太陽(yáng)能供暖用新型流體制備及導(dǎo)熱性能測(cè)試

張佳琦, 齊典偉, 徐鳳, 李亞菲

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

普通工質(zhì)應(yīng)用于太陽(yáng)能系統(tǒng)時(shí),往往由于攜熱量不足難以降低太陽(yáng)能基板溫度,導(dǎo)致熱源側(cè)溫度升高繼而影響換熱效率。相較于普通工質(zhì),相變工質(zhì)的潛熱能力能夠較好地解決這一問(wèn)題,這使其在太陽(yáng)能[1-2]和暖通空調(diào)[3-4]領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性導(dǎo)致以其為熱源的系統(tǒng)需要大容量蓄熱設(shè)備加持且工質(zhì)導(dǎo)熱性能會(huì)受到運(yùn)行狀況影響。

基于上述問(wèn)題,許多國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于傳熱蓄熱流體(heat transfer and heat storage fluid,HTHSF)的熱性能研究。朱楚僑[5]通過(guò)研究表明添加碳纖維可以增強(qiáng)其導(dǎo)熱性能,張宇[6]分析了槽式管道應(yīng)用HTHSF的系統(tǒng)性能,結(jié)果表明當(dāng)工質(zhì)為HTHSF時(shí),管壁面溫升明顯低于水。陳紅兵等[7]研究了乳化劑種類對(duì)HTHSF的影響并對(duì)其進(jìn)行微觀形態(tài)表征[8],結(jié)果表明以二十二烷為主體的HTHSF更加契合PV-T太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)要求,HTHSF在PV-T系統(tǒng)中的應(yīng)用[9]時(shí),光伏板表面溫度降低2 ℃,換熱水箱水溫高出1.3 ℃,日均熱效率相對(duì)高出7%。國(guó)內(nèi)有關(guān)HTHSF的研究均已證明HTHSF有較好的工程應(yīng)用效果,但對(duì)于HTHSF的導(dǎo)熱性能及抗凍性能研究開(kāi)展較少。

瞬態(tài)熱線法是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)的首選方法。其在國(guó)外實(shí)驗(yàn)室研究起步較早,自1978年開(kāi)始,Kestin等[10]對(duì)用于熱導(dǎo)率測(cè)量的瞬態(tài)熱線技術(shù)理論就展開(kāi)了研究。Palacios等[11]對(duì)表征熱能儲(chǔ)存材料的熱導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究。Zhang等[12]提出了一種遺傳算法的瞬態(tài)識(shí)別方法,從瞬態(tài)熱響應(yīng)中識(shí)別導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。Mehta等[13]介紹了熱導(dǎo)率增強(qiáng)機(jī)理、預(yù)測(cè)納米流體熱導(dǎo)率的數(shù)值模型、測(cè)量納米流體熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)。Zhang等[14]研究表明相變?cè)鰪?qiáng)了測(cè)量過(guò)程中的傳熱,導(dǎo)致實(shí)際熱導(dǎo)率小于直接從實(shí)驗(yàn)中獲得的熱導(dǎo)率。

就中外研究現(xiàn)狀而言,以往的研究均已證明HTHSF相較于普通流體有較好的傳熱蓄熱效果,且瞬態(tài)熱線法測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)技術(shù)發(fā)展成熟。但針對(duì)瞬態(tài)熱線法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)和HTHSF導(dǎo)熱性能與太陽(yáng)能應(yīng)用耦合的研究較少,并鮮見(jiàn)HTHSF的防凍性能研究,這使得該類型流體在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用受到限制?，F(xiàn)將乙二醇型防凍液作為載流體,配制一種太陽(yáng)能用HTHSF并研究其導(dǎo)熱性能。通過(guò)瞬態(tài)熱線法測(cè)定不同濃度HTHSF導(dǎo)熱系數(shù),得到HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度下的變化規(guī)律以及載流體對(duì)HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)的影響,為嚴(yán)寒寒冷地區(qū)HTHSF的應(yīng)用提供參考。

1 嚴(yán)寒地區(qū)HTHSF的配制

實(shí)驗(yàn)購(gòu)置相變微膠囊乳液的相變溫度為28 ℃,導(dǎo)熱系數(shù)為0.483 W/(m·K),相變微膠囊采用密胺樹(shù)脂包裹十八烷制成。以體積當(dāng)量濃度30%的相變材料為原溶液,用冰點(diǎn)為-40 ℃的乙二醇型防凍液作為載流體配制不同濃度的HTHSF。

