韓喜蓮, 朱垚宇

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

在面對(duì)如今能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題雙重挑戰(zhàn)的同時(shí)，清潔和可再生能源技術(shù)的發(fā)展是很有必要的.太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源，具有取之不盡，用之不竭，分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間有著良好的發(fā)展前景[1].然而，太陽(yáng)能具有的時(shí)間-空間不匹配問(wèn)題很大程度上限制了太陽(yáng)能利用技術(shù)的發(fā)展.相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管將太陽(yáng)能利用和相變儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，不僅可以解決太陽(yáng)能供求上存在的時(shí)間-空間不匹配問(wèn)題，而且可以大大提高太陽(yáng)能的利用效率.

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)能熱利用與相變儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合做了大量研究工作.劉鋒等[2]提出了一種新型太陽(yáng)能儲(chǔ)能裝置，并搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行分析測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，該新型太陽(yáng)能儲(chǔ)能裝置整體效率達(dá)到了64.7%.陳彥康等[3]采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)添加了相變材料的太陽(yáng)能蓄熱水箱熱特性進(jìn)行研究.結(jié)果表明，添加相變材料后，蓄熱水箱的蓄熱量增大，同時(shí)隨著進(jìn)口體積流量的增大，蓄熱水箱混合數(shù)先減小后增大.Bai等[4]利用帶肋片的熱管來(lái)彌補(bǔ)相變儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱能力的不足，并結(jié)合太陽(yáng)能真空集熱管，發(fā)明了一種新型的太陽(yáng)能利用儲(chǔ)能裝置來(lái)加熱空氣.Faegh等[5]在太陽(yáng)能蒸餾器中加入熱管和相變儲(chǔ)能材料組成了具有儲(chǔ)能功能的太陽(yáng)能蒸餾器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了新型太陽(yáng)能蒸餾器的性能.結(jié)果表明，添加了相變材料的太陽(yáng)能蒸餾器比沒(méi)有相變材料的太陽(yáng)能蒸餾器純水產(chǎn)量提高了86%.Tiari等[6-7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了熱管管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于相變儲(chǔ)能材料熔化過(guò)程的影響規(guī)律.結(jié)果表明，流體速度和溫度對(duì)于相變材料熔化過(guò)程影響很大.同時(shí)，還通過(guò)建立二維模型，研究了熱管對(duì)于具有高熔點(diǎn)的相變儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱能力的影響效果.結(jié)果表明，自然對(duì)流對(duì)于相變材料的熔化過(guò)程有很大的影響；增加熱管的數(shù)量能夠增加相變材料的熔化率，但是同時(shí)降低了周?chē)鷫w的溫度.Wang等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了嵌入微型平板熱管的太陽(yáng)能儲(chǔ)能裝置中空氣流量對(duì)于其效率的影響規(guī)律.結(jié)果表明，空氣流量大時(shí)相變材料吸熱時(shí)間縮短，瞬時(shí)傳熱量增加.相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管方面的研究很少，薜花[9]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)水流量與出水溫度的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著進(jìn)水流量的增大，出水溫度逐漸減小.其研究主要集中在進(jìn)水流量對(duì)于出水溫度的影響方面，對(duì)于真空管中相變材料吸熱和放熱階段熱特性側(cè)重較少.Papadimitratos等[10]以赤蘚糖醇和正三十三烷作為太陽(yáng)能集熱器的相變材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與沒(méi)有添加相變儲(chǔ)能材料的太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明，添加了相變材料的太陽(yáng)能集熱器在吸熱狀態(tài)下效率提高了66%，在放熱狀態(tài)下效率提高了26%.

