宋佳營

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

0 引言

太陽能既是一次資源，又可以再生并循環(huán)使用。它的利用不限定時間和地域，但其缺點是能量密度低，較難收集，此外對太陽能的利用容易受天氣和氣候影響。但可以將太陽能加以貯存或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成其他形式的能量加以利用。文中主要研究利用太陽能達(dá)到室內(nèi)供熱的效果。

太陽能產(chǎn)品及利用方式有太陽能集熱器、太陽能熱水器、太陽灶、太陽能建筑(太陽能房)、太陽池、太陽坑、太陽能電池以及太陽能直接發(fā)電等。其中，太陽能供熱房設(shè)計系統(tǒng)相對較復(fù)雜，需要大型集熱系統(tǒng)或大量的建筑材料，因此仍未規(guī)模化投入使用。文中主要研究太陽能供熱房的相關(guān)技術(shù)。

太陽能供熱房的技術(shù)關(guān)鍵是將太陽能很好地吸收來提高室內(nèi)溫度，以達(dá)到冬天室內(nèi)溫度適宜的效果，但需要解決下列問題:

(1)太陽能的合理收集;

(2)確定集熱裝置的尺寸大小及使用的范圍;

(3)提高裝置的真空度;

(4)保障裝置內(nèi)部流體正常流動;

(5)保障散熱效果;

(6)裝置循環(huán)動力［1］設(shè)計。

1 太陽能熱管的原理與介質(zhì)選取

1.1 太陽能熱管工作原理

典型的太陽能熱管由管殼和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×10－1～1.3 ×10－4Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。熱管的一端受熱時蒸發(fā)段的液體汽化、上升，在冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，液體再由重力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下6個相互關(guān)聯(lián)的主要過程［2］:

(1)太陽能熱量通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液－汽分界面;

(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液－汽分界面上蒸發(fā);

(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;

(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽－液分界面上凝結(jié);

(5)熱量從汽－液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;

(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

1.2 熱管介質(zhì)的選擇

太陽能熱管應(yīng)選用易達(dá)到沸點的低沸點物質(zhì)為介質(zhì)，同時利用熱管管殼內(nèi)呈負(fù)壓而降低工質(zhì)沸點的特性，強化熱管表面換熱技術(shù)，以期達(dá)到對太陽能的更高效利用。

熱管多數(shù)采用甲醇、乙醇、丙酮、氨為工作介質(zhì)。由于氨的工作溫度不符合要求，文中擬從甲醇、乙醇、丙酮3種介質(zhì)中選擇。不同溫度下3種介質(zhì)汽化潛熱比較圖見圖1。通過表1三種物質(zhì)主要熱物性進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，甲醇的汽化潛熱和導(dǎo)熱率最高而沸點又相對較低，優(yōu)先選用甲醇為工作介質(zhì)。

圖1 不同溫度下3種介質(zhì)汽化潛熱比較圖

表1 3種主要物質(zhì)常溫下熱物性對比

2 輔助裝置設(shè)計

2.1 聚光裝置

蒸發(fā)段加熱處如果光線不足的話，可能會使整個裝置無法啟動，需要在加熱的地方加聚光裝置，以提高整個裝置的效率。采用的聚光裝置如圖2所示，圖中采用的是菲涅爾棱鏡。R1，R2為太陽平行光，可以看出平行光從右側(cè)入射至棱鏡，聚集于焦點S處。

圖2 菲涅爾棱鏡［3］

2.2 吸液芯結(jié)構(gòu)及選取

吸液芯是熱管的一個重要組成部分。熱管正常工作的必要條件是［4］:

式中，毛細(xì)壓頭△Pc是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力，用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降△Pv，冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降△Pl和重力場對液體流動的壓力降△Pg(△Pg可以是正值、負(fù)值或零，視熱管在重力場中的位置而定)。

一個性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有:

(1)足夠大的毛細(xì)抽吸壓力或較小的管芯有效孔徑;

(2)較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率;

(3)良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻;

(4)良好的工藝重復(fù)性及可靠性，制造簡單，價格便宜。

通過對幾種管芯性價比較，裝置中選用了多層網(wǎng)芯的管芯。

3 試驗過程及分析

3.1 設(shè)計與試驗操作

圖3示出根據(jù)所需要求設(shè)計出的太陽能熱管系統(tǒng)，包括玻璃熱管、筒體、散熱管、回流管、真空抽取及加料部分。

圖3 結(jié)構(gòu)示意

玻璃熱管包括真空層、玻璃套管、玻璃套管內(nèi)設(shè)有吸收管。設(shè)置真空層的目的是減小熱量損失。為了更好地吸收太陽能，玻璃熱管與水平面成45°。用法蘭來連接玻璃熱管和筒體。筒體的材料為無縫鋼管，其上開有孔，用來安裝玻璃熱管、回流管、散熱管、真空表、真空抽取和加料部分等，外表裹有絕熱層。筒體的作用是匯集各熱管產(chǎn)生的蒸汽，使之送往散熱管并儲存甲醇。散熱管的材料擬用紫銅，管殼外裝有散熱片，以增大散熱面積。散熱管及散熱片放置在室內(nèi)，其余部分放置在室外。

