咨询电话:029-88234568

产品系列

  • 0.1HZ程控超低频高压发生器
  • 双角度电缆安全刺扎器
  • 地下管线探测仪
  • 智能betway手机客户端下载活化仪
  • 电缆识别仪
  • 景观灯
  • 楼宇亮化
  • 新闻动态 主页 > 新闻动态 >

    热管技术应用于太阳能平板集热器的研究

    1.1 工质选择

            应用于太阳能集热的热管工作温度低(一般小于100℃),径向热流密度小(小于1000W/m2 ),对这类热管要求工质传热性能好,容易沸腾,且要与金属材料长期稳定相容,工作温度对应的压力不应过高或过低,避免管壁承受过大压差。

    1.2 载热量、运动速度、循环速度、循环量

            现有热管理论基本上是建立在相变潜热利用的基础之上。热管之所以选择液汽两相物态作为导热物质形态,是因为此两相工质热运动态势以及它们与管壁毛细力作用 或地球重力作用的明显差异,容易实现同一密闭腔体中的快速热对流形态。潜热,也即相变热,具有载热量的意义。然而,除了潜热之外,决定热管传热效率的还有 工质的循环量。而循环量包含循环速度、循环工质量、循环状况。循环速度就是工质完成一个热交换循环过程所需要的时间。循环工质量即单位面积上参与完成一个 热交换循环过程的工质量。循环状况就是工质的有效循环距离和循环过程的热转换效率。
            循环量相同时,潜热决定热管的导热密度;潜热值相同时,循环量决定热管的导热密度。热管的导热速度是由工质蒸汽运动速度决定的。当热管处于负压状态,管内 空间物质密度(饱和蒸汽密度)较低或很低时,气态工质运动速度最快。随着压力的增长,管内空间密度也随之增大。此时,气态工质的运动速度相对降低。热管的 导热密度和导热速度是相互牵制的。在相同的导热截面上,导热密度大,导热速度就相对慢。相反,导热速度快,导热密度也就相对小。
            热管要能够持续不断地保持高效导热,还有一个关键的因素,这就是热管中的工质循环。工质从蒸发端汽化传输到冷凝端液化后必须等量地返回蒸发端,形成一个封 闭体系中的热循环过程。热管中,工质热膨胀并汽化,因为工质加热后获得了足够的动力因而能在“真空”的腔体中向冷凝端运动。而当工质冷凝成液体后,就失去 了动力,同时,因为液态物质相互引力作用和液态物质与管壁物质的相互作用,由此产生了比气态物质更大的运动阻力,因此造成了回流迟缓。于是热管中的工质热 循环过程就出现了前程快,后程慢;前程大,后程小的循环不平衡状态。在低温下导热循环良好的热管,随着温度或导热密度的增加,传热会越来越差,甚至不能导 热了,原因还是回流不足。如果增加工质的量,期望能通过保持蒸发端液 池中的液量,以弥补回流迟缓之不足。虽然一定程度上可解决回流问题,但随着液量的增加,热管的导热特性也将发生改变,首先是热管的启动温度会提高,热管的 导热反应速度会变慢,低温段导热特性会变差。同时,无论液量如何增加,只要封闭系统中存在不同密度空间,工质就会出现不同的导热状态。同时,工质量的增加 还加大了导热管压,从而造成更严重的使用安全问题。

    1.3 工作温度范围热管的最低工作温限和最高工作温限是相互牵制的。

            热管的工作温度范围取决于热管工质的启动温度和干涸极限。
            启动温度即工质的最低启动温度和热管工质的汽化临界点,工质最低启动温度取决于工质在相对负压状态下的沸腾临界,每种工质都存在其相对负压下的沸腾温度极限。一般来说负压越大,启动温度越低。
            热管干涸现象有局部干涸、蒸发段干涸和工质完全汽化三种状况。局部干涸是局部回流不畅造成的,局部回流不畅又可分为回流渠道障碍和局部热压过高两种状况。 蒸发段干涸是因为回流相对过慢,或整体回流障碍形成的,一般是工质蒸发后滞留在冷凝端造成的。工质完全汽化是指工质在相对温压状态下,完全汽化形成管内的 单相态(气态)状况。这样的状况只会出现在用较低充液率的热管进行高温导热的工况下,它使相变循环无法形成,热管的管内压力将从相对快速增长转为相对缓慢 增长,热管温度上升比热源温度上升慢,两者温差逐步或迅速扩大,热管无法正常工作。

    1.4 热管管压与温度、工质质量

            热与压力是一个动态关系值,而不是一个静 态值。如将常态空气压缩后,其温度会上升,但如果保持压力不变,其温度并不能保持在升高了的温度值上,而是在改变自身结构状态后恢复到常温状态。热管所要 利用的就是热与压力的这样的动态关系。热管是通过各种管腔材料的物质结构的自身电磁力或引力来约束或改变腔内物质热运动,并形成新的相互关系包括挤压关系 的。热管管腔中的“极端”负压状态值规定了热管的工作温度下限。而“极端”正压值规定了热管的工作温度上限(上下极端压力值,指的是管腔中工质膨缩运动所 形成的压力状态,而不是管腔结构的极端承受值)。
            热管管压与温度、工质质量(包括工质、工质量、工质相态)等因素有关,即之间存在一个动态的相互制约的关系,这样的动态关系会在某种矢量上使某个因素达到 相对极限状态,并趋向某种平衡。管压是由物质的热膨胀引起的,而任何物质或物质形态都会在既定物理能态中达至相对极致状态。把握这一点,就能把握热管导热 效率与管压的最佳契合。