在對(duì)相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管的研究中，缺乏不同工況下真空管運(yùn)行情況的比較和對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究.故本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)單根和串聯(lián)的相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管運(yùn)行時(shí)的熱特性進(jìn)行研究，采集太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、真空管內(nèi)相變材料溫度和進(jìn)出水溫度等數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)測(cè)量周期內(nèi)吸熱階段時(shí)的集熱效率.每個(gè)測(cè)量周期可分為吸熱階段和放熱階段，單根真空管運(yùn)行實(shí)驗(yàn)主要研究了晴天、多云和陰天工況下真空管運(yùn)行情況的差異以及各自可提供的熱水量和熱水溫度.串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)主要研究各串聯(lián)真空管運(yùn)行的差異以及整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)所能提供的熱水量和熱水溫度.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及材料

實(shí)驗(yàn)的主要對(duì)象是相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管，選用的相變材料為58號(hào)全精煉石蠟，石蠟的熱物理性質(zhì)如表1所示.石蠟作為相變材料，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：首先，石蠟無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象，不易與真空管中其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其次，石蠟價(jià)格低廉，獲取方便.但是，石蠟具有導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，所以在U型銅管上加裝肋片可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的換熱效率.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每根真空管中灌裝的石蠟質(zhì)量為2.4 kg.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，先將固態(tài)的石蠟用加熱器加熱至液態(tài)，然后灌進(jìn)已經(jīng)插入U(xiǎn)型銅管的真空管中.灌裝完畢后，將真空管靜置使石蠟變?yōu)楣虘B(tài).

表1 石蠟的熱物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)采用的相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管中真空管長(zhǎng)度為1 800 mm，內(nèi)徑58 mm；U型銅管長(zhǎng)度為2 000 mm，銅管內(nèi)徑9.2 mm；整個(gè)U型銅管上安裝了160個(gè)厚度為1 mm的矩形肋片，肋片材料為鋁，肋片安裝間距為10 mm，肋片長(zhǎng)度40 mm，寬度25 mm.

1.2 測(cè)量?jī)x器及數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要參數(shù)為太陽(yáng)輻照度、石蠟溫度、環(huán)境溫度、進(jìn)出水溫度和進(jìn)水流量.測(cè)量所用儀器及相應(yīng)的參數(shù)列于表2中.各測(cè)量?jī)x器連接到室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀中，真空集熱管吸熱階段太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和真空管中石蠟溫度的采集頻率為20 s/次；而放熱階段進(jìn)、出水溫度和石蠟溫度的采集頻率為2 s/次.

表2 測(cè)量?jī)x器及參數(shù)

1.3 單根真空管運(yùn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為蘭州理工大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳西南側(cè)，圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試照片，真空管朝向正南，傾斜角度為36°(蘭州地區(qū)緯度).進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，太陽(yáng)輻射儀置于室外測(cè)量太陽(yáng)輻照度(太陽(yáng)輻照度表征了太陽(yáng)輻射的大小).環(huán)境溫度的測(cè)量探頭置于室外的遮陽(yáng)罩內(nèi)，環(huán)境溫度的大小主要對(duì)真空管的散熱產(chǎn)生影響.

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試照片F(xiàn)ig.1 Experimental test picture

真空管中石蠟的溫度由熱電偶測(cè)量，圖2為單根真空管實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖，真空管中均勻布置了7個(gè)T型熱電偶來(lái)測(cè)量石蠟的溫度，自真空管底部至真空管管口位置依次為T(mén)1至T7.熱電偶布置在肋片中間，用來(lái)測(cè)量石蠟的溫度，不與肋片和銅管接觸，熱電偶線(xiàn)由鐵絲固定.T1熱電偶布置的位置在從U型銅管底部算起的第20和第21肋片中間，相臨兩個(gè)熱電偶之間相隔20個(gè)肋片，故T2的位置在第40和第41肋片中間，以此類(lèi)推，T7布置在第140和第141肋片中間.同時(shí)，在布置熱電偶時(shí)，熱電偶探頭需要向下彎折，保證熱電偶探頭在真空管正中央.真空管冷水進(jìn)口和熱水出口也都分別布置了熱電偶T8和T9來(lái)測(cè)量冷水和熱水的溫度.熱電偶另一端接到室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀上，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)連接，將采集到的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理.

圖2 單根真空管實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖Fig.2 Connection diagram of single vacuum tube experiment equipment

1.4 串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程

單根相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管所能儲(chǔ)存的能量較少，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要多根一起使用.圖3為串聯(lián)相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的測(cè)試圖片.串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)采用了三根相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管，編號(hào)分別為真空管1號(hào)、真空管2號(hào)和真空管3號(hào).實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為7月份，同樣分為吸熱階段和放熱階段.

