張維蔚，王甲斌，田 瑞,3，薛奇成，巴旭陽(yáng)

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)），呼和浩特 010051；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；4. 北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

0 引 言

熱管作為一種高效傳熱元件，具有傳熱效率高、等溫性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)[1-3]、余熱回收[4-6]、電子元件散熱[7-9]、太陽(yáng)能熱利用[10-12]等領(lǐng)域。其中，在太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域，熱管技術(shù)已經(jīng)用于板式集熱器[10,13-14]、普通真空管集熱器[15-16]等中低溫?zé)崂迷O(shè)備上。近年來(lái)，一些學(xué)者在太陽(yáng)能中溫?zé)崂梅矫孀隽撕芏鄧L試，包括內(nèi)置CPC（compound parabolic concentrator）[17-18]和外置CPC[19-21]熱管真空管集熱器、槽式熱管真空管集熱器[22-24]等。這類(lèi)集熱器將熱管技術(shù)和太陽(yáng)能聚光器相結(jié)合，利用聚光器的高聚光比使熱管內(nèi)工質(zhì)達(dá)到更高的溫度，以獲得比普通槽式太陽(yáng)能真空管集熱器還要高的熱效率。

目前，這些研究都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，且主要集中在熱效率方面。文獻(xiàn)[19-20]對(duì)外置CPC熱管真空管集熱器進(jìn)行了熱性能測(cè)試試驗(yàn)，得到了不同運(yùn)行模式下集熱器的熱效率。文獻(xiàn)[22-24]以 3種不同尺寸的熱管真空管槽式聚光集熱器為研究對(duì)象，計(jì)算并分析了集熱器的熱效率。上述研究主要側(cè)重于設(shè)備的整體熱效率，對(duì)熱管真空管的傳熱特性、熱管內(nèi)工質(zhì)的工作狀態(tài)等分析研究較少涉及。

本文結(jié)合熱管真空管和槽式聚光器，設(shè)計(jì)了一套最高可提供473 K熱水的熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)，通過(guò)分析該系統(tǒng)的傳熱過(guò)程，建立了一維傳熱數(shù)學(xué)模型。利用該數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并分析了太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度、傳熱流體溫度、環(huán)境溫度和風(fēng)速等因素對(duì)集熱系統(tǒng)傳熱性能的影響；通過(guò)計(jì)算分析，揭示了熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)傳熱特性及其影響因素。

1 熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)最高可提供 473 K熱水的加熱要求設(shè)計(jì)了一套熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該集熱系統(tǒng)包括槽式太陽(yáng)能聚光器、熱管式真空管接收器及支撐結(jié)構(gòu)。熱管式真空管接收器包括吸熱段（蒸發(fā)段）和放熱段（冷凝段）兩部分，吸熱段外罩單層玻璃套管, 玻璃套管與金屬管之間的環(huán)形區(qū)域抽真空，以增大環(huán)形區(qū)域?qū)α鳠嶙韬蛯?dǎo)熱熱阻；金屬管表面的選擇性吸收涂層具有吸收率高、發(fā)射率低的特點(diǎn)，以降低向外界的輻射熱損失；熱管放熱段伸入夾套內(nèi)向傳熱流體放熱。槽式聚光器采用曲柄連桿單軸跟蹤技術(shù)，聚光器與地面夾角由當(dāng)時(shí)太陽(yáng)傾角確定。熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)傳熱流體加熱溫度（≤473 K）需要，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度可選在 293～523 K，因此工質(zhì)可選用水或甲苯。由于水的傳輸因數(shù)較甲苯高的多，且價(jià)格低廉，所以本文熱管選用水-不銹鋼（防腐涂層）型。

圖1 熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of parabolic trough solarcollector system with heat-pipe evacuated tube

表1 熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Table1 Specifications of parabolic trough collector system with heat-pipe evacuated tube

