陳安娟，劉 杰，張 俊

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266525)

太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能熱利用的核心元件，其傳熱性能的大小決定了太陽(yáng)能熱利用的高低。目前使用最普遍的太陽(yáng)能集熱器為平板式及真空管式集熱器，真空管式集熱器包括全玻璃真空管式、熱管式真空管式、U型真空管式[1]。為了滿足用熱需求，要求太陽(yáng)能集熱器在較高的工作溫度時(shí)仍保持較高的工作效率，而導(dǎo)熱油型真空管太陽(yáng)能集熱器符合這一特性[2]。U型導(dǎo)熱油真空集熱管外有真空套管，內(nèi)有金屬流道，具有傳熱效率高、升溫快、承壓能力高、單管破裂不會(huì)影響整體運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于中低溫領(lǐng)域[3]。

近年來(lái)，一些研究者在太陽(yáng)能集熱器熱性能提升方面做了很多研究，閔子健、張昕宇等[4-5]為降低真空集熱管的輻射傳熱熱損，提出了帶內(nèi)遮板的真空集熱管管型，通過(guò)計(jì)算得到帶內(nèi)遮板的真空集熱管的性能更優(yōu)；LIANG Ruobing等[6]提出了一種新型填充式U型真空集熱管，通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得出，填充U型管式真空集熱管具有良好的熱性能，其集熱效率可較現(xiàn)有鋁翼型U型管式真空集熱管提升12%；安玉嬌等[7]提出在U型真空管內(nèi)采用波浪式鋁翼代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁翼，結(jié)果表明波浪式鋁翼的U型真空管熱效率較傳統(tǒng)鋁翼可提高約6%。國(guó)外有學(xué)者采取在集熱管內(nèi)填充工質(zhì)的方法來(lái)減少集熱器熱損失[8]，這種方法可在一定程度上提高真空管型太陽(yáng)集熱器的熱性能，但工藝相對(duì)復(fù)雜，一些工藝停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未得到推廣應(yīng)用。

本文根據(jù)傳熱學(xué)原理對(duì)U型導(dǎo)熱油真空集熱管進(jìn)行了傳熱分析，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的集熱管建立物理模型、數(shù)學(xué)模型和熱阻模型，分析了不同集熱管的傳熱過(guò)程。通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)U型管下有填充物和U型管下無(wú)填充物的2種不同真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器熱性能進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，2種集熱器除真空管結(jié)構(gòu)不同外其他試驗(yàn)條件均相同，根據(jù)其熱性能確定最優(yōu)的真空集熱管結(jié)構(gòu)。

1 不同結(jié)構(gòu)的新型U型太陽(yáng)能真空集熱管

為研究不同太陽(yáng)輻照度下，不同結(jié)構(gòu)的新型U型太陽(yáng)能真空集熱管的傳熱性能，建立了如圖1所示的2種U型集熱管物理模型，分別為U型管下有填充物和U型管下無(wú)填充物。無(wú)填充物的U型真空集熱管主要由玻璃套管、真空層、吸收涂層、U型管及之間的卡子組成，截面如圖1(a)所示；有填充物的U型真空集熱管主要由玻璃套管、真空層、吸收涂層、U型管、填充物(玻璃巖棉)、內(nèi)外玻璃管之間的卡子組成，截面如圖1(b)所示。

圖1 新型U型太陽(yáng)能真空集熱管截面

2 新型U型太陽(yáng)能真空集熱管傳熱分析

2.1 無(wú)填充物的U型真空集熱管的傳熱分析

太陽(yáng)輻射透過(guò)外玻璃套管，投射到涂有選擇性吸收涂層的內(nèi)玻璃管上，吸收涂層充分吸收入射太陽(yáng)能，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)導(dǎo)熱和對(duì)流的形式將熱量傳遞給貼壁U型管，U型管吸收熱量后與管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱，使管內(nèi)工質(zhì)不斷升溫，導(dǎo)熱油在被加熱升溫的過(guò)程中將有用熱能帶走，與此同時(shí)，加熱后的吸熱管以輻射的方式將部分熱量傳遞給外玻璃管，外玻璃管以輻射和對(duì)流的形式向周圍環(huán)境散失一部分熱量，如圖2所示。

圖2 無(wú)填充物的新型U型真空集熱管能量傳遞

集熱管傳熱過(guò)程可以通過(guò)系統(tǒng)熱阻來(lái)表示，熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 管內(nèi)無(wú)保溫材料熱阻網(wǎng)絡(luò)

圖4 有填充物的新型U型真空集熱管能量傳遞

2.2 有填充物的U型真空集熱管的傳熱分析

該結(jié)構(gòu)下的真空集熱管除因在U型管下有填充物而減少散熱外，其他傳熱過(guò)程與U型管下無(wú)填充物的真空集熱管傳熱過(guò)程相同，能量傳遞過(guò)程如圖4所示。

集熱管的傳熱過(guò)程可以通過(guò)系統(tǒng)熱阻來(lái)表示，熱阻模型如圖5所示。

2.3 集熱器瞬時(shí)效率

集熱器瞬時(shí)效率ηi定義為在某一時(shí)間內(nèi)吸收的有用能Q與入射的太陽(yáng)輻射能之比[9]。

其中：

Q=mCf(To-Ti)

Aa=L×[(n-1)S+Dg1]