圖3 串聯(lián)實(shí)驗(yàn)測(cè)試照片F(xiàn)ig.3 Experimental picture of series experiment

為了測(cè)量真空管中石蠟的溫度，在各個(gè)真空管中也分別布置了7個(gè)熱電偶，各真空管中熱電偶的布置位置與單根真空管實(shí)驗(yàn)時(shí)布置的位置相同，圖4為串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備連接圖.為了測(cè)量放熱階段各真空管的出水溫度，在三根真空管出水口也同樣布置了熱電偶.

圖4 串聯(lián)實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖Fig.4 Connection diagram of serial experiment equipment

1.5 集熱效率計(jì)算

在吸熱階段真空管中石蠟的總儲(chǔ)熱量和放熱階段石蠟放出的熱量可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算[11]：

(1)

式中，Q為石蠟的總儲(chǔ)熱量或放熱量，J；m為石蠟的質(zhì)量，取2.4 kg；c1為相變材料固態(tài)時(shí)的比熱容,J·kg-1·K-1；c2為相變材料液態(tài)時(shí)的比熱容,J·kg-1·K-1；λ為石蠟的相變潛熱,J·kg-1；T1、T2、Tm分別為石蠟的初始溫度、結(jié)束溫度和熔點(diǎn)溫度,℃.

集熱效率的計(jì)算公式如下所示[11]：

(2)

式中，Qu為集熱器的有用能，根據(jù)石蠟的總儲(chǔ)熱量和吸熱時(shí)間計(jì)算得出；G為太陽(yáng)輻照度的平均值，W/m2；Ap為吸熱面積,m2.

1.6 誤差分析

實(shí)驗(yàn)中存在的主要誤差為隨機(jī)誤差，即在測(cè)定過(guò)程中一系列有關(guān)因素微小的隨機(jī)波動(dòng)而形成的具有相互抵償性的誤差.存在隨機(jī)誤差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)輻照度、真空管內(nèi)部熱電偶測(cè)得的石蠟溫度、環(huán)境溫度、U型銅管進(jìn)出水口溫度、進(jìn)水流量等.經(jīng)計(jì)算，太陽(yáng)輻照度的誤差范圍為±40 W/m2；熱電偶所測(cè)量的溫度誤差為±0.1 ℃；進(jìn)水流量的誤差范圍為±13.5 L/h.

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，儀器的測(cè)量誤差可能由于相關(guān)的獨(dú)立變量(x1,x2…,xn)引起不確定性，這些自變量包括溫度、太陽(yáng)輻照度等.儲(chǔ)、放熱量和集熱效率的計(jì)算結(jié)果與相關(guān)獨(dú)立參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系可以描述為[4]：

y=f(x1,x2,…,xn)

(3)

因變量的不確定度可以根據(jù)以下公式計(jì)算[4]：

(4)

計(jì)算得到間接測(cè)量數(shù)據(jù)中儲(chǔ)熱量的不確定度為±2.8%，放熱量的不確定度為±0.7%，集熱效率的不確定度為±4.3%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單根真空管實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

單根真空管實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年6月份，持續(xù)30天，實(shí)驗(yàn)期間收集了三種工況的數(shù)據(jù)，分別是晴天工況、多云工況和陰天工況，吸熱階段時(shí)間為上午9:00至下午18:00.吸熱階段完成之后，開(kāi)始通水進(jìn)行真空管放熱階段實(shí)驗(yàn).冷水由真空管冷水進(jìn)口流入，通過(guò)U型銅管進(jìn)入真空管中與石蠟換熱，溫度升高變?yōu)闊崴笥蔁崴隹诹鞒?

2.1.1三種工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

太陽(yáng)輻照度表征了太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱，太陽(yáng)輻照度越大，太陽(yáng)輻射越強(qiáng).不同工況下，太陽(yáng)輻照度差別較大.圖5為三種不同工況下太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn).晴天工況的太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn)比較平滑，早上和傍晚輻照度較低，中午輻照度較高.多云工況下輻照度變化幅度較大，陰天工況下輻照度總體較低且波動(dòng)劇烈.晴天、多云和陰天工況下的輻照度平均值分別為822.48、554.9、111.61W/m2.

