翅片強化蓄熱型平板集熱器設(shè)計與分析

許立鵬 蘇慶宗

內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院

0 引言

太陽能因儲量巨大、壽命長久被廣大科研人員青睞[1]，但開發(fā)受到間歇性的影響[2]，平板太陽能熱利用受到環(huán)境溫度與輻射強度共同的影響。當(dāng)集熱裝置的光學(xué)損失與熱損失之和高于集熱面太陽輻射投射量，集熱進程將不在進行[3-4]，所以日出、日落、雨雪或多云天氣集熱效果最差。

合理開發(fā)太陽能，熱存儲技術(shù)是解決太陽能供需之間不協(xié)調(diào)的關(guān)鍵[5]，熱存儲主要在于高的儲熱密度，高傳熱效率和優(yōu)異的重復(fù)利用性能，相變材料在加速熱循環(huán)重復(fù)性實驗中證明，其熔化溫度與潛熱值都表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定[6-7]，并且成本更低，熔化溫度更寬，安全系數(shù)更高。將潛熱存儲技術(shù)應(yīng)用在平板集熱裝置中，可以使得裝置降低成本和空間。由于PCM 的低導(dǎo)熱性能在儲熱應(yīng)用受到限制，在潛熱存儲技術(shù)應(yīng)用需提高PCM 的熱傳導(dǎo)性能[8]。嵌入式中央長直翅片管用作傳熱管，實驗結(jié)果分析，在一定溫度范圍內(nèi)傳熱系數(shù)與入口HTF 的溫度呈現(xiàn)二次性關(guān)系，整體導(dǎo)熱系數(shù)增加了21.9%，融化與凝固時間分別減少了45.3%和16.6%[9]。

為了驗證提出太陽能儲熱概念加熱設(shè)備，已建立原型及其性能已經(jīng)在各種實驗條件下進行了研究其中包括設(shè)備的仰角，太陽輻射量，儲熱期的環(huán)境溫度和對流速度和耗散過程。這些結(jié)果將提供基本的理論和有價值的實驗數(shù)據(jù)，以進一步開發(fā)各種太陽能應(yīng)用設(shè)備。

1 原型設(shè)計

翅片強化蓄熱型平板集熱裝置由翅片強化儲熱單元（蓄熱單元），太陽能吸熱涂層，相變材料，通透式空氣換熱流道，保溫材料，直流風(fēng)扇與金屬框架共同構(gòu)成。

1.1 蓄熱單元

該蓄熱單元主要承擔(dān)導(dǎo)熱，存儲和釋熱的作用，結(jié)合PCM 的潛熱存儲太陽能。結(jié)構(gòu)主體如圖1，底部焊接密封處理，內(nèi)部焊接3 mm 十字長直翅片，單管填裝7.2 kg 石蠟，考慮石蠟液化膨脹，裝填率在95%，壁面覆蓋太陽能吸熱涂層實驗用石蠟和率鋁合金見具體表1。

圖1 蓄熱單元

表1 40#改性石蠟和6063 鋁合金的物性參數(shù)表

1.2 集熱板整體結(jié)構(gòu)

吸熱板橫截面示意如圖2，集熱底板與集熱單元疊加安裝，選用厚3 mm 的鋁板，表面覆蓋太陽能吸熱涂層，將集熱單元間隙的陽光收集轉(zhuǎn)化，增加集熱板與蓋板間空氣溫度，有效減少熱量損失，圓柱形集熱單元直接與載熱工質(zhì)接觸，有效地增加熱傳導(dǎo)面積與傳熱總量。

圖2 吸熱器截面示意圖

1.3 通透式流道

換熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖3 由三面保溫加一側(cè)透明蓋板構(gòu)成，風(fēng)道底面與側(cè)面三面選用橡塑板做保溫處理，上側(cè)蓋板選用3 mm Pc 陽光板，透光率可達到89%，進風(fēng)側(cè)加設(shè)材質(zhì)為聚乙烯塑料泡沫的蜂窩形擾流板，增大空氣擾動提高換熱效率。

