兩種用于HCPV/T的水冷換熱器傳熱特性的對比實驗研究*

謝廣覺，季　杰，孫　煒，趙　志，馬　楊

（中國科學技術(shù)大學熱科學與能源工程系，合肥 230027）

0　引　言

太陽能聚光光伏光熱綜合利用技術(shù)（concentrator photovoltaics/thermal, CPV/T）將太陽能聚光技術(shù)與太陽能光電光熱綜合利用技術(shù)（photovoltaic/thermal,PV/T）結(jié)合，減少了CPV中電效率隨電池溫度升高而降低的損失，并將產(chǎn)生的熱能收集起來加以利用，從而極大地提高了太陽能電池及系統(tǒng)的效率[1]。由于菲涅爾透鏡具有制造方便、重量輕、成本低、口徑大、厚度薄、聚光效果好等優(yōu)點，適用于太陽能聚光系統(tǒng)。XIE等[2]通過研究得出，基于成像透鏡和非成像透鏡的菲涅爾式 CPV系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率分別可達到30%和 (31.5±1.7)%?；诖耍袊茖W技術(shù)大學的徐寧等[3]提出并試制了一種點聚焦式太陽能高倍聚光光伏光熱綜合利用技術(shù)（highly concentrating photovoltaic/thermal, HCPV/T）系統(tǒng)，雖然菲涅爾聚光光伏系統(tǒng)的散熱優(yōu)于其他聚光光伏系統(tǒng)，但仍可以利用水冷換熱器將散失在空氣中的熱量收集起來，提高系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。

光伏電池的轉(zhuǎn)化效率受運行溫度影響，效率隨溫度升高而降低。研究數(shù)據(jù)表明，電池的運行溫度每上升1℃，光電轉(zhuǎn)化效率會下降約0.4%，非晶硅電池大約會下降0.1%[4-5]。同時，晶硅電池在超出工作溫度上限的工況下，每超過10℃，老化速率加快一倍[6]。用于光伏電池的散熱技術(shù)包括風冷（自然對流冷卻、強制對流冷卻）、水冷（換熱器式冷卻、表面式冷卻、沉浸式冷卻）、輻射冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電（photovoltaic–thermoelectric, PV-TE）冷卻、相變材料（photovoltaic-phase change materials,PV-PCMs）冷卻。國內(nèi)外關(guān)于光伏電池冷卻的研究中，采用的幾種散熱方式匯總?cè)绫?所示。

表1　光伏電池冷卻方式研究成果Table 1　Research status of cooling methods for the photovoltaic cells

通過表1可以得出，與其他冷卻方式相比，水冷/液冷的熱阻較小，且對能效的提高較為明顯，也能有效地降低電池的表面溫度。通過使用循環(huán)泵，可以將換熱器式冷卻中的冷卻工質(zhì)進行循環(huán)，將工質(zhì)從電池表面吸收的熱量進行利用，提高了系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。

本文分別對比分析了微通道換熱器和多槽道換熱器兩種形式的水冷換熱器，其中微通道換熱器由于換熱器內(nèi)部具有大量的槽道，具有較大的比表面積，從而具有較強的換熱能力，但同時由于槽道間距狹窄，因此流動阻力較大，且容易結(jié)垢；多槽道換熱器利用凸起的直肋增大換熱面積，增強對冷卻工質(zhì)的擾動，且由于直肋平行于工質(zhì)流動方向，流動阻力較小，在實際使用中也具有較強的抗壓性能。

本文通過實驗研究，對比微通道換熱器和多槽道換熱器這兩種水冷換熱器的傳熱特性。

1　實驗裝置

實驗系統(tǒng)由冷卻系統(tǒng)、模擬熱源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成。冷卻系統(tǒng)包括計量泵（米頓羅機械隔膜計量泵GM0120，最大流量115 L/h）、脈動阻尼器（Φ14 cm × 40 cm）、20～40 μm 過濾器、低溫恒溫槽（Huber Bath Thermostats Kiss 220B，恒溫范圍-30～200℃，精度±0.05℃）、三向閥、換熱器、通水管路組成；工作時，由計量泵從低溫恒溫槽中抽取工質(zhì)，經(jīng)由脈動阻尼器穩(wěn)流后，通過20～40 μm的過濾器過濾雜質(zhì)，由三向閥控制，一部分流過轉(zhuǎn)子流量計之后在換熱器中與熱源進行換熱再流回低溫恒溫槽，另一部分作為穩(wěn)流支路直接流回低溫恒溫槽，之后由低溫恒溫槽進行恒溫后再由泵抽出進行新的循環(huán)。本實驗對比的兩種換熱器分別為微通道式換熱器和多槽道式換熱器，如圖1～圖4所示。