圖5 不同工況下太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn)Fig.5 Change curve of solar irradiance under different working conditions

吸熱階段時(shí)，太陽(yáng)光照射到真空管內(nèi)的選擇性吸收涂層上，涂層吸收太陽(yáng)輻射，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給真空管內(nèi)的石蠟，石蠟吸熱熔化，通過(guò)顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能兩種方式儲(chǔ)存熱量.圖6為三種工況下真空管內(nèi)石蠟的平均溫度變化曲線(xiàn).晴天工況下，由于太陽(yáng)輻照度較大，真空管內(nèi)的石蠟全部發(fā)生相變，變?yōu)橐簯B(tài)，且平均溫度最高能達(dá)到187.13 ℃；多云工況下，雖然太陽(yáng)輻照度波動(dòng)幅度較大，但是輻照度總體水平較高，所以真空管中的石蠟也都發(fā)生了相變過(guò)程，變?yōu)橐簯B(tài)，平均溫度最高可達(dá)121.64 ℃.而陰天工況下，由于太陽(yáng)輻照度總體較低，所以石蠟溫升較小，吸熱階段結(jié)束時(shí)，真空管中的石蠟仍為固態(tài)，沒(méi)有完成相變過(guò)程.

圖6 吸熱階段不同工況下石蠟平均溫度變化曲線(xiàn)Fig.6 Average temperature change curve of paraffin under different working conditions in endothermic stage

觀(guān)察圖6晴天和多云工況下的石蠟平均溫度變化曲線(xiàn)可以看出，石蠟平均溫度在100 ℃附近時(shí)持續(xù)了一段時(shí)間，這是由于U型銅管中的水蒸發(fā)所致.在U型銅管中的水蒸發(fā)從出水口噴出之后，石蠟溫度又開(kāi)始迅速提升.吸熱階段各種工況下石蠟溫度變化的數(shù)據(jù)列于表3中，由表3中數(shù)據(jù)可知，晴天工況下溫升能夠達(dá)到140.21 ℃，約為多云工況下溫升值的兩倍.而陰天工況下石蠟的溫升很低.

表3 吸熱階段三種工況下各參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以計(jì)算得出各工況下的石蠟總儲(chǔ)熱量和日平均集熱效率，計(jì)算結(jié)果列于表3中.由表3的計(jì)算結(jié)果可知，單根相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管在晴天工況下的日平均集熱效率最高，達(dá)到了44.2%，多云工況下的日平均集熱效率也達(dá)到了36.3%，而陰天工況下的日平均集熱效率偏低.在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的一個(gè)月時(shí)間里，晴天工況和多云工況下的日平均集熱效率變化范圍為30%～45%，且在環(huán)境溫度相同的情況下，不存在晴天工況下日平均集熱效率一定大于多云工況下日平均集熱效率的情況.

真空管中的石蠟在吸熱階段完成儲(chǔ)能之后，即開(kāi)始放熱階段實(shí)驗(yàn).冷水由冷水進(jìn)口流入，冷水溫度為23 ℃，冷水通過(guò)U型銅管進(jìn)入真空管中，在肋片強(qiáng)化換熱的作用下與液態(tài)石蠟進(jìn)行換熱，變?yōu)闊崴笥蔁崴隹诹鞒?圖7為三種工況下放熱階段的石蠟平均溫度變化曲線(xiàn).放熱持續(xù)時(shí)間為720 s，晴天和多云工況下，前200 s石蠟溫度下降較快，200 s之后，石蠟溫度下降較慢.這是由于在200 s之前，石蠟為液態(tài)，真空管中U型銅管石蠟一側(cè)換熱方式為對(duì)流換熱；在200 s之后，石蠟溫度降低，大部分石蠟變?yōu)楣虘B(tài)，U型銅管石蠟一側(cè)換熱方式由對(duì)流換熱變?yōu)榱藷醾鲗?dǎo)，換熱效率開(kāi)始下降，所以石蠟溫度下降開(kāi)始變得緩慢.