圖3 換熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗測試與程序

2.1 測試設(shè)計與實施

實驗測試平臺如圖4 所示，附熱電偶分布，測試儀器及精度見表2。

圖4 實驗裝置測試圖

表2 實驗儀器/設(shè)備

2.2 測試過程

實驗測試時間主要集中在2019 年8-10 月，地點在內(nèi)蒙古包頭。

開始前需做準備工作，挑選典型天氣將裝置集熱面遮光后推至室外，裝置安置一定傾角，檢驗檢測設(shè)備確保實驗測試平臺正常工作。

準備工作完成，選定光照時間段為9:00-16:30，9:00 前打開監(jiān)測儀器和遮光布，記錄該安置傾角下集熱面投射輻射量，輻射記錄為每15 分鐘一次，數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)間隔為15 秒一次，打開直流電源為風(fēng)扇供電，調(diào)整電流電壓至所需值，記錄風(fēng)速值。當(dāng)時間達到16:30 為集熱面做遮光處理，即儲熱結(jié)束，但散熱持續(xù)進行，期間觀察集熱裝置內(nèi)相變材料的溫度變化趨勢，直至夜間散熱至進出口溫差不足1 ℃認定散熱完成，數(shù)據(jù)保存關(guān)閉儀器。主要測試計劃見表3。

表3 實驗測試方法

3 數(shù)據(jù)分析

整體光熱利用效率，儲熱能力和速率，散熱能力，速率和效率，用于評估已開發(fā)的設(shè)備，集熱單元內(nèi)部PCM 熔化和凝固過程為瞬態(tài)傳熱過程，如圖5 為整個傳熱過程溫度示意圖，描述一個工作循環(huán)PCM 溫度變化。

圖5 PCM 溫度變化示意圖

裝置整體的集熱效率η1[10]可表示為：

其中，裝置總散熱有用功Qs表示為：

裝置整體散熱功率表示為：

相變蓄能總蓄熱量表示為：

裝置相變蓄能蓄熱速率qg,in和散熱速率qg,out分別表示為：

伴隨散熱終端時期HTF 與集熱單元之間傳熱溫差較小，傳熱驅(qū)動力也在減小，再加上集熱器熱損，致使集熱單元內(nèi)的熱量不能完全釋放做有用工，相變蓄能散熱效率ηds表示為：

式中：Asc為集熱面面積，m2；G 為太陽輻射強度與時間變化函數(shù)，W/m2；t0與t1為散熱起始時間，s；Cp,a為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；Ac,wt為出風(fēng)口截面積，m2；ρa為空氣密度，kg/m3；ua為出風(fēng)口平均風(fēng)速，m/s；Ta,i和Ta,o分別為進風(fēng)口出風(fēng)口平均溫度，K；Tm為相變材料融化進程的平均溫度，K；tls與tse分別是相變起點與終點時間，s；Ta為環(huán)境溫度，K。

4 結(jié)果與討論

本文結(jié)合傳熱理論對集熱裝置進行較為全面的研究與分析，分別從安置角度，風(fēng)量，環(huán)境溫度和輻射強度的方向檢驗裝置的集熱效果。

4.1 太陽輻射投射量的影響

太陽輻射強度隨時間內(nèi)會出現(xiàn)規(guī)律性變化，如圖6（a）所示記錄呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律行變化。圖6（b）記錄9 月4 號和6 號兩天集熱面安置方位由南向西偏增加偏移量后一天平均輻射趨勢，由此可確定安裝朝向正南為最佳。圖6（c）和（d）記錄不同月份的三天的太陽高度角和集6217000420013874454 熱器安置傾角45°集熱面太陽輻射投射量，太陽輻射投射量最大出現(xiàn)在集熱面近乎垂直太陽光線的時刻。

圖6 影響輻射強度的變量

4.2 相材料的溫度分布

圖7 記錄相變材料的溫度變化情況，圖7（a）描述不同集熱管同一高度的溫度差異不大，則圖7（b）顯示集熱管上下溫度不均，主要原因是靠近集熱壁面的PCM 會吸熱優(yōu)先融化，內(nèi)部出現(xiàn)固相液相混合，在重力作用下固液兩相發(fā)生自然對流，使固相下沉囤積底部，導(dǎo)致底部升溫緩慢。圖7（c）和圖7（d）同一集熱管內(nèi)同一橫截面不同腔格的石蠟溫度，顯示出單側(cè)光照條件下集熱面與背光面溫度差很小，是因為集熱腔體內(nèi)加入了星形鋁翅片，翅片強化集/散熱效果明顯。