圖1　換熱器傳熱特性實驗裝置示意圖Fig. 1　Experiment device diagram about the heat transfer characteristics of the heat exchangers

圖2　換熱器傳熱特性實驗裝置實物圖Fig. 2　Prototype about the heat transfer characteristics of the heat exchangers

圖3　密封前的微通道換熱器Fig. 3　The mini channel exchanger before seal

圖4　密封前的多槽道換熱器Fig. 4　The multi channel exchanger before seal

微通道換熱器由于結(jié)構(gòu)中有大量的槽道，極大地提高了換熱器與工質(zhì)的換熱面積，從而擁有較強的換熱能力。設(shè)計加工出的微通道換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為長20 mm、寬20 mm、槽道高3 mm、槽道寬0.24 mm、銅柱寬0.56 mm。

多槽道換熱器利用與工質(zhì)流動方向平行的凸起直肋增大與工質(zhì)的接觸面積，并且能有效地減小換熱器對工質(zhì)的阻力。設(shè)計加工出的多槽道換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為長100 mm、內(nèi)徑20 mm、直肋數(shù)8根、槽高2 mm。

兩種換熱器通過螺紋與外部管路連接，并在進出口及底部開孔，安裝T型熱電偶，以計算換熱器的表面溫度Tw。

模擬熱源系統(tǒng)由純銅導熱裝置、7根功率為300 W的加熱棒（Φ10 mm × 120 mm）以及調(diào)壓器組成。導熱裝置由純銅材料加工而成，上部加工出2 cm × 2 cm的平面用來與換熱器接觸，底部打孔，插入加熱棒，為了減少模擬熱源表面的熱量散失，表面包裹著厚度為30 mm、導熱率為0.015 W/(m·K)的氣凝膠氈。即使考慮少量的熱散失，模擬熱源的功率也可以模擬聚光比為1 000×高倍聚光條件下光伏電池表面的熱流密度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由T型（銅–康銅）熱電偶（精度±0.2℃）、HIOKI多通道便攜式數(shù)據(jù)采集儀LR8402-21（測量精度1.5%℃）、轉(zhuǎn)子流量計（準確度等級為4）組成，用來采集實驗中的溫度和流量等信息。

2　實驗步驟

由于槽道式換熱器各槽道間的間距較為狹窄，普通的自來水在循環(huán)數(shù)次之后容易堵塞槽道，所以實驗中選用了安徽藍藍集團生產(chǎn)的去離子水，使用之前需將去離子水放入低溫恒溫槽中在90℃的條件下加熱1 h以上，以去除去離子水中的氣泡，避免氣泡影響換熱。在換熱器封裝之前，采用超聲波清洗機去除加工過程中余留的殘渣及銅銹。

實驗過程如下：①首先通過計量泵調(diào)節(jié)輸出流量，再利用三向閥調(diào)節(jié)主副支路流量比使得流量保持穩(wěn)定，最后通過轉(zhuǎn)子流量計旋鈕進行微調(diào)，使得流量為所需定值；②開啟調(diào)壓器，調(diào)節(jié)加熱功率為所需值；③采集數(shù)據(jù)，并記錄。整個實驗在保證其他變量基本不變的條件下，不斷改變單一變量（流量、加熱功率），測量單一變量改變時進出口溫度、換熱器表面溫度等待測數(shù)值，數(shù)據(jù)處理后得出傳熱特性上的差異。

采集數(shù)據(jù)過程中，當溫度測量值保持在±0.5℃范圍內(nèi)超過20 min即認為系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，繼續(xù)采集5 min，取該段時間內(nèi)的平均溫度作為數(shù)據(jù)記錄。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1　數(shù)據(jù)處理與誤差分析

3.1.1數(shù)據(jù)處理

利用流過換熱器工質(zhì)的進出口溫度差計算散熱量Q和單位面積換熱量q。

式中，Q為換熱器散熱量，W；q為單位面積散熱量，W/m2；cp為工質(zhì)的比熱容，J/kg·℃；Tin、Tout為工質(zhì)進出口溫度，℃；m為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；1A為換熱器受加熱面面積。

流體平均溫度Tm：

由于換熱器壁面溫度不易直接測量，在兩種換熱器底部開四個孔，利用在豎直方向的一維導熱公式計算換熱器壁面溫度Tw：

式中，T1～T4為測點溫度，℃；L1～L4為測點與表面的距離，m；k為純銅/鋁的熱導率，W/(m·K)。

平均對流換熱系數(shù)h：

式中，A2為工質(zhì)與換熱器接觸的總面積。

平均努賽爾數(shù)：

式中，D為水力學直徑，微通道換熱器的水力學直徑為多槽道換熱器的水力學直徑為為流體導熱系數(shù)