式中：Aa為集熱器輪廓采光面積，m2；Is為太陽(yáng)輻照度，W/m2；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，g/s；Cf為傳熱工質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)；To為工質(zhì)出集熱器溫度，℃；Ti為工質(zhì)進(jìn)集熱器溫度，℃；L為真空管長(zhǎng)度，m；n為真空管數(shù)；S為相鄰太陽(yáng)集熱器的中心距，m；Dg1為真空管外徑，m。

圖5 管內(nèi)有保溫材料熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

3 不同結(jié)構(gòu)的新型真空管太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)

圖6 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理

表1 試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)位于德州市某太陽(yáng)能生產(chǎn)廠空地，集熱器安裝傾斜角為40°，試驗(yàn)時(shí)間為2021年8月14日至20日，試驗(yàn)期間集熱器采光面的太陽(yáng)輻照度≥500 W/m2，環(huán)境風(fēng)速≤4 m/s，環(huán)境溫度29～30 ℃，試驗(yàn)采用非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由2臺(tái)不同結(jié)構(gòu)的新型真空管太陽(yáng)能集熱器組成，每臺(tái)集熱器各有16支真空管，每只真空管的幾何尺寸均為Φ57 mm×1500 mm，管間距均為12.6 mm，每支真空管的容積均為2.625×10-4m3，每臺(tái)集熱器集熱面積為1.75 m2。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中2臺(tái)真空管太陽(yáng)能集熱器采用并聯(lián)方式連接，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖6，試驗(yàn)所需主要測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表1。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器進(jìn)出口溫度如圖7所示。由圖7可知，不同真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器出口溫度隨時(shí)間的變化整體上均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，受進(jìn)口溫度及輻照度影響，出口溫度存在波動(dòng)。在除真空管結(jié)構(gòu)不同，其他條件均相同情況下，真空管內(nèi)有填充物的集熱器出口溫度高于真空管內(nèi)無(wú)填充物的集熱器出口溫度，最大溫差為2.1 ℃，出現(xiàn)在12：45，此時(shí)太陽(yáng)輻射最強(qiáng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于當(dāng)太陽(yáng)輻射投射到集熱管上后，真空管上部吸收涂層充分吸收入射太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞給管內(nèi)流體，流體為導(dǎo)熱油，升溫快，而下部吸熱管因?yàn)樯喜考爸車婵展艿恼趽踅邮仗?yáng)輻射量少，溫度低，且溫度低于管內(nèi)流體溫度，管下填充保溫材料會(huì)減少熱損，而管下未填充保溫材料導(dǎo)致導(dǎo)熱油熱量向下部真空管傳熱，從而導(dǎo)致熱損增加，出口溫度降低。

不同真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器效率如圖8所示。由圖8可知，不同真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器效率隨時(shí)間的增加整體上均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)[10]，受太陽(yáng)輻照度、進(jìn)口溫度以及質(zhì)量流量的影響，集熱器瞬時(shí)效率存在較大波動(dòng)，隨著太陽(yáng)輻照的增加，集熱效率升高，但不管集熱效率如何波動(dòng)，真空管內(nèi)有填充物的集熱器的集熱效率始終高于真空管內(nèi)無(wú)填充物的集熱器效率，兩者平均集熱效率相差10.3%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于太陽(yáng)能真空集熱管在接收太陽(yáng)輻射后吸熱使管內(nèi)流體升溫，真空管上部接收太陽(yáng)輻射多，而真空管下部接收太陽(yáng)輻射量少，溫度低，且溫度低于管內(nèi)流體溫度，當(dāng)管內(nèi)無(wú)保溫材料時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)熱油熱量損失增加，進(jìn)出口溫差減小，集熱器效率也相對(duì)較低。

圖8 不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器效率

4 結(jié)論

本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)的新型U型導(dǎo)熱油太陽(yáng)能真空集熱管進(jìn)行研究，通過(guò)搭建2種真空管結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)得到如下結(jié)論：

1) 在本文試驗(yàn)條件下，2種真空管結(jié)構(gòu)中，U型管下有填充物的集熱管相比U型管下無(wú)填充物的集熱管傳熱效果更好，結(jié)構(gòu)更合理。

2) 在除真空管結(jié)構(gòu)不同，其他條件相同情況下，真空管內(nèi)有填充物的集熱器出口溫度高于真空管內(nèi)無(wú)填充物的集熱器出口溫度，最大溫差為2.1 ℃，出現(xiàn)在12：45，此時(shí)太陽(yáng)輻射最強(qiáng)。

3) 真空管內(nèi)有填充物的集熱器的集熱效率高于真空管內(nèi)無(wú)填充物的集熱器效率，平均集熱效率相差10.3%。

通過(guò)上述結(jié)論最終可以得出U型管下有填充物的太陽(yáng)能真空集熱管熱性能更佳，且U型管下有填充物的集熱管在一天運(yùn)行結(jié)束后可以對(duì)管內(nèi)工質(zhì)起到保溫作用，第2天啟用時(shí)預(yù)熱快，同時(shí)保溫材料的存在對(duì)玻璃套管和U型管起到保護(hù)和托舉作用，減小真空套管漏氣的可能性，所以U型管下填充保溫材料的真空集熱管結(jié)構(gòu)更合理。

新型U型導(dǎo)熱油真空管太陽(yáng)能集熱器，工質(zhì)升溫快，出口溫度高，多組串聯(lián)與其他設(shè)備配合可適用于制冷、供暖或海水淡化等中低溫領(lǐng)域。