圖7 日常狀態(tài)下的PCM 的溫度分布狀況

4.3 散熱過程

圖8（a）為風(fēng)量150 m3/h 安裝傾角45°的情況，描述光照下散熱情況時記錄不同集熱單元軸向同一橫截面的PCM 溫度變化，溫度走勢表明每根集熱單元表現(xiàn)相近。圖8（b）顯示集熱管中部溫度較高，底部進風(fēng)口換熱量較大，頂部未做保溫封堵，降溫也會稍快于中部，但實驗中集熱單元軸向不同截面PCM 均跨越相變區(qū)，相變熱在日落之后可繼續(xù)散熱。

圖8 散熱過程中石蠟石蠟溫度分布

圖9（a）描述45°安置裝置增加對流風(fēng)量會增加集熱裝置的散熱功率，局限于空氣的換熱系數(shù)，風(fēng)量從70 m3/h 增大至110 m3/h 散熱功率增加了63%，150 m3/h 增至250 m3/h 散熱功率只提高了10.8%。在（b）描述風(fēng)量的增加會使進出口溫差降低，由于平板空氣集熱器室外放置，110 m3/h 會比70 m3/h 多帶走1.95%的熱量，而相同條件下150 m3/h 會比70 m3/h 多帶走8.3%的熱量，使熱量損失更少。

圖9 強制對流下集熱器整體散熱表現(xiàn)

4.4 整體集熱效率的影響因素

圖10（a）安裝傾角在45°出現(xiàn)集熱性能最佳，小于45°安置，總效率降低28%，PCM 固液兩相重力作用下自然對流換熱效果變?nèi)酰瑑A角太大會導(dǎo)致太陽輻射投射量減小，裝置性能也會降低。圖10（b）輻射強度的增大使集熱效率增加，是因為輻射增大會導(dǎo)致光轉(zhuǎn)熱量增強，流道內(nèi)溫度升高，集熱壁面對流換熱強度減弱，使整體集熱效率增加。圖10（c）顯示環(huán)境溫度升高，集熱效果會增加，環(huán)境溫度在超過25 ℃增加趨勢顯著，壁面處對流換熱溫差減小，換熱驅(qū)動力降低，光熱轉(zhuǎn)化被存儲更多。圖10（d）顯示過大風(fēng)速量使集熱PCM 溫度不能跨越相變區(qū)，因為增大進風(fēng)量使通透式流道溫度越來越接近環(huán)境溫度，在集熱壁面與冷空氣之間的換熱明顯加強，導(dǎo)致集熱壁面的熱量傳導(dǎo)至PCM 的總量降低。

圖10 不同因素與整體集熱效率的關(guān)系

5 結(jié)論

本文研究了一種星形翅片管蓄能式平板集熱器，裝置有效結(jié)合低溫儲能與強化傳熱技術(shù)，有效緩解太陽能應(yīng)用時空不平衡的問題，根據(jù)研究結(jié)果表明：

1）利用PCM 潛熱大容量儲存太陽能，通過強制對流降低平板集熱器吸熱板與蓋板對流熱損，在測試中14:00 裝置熱損最為嚴重，達到接收太陽輻射量的9%，風(fēng)量150 m3/h 時散熱溫差平均在5.2 ℃。

2）對集熱單元同一水平面的PCM 監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，不同集熱單元運行趨勢基本一致，軸向PCM 溫度分布從上至下溫度依次降低，存在自然對流和換熱風(fēng)道下進風(fēng)設(shè)計強制對流換熱量從上至下逐漸增強。

3）實驗測試在8～9 月，記錄太陽高度角，集熱面朝向與傾角變量下的太陽輻射投射量，在不低于45°傾角安置，朝向正南時集熱裝置有最佳集熱效率，總有效散熱量19300 kJ，平均散熱功率284 W，集熱效率達到74%。

4）集熱單元加入星形翅片，PCM 在同一軸截面融化與凝固時各監(jiān)測點溫度趨勢比較均勻，未受到單側(cè)光照影響，翅片的加入顯著強化傳熱速度。

5）該裝置結(jié)合相變儲能技術(shù)利用太陽能效果明顯，并且結(jié)構(gòu)簡單，在熱干燥，室內(nèi)熱通風(fēng)和空氣源熱泵前段空氣預(yù)熱有很高的實用價值。