微通道換熱器槽道間平均流速uave：

式中，W為微通道換熱器寬，m；H為微通道換熱器槽道高度，m；Qf為工質(zhì)的流量，L/s；ε為槽道的孔隙率。

式中，Wc為槽道寬度，m；Wf為銅柱寬度，m。

多槽道換熱器平均流速：

雷諾數(shù)Re：

式中，ρ為工質(zhì)密度，kg/m3。

3.1.2實驗誤差分析

本實驗中熱電偶精度為±0.2℃，數(shù)據(jù)采集儀測量精度為1.5%℃，轉(zhuǎn)子流量計精度為4%L/h，結(jié)合測量時的最小溫度25℃，可得溫度測量的最大誤差為2.3%℃，所測對象為mm級，取長度的最大誤差為2%。

單位面積換熱量的綜合誤差：

計算可知q的綜合誤差為6.10%。

對流換熱系數(shù)的綜合誤差：

壁面溫度和流體平均溫度的差的計算誤差取最大值6.4%，則h的綜合誤差為8.84%。

多槽道換熱器和微通道換熱器的平均流速的綜合誤差分別為：

計算可知，多槽道換熱器的uave綜合誤差為4.65%，微通道換熱器的uave綜合誤差為4.89%。

雷諾數(shù)綜合誤差：

多槽道換熱器和微通道換熱器的雷諾數(shù)綜合誤差分別為5.06%和5.28%。

努賽爾數(shù)綜合誤差：

計算得到努賽爾數(shù)綜合誤差為9.06%。

3.2　實驗結(jié)論與分析

3.2.1換熱器單位面積換熱量與表面溫度的關(guān)系 圖5和圖6對比了兩種換熱器在同樣的加熱功率情況下，單位面積散熱量與換熱器表面溫度的關(guān)系。由圖可知，多槽道換熱器在表面溫度為75℃左右時，單位面積換熱量可達1.0×106W/m2；同等條件下，微通道換熱器的單位面積換熱量可達到1.8×106W/m2。對比圖5和圖6不同條件下的結(jié)果可以得出，在同等條件下，微通道換熱器的換熱能力強于多槽道換熱器，這是由于微通道換熱器相比于多槽道換熱器與工質(zhì)有較大的換熱面積，從而使得工質(zhì)在入口溫度相近的情況下，熱交換更加充分。

圖5　多槽道換熱器的表面溫度和單位面積換熱量關(guān)系Fig. 5　The relationship between the heat transfer rate per unit area and the surface temperature of the multi channel exchanger

圖6　微通道換熱器的表面溫度和單位面積換熱量關(guān)系Fig. 6　The relationship between the heat transfer rate per unit area and the surface temperature of the mini channel exchanger

流量一定時，單位面積換熱量與表面溫度大致呈線性關(guān)系，斜率代表實際對流換熱系數(shù)。單位面積換熱量隨壁面溫度上升而增大，這是由于換熱器內(nèi)部工質(zhì)流速恒定時，隨著換熱面溫度的升高，工質(zhì)與換熱面之間的溫差增大，從而增大換熱量。從圖中也可以看出，隨著流量的增大，單位面積換熱量也會增加，這是由于表面溫度相同的情況下，流速越快，冷卻工質(zhì)可以更快地進入換熱器中，使得工質(zhì)與壁面間保持更大的溫差，從而增大換熱量。

3.2.2換熱器單位面積換熱量與流量的關(guān)系

為進一步研究換熱器單位面積換熱量與流量的關(guān)系，對比了模擬熱源輸入電壓相同時，流量變化的情況下兩種換熱器的換熱能力。圖7和圖8分別對比了兩種換熱器在模擬熱源輸入電壓為135 V時單位面積換熱量與流量的關(guān)系。從圖7可以看出，多槽道換熱器的單位面積換熱量與流量近似為線性關(guān)系，斜率保持穩(wěn)定，流量增大到100 L/h時換熱量仍有繼續(xù)增大的趨勢。而在圖8中，微通道換熱器的單位面積換熱量在低流量下隨流量增大而增大，且在開始段斜率大于多槽道換熱器，隨后斜率不斷減小，50 L/h工況下的換熱量比40 L/h下提升不明顯，可見流量的增大對多槽道換熱器換熱能力提升的影響更為顯著。這是由于微通道換熱器在換熱的過程中，當流量進一步增大時，工質(zhì)沿槽道高度方向的流體溫度梯度將增大，工質(zhì)在還未充分換熱時就流出了換熱器；而多槽道換熱器的槽道平行于流體的流動方向，且與流體有充分的換熱面積，在較高流速時仍能與流體充分換熱。

圖7　多槽道換熱器在135 V下單位面積換熱量與流量的關(guān)系Fig. 7　The relationship between the heat transfer rate per unit area and the flow rate of the multi channel exchanger in the condition of 135 V