2 熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)一維傳熱模型

2.1 傳熱過(guò)程分析

熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)的工作過(guò)程為：太陽(yáng)光照射到槽式聚光器上后被反射，透過(guò)玻璃套管，匯集到接收器蒸發(fā)段，被選擇性吸收涂層吸收；被吸收的熱量傳遞給金屬管壁面，金屬管內(nèi)工質(zhì)（液態(tài)）受熱汽化為飽和蒸汽流向熱管冷凝段；飽和蒸汽在冷凝段將熱量釋放給金屬管內(nèi)壁面后凝結(jié)成液膜，再回流向蒸發(fā)段；冷凝段金屬壁面吸收的熱量通過(guò)對(duì)流換熱方式被傳熱流體（heat transfer fluid，HTF）帶走。該系統(tǒng)的傳熱過(guò)程可以通過(guò)系統(tǒng)熱阻來(lái)表示，熱阻模型如圖2所示。

注：（1）熱管工質(zhì)；（2c）冷凝段金屬管內(nèi)壁面；（2e）蒸發(fā)段金屬管內(nèi)壁面；（3c）冷凝段金屬管外壁面；（3e）蒸發(fā)段金屬管外壁面；（4）玻璃套管內(nèi)壁面；（5）玻璃套管外壁面；（6）環(huán)境；（7）天空；（HTF）傳熱流體Note: (1) Working liquid in heat pipe; (2c) Condenser section inner surface of heat pipe; (2e) Evaporator section inner surface of heat pipe; (3c) Condenser section outer surface of heat pipe; (3e) Evaporator section outer surface of heat pipe; (4) Glass envelope inner surface; (5) Glass envelope outer surface; (6) Surrounding air; (7) Sky;(HTF) Heat transfer fluid.

2.2 一維傳熱數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，作以下假設(shè)：1）太陽(yáng)光線(xiàn)為平行光，不考慮太陽(yáng)夾角；2）熱管蒸發(fā)段和冷凝段壁面溫度沿軸向相同；3）各表面的反射率、吸收率及玻璃管的透射率都為常數(shù)；4）集熱系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；5）忽略熱管與支架、傳熱流體外夾套與環(huán)境之間的散熱損失。

2.2.1 熱管蒸發(fā)段

金屬管外壁面吸收的太陽(yáng)輻射熱能為：

式中dirI 為太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度，W/m2；PL為聚光器的反射鏡長(zhǎng)度，m；PW為聚光器的反射鏡寬度，m；0η為聚光器的光學(xué)效率；4τ為玻璃套管透光率；3α為選擇性涂層吸收率。

玻璃套管吸收的太陽(yáng)輻射熱能為：

其中反射鏡光學(xué)效率的計(jì)算公式[25]為：

式中1ε′為陰影系數(shù)（支撐架、防護(hù)罩等遮蔽太陽(yáng)光線(xiàn)），取0.974；2ε′為跟蹤誤差，取0.994；3ε′為幾何誤差（反光鏡排列方式），取0.98；4ε′為反射鏡污垢系數(shù)，取0.96；5ε′為集熱器污垢系數(shù)，取0.98；6ε′為不可預(yù)見(jiàn)因素系數(shù)，取0.96；clρ為反射鏡反射率；K為太陽(yáng)入射角（θ）修正系數(shù)，計(jì)算公式[25]為：

金屬管外壁面吸收的太陽(yáng)輻射熱能通過(guò)導(dǎo)熱傳遞給內(nèi)壁面的熱量為：

式中23λ為金屬管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；eL為熱管的蒸發(fā)段長(zhǎng)度，m；3eT 為金屬管外壁面溫度，K；2eT 為金屬管內(nèi)壁面溫度，K；2D 為金屬管內(nèi)徑，m；3D為金屬管外徑，m。

金屬管內(nèi)壁面通過(guò)核態(tài)沸騰方式傳遞給工質(zhì)的熱量[26]為：

式中wlμ為熱管工質(zhì)液態(tài)的動(dòng)力黏度，Pa s?；wlr為熱管工質(zhì)的汽化潛熱，J/kg；wlσ為熱管工質(zhì)表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2；wlρ和wvρ分別為熱管內(nèi)工質(zhì)飽和狀態(tài)下液態(tài)和氣態(tài)的密度，kg/m3；p,wlc 為熱管工質(zhì)飽和狀態(tài)下液態(tài)定壓比熱容，J/(kg K)?；wlC為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；wlPr為飽和液體的普朗特?cái)?shù)；1T為熱管工質(zhì)的工作溫度，K。