查閱乙二醇體積濃度與冰點(diǎn)對(duì)照資料與相關(guān)文獻(xiàn)[15],冰點(diǎn)-40 ℃對(duì)應(yīng)的乙二醇體積濃度為54%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將原溶液分別加入乙二醇型防凍液稀釋成不同體積當(dāng)量濃度HTHSF各200 mL,各濃度稀釋參數(shù)如表1所示。

將各濃度稀釋后的HTHSF分別靜置48 h后觀察其狀態(tài)如圖1所示,從左至右濃度依次為:5%、10%、15%、20%、25%。經(jīng)過(guò)48 h靜置,配制的HTHSF呈現(xiàn)均質(zhì)流體的特性。

表1 不同濃度HTHSF

圖1 靜置48 h后各濃度HTHSFFig.1 All concentrations of HTHSF were left for 48 h

2 瞬態(tài)熱線法的基本原理及測(cè)試系統(tǒng)

2.1 基本原理

Jiang等[16]針對(duì)熱線法測(cè)量液體熱導(dǎo)率做了測(cè)量和建模分析。液體相對(duì)于固體而言,更容易產(chǎn)生對(duì)流。對(duì)于液體導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,必須在很短的時(shí)間內(nèi)獲得測(cè)試結(jié)果。

熱線法的理論分析要基于如下假設(shè):①加熱絲無(wú)限長(zhǎng)且半徑無(wú)限小;②加熱絲熱導(dǎo)率無(wú)限大,熱容量無(wú)限小,加熱絲溫度平衡;③待測(cè)樣品物性參數(shù)連續(xù)且各向同性;④加熱絲和試樣之間完全接觸,忽略接觸熱阻且熱傳遞過(guò)程僅存在熱傳導(dǎo),圖2為瞬態(tài)熱線法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)示意圖。

圖2 熱線法測(cè)量示意圖Fig.2 Diagram of hot wire measurement

根據(jù)瞬態(tài)熱線法的測(cè)量原理[17],假設(shè)初始時(shí)刻的線熱源與流體溫度為T0,任意時(shí)刻任意位置的溫升為ΔT,則有

ΔT(r,t)=T(r,t)-T0

(1)

式(1)中:T為溫度;t為時(shí)間;r為半徑上任一位置;T(r,t)為t時(shí)r處的溫度。

基于上述假設(shè),可以在其控制方程(傅里葉方程)的基礎(chǔ)上建立熱線法的初始導(dǎo)熱方程和邊界條件[18]為

(2)

ΔT(r,t)=0,t≤0

(3)

(4)

(5)

式中:q為單位長(zhǎng)度熱線的加熱率;假定介質(zhì)的熱擴(kuò)散系數(shù)α、密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、定壓比熱Cp等物性參數(shù)均為常數(shù);const為常數(shù)項(xiàng)。

用格林-狄克拉函數(shù)進(jìn)行求解,可得半徑r處的瞬時(shí)溫度分布式[19]為

(6)

(7)

式中:E(x)、y為指數(shù)積分和指數(shù)函數(shù);γ為歐拉常數(shù);γ=0.577 215 7…;o(x2)為歐拉函數(shù)。

經(jīng)過(guò)式(6)和式(7)聯(lián)立之后可推導(dǎo)出發(fā)熱絲表面的理論溫升方程,但由于發(fā)熱絲半徑無(wú)線小,當(dāng)通電時(shí)間t相對(duì)足夠長(zhǎng)時(shí),理論溫升方程可近似為

=Alnt+B

(8)

由式(8)可知,測(cè)試時(shí)間的對(duì)數(shù)與發(fā)熱絲表面溫升呈線性相關(guān),對(duì)式(8)兩邊同時(shí)進(jìn)行微分可獲得導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算方程為

(9)

(10)

2.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試儀器采用TC3100L液體導(dǎo)熱系數(shù)儀。測(cè)試系統(tǒng)主要組成部件包括:測(cè)試主機(jī)、循環(huán)浴、測(cè)試計(jì)算機(jī)。各組件連接示意圖和測(cè)試主機(jī)內(nèi)部示意圖如圖3所示,測(cè)試主機(jī)性能參數(shù)如表2所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試主機(jī)Fig.3 Test system and test host

表2 測(cè)試主機(jī)參數(shù)

