山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 蘇士強(qiáng) 馬光柏 袁婉麗

0 引言

得益于清華大學(xué)殷志強(qiáng)教授發(fā)明的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的選擇性吸收涂層技術(shù)，我國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)在90年代后期逐步發(fā)展壯大，且在此后十幾年里持續(xù)增長(zhǎng)。在太陽(yáng)能低溫?zé)崂妙I(lǐng)域，截止至2018年，我國(guó)的太陽(yáng)能集熱器保有量占世界總保有量的70%[1]。鄭瑞澄[2]按系統(tǒng)達(dá)到的工作溫度將太陽(yáng)能中溫?zé)崂枚x為100～250 ℃，這是采用U型管的CPC真空管型集熱器可以達(dá)到的溫度。在U型管流道的CPC集熱器研究方面，王雪勍等[3]進(jìn)行了CPC脈動(dòng)熱管太陽(yáng)能集熱器的運(yùn)行特性研究，總結(jié)了各參數(shù)對(duì)集熱器性能的影響規(guī)律；馬玉森等[4]研究了集熱器的聚光特性；焦青太等[5]研究了應(yīng)用CPC集熱器產(chǎn)生蒸汽量的對(duì)比。在集熱器壓降方面，翟桂珍等[6]針對(duì)泡沫金屬平板式太陽(yáng)能集熱器，研究了不同泡沫金屬塊高度與孔隙率對(duì)太陽(yáng)能集熱器排管內(nèi)傳熱的影響，并分析了不同情況下的Nu數(shù)、壓降和綜合節(jié)能性能；王金標(biāo)[7]研究了承壓容積式太陽(yáng)能集熱器壓降與流量之間的數(shù)學(xué)模型，得出了集熱器流量與壓降的變化關(guān)系。雖然關(guān)于集熱器的研究文獻(xiàn)不少，但對(duì)于U型管集熱器的壓降，目前尚未見(jiàn)到相關(guān)研究。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，集熱器的壓降是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)集熱器陣列布置、循環(huán)泵選型有重要影響，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也明確了其測(cè)試方法。為了解集熱器兩端壓降的計(jì)算方法及實(shí)際的壓降數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考，本文以采用銅材質(zhì)U型管的CPC真空管型中溫集熱器為對(duì)象進(jìn)行壓降計(jì)算、試驗(yàn)及分析，以獲得不同類型集熱器的壓降數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用比較。

1 集熱器兩端壓降的計(jì)算方法

流體介質(zhì)從集熱器的一端流進(jìn)，從另一端流出，在集熱器中流動(dòng)時(shí)，由于實(shí)際流體本身都具有粘性，流體質(zhì)點(diǎn)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必將產(chǎn)生粘性切應(yīng)力，即流動(dòng)阻力，從而產(chǎn)生能量損失；這種能量損失主要由沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分組成，導(dǎo)致了集熱器壓降的產(chǎn)生。

介質(zhì)在集熱器兩端的壓降即阻力損失，其公式為：

式中，hf為單位重量流體的沿程阻力損失，m水柱；hj為單位重量流體的局部阻力損失，m水柱。

工程上用于計(jì)算管內(nèi)流動(dòng)阻力的公式[8]如下：

1)沿程阻力損失的計(jì)算式為：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)，無(wú)量綱；l為管長(zhǎng)，m；d為銅管直徑，m；v為介質(zhì)的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算分為2種情況：

①當(dāng)層流流動(dòng)時(shí)：

②當(dāng)湍流流動(dòng)時(shí)：

式中，Re為雷諾數(shù)，Re＞2320時(shí)為湍流，V為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，m/s2。