金屬管外壁面選擇性吸收涂層通過(guò)紅外輻射傳遞給玻璃套管內(nèi)壁面的熱量Q3e,4rad為：

式中σ為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)，5.67×10–8W/( m2·K4)；T4為玻璃套管內(nèi)壁面溫度，K；ε3為選擇性吸收涂層發(fā)射率；D4為玻璃套管內(nèi)徑，m；ε4為玻璃套管發(fā)射率。

金屬管外壁面通過(guò)對(duì)流換熱方式傳遞給玻璃套管內(nèi)壁面的熱量為：

式中34h 為玻璃套管內(nèi)壁面與金屬管外壁面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

金屬管與玻璃套管之間的環(huán)形區(qū)域壓力不同，金屬管與玻璃套管間的對(duì)流換熱方式也不同。當(dāng)環(huán)形區(qū)域壓力 P＜13.3 Pa時(shí)，對(duì)流換熱主要是自由分子對(duì)流傳熱方式。此時(shí)，金屬管外壁面與玻璃套管內(nèi)壁面間的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式[27]為：

式中λa,std為標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下環(huán)形區(qū)域氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；b為相互作用系數(shù)；a為適應(yīng)系數(shù)；λ為分子碰撞平均自由程，m；γ為環(huán)形區(qū)域氣體的比熱比；T34為金屬管外壁面和玻璃套管內(nèi)壁面的平均溫度，T34= （ T3e+ T4） /2，K； Pa為環(huán)形區(qū)壓力，Pa；δ為環(huán)形區(qū)分子直徑，m。

當(dāng)環(huán)形區(qū)域滲入氣體或者真空被破壞（P>13.3 Pa）時(shí)，對(duì)流換熱就屬于自然對(duì)流換熱。此時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)采用傾斜封閉管內(nèi)的自然對(duì)流換熱系數(shù)。其中，面向反射鏡一側(cè)環(huán)形區(qū)域的對(duì)流換熱系數(shù) N u34計(jì)算公式[28]為：

式中 N u34cond為當(dāng)金屬管外壁面與玻璃套管內(nèi)壁面間只有導(dǎo)熱時(shí)的努塞爾特?cái)?shù)；θ′為接收器與水平面間的夾角。

面向太陽(yáng)光線(xiàn)一側(cè)環(huán)形區(qū)域的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式[28]為：

式中34Ra 為環(huán)形區(qū)域氣體的瑞利數(shù)。帶*號(hào)的括號(hào)中計(jì)算結(jié)果如果為負(fù)值，則該項(xiàng)取為0。

其中，瑞利數(shù)34Ra 的計(jì)算公式為：

式中β為體積熱膨脹系數(shù)（理想氣體），K–1； a34為環(huán)形區(qū)域氣體的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；ν34為氣體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；定性溫度 T34= ( T3e+T4)/2。

玻璃套管內(nèi)壁通過(guò)導(dǎo)熱將熱量傳遞給玻璃套管外壁面，計(jì)算公式為：式中5T為玻璃套管外壁面溫度，K；45λ為玻璃套管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

玻璃套管外壁和外界環(huán)境的換熱有 2種形式，分別是與空氣的對(duì)流換熱和輻射換熱。玻璃套管外壁面與環(huán)境間的對(duì)流換熱量為：

式中56h 為玻璃套管外壁面與環(huán)境間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；6T 為環(huán)境溫度，K。

對(duì)流換熱系數(shù)56h 計(jì)算公式為：

式中λ56為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；Nu5為玻璃套管外徑條件下的平均努塞爾特?cái)?shù)。

Nu5與環(huán)境風(fēng)速大小有關(guān)。無(wú)風(fēng)時(shí)，玻璃套管外壁面與空氣之間是自然對(duì)流，此時(shí)[25]：

式中5Ra為玻璃套管外徑條件下周?chē)諝獾娜鹄麛?shù)；56Pr為在環(huán)境和玻璃套管外壁平均溫度條件下的普朗特?cái)?shù)。

其中，瑞利數(shù)5Ra的計(jì)算公式為：

式中a56為空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；ν56為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；定性溫度 T56= ( T5+ T6)/2。

有風(fēng)時(shí)，玻璃套管周?chē)膶?duì)流換熱屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱，此時(shí)[26]：

