法改變。利用相變集熱管在夜間的溫度變化起始點(diǎn)、終止點(diǎn)和保溫持續(xù)時(shí)間，可建立相變集熱管的平均溫降率公式：

式中，μ為相變集熱管平均溫降率，℃/h；Tb1為相變蓄熱材料的起始溫度，℃；Tb2為相變蓄熱材料的終止溫度，℃；t為時(shí)間，h。

結(jié)合圖6的保溫曲線，將Tb1=80℃、Tb2= 65℃、t=9 h帶入式（5），則可計(jì)算出相變集熱管在環(huán)境溫度為26℃時(shí)的平均溫降率為1.67℃/h。

4　結(jié)論

相變蓄熱材料可很好地密封于玻璃-金屬熱管中，二者耦合具有很好的集熱/蓄熱性能。在蓄熱過程中，管內(nèi)相變蓄熱材料溫度可達(dá)80℃以上，出水溫度主要集中在45℃左右。若將相變集熱器單元串接或并接起來，便可得到無水箱相變蓄熱式太陽能集熱器，可廣泛應(yīng)用于城市高層建筑的熱水和供暖。

然而實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，相變集熱管的放熱速率、有效放熱量和保溫性能仍有待提高。對(duì)于相變集熱管放熱速率，后期可利用相變溫度和相變潛熱值較高的相變蓄熱材料替代石蠟。對(duì)于有效得熱量，提升的空間還很大，下一步可通過減小傳熱溫差和減少熱耗散來提高有效得熱量。而在保溫性能方面，相變集熱管的夜間平均溫降率為1.66℃/h，熱耗散較大，主要是因?yàn)橄嘧兗療峁茼敳繛榻饘俜ㄌm盤結(jié)構(gòu)，保溫采用保溫棉包裹，保溫性能較差。后期可利用聚氨酯整體發(fā)泡來提高相變集熱管的保溫性能，從而降底平均溫降率。

綜上所述，新型相變集熱管具有集熱/蓄熱一體化功能、結(jié)構(gòu)簡單和充放熱穩(wěn)定的特點(diǎn)，若克服其現(xiàn)有的缺點(diǎn)，則可將其廣泛應(yīng)用于空間受限的城市熱水供暖領(lǐng)域，對(duì)我國節(jié)能減排也具有重要的意義。

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2015-08-26

上海市教委重點(diǎn)項(xiàng)目（12ZZ154）；上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（SMU201405）

章學(xué)來（1964—），男，博士、教授，主要從事蓄能技術(shù)方面的研究。weisanhua@yeah.net