銅管內(nèi)介質(zhì)的流速v的計(jì)算式為：

式中，Q為流量，m3/s。

2)局部阻力損失的計(jì)算式為：

式中，ξ為局部阻力系數(shù)，無(wú)量綱，取值主要與管道結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，一般根據(jù)管道變化情況來(lái)確定。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在流量不變的情況下，為了盡量減少集熱器的壓降，集熱器內(nèi)的U型管流道的設(shè)計(jì)顯得尤其重要，主要包括單臺(tái)集熱器面積大小及集管和U型管的連接數(shù)量等。為進(jìn)行比較，分別對(duì)CPC-U型真空管中溫集熱器內(nèi)單組、兩組、三組U型管與集管焊接(以下分別簡(jiǎn)稱為單組焊接、兩組焊接和三組焊接)的流道進(jìn)行壓降計(jì)算。不同的U型管與集管焊接方式如圖1所示。

圖1 集熱器內(nèi)的U型管與集管的焊接方式

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，集熱器的局部阻力系數(shù)ξ的取值由介質(zhì)流向確定，具體如表1所示。

集熱器的主管外徑為15 mm，內(nèi)徑為13 mm；U型管的外徑為8 mm，內(nèi)徑為7 mm；水的運(yùn)動(dòng)粘度為1.0×10-6m/s2，1 m水柱壓強(qiáng)為98.1 mbar。根據(jù)式(1)，可計(jì)算介質(zhì)在集熱器兩端的壓降值。在計(jì)算過(guò)程中，集熱器的單位面積流量按0.020 kg/(s·m2)計(jì)算；U型管流量取集管流量均分值；集管內(nèi)各處流量按U型管連接分流后取依次遞減的值，并對(duì)應(yīng)相應(yīng)的長(zhǎng)度。集熱器內(nèi)流體流動(dòng)形式基本為層流，計(jì)算得到的不同類型集熱器采用不同焊接方式時(shí)的壓降值對(duì)比如表2所示。

表1 集熱器局部阻力系數(shù)ξ的取值

表2 不同類型集熱器采用不同焊接方式時(shí)的壓降值對(duì)比

根據(jù)表2可知，在相同單位面積流量下，不同類型的單臺(tái)集熱器的壓降大小依次為：CPC1518三組焊接＞U1521三組焊接＞CPC1518兩組焊接＞CPC1512兩組焊接＞ CPC1518單組焊接＞CPC1506兩組焊接＞CPC1506單組焊接。

2 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述

為進(jìn)一步了解集熱器壓降的實(shí)際情況，采用不同焊接方式制作了樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用集熱器樣品為6臺(tái)CPC-U型真空管中溫集熱器和1臺(tái)U型管真空管型集熱器(無(wú)CPC反光板)，承壓運(yùn)行，豎單排放置，傳熱工質(zhì)為水。試驗(yàn)樣機(jī)明細(xì)如表3所示，樣機(jī)實(shí)物如圖2所示。

表3 集熱器兩端壓降試驗(yàn)樣機(jī)

圖2 壓降測(cè)試用集熱器樣品

按照GB/T 4271-2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》中的要求[9]，采用STD924型Honeywell微差壓變送器進(jìn)行集熱器兩端壓差(壓降)的測(cè)量，精度為100 kPa×0.05%=50 Pa。測(cè)試用的工質(zhì)為水，水溫約為20 ℃。壓降測(cè)試系統(tǒng)為密閉運(yùn)行，試驗(yàn)壓力為0.2 MPa。工程設(shè)計(jì)中，按照GB 50364-2005《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的要求，流量設(shè)計(jì)值一般按集熱器總面積取0.015～0.020 kg/(s·m2)，本研究中測(cè)試流量按集熱器總面積最大值取0.100 kg/(s·m2)，所測(cè)流量覆蓋工程設(shè)計(jì)流量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及說(shuō)明