    2 热管及翅片结构优化及成型

             应用于太阳能领域的热管有其自身的结构特点,目前的实验及理论研究较集中于圆形截面热 管,椭圆截面热管等研究较少,HusseinHMS[2] 等人对圆形、半圆形、椭圆形三种不同截面形状的热管在不同充液率下的性能进行了实验研究,具有一定的参考价值。现有集热器结构形式中以单根热管并列为主, 可尝试应用回路并行热管构成集热器的吸热面板。有关回路并行热管的传热性能相关方面的研究已日渐增多,回路并行式热管的工作原理和结构特点与普通的热虹吸 管有很大的差异。回路并行式热管由于回路的存在使得热管在工作过程中不容易出现干涸现象而达到传热极限。在合适的充液率下,传热 能力比普通的热虹吸管大2~4倍[3] 。目前尚未见到回路并行热管应用于集热器吸热板,建议通过实验研究其在各种工况下的传热性能,测算其加工成本,促使其尽快实现工程应用。
            在整个吸热板的构成中,翅片不容忽视。因为其对整个产品的成本及性能都有很大的影响。设计优良的翅片结构可以在保证取得一定集热效率的前提下节省部分材 料,从而降低成本,提高竞争力。矩形翅片是最常见的形式,可以考虑使用其他翅片形式以节省材料或提高采光性能。波纹翅片是考虑在较大的太阳入射角范围内, 具有较高的方向吸收因子,以提高采光性能及日均效率。阶梯形翅片在节约材料方面比较可观,而相比之下,集热器热效率下降较少,三角翅片比阶梯形翅片更节省 材料,但对集热器热效率影响较大,且从加工角度考虑,难度加大,实用性不如阶梯翅片。只有在加工工艺简单的前提下,才有可能进一步降低产品制造成本。而翅 片宽度及翅片厚度也是设计时必须考虑的因素。总之,翅片形式的选择需要考虑所选用的吸热板材、集热效率、材料节省量及各自的加工难易度来综合平衡考虑,以 取得最佳效果。

    3 排气充液封口工艺

            热管的工作原理和制作原理简单,合适的工 质配方、管材制作和选择,可以延长其使用寿命,提高在相应使用条件下的相对热传导效率。难点在于生产工艺,谁能获得高效率、低成本的热管生产工艺,谁能设 计出多功能、多用途、高效率而又低价位的热管产品,就能在更多的热交换或热传导领域占据更大的份额。
            热管排气常用的方法有真空抽气及热排法,相比较而言,热排法更容易实现规模生产,而且更简单,成本低。常用的热排法有管壁除气,工质除气,综合排气和持续 高温加热检漏等工序。实际上排气的最关键的因素是温度,并非是温度越高越好,因为物质的分解和结合是物质在相应能量(包括热)作用下相互间周期性运动的耦 合状态,这样的耦合状态只与相应能量值相关,过高或过低,都不会形成恰当分离或结合状态。例如蒸酒,酒精和水的分离温度是60~80℃。过高或过低酒精和 水都无法有效分离。所以,要使空气和水蒸气有效分离,必须有效地控制二者之间的最有效的分离温度。在常态下,气态物质形成密度相近的物质,所以以水为工质 的热管中水蒸气和空气不容易分开来。要区分它们就要改变它们在同一温度上的密度,而要改变它们在同一温度上的密度,就要改变常态环境。
            加热蒸煮排气法的基本要素是:保持相应的温度;持续相应的时间;选择适当的排气孔径;确定适当的充液量。至于具体工艺,需要通过大量的试验来找到工艺简单、成本低、效果好的排气方法。

    4 降低热损

            集热器热损失Qs的增加和热效率η的降低在一定的环境温度下主要是集热板温度升高的原因,对任何类型的集热器都存在同样的问题。

    4.1 采用选择性吸收涂层及真空玻璃盖板

            集热器散失到环境中的热损失主要有顶部的对流及辐射热损失、底部及四周保温层导热及表面的对流产生的热损失(辐射占很小一部分)。其中顶部的对流及辐射热 损失占绝大部分。而通过采用选择性吸收涂层,采用真空玻璃盖板可以有效减少这部分损失。国内相关的实验研究表明[4] ,真空玻璃盖板热管平板式热水器的日平均效率分别比全玻璃真空管太阳能热水器和蜂窝热管平板式太阳能热水器大13.3%和6.5%,平均热损系数分别比全 玻璃真空管太阳能热水器和蜂窝热管平板式太阳能热水器小52.5%和21.5%。主要原因是平板真空玻璃防导热、防对流换热和防长波辐射性能好。以上仅限 于实验研究,未见真空玻璃盖板热管平板式集热器的大规模市场应用。

    4.2 优化传热设计

            对热管平板式集热器来说,可以通过优化传热设计来尽量降低集热板的温度,以减少Qs和提高η。通过对热管工质的选择研究和蒸发与冷凝面积的合理设计,能够进一步降低集热板的运行温度,减少热损失,提高热效率。

    5集热性能测试

            目前,尚没有针对热管平板式集热器制造及 测试的国家标准。

    6 结 论

            限制热管应用于平板集热器的主要原因在于 现有加工工艺的状况导致其生产成本较高,与其他类型集热器相比,在性价比上没有优势。通过优化传热设计,改进加工装置及工艺提升,不断试验,减少热损失、 提高热效率,降低成本是可能的,开发具有实际应用价值的热管平板集热器具有可行性。