圖7 放熱階段三種工況下石蠟平均溫度變化曲線(xiàn)Fig.7 Average temperature change curve of paraffin under three working conditions in the exothermic phase

放熱階段真空管中的石蠟由高溫的液態(tài)，最終變?yōu)榈蜏氐墓虘B(tài)，之間經(jīng)歷了相對(duì)于吸熱階段吸熱過(guò)程的三種放熱過(guò)程.在溫度降低至凝固點(diǎn)之前，石蠟放出的熱量為顯熱；當(dāng)溫度降低至凝固點(diǎn)時(shí)，石蠟通過(guò)凝固放出潛熱；石蠟完全凝固之后，繼續(xù)進(jìn)行顯熱放熱.放熱階段石蠟放出的總熱量可由公式(1)計(jì)算得出，放熱階段三種工況下石蠟溫度變化的數(shù)據(jù)和放出熱量的計(jì)算結(jié)果列于表4中.

表4 放熱階段石蠟平均溫度變化數(shù)據(jù)和放熱量

真空管通水運(yùn)行后，冷水通過(guò)U型銅管進(jìn)入真空管，在肋片對(duì)換熱的增強(qiáng)作用下，通過(guò)銅管壁與石蠟進(jìn)行換熱，溫度升高后的熱水由熱水出口流出.圖8為放熱階段三種工況下出水溫度變化曲線(xiàn).進(jìn)水流量為80 L/h，晴天工況下，出水溫度最高達(dá)95 ℃.前200 s出水溫度都在40 ℃以上，但是出水溫度下降較快，200 s以后，出水溫度開(kāi)始趨于平穩(wěn)，最后在30 ℃左右保持穩(wěn)定.多云工況下，出水溫度最高也達(dá)到了94 ℃，但是溫度下降較快，在72 s時(shí)溫度就達(dá)到了40 ℃.而陰天工況下的出水溫度很低，最高時(shí)僅為33.2 ℃.

圖8 放熱階段三種工況下出水溫度變化曲線(xiàn)Fig.8 Temperature change curve of outlet water under three working conditions during exothermic phase

對(duì)不同工況下放熱階段真空管能夠提供的熱水量進(jìn)行計(jì)量，得到的數(shù)據(jù)如表5所示.晴天工況能夠提供的熱水量最多，50 ℃以上熱水能夠提供2.89 L，40℃以上的熱水能夠提供4.44 L，30 ℃以上的熱水能夠提供9.56 L.多云工況提供的熱水量不及晴天工況下的熱水量.陰天工況下只能提供30 ℃的熱水，且熱水量極少.

表5 不同工況能夠提供的熱水量

2.1.2吸熱階段真空管內(nèi)石蠟溫度分布差異

吸熱階段，由于U型銅管內(nèi)殘留的水和液態(tài)石蠟的自然對(duì)流作用，真空管內(nèi)的石蠟溫度分布存在差異.圖9為晴天工況下真空管中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的石蠟溫度變化曲線(xiàn).由圖9可以看出，在9∶00時(shí)石蠟的初始溫度呈現(xiàn)頂部溫度低、底部溫度高的現(xiàn)象.這是由于在6月15日實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后至6月16日早上9∶00之間無(wú)太陽(yáng)輻射，整個(gè)系統(tǒng)處于自然散熱狀態(tài)，真空管整體除了通過(guò)輻射換熱向周?chē)h(huán)境散失熱量外，還會(huì)有局部的散熱差異.真空管管口布置有保溫塞，保溫塞上的透氣孔和裸露在真空管外部的U型銅管散熱是局部熱量散失的主要方式.所以距離管口位置越近的石蠟溫度越低，位于真空管底部的石蠟距離管口位置最遠(yuǎn)，所以溫度最高.