系統(tǒng)工作流程如下:在陽光照射下，熱管內(nèi)液態(tài)甲醇吸收太陽能并且溫度不斷升高，當(dāng)達(dá)到沸點時，液態(tài)甲醇汽化變成甲醇蒸汽;并聯(lián)的熱管產(chǎn)生的蒸汽在筒體處匯集，并輸往散熱管;當(dāng)達(dá)到散熱管時，由于外界溫度比甲醇蒸汽溫度低，蒸汽冷凝，釋放熱量，熱量通過散熱片傳到外界，此時即達(dá)到目的。冷凝的液態(tài)甲醇由于重力因素通過回流管回到筒體，流回的液體使筒體內(nèi)液面升高，液態(tài)甲醇均勻地回到玻璃熱管中。如此循環(huán)，使太陽能產(chǎn)生的熱量不斷轉(zhuǎn)移到室內(nèi)。

3.2 試驗中的問題

在對裝置抽取真空、灌入介質(zhì)等準(zhǔn)備工作后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長時間的光照后，玻璃管內(nèi)的介質(zhì)只是冒很小的氣泡，現(xiàn)象并不明顯。抽真空后，裝置內(nèi)甲醇介質(zhì)的沸騰溫度為56℃。甲醇液體沸騰不持續(xù)，唯一可能的解釋就是甲醇沸點上升，原因可能是體系內(nèi)壓強變化造成的。如果甲醇蒸汽在裝置中無法及時冷凝，則會導(dǎo)致體系壓強增大，甲醇沸點升高，最終沸騰停止，整個循環(huán)無法維持。

4 改進(jìn)設(shè)計

4.1 改進(jìn)方法

在原來的裝置設(shè)計中，管路橫放，即流體進(jìn)行水平方向流動。這樣的設(shè)計不利于氣、液相分離，液相平鋪在整個管路內(nèi)，不利于進(jìn)行循環(huán)。將新的裝置(如圖4所示)設(shè)計為豎放，這樣液體沸騰時產(chǎn)生的氣體能夠直接脫離液相進(jìn)入管路，而在換熱管部分，冷凝而成的液相由于重力作用迅速流下。循環(huán)過程中氣、液嚴(yán)格分離，有利于流動。

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意

為了強化蒸發(fā)及循環(huán)，在氣體發(fā)生部分采用了新的吸液芯設(shè)計，以獲得更大的毛細(xì)抽吸壓力［5］，更小的液體流動阻力。一般管芯往往不能同時兼顧毛細(xì)抽吸力及滲透率，采用兩層組合管芯，基本上將管芯分成兩部分，一部分起毛細(xì)抽吸作用;另一部分起液體回流通道作用。貼近表壁外層用細(xì)網(wǎng)，細(xì)孔網(wǎng)毛細(xì)效果好、抽吸力大，但流動阻力大;內(nèi)層用粗孔網(wǎng)，流動阻力小，這樣可由表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力，通道內(nèi)的粗孔網(wǎng)使流動阻力較小。組合管芯能兼顧毛細(xì)力和滲透率，從而能獲得較高的軸向傳熱能力。通過這樣的改進(jìn)，可以在蒸發(fā)部分獲得更大的壓強，并通過吸液芯將冷凝液吸回蒸發(fā)部分，大大提高裝置的循環(huán)效果和速率。

在新的裝置中加入了一些新的部件，以提高試驗時對熱管內(nèi)部情況的了解程度。蒸發(fā)部分設(shè)置了一段玻璃管，方便對液體沸騰情況的觀察。此外裝置中加裝了熱電阻和差壓計，隨時監(jiān)測裝置溫度和壓強的變化，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

4.2 試驗結(jié)果

在室溫為13℃下，每隔3 min測得裝置散熱段周圍提高4～6℃，可以初步達(dá)到供熱效果。若同樣裝置并聯(lián)使用效果更佳。

5 結(jié)論

(1)由于甲醇的汽化潛熱和導(dǎo)熱率較高而沸點又相對較低，選用甲醇為工作介質(zhì)。

(2)設(shè)計出一種利用介質(zhì)相變傳熱的熱管裝置，并對其加以改進(jìn)，用于低品位能量的吸收與轉(zhuǎn)移。在利用裝置進(jìn)行一系列試驗后，試驗裝置存在傳熱效果不明顯以及沸騰無法持續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，對其進(jìn)行了原因分析并對裝置做了大量改進(jìn)，以期能夠使裝置進(jìn)行持續(xù)的相變循環(huán)，液體持續(xù)沸騰，翅片溫度上升，并達(dá)到一定的傳熱效率。

［1］ 趙忠超，周根明，陳育平，等.環(huán)路熱管理論研究進(jìn)展［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，23(5):416－420.

［2］ 莊駿，徐通明，石壽椿.熱管與熱管換熱器［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1989.

［3］ 深圳市沃恩德溢光電科技有限公司.http://www.szoande.qiyeku.com/comp/.info/56218 －1004_1154_1156 －2688087.html.

［4］ 莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［5］ Li Jia － Hao.Loop Heat Pipe［P］.United States Patent，US7654310 B2.Feb2 2010.