3.1 CPC1506集熱器的壓降測(cè)試結(jié)果

將CPC1506集熱器采用單組焊接和兩組焊接時(shí)的壓降測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 CPC1506集熱器采用不同焊接方式時(shí)的壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從圖3中可以看出，對(duì)于CPC1506集熱器而言，采用兩組焊接時(shí)的壓降比采用單組焊接時(shí)的大。當(dāng)單位面積流量為0.024 kg/(s·m2)時(shí)，兩組焊接的壓降為單組焊接的3倍；隨著單位面積流量增大，兩組焊接的壓降的上升幅度增大，且單位面積流量越大，二者之間的壓降差別越明顯。經(jīng)分析，造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋簝山M焊接時(shí)U型管內(nèi)的單位面積流量比單組焊接時(shí)的單位面積流量大1倍，且多了1組U型彎，造成局部阻力損失和沿程阻力損失增加。

3.2 CPC1518集熱器的壓降測(cè)試結(jié)果

CPC1518集熱器分別有單組焊接、兩組焊接、三組焊接的樣機(jī)，其壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 CPC1518集熱器采用不同焊接方式時(shí)的壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

從圖4中可以看出，對(duì)于CPC1518集熱器而言，三組焊接的壓降最大，單組焊接的壓降最小；且隨著單位面積流量增大，集熱器的壓降增大，三組焊接壓降的增加幅度最大。當(dāng)單位面積流量為0.020 kg/(s·m2)時(shí)，三組焊接的壓降為34.4 mbar，兩組焊接的壓降為19.6 mbar，單組焊接的壓降為14.9 mbar，兩兩對(duì)比分別相差43%和57%。經(jīng)分析，造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋杭療崞鱑型管內(nèi)單位面積流量不同造成了沿程阻力損失不同，U型彎數(shù)量不同造成了局部阻力損失不同。

3.3 CPC1506、CPC1512與CPC1518集熱器的壓降測(cè)試結(jié)果

實(shí)際生產(chǎn)中，集熱器中的U型管結(jié)構(gòu)形式采用較多的為CPC1506單組焊接、CPC1512兩組焊接與CPC1518三組焊接。采用這3種焊接方式的集熱器的壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同類型集熱器采用不同焊接方式時(shí)的壓降測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

由圖5可知，在相同的單位面積流量下，CPC1518三組焊接的壓降最大，CPC1512兩組焊接的次之，CPC1506單組焊接的最小。按照壓降計(jì)算方法，當(dāng)單位面積流量相同時(shí)，集管內(nèi)流速相同，由于這3種集熱器的U型管與集管連接均為6處，因此U型管內(nèi)的流速也相同，此時(shí)介質(zhì)在集熱器內(nèi)的壓降差異主要是由于U型管的長(zhǎng)度不同(CPC1506為2990 mm、CPC1512為6000 mm，CPC1518為9010 mm)所帶來(lái)的沿程阻力損失不同和U型彎的數(shù)量不同(CPC1506為1個(gè)，CPC1512為3個(gè)，CPC1518為10個(gè))所帶來(lái)的局部阻力損失不同。

匯總所有測(cè)試樣機(jī)的結(jié)果，可得到單臺(tái)集熱器的流量-壓降對(duì)比關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 單臺(tái)集熱器采用不同焊接方式時(shí)的流量-壓降對(duì)比關(guān)系圖

由圖6可見(jiàn)，流量相同時(shí)，壓降從大到小排序?yàn)椋篊PC1506兩組焊接＞U1521三組焊接＞CPC1518三組焊接＞CPC1512兩組焊接＞CPC1518兩組焊接＞CPC1506單組焊接＞CPC1518單組焊接。

匯總所有測(cè)試樣機(jī)的結(jié)果，可得到單臺(tái)集熱器的單位面積流量-壓降對(duì)比關(guān)系圖， 如圖7所示。

圖7 單臺(tái)集熱器采用不同焊接方式時(shí)的單位面積流量-壓降對(duì)比關(guān)系圖

由圖7可見(jiàn)，單位面積流量相同時(shí)，壓降從大到小排序?yàn)椋篊PC1518三組焊接＞U1521三組焊接＞CPC1518兩組焊接＞CPC1512兩組焊接＞CPC1518單組焊接＞CPC1506兩組焊接＞CPC1506單組焊接。該趨勢(shì)與表2的計(jì)算結(jié)果相吻合，這說(shuō)明計(jì)算結(jié)果有一定可信度。