圖9 晴天工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的石蠟溫度變化曲線(xiàn)Fig.9 Paraffin temperature change curve of each measuring point under sunny conditions

在太陽(yáng)輻射之后，真空管中的選擇性吸收涂層吸收太陽(yáng)輻射，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給真空管中的石蠟，石蠟溫度開(kāi)始提升.在太陽(yáng)輻射剛開(kāi)始時(shí)，真空管中的石蠟仍為固態(tài)，但是U型銅管中存留有前一天實(shí)驗(yàn)留下的水.隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，熱量由選擇性吸收涂層不斷傳入真空管中的石蠟，石蠟又通過(guò)肋片和U型銅管管壁將熱量傳遞給U型銅管內(nèi)的水.U型銅管中的水接收到熱量之后溫度升高，開(kāi)始發(fā)生自然對(duì)流，頂部水的溫度高，底部水的溫度低.當(dāng)頂部U型銅管中的水溫高于石蠟溫度時(shí)，熱量便由水通過(guò)U型銅管管壁和肋片傳遞給石蠟.這種熱量傳遞只發(fā)生在距離管口位置較近的頂部石蠟和相應(yīng)位置U型銅管中的水之間，從圖9可以看到，位于最頂端T7測(cè)點(diǎn)處的石蠟溫度在有太陽(yáng)輻射不久后便開(kāi)始迅速提升.

當(dāng)真空管中的石蠟溫度大于58 ℃時(shí)，石蠟完全熔化為液態(tài).此時(shí)不光U型銅管中的水發(fā)生自然對(duì)流，真空管中的液態(tài)石蠟也會(huì)發(fā)生自然對(duì)流.在自然對(duì)流的作用下，整個(gè)吸熱階段真空管中的石蠟溫度分布呈現(xiàn)出頂部石蠟溫度高，底部石蠟溫度低的現(xiàn)象，此現(xiàn)象一直持續(xù)到吸熱結(jié)束.

2.2 串聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1吸熱階段

串聯(lián)相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管實(shí)驗(yàn)吸熱時(shí)間同樣為上午9∶00至下午18∶00.在相同的太陽(yáng)輻照度下，三根真空管的溫升情況會(huì)有所不同.圖10為7月20日的太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，當(dāng)日天氣為晴轉(zhuǎn)多云.當(dāng)日太陽(yáng)輻照度的平均值為857.34 W/m2，最大值為1 105.56 W/m2，輻照度最大值的出現(xiàn)時(shí)刻為14∶51.當(dāng)日環(huán)境溫度的平均值為29.22 ℃.

圖10 7月20日太陽(yáng)輻照度變化曲線(xiàn)Fig.10 Change curve of solar irradiance on July 20

吸熱階段開(kāi)始后，三根真空管同時(shí)開(kāi)始吸熱.圖11為吸熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線(xiàn).由圖11可知，在12∶00之前，三根真空管中的石蠟平均溫度基本相同，但是12∶00之后，真空管3號(hào)中的石蠟平均溫度大于其他兩根真空管中的石蠟平均溫度，真空管2號(hào)中的石蠟平均溫度在很長(zhǎng)時(shí)間里大于真空管1號(hào)中的石蠟平均溫度.這是由于三根真空管連接方式為串聯(lián)，真空管3號(hào)的出水口為整個(gè)系統(tǒng)的出水口，在石蠟吸熱升溫的過(guò)程中，各真空管內(nèi)U型銅管中的水和水蒸氣發(fā)生著自然對(duì)流，而這三根U型銅管也互相連接，使得自然對(duì)流的方向變?yōu)橛蛇M(jìn)水口流向出水口，造成三根真空管中石蠟平均溫度出現(xiàn)圖11所示的差異.

圖11 吸熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線(xiàn)

吸熱階段開(kāi)始時(shí)，各真空管中的石蠟平均溫度為45～47 ℃，如表6中數(shù)據(jù)所示，整個(gè)吸熱階段三根真空管中石蠟溫升都在128 ℃以上，結(jié)束時(shí)溫度為173～183 ℃，最高溫度可達(dá)到177～187 ℃.同樣根據(jù)公式(1)可以計(jì)算得出各串聯(lián)真空管在整個(gè)吸熱階段內(nèi)石蠟的總儲(chǔ)熱量，結(jié)合之前計(jì)算得出的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)，由公式(2)可以計(jì)算得出各真空管的日平均集熱效率值，計(jì)算結(jié)果列于表6中.