式中 R e5=1 000～200 000時(shí)，C=0.26，m=0.6； P r6≤10時(shí)，n=0.37。

玻璃套管外壁面向天空的輻射換熱量Q5,7rad為：

式中ε5為玻璃套管發(fā)射率，ε5= ε4；T7為天空有效溫度，K。

2.2.2 熱管冷凝段

在熱管冷凝段，工質(zhì)通過(guò)膜狀凝結(jié)換熱方式傳遞給冷凝段內(nèi)壁的熱量Q1,2c為：

式中12ch 為冷凝段工質(zhì)膜狀凝結(jié)的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；2cT 為冷凝段金屬管內(nèi)壁面溫度，K。

膜狀凝結(jié)對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式[26]為：

式中wlλ為熱管工質(zhì)飽和狀態(tài)液體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。冷凝段金屬管內(nèi)壁面通過(guò)導(dǎo)熱傳向外壁面的熱量為：

式中cL為熱管的冷凝段長(zhǎng)度，m；3cT 為冷凝段金屬管外壁面溫度，K。

冷凝段金屬管外壁通過(guò)對(duì)流換熱傳遞給管外傳熱流體的熱量Q3c,HTF為：

式中 h3c,HTF為冷凝段外壁面與傳熱流體間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；THTF為傳熱流體溫度，K。

由于反射鏡寬度較大，熱管冷凝段外壁面與傳熱流體的對(duì)流換熱可近似為流體橫掠單管的強(qiáng)制對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)由邱吉爾-朋斯登公式[26]確定：

式中fλ為傳熱流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K)?；fRe為傳熱流體雷諾數(shù)；fPr為傳熱流體普朗特?cái)?shù)。

2.3 熱量平衡方程

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，忽略接收管與支架之間的換熱，可分別對(duì)熱管蒸發(fā)段內(nèi)外壁面、玻璃套管內(nèi)外壁面和熱管蒸發(fā)、冷凝段工質(zhì)列出熱量平衡方程：

2.4 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率

由式（25）可計(jì)算傳熱流體的吸熱量，因此熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率為：

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文計(jì)算以呼和浩特地區(qū)為計(jì)算地點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)加熱需要，以太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度400～1 000 W/m2，環(huán)境溫度 278～303 K，風(fēng)速 0～6 m/s，傳熱流體溫度 313～473 K，傳熱流體速度0.1 m/s為計(jì)算條件，對(duì)熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)的傳熱性能進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.1 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率

圖3為風(fēng)速0 m/s，環(huán)境溫度293 K時(shí)，不同太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度條件下，集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率隨傳熱流體溫度的變化曲線(xiàn)，趨勢(shì)與文獻(xiàn)[23]中的變化趨勢(shì)相同。集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率受傳熱流體溫度的影響較大，傳熱流體溫度越高，瞬時(shí)熱效率下降越明顯。這主要是由于傳熱流體溫度越高，冷凝段金屬管外壁面溫度 T3c與傳熱流體溫度THTF的溫差越小， Q3c,HTF下降，由式（31）可知集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率越小。另外，隨著太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度升高，集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率會(huì)隨之升高；而且太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度越高，傳熱流體溫度變化時(shí)系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率的變化幅度越小。

由圖 3還可知，在本文計(jì)算條件下集熱系統(tǒng)的理論瞬時(shí)熱效率都高于70%。

圖4為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度1 000 W/m2，傳熱流體溫度453 K，環(huán)境溫度293 K時(shí)，集熱系統(tǒng)瞬時(shí)效率隨風(fēng)速的變化曲線(xiàn)。隨著風(fēng)速的增加，瞬時(shí)熱效率逐漸減小，但減少幅度并不大。這是因?yàn)殡S著風(fēng)速增大，玻璃套管外壁面與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)56h 逐漸增大，玻璃套管與環(huán)境間的對(duì)流換熱損失逐漸增大。

圖3 瞬時(shí)熱效率隨傳熱流體溫度的變化Fig.3 Variation of transient thermal efficiency with heat transfer fluid temperature

圖4 瞬時(shí)熱效率隨風(fēng)速的變化Fig.4 Variation of transient thermal efficiency with wind speed