需要說(shuō)明的是，經(jīng)測(cè)試，本研究中不同類型集熱器的焊接組數(shù)并不影響集熱器的瞬時(shí)效率。但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，僅考慮壓降大小并不合適，還應(yīng)考慮加工難度、加工成本、焊點(diǎn)滲漏幾率等因素。

3.4 工程實(shí)際設(shè)計(jì)中的壓降計(jì)算

從上文的比較可見(jiàn)，相同單位面積流量下單臺(tái)集熱器壓降大小的排序與相同流量下單臺(tái)集熱器壓降大小的排序不同，在實(shí)際應(yīng)用中需要注意這一點(diǎn)。

為進(jìn)一步了解在工程實(shí)際應(yīng)用中的壓降問(wèn)題，以1個(gè)面積為12 m2的集熱器串聯(lián)陣列為例，計(jì)算采用不同類型集熱器及焊接方式時(shí)的壓降情況。參考GB 50495-2009《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》中的表3.4.4，陣列單位面積流量取0.008 kg/(s·m2)，則該串聯(lián)陣列的總流量為0.096 kg/s，即346 kg/h。實(shí)際應(yīng)用中，集熱器用量及對(duì)應(yīng)的壓降值如表4所示。

表4 實(shí)際應(yīng)用中集熱器陣列的壓降

由表4可知，在集熱器串聯(lián)陣列中，使用不同類型集熱器時(shí)陣列壓降大小的排序?yàn)椋篊PC1506兩組焊接＞CPC1506單組焊接＞U1521三組焊接＞CPC1512兩組焊接＞CPC1518三組焊接＞CPC1518兩組焊接＞CPC1518單組焊接。

該壓降大小的排序與單臺(tái)集熱器在相同流量和相同單位面積流量時(shí)壓降大小的排序又不相同。因此在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少泵的運(yùn)行阻力而需要選用壓降小的集熱器時(shí)，不能僅考慮單臺(tái)集熱器壓降，而應(yīng)考慮集熱器陣列的大小及其串聯(lián)、并聯(lián)布置情況，以及集熱器的數(shù)量，由對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行壓降計(jì)算后再確定。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)集熱器壓降進(jìn)行計(jì)算并對(duì)集熱器樣機(jī)的壓降進(jìn)行測(cè)試，得到如下結(jié)論：

1)CPC-U型真空管中溫集熱器的壓降主要與U型管內(nèi)的流量和U型彎的數(shù)量有關(guān)。U型管與集管連接越多、U型彎越少，集熱器壓降越小。根據(jù)U型管結(jié)構(gòu)，要降低集熱器壓降，可通過(guò)增加U型管與集管的連接數(shù)量實(shí)現(xiàn)。壓降最小的U型管結(jié)構(gòu)為單組焊接的方式。

2)不同類型、不同U型管與集管焊接組數(shù)的單臺(tái)集熱器，在相同流量和相同單位面積流量下其壓降大小排序并不相同；而工程應(yīng)用中，集熱器陣列的總壓降與單臺(tái)集熱器壓降大小的排序也不相同。如實(shí)際工程中常用的CPC1518三組焊接，單位面積流量為0.008 kg/(s·m2)時(shí)，單臺(tái)集熱器的壓降為10.0 mbar，實(shí)際工程中采用4臺(tái)集熱器串聯(lián)時(shí)，單位面積流量仍為0.008 kg/(s·m2)，但由于總流量變大，單臺(tái)集熱器壓降變?yōu)?6 mbar，差別很大。因此，不能僅從單臺(tái)集熱器的壓降大小來(lái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的集熱器選型，而應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的集熱器陣列形式、面積、流量，以及單臺(tái)集熱器壓降值進(jìn)行綜合計(jì)算后再進(jìn)行選取。