3 寒地太陽(yáng)能用HTHSF導(dǎo)熱性能測(cè)試

3.1 載流體導(dǎo)熱性能測(cè)試

將乙二醇型防凍液作為載流體的目的是讓HTHSF具有一定抗凍性能。對(duì)HTHSF的載流體進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,對(duì)比各溫度下不同載流體的導(dǎo)熱系數(shù)。圖4分別是用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的乙二醇型防凍液及純水樣品。

圖4 不同類型的載流體Fig.4 Different types of carrier fluids

冰點(diǎn)是寒地太陽(yáng)能工質(zhì)的首要參數(shù),不同載流體冰點(diǎn)不同,根據(jù)所購(gòu)置成品的參數(shù)繪制圖5所示乙二醇體積濃度與冰點(diǎn)關(guān)系。

圖5 不同濃度防凍液與冰點(diǎn)關(guān)系Fig.5 Relationship between different concentrations of antifreeze and freezing point

根據(jù)圖5可知,乙二醇型防凍液冰點(diǎn)隨著其濃度的增加而減小,工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件確定載流體冰點(diǎn)及對(duì)應(yīng)濃度。冰點(diǎn)過(guò)高導(dǎo)致HTHSF不具有良好的抗凍性能,考慮寒地溫度,HTHSF冰點(diǎn)在-20 ℃左右為宜。

不同濃度冰點(diǎn)不一,實(shí)驗(yàn)室測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)選擇0～60 ℃作為防凍液測(cè)量范圍,10～60 ℃作為純水測(cè)量范圍,溫度梯度均為10 ℃,每個(gè)溫度點(diǎn)均進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量后取平均值,圖6為兩種常用載流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化情況。

圖6 不同載流體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系Fig.6 Relationship between thermal conductivity and temperature of different carrier fluids

結(jié)果顯示:純水在測(cè)量溫度周期下平均導(dǎo)熱系數(shù)為:0.603 3 W/(m·K),作為寒地太陽(yáng)能常見(jiàn)工質(zhì),冰點(diǎn)為-40 ℃的乙二醇型防凍液導(dǎo)熱系數(shù)僅為純水的63%,流體攜熱不充分導(dǎo)致太陽(yáng)能集熱器基板溫度隨著循環(huán)逐步升高,這是嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能集熱器出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象的原因。根據(jù)圖6可知,乙二醇型防凍液導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)與水一致,均隨著溫度的升高而升高,這是因?yàn)榉纼鲆喝詾橐欢ū壤乃芤?這一點(diǎn)在前文中已指出。

3.2 HTHSF導(dǎo)熱性能測(cè)試

為了探究該流體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律,對(duì)配制的不同濃度HTHSF進(jìn)行0、10、20、30、40 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量。

圖7表明:對(duì)于相變溫度28 ℃的HTHSF,相變前后導(dǎo)熱系數(shù)差異較大,除5%濃度HTHSF外,同一濃度HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)在溫度升高的情況下,導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)先升高后下降再升高的趨勢(shì)。HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)在單一相溫度區(qū)間內(nèi)仍隨溫度升高而升高,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)榈妮d流體為水基溶液,其導(dǎo)熱系數(shù)宏觀上仍呈現(xiàn)水基溶液特性,這解釋了導(dǎo)熱系數(shù)在兩端升高的現(xiàn)象。

圖7 不同濃度HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between thermal conductivity and temperature at different concentrations of HTHSF

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果:除5%濃度HTHSF之外,其余濃度HTHSF相變后導(dǎo)熱系數(shù)均小于相變之前,這是因?yàn)?%濃度HTHSF相變材料含量少,導(dǎo)致相變對(duì)HTHSF的導(dǎo)熱系數(shù)影響很小。相變引起導(dǎo)熱系數(shù)明顯下降有以下原因:①對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的固-液相變材料,相變后液相導(dǎo)熱系數(shù)小于相變前固相導(dǎo)熱系數(shù);②根據(jù)熱線法測(cè)量原理,由于潛熱變化很大導(dǎo)致式(9)中dΔT/dlnt異常增大,進(jìn)而表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)減小。

各濃度下相變前后單一相HTHSF平均導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。

表3 相變前后導(dǎo)熱系數(shù)