圖8　微通道換熱器在135 V下單位面積換熱量與流量的關(guān)系Fig. 8　The relationship between the heat transfer rate per unit area and the flow rate of the mini channel exchanger in the condition of 135 V

3.2.3換熱器換熱系數(shù)與表面溫度的關(guān)系

結(jié)合前文的實驗結(jié)果，圖9和圖10給出了不同流量工況下兩種換熱器換熱系數(shù)與表面溫度之間的關(guān)系。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)，相同流量工況下，兩種換熱器的換熱系數(shù)總體上大致保持穩(wěn)定，換熱器表面溫度對換熱系數(shù)的影響較小；而隨著流量的增大，換熱系數(shù)也逐漸增大，這是由于隨著流量增大，雷諾數(shù)Re變大，換熱能力增強；多槽道換熱器在流量超過30 L/h、壁面溫度超過70℃時，換熱系數(shù)會略有減小，這可能是由于當表面溫度超過70℃時，換熱器表面與工質(zhì)的溫差較大，在較高流速的情況下，工質(zhì)尚未與換熱器充分換熱時，就已流出換熱器；微通道換熱器在流量為50 L/h時，其換熱系數(shù)會隨表面溫度升高而略有增大，這可能是由于流量較大時，微通道換熱器的內(nèi)部流阻較大，從而使得工質(zhì)雖然在換熱器中是層流狀態(tài)，但在各層之間有少量摻混現(xiàn)象，所以工質(zhì)之間的換熱不僅僅有層流狀態(tài)下的層流換熱，還有對流引起的換熱，從而使得換熱能力略有提升。

圖9　多槽道換熱器換熱系數(shù)與表面溫度的關(guān)系Fig. 9　The relationship between the heat transfer coefficient and the surface temperature of the multi channel exchanger

圖10　微通道換熱器換熱系數(shù)與表面溫度的關(guān)系Fig. 10　The relationship between the heat transfer coefficient and the surface temperature of the mini channel exchanger

3.2.4換熱器Nu與Re的關(guān)系

圖11和圖12給出了兩種換熱器的Nu與Re的關(guān)系，可以看出兩種換熱器的Nu均隨Re增大而增大，且并未有平緩段。根據(jù)傳熱學中的對流理論，槽道的充分發(fā)展段Nu為定值，說明兩種換熱器在10 L/h至50 L/h的、表面溫度30℃至85℃的工況下均處于進口段。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，多槽道換熱器的Nu顯著大于微通道換熱器，這是由于多槽道換熱器的水力學直徑D2大于微通道換熱器的D1，既導致了Nu的增大，同時也導致了Re的增大。

圖11　多槽道換熱器Nu與Re的關(guān)系Fig. 11　The relationship between the Nusselt number and the Reynolds number of the multi channel exchanger

圖12　微通道換熱器Nu與Re的關(guān)系Fig. 12　The relationship between the Nusselt number and the Reynolds number of the mini channel exchanger

在傳熱學理論中，對于形狀一定、結(jié)構(gòu)特定的換熱器，Nu通常可以回歸為Re與Pr的函數(shù)方程，

將前文的實驗結(jié)果進行擬合，分別得出多槽道換熱器Nu與Re的經(jīng)驗式和微通道換熱器的經(jīng)驗式

將實驗數(shù)據(jù)與擬合所得經(jīng)驗式進行對比，發(fā)現(xiàn)多槽道換熱器和微通道換熱器的實驗結(jié)果與經(jīng)驗式的最大誤差分別為23.1%和9.7%，所以擬合得出的經(jīng)驗式可以較好地表達類似結(jié)構(gòu)換熱器的對流傳熱特性。

4　結(jié)　論

（1）多槽道換熱器在流量為50 L/h、換熱器表面溫度為75℃時，單位面積換熱量可達1.0×106W/m2；而在同等條件下，微通道換熱器單位面積換熱量能達到1.8×106W/m2。說明在同等條件下，微通道換熱器的換熱能力比多槽道換熱器強。

（2）當流量超過40 L/h，微通道換熱器的單位面積換熱量增速放緩，而多槽道換熱器在流量達到100 L/h的條件下，單位面積換熱量增速保持穩(wěn)定，仍有繼續(xù)提高的趨勢?？紤]到多槽道換熱器不易結(jié)垢、耐壓、容易與其他部件連接的特點，多槽道換熱器更適用于流量較大的換熱工作環(huán)境中。

（3）兩種換熱器的換熱系數(shù)在流量10～50 L/h、表面溫度30～85℃的工況下大致保持穩(wěn)定，換熱器表面溫度對換熱系數(shù)的影響較小。

（4）兩種換熱器的Nu均隨Re的增大而增大，兩種換熱器Nu數(shù)與Re數(shù)、Pr數(shù)的經(jīng)驗公式為：多槽道換熱器微通道換熱器