表6 吸熱階段三根真空管中參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2.2放熱階段

吸熱階段完成之后，開(kāi)始對(duì)串聯(lián)真空管通水進(jìn)行放熱階段實(shí)驗(yàn).進(jìn)水流量為160 L/h，進(jìn)水溫度為20.65 ℃，通水時(shí)間為720 s.圖12為通水運(yùn)行后三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線(xiàn).在開(kāi)始通水之后，三根真空管中的石蠟溫度開(kāi)始迅速下降，通水開(kāi)始300 s后，溫度下降趨于平緩.這是由于300 s之前真空管中石蠟為液態(tài)，300 s之后石蠟變?yōu)楣虘B(tài)，使得傳熱效率下降所致.另外，在通水放熱階段，真空管3號(hào)中的石蠟平均溫度始終大于其他兩個(gè)真空管，而真空管2號(hào)的石蠟平均溫度也大于真空管1號(hào).

圖12 放熱階段三根真空管中石蠟平均溫度變化曲線(xiàn)Fig.12 Average temperature change curve of paraffin in three vacuum tubes during the exothermic phase

串聯(lián)實(shí)驗(yàn)放熱階段石蠟放出的總熱量同樣根據(jù)公式(1)進(jìn)行計(jì)算.放熱階段三根真空管中石蠟溫度變化數(shù)據(jù)和放熱量計(jì)算結(jié)果列于表7中.由表中數(shù)據(jù)可知，放熱階段結(jié)束時(shí)真空管1號(hào)中石蠟平均溫度最低，真空管3號(hào)中石蠟平均溫度最高.真空管1號(hào)至真空管3號(hào)的放熱量依次遞減.

表7 放熱階段三根真空管中石蠟平均溫度數(shù)據(jù)

放熱階段開(kāi)始后，冷水由整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)的冷水進(jìn)口流入，分別通過(guò)三根真空管從真空管3號(hào)的出水口流出.圖13為三根真空管的出水溫度變化曲線(xiàn).在通水的720 s 時(shí)間里，真空管1號(hào)至真空管3號(hào)的出水溫度依次遞增.開(kāi)始時(shí)刻出水溫度高于100 ℃，這是因?yàn)槌跏紩r(shí)刻真空管中石蠟溫度過(guò)高，出水口噴出的是高溫的水蒸汽，最高溫度可達(dá)130.78 ℃.經(jīng)計(jì)算，整個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)所能提供60 ℃以上熱水量為7.64 L，40 ℃以上熱水量13.07 L.

圖13 放熱階段各真空管出水溫度變化曲線(xiàn)Fig.13 Temperature change curve of the outlet water in each vacuum tube during endothermic phase

3 結(jié)論

1) 單根相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管實(shí)驗(yàn)中，晴天和多云工況下在吸熱階段期間，計(jì)算得到的日平均集熱效率能夠達(dá)到30%～45%，而陰天工況下太陽(yáng)輻照度較低，石蠟的溫升也較低，未能完全熔化，日平均集熱效率只達(dá)到了6%左右.同時(shí)在吸熱階段時(shí)，由于U型銅管中水和液化后石蠟的自然對(duì)流作用，真空管中的石蠟會(huì)存在頂部石蠟溫度高和底部石蠟溫度低的溫度分層現(xiàn)象.放熱階段不同工況下真空管所能提供的熱水量也有所不同，晴天工況下提供的熱水量最多，熱水溫度也較高.經(jīng)計(jì)算，能夠提供40 ℃的熱水量達(dá)到了4.44 L，30 ℃的熱水量達(dá)到了9.56 L.

2) 在相變儲(chǔ)能型太陽(yáng)能真空集熱管串聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中，由于U型銅管中水的自然對(duì)流作用，各真空管中的石蠟平均溫度會(huì)存在差異，離串聯(lián)系統(tǒng)出水口近的真空管內(nèi)石蠟平均溫度高，離串聯(lián)系統(tǒng)出水口遠(yuǎn)的真空管內(nèi)石蠟平均溫度低.真空管串聯(lián)運(yùn)行后，能夠儲(chǔ)存的總熱量明顯增多，提供的熱水量和熱水溫度也有所增加.串聯(lián)系統(tǒng)在單日實(shí)驗(yàn)中能夠提供60 ℃的熱水7.64 L，40 ℃的熱水13.07 L.