圖5為傳熱流體溫度453 K，風(fēng)速1 m/s時(shí)，集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率隨環(huán)境溫度的變化曲線(xiàn)。隨著環(huán)境溫度升高，集熱系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率逐漸增大，而且太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度越低，增大趨勢(shì)越明顯。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度 T6越高，玻璃套管外壁面溫度 T5與環(huán)境溫度 T6的溫差越小，與天空有效溫度 T7的溫差也越小，因此接收器熱損失（ Q5,6conv+Q5,7rad）下降。

3.2 熱管內(nèi)工質(zhì)的工作狀態(tài)

熱管式真空管接收器工作時(shí)金屬管內(nèi)工質(zhì)處于飽和狀態(tài)，金屬管管壁溫度不同，管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度不同，對(duì)應(yīng)的工作壓力也不相同。

圖6為風(fēng)速0 m/s，環(huán)境溫度293 K時(shí)，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨傳熱流體溫度的變化曲線(xiàn)。隨著傳熱流體溫度升高，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度是呈線(xiàn)性趨勢(shì)逐漸升高的。此外，隨著太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度增大，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度也是呈線(xiàn)性趨勢(shì)升高的。在本文計(jì)算條件下，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度為327.6～503.2 K。

圖5 瞬時(shí)熱效率隨環(huán)境溫度的變化Fig.5 Variation of transient thermal efficiency with ambient temperature

圖6 熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨傳熱流體溫度的變化Fig.6 Variation of temperature of working liquid in heat-pipe evacuated tube with temperature of heat transfer liquid

圖7為圖6條件下熱管內(nèi)工質(zhì)的工作壓力隨傳熱流體溫度的變化曲線(xiàn)。本文計(jì)算條件下，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作壓力為0.016～2.8 MPa。隨著傳熱流體溫度升高，熱管內(nèi)工質(zhì)的溫度逐漸升高，對(duì)應(yīng)的工作壓力也逐漸升高，而且升高幅度逐漸變大。例如，熱管內(nèi)工質(zhì)溫度由348.7 K升至366.9 K（升高18.2 K），對(duì)應(yīng)壓力由0.04 MPa升至0.082 MPa（升高0.042 MPa）；工質(zhì)溫度由483.1 K升至503.18 K（升高20.08 K），對(duì)應(yīng)壓力則由1.91 MPa升至2.81 MPa（升高 0.9 MPa）。因此，在集熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要避免工質(zhì)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，否則會(huì)造成熱管承壓過(guò)大，降低熱管使用壽命。

圖7 熱管內(nèi)工質(zhì)的工作壓力隨傳熱流體溫度的變化Fig.7 Variation of pressure of working liquid in heat-pipe evacuated tube with temperature of heat transfer liquid

圖 8為太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度 1 000 W/m2，傳熱流體溫度453 K，風(fēng)速1 m/s時(shí)，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨環(huán)境溫度的變化曲線(xiàn)。隨著環(huán)境溫度升高，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度呈線(xiàn)性升高趨勢(shì)，但溫度變化幅度不大。

圖8 熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Variation of temperature of working liquid in heat-pipe evacuated tube with temperature of ambient temperature

圖 9為太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度 1 000 W/m2，環(huán)境溫度293 K，傳熱流體溫度453 K時(shí)，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線(xiàn)。隨著環(huán)境風(fēng)速增大，熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度逐漸下降，但下降幅度在逐漸減小。

圖9 熱管內(nèi)工質(zhì)的工作溫度隨風(fēng)速的變化Fig.9 Variation of temperature of working liquid in heat-pipe evacuated tube with wind speed

3.3 環(huán)形區(qū)域壓力對(duì)集熱系統(tǒng)傳熱性能的影響

集熱系統(tǒng)中，熱管式真空管接收器的熱損失主要是金屬管外壁面熱量通過(guò)環(huán)形區(qū)域傳向玻璃套管造成的。通常，為減小這部分熱損失，設(shè)計(jì)、加工接收器時(shí)環(huán)形區(qū)域要抽真空。文獻(xiàn)[29]認(rèn)為，環(huán)形區(qū)域壓力不應(yīng)高于Knudsen氣體導(dǎo)熱壓力范圍，一般要求維持在 0.013 Pa以下。但接收器長(zhǎng)期高溫運(yùn)行時(shí)，由于空氣穿透、金屬管涂層材料氣體滲出等原因，環(huán)形區(qū)域可能滲入氣體。文獻(xiàn)[30]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出，長(zhǎng)期運(yùn)行中接收器環(huán)形區(qū)域會(huì)滲入氦氣、氬氣和氮?dú)獾葰怏w。

