太阳能热管技术与室内供热

2011-05-15宋佳营

压力容器 2011年6期

宋佳营

(华东理工大学，上海 200237)

0 引言

太阳能既是一次资源，又可以再生并循环使用。它的利用不限定时间和地域，但其缺点是能量密度低，较难收集，此外对太阳能的利用容易受天气和气候影响。但可以将太阳能加以贮存或将其转换成其他形式的能量加以利用。文中主要研究利用太阳能达到室内供热的效果。

太阳能产品及利用方式有太阳能集热器、太阳能热水器、太阳灶、太阳能建筑(太阳能房)、太阳池、太阳坑、太阳能电池以及太阳能直接发电等。其中，太阳能供热房设计系统相对较复杂，需要大型集热系统或大量的建筑材料，因此仍未规模化投入使用。文中主要研究太阳能供热房的相关技术。

太阳能供热房的技术关键是将太阳能很好地吸收来提高室内温度，以达到冬天室内温度适宜的效果，但需要解决下列问题:

(1)太阳能的合理收集;

(2)确定集热装置的尺寸大小及使用的范围;

(3)提高装置的真空度;

(4)保障装置内部流体正常流动;

(5)保障散热效果;

(6)装置循环动力［1］设计。

1 太阳能热管的原理与介质选取

1.1 太阳能热管工作原理

典型的太阳能热管由管壳和端盖组成，将管内抽成1.3×10－1～1.3 ×10－4Pa的负压后充以适量的工作液体。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。热管的一端受热时蒸发段的液体汽化、上升，在冷凝段放出热量凝结成液体，液体再由重力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下6个相互关联的主要过程［2］:

(1)太阳能热量通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液－汽分界面;

(2)液体在蒸发段内的液－汽分界面上蒸发;

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;

(4)蒸汽在冷凝段内的汽－液分界面上凝结;

(5)热量从汽－液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;

(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

1.2 热管介质的选择

太阳能热管应选用易达到沸点的低沸点物质为介质，同时利用热管管壳内呈负压而降低工质沸点的特性，强化热管表面换热技术，以期达到对太阳能的更高效利用。

热管多数采用甲醇、乙醇、丙酮、氨为工作介质。由于氨的工作温度不符合要求，文中拟从甲醇、乙醇、丙酮3种介质中选择。不同温度下3种介质汽化潜热比较图见图1。通过表1三种物质主要热物性进行比较可以发现，甲醇的汽化潜热和导热率最高而沸点又相对较低，优先选用甲醇为工作介质。

图1 不同温度下3种介质汽化潜热比较图

表1 3种主要物质常温下热物性对比

2 辅助装置设计

2.1 聚光装置

蒸发段加热处如果光线不足的话，可能会使整个装置无法启动，需要在加热的地方加聚光装置，以提高整个装置的效率。采用的聚光装置如图2所示，图中采用的是菲涅尔棱镜。R1，R2为太阳平行光，可以看出平行光从右侧入射至棱镜，聚集于焦点S处。

图2 菲涅尔棱镜［3］

2.2 吸液芯结构及选取

吸液芯是热管的一个重要组成部分。热管正常工作的必要条件是［4］:

式中，毛细压头△Pc是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降△Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降△Pl和重力场对液体流动的压力降△Pg(△Pg可以是正值、负值或零，视热管在重力场中的位置而定)。

一个性能优良的管芯应具有:

(1)足够大的毛细抽吸压力或较小的管芯有效孔径;

(2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率;

(3)良好的传热特性，即有小的径向热阻;

(4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。

通过对几种管芯性价比较，装置中选用了多层网芯的管芯。

3 试验过程及分析

3.1 设计与试验操作

图3示出根据所需要求设计出的太阳能热管系统，包括玻璃热管、筒体、散热管、回流管、真空抽取及加料部分。

图3 结构示意

玻璃热管包括真空层、玻璃套管、玻璃套管内设有吸收管。设置真空层的目的是减小热量损失。为了更好地吸收太阳能，玻璃热管与水平面成45°。用法兰来连接玻璃热管和筒体。筒体的材料为无缝钢管，其上开有孔，用来安装玻璃热管、回流管、散热管、真空表、真空抽取和加料部分等，外表裹有绝热层。筒体的作用是汇集各热管产生的蒸汽，使之送往散热管并储存甲醇。散热管的材料拟用紫铜，管壳外装有散热片，以增大散热面积。散热管及散热片放置在室内，其余部分放置在室外。

系统工作流程如下:在阳光照射下，热管内液态甲醇吸收太阳能并且温度不断升高，当达到沸点时，液态甲醇汽化变成甲醇蒸汽;并联的热管产生的蒸汽在筒体处汇集，并输往散热管;当达到散热管时，由于外界温度比甲醇蒸汽温度低，蒸汽冷凝，释放热量，热量通过散热片传到外界，此时即达到目的。冷凝的液态甲醇由于重力因素通过回流管回到筒体，流回的液体使筒体内液面升高，液态甲醇均匀地回到玻璃热管中。如此循环，使太阳能产生的热量不断转移到室内。

3.2 试验中的问题

在对装置抽取真空、灌入介质等准备工作后，发现经过长时间的光照后，玻璃管内的介质只是冒很小的气泡，现象并不明显。抽真空后，装置内甲醇介质的沸腾温度为56℃。甲醇液体沸腾不持续，唯一可能的解释就是甲醇沸点上升，原因可能是体系内压强变化造成的。如果甲醇蒸汽在装置中无法及时冷凝，则会导致体系压强增大，甲醇沸点升高，最终沸腾停止，整个循环无法维持。

4 改进设计

4.1 改进方法

在原来的装置设计中，管路横放，即流体进行水平方向流动。这样的设计不利于气、液相分离，液相平铺在整个管路内，不利于进行循环。将新的装置(如图4所示)设计为竖放，这样液体沸腾时产生的气体能够直接脱离液相进入管路，而在换热管部分，冷凝而成的液相由于重力作用迅速流下。循环过程中气、液严格分离，有利于流动。

图4 改进后结构示意

为了强化蒸发及循环，在气体发生部分采用了新的吸液芯设计，以获得更大的毛细抽吸压力［5］，更小的液体流动阻力。一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率，采用两层组合管芯，基本上将管芯分成两部分，一部分起毛细抽吸作用;另一部分起液体回流通道作用。贴近表壁外层用细网，细孔网毛细效果好、抽吸力大，但流动阻力大;内层用粗孔网，流动阻力小，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小。组合管芯能兼顾毛细力和渗透率，从而能获得较高的轴向传热能力。通过这样的改进，可以在蒸发部分获得更大的压强，并通过吸液芯将冷凝液吸回蒸发部分，大大提高装置的循环效果和速率。

在新的装置中加入了一些新的部件，以提高试验时对热管内部情况的了解程度。蒸发部分设置了一段玻璃管，方便对液体沸腾情况的观察。此外装置中加装了热电阻和差压计，随时监测装置温度和压强的变化，确保系统稳定工作。