測(cè)量結(jié)果表明10%HTHSF完全相變后與新防凍液平均導(dǎo)熱系數(shù)差別不大,根據(jù)表1和圖6,10%HTHSF中乙二醇體積當(dāng)量濃度為35.91%,此時(shí)HTHSF冰點(diǎn)為-20 ℃,滿足寒地太陽(yáng)能用流體工質(zhì)冰點(diǎn)要求的同時(shí)一定程度提高了導(dǎo)熱系數(shù)。此外HTHSF的大潛熱值使得其攜熱量增大,可有效解決集熱器基板溫度過(guò)熱問(wèn)題。

3.3 測(cè)量誤差與分析

根據(jù)測(cè)量結(jié)果,各濃度HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)在單一相時(shí)與表4誤差很小。26～31 ℃內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng),這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室熱線法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)在測(cè)量時(shí)熱線兩端會(huì)被施加一個(gè)給定的電壓,施加的電壓會(huì)導(dǎo)致熱線有1～3 K的溫升,該溫升會(huì)導(dǎo)致測(cè)量溫度與設(shè)定溫度存在溫差。此外,進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量前需等待測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。對(duì)于相變溫度28 ℃的HTHSF而言,當(dāng)其周圍溫度恒定在某一大于相變溫度的點(diǎn),HTHSF中已發(fā)生相變,故測(cè)量結(jié)果具有最小值。

3.4 HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)定義與擬合

HTHSF是一種混合水基溶液,由相變材料、乙二醇型防凍液和水組成。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室配制的以防凍液為載流體的混合型HTHSF,其冰點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)滿足嚴(yán)寒地區(qū)要求,該流體的導(dǎo)熱系數(shù)由其組成成分共同決定,對(duì)混合型HTHSF,定義綜合導(dǎo)熱系數(shù)為

(11)

式(1)中:λT為溫度T下的綜合導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λa,T為溫度T下a物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λb,T為溫度T下a物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λn,T為溫度T下n物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);θA為a物質(zhì)的體積比;θB為b物質(zhì)的體積比;θN為n物質(zhì)的體積比;k為修正系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

對(duì)于以乙二醇型防凍液為載流體的HTHSF,綜合導(dǎo)熱系數(shù)定義為

(12)

式(12)中:a為相變材料;b為水;c為乙二醇;k1為相變前修正系數(shù),k1=1/1.18;k2為相變后修正系數(shù),k2=1/(θA+1.25)。

5%HTHSF由于相變作用濃度太低,影響很小,適用代入k1求解,其余對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱系數(shù)在之前小節(jié)已經(jīng)測(cè)得。為了驗(yàn)證理論模型經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測(cè)結(jié)果的擬合程度,將不同濃度下HTHSF擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),10%、15%、20%、25%濃度下的擬合值與實(shí)測(cè)值如圖8所示。

圖8 擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 Fitting results and measured results

根據(jù)擬合曲線和實(shí)測(cè)曲線的關(guān)系可知,經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較高,10%、15%、20%、25%濃度下的擬合值與實(shí)測(cè)值的各溫度誤差分別0.05%、0.2%、0.4%和0.3%,說(shuō)明擬合公式準(zhǔn)確度較高。上述經(jīng)驗(yàn)公式能夠?qū)σ砸叶夹头纼鲆簽檩d流體的HTHSF研究提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

常作為寒地太陽(yáng)能系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的乙二醇型防凍液導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致系統(tǒng)效率低。但添加相變材料制備一種寒地太陽(yáng)能用新型HTHSF,可以在系統(tǒng)防凍的前提下有效解決導(dǎo)熱不充分及攜熱量不足的問(wèn)題。對(duì)HTHSF進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量,得出如下結(jié)論。

(1)寒地太陽(yáng)能用新型流體冰點(diǎn)隨濃度增大而減小,且冰點(diǎn)為-20 ℃的HTHSF性能較好。

(2)同一溫度下,載流體導(dǎo)熱系數(shù)隨濃度增大而減小;同一濃度下,載流體導(dǎo)流系數(shù)隨溫度升高而增大。

(3)寒地太陽(yáng)能用新型流體以10%HTHSF為宜,其最小導(dǎo)熱系數(shù)為0.381 W/(m·K),與防凍液導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值接近且冰點(diǎn)滿足寒地太陽(yáng)能要求。HTHSF在單一相溫區(qū)內(nèi)具有水基溶液特性,導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而升高,固-液相變類型HTHSF導(dǎo)熱系數(shù)在相變溫區(qū)內(nèi)隨溫度升高而下降。

(4)本文提出的綜合導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式能夠適用以乙二醇型防凍液為載流體的HTHSF,且擬合結(jié)果可靠性較高。