為研究環(huán)形區(qū)域壓力（真空度）對(duì)集熱系統(tǒng)傳熱性能的影響，圖10給出了太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度1 000 W/m2，環(huán)境溫度293 K，環(huán)境風(fēng)速1 m/s條件下，接收器熱損失與環(huán)形區(qū)域壓力的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖10a為環(huán)形區(qū)域滲入空氣后，不同壓力條件下接收器熱損失隨傳熱流體溫度的變化曲線(xiàn)。隨著空氣滲入環(huán)形區(qū)域的量不斷增多、環(huán)形區(qū)域壓力逐漸增高，接收器熱損失逐漸增大。

圖10b為環(huán)形區(qū)域壓力為1 000 Pa，分別滲入空氣、氫氣、氬氣時(shí)，接收器熱損失隨傳熱流體溫度的變化曲線(xiàn)。雖然環(huán)形區(qū)域壓力相同，但滲入的氣體不同接收器熱損失明顯不同。滲入氫氣時(shí)接收器熱損失較高，而滲入氬氣時(shí)熱損失較低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不同，2Hλ>airλ>Arλ，導(dǎo)熱系數(shù)越大，傳熱性能越好，接收器熱損失也就越大。

圖10c為環(huán)形區(qū)域滲入空氣、氫氣和氬氣時(shí)，接收器熱損失隨環(huán)形區(qū)域壓力的變化曲線(xiàn)。根據(jù)稀薄氣體運(yùn)動(dòng)理論[31]，當(dāng)壓力P<13.3 Pa時(shí)環(huán)形區(qū)域氣體處于不連續(xù)狀態(tài)，對(duì)流傳熱方式為自由分子對(duì)流傳熱；當(dāng)P>13.3 Pa時(shí)，環(huán)形區(qū)域氣體開(kāi)始進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)，而且隨著壓力升高，對(duì)流換熱會(huì)增強(qiáng)并逐漸主導(dǎo)環(huán)形區(qū)域的傳熱。由圖 10c可知，隨著環(huán)形區(qū)域壓力升高，接收器熱損失變化可分為4段。環(huán)形區(qū)域壓力P≤0.001 Pa時(shí)，熱損失基本保持不變；0.0011 000 Pa時(shí)，熱損失又會(huì)急劇升高。

圖10 熱損失隨環(huán)形區(qū)域壓力的變化Fig.10 Variation of heat loss with annulus pressure

4 結(jié) 論

本文針對(duì)熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)建立了一維傳熱數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)集熱系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行了計(jì)算及分析。

1）集熱系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率隨太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度升高而升高，隨風(fēng)速和傳熱流體溫度升高而降低。在本文計(jì)算條件下，該集熱系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率均高于70%。

2）熱管在工作時(shí)管內(nèi)工質(zhì)處于飽和狀態(tài)，工質(zhì)的工作溫度隨太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和傳熱流體溫度升高而升高，隨風(fēng)速增大而降低。隨著工質(zhì)的工作溫度升高，對(duì)應(yīng)的工作壓力也逐漸增大，且增大幅度逐漸明顯。在本文計(jì)算條件下，熱管的工作溫度為 327.6～503.2 K，工作壓力在0.016～2.8 MPa。

3）環(huán)形區(qū)域壓力和滲入氣體種類(lèi)對(duì)集熱系統(tǒng)傳熱性能也有明顯影響。環(huán)形區(qū)域壓力P<0.001 Pa時(shí)，接收器熱損失基本不隨壓力變化而改變；P>0.001 Pa時(shí)，隨著壓力升高，接收器熱損失明顯增大。此外，環(huán)形區(qū)域滲入氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越大，接收器熱損失越大。

綜上所述，本文建立的熱管式真空管太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)一維傳熱模型可有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)傳熱特性，對(duì)集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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