SiO2-水纳米流体热管式真空集热管的设计研究

2018-05-24王万新

机械工程与自动化 2018年2期

王万新

(德州学院机电工程学院，山东德州 253023)

0 引言

如何提高太阳辐射热的转换效率一直是人们研究的重点，随着热管技术研究的深入，有科研工作者将热管技术应用于太阳能集热器，用热管式集热管代替传统的真空管集热管，取得了较好的成绩。但在进一步提高热管传热换热效能方面，热管工质对集热器换热性能的影响研究还多停留在实验室阶段，多数文献实验所采用的热管长度小于500 mm，真正的应用于工程的测试还较少[1]。本文按照某太阳能企业常用集热器尺寸要求，设计了一种以SiO2-水纳米流体为传热介质的内插热管真空集热管，通过测试实验研究纳米流体的传热性能。

1 纳米流体工质的选择与制备

1.1 纳米流体的选择

热管式集热管的出现，避免了传统太阳能集热器中真空玻璃管易炸管、热启动速度慢等缺陷，因此受到了众多太阳能企业的欢迎。在热管传热工质选择方面，由于太阳能集热器中的热管使用温度一般在10 ℃～100 ℃，在闷晒时，温度可达250 ℃以上，因此适宜工质有水、氨、甲醇、乙醇、丙酮等。经过查证和试验，发现甲醇、乙醇热管使用一段时间后会产生不凝性气体，导致热管性能下降；丙酮在使用一段时间后，会发生缩聚反应现象，使热管性能下降[2]，所以目前多采用去离子水作传热介质。

纳米流体热管传热系数明显高于水介质热管，是水介质热管的1.35倍～1.70倍，因此，我们在铜-水热管的基础上，采用化学稳定性、分散性和悬浮性好的SiO2纳米流体为工质进行改进实验。

1.2 纳米流体制备方法

目前纳米流体的制备有单步法和两步法两种。单步法制备的纳米流体虽然纯度高、分散性好、悬浮稳定性高，但制备成本高，企业很少采用。

两步法是先制备纳米颗粒，再将其分散于基液中形成纳米流体，此方法成本低，几乎适用于所有纳米流体的制备[3]，更适合于企业生产实际。但两步法制备纳米流体悬浮稳定性低，必须采用一定的分散技术解决这一问题，我们选购制备好的SiO2纳米颗粒粉，通过超声波分散仪超声分散5 h，获得了悬浮稳定的SiO2纳米流体。

2 热管尺寸及工质充装量的确定

2.1 热管管壁材料的选择与尺寸确定

根据管材国家标准(GB/T 1527—1997)，选用壁厚0.7 mm、直径8 mm的铜管为热管管壁。已知铜250 ℃时许用拉应力[σ] =29.4 MPa，则铜热管的许用压力[p]为[4]：

(1)

其中：di为热管内径，mm;s为热管壁厚，mm。

计算可知250 ℃时水的饱和压力为3.973 5 MPa，小于热管的许用压力，所以热管工作时安全。目前国内常用的热管真空管长度有1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm等[5]，这里取热管长度为2 100 mm。

2.2 传热工质充装量的确定

热管工质充装量存在最优问题，太少容易在蒸发段出现干涸现象，过多容易在冷凝段形成不传热液柱，影响传热效果[6]。康延滨和王仁人以水-铜热管为研究对象对工作液体充装量进行了研究，实验表明：7%的充液比时，太阳能重力热管不会出现携带极限和沸腾极限的危险[7]。

热管工质中纳米颗粒的大小、体积分数也会对换热系数产生影响，黄素逸、李中洲等以长度800 mm、外径12 mm、内径10 mm的铜热管为研究对象，在10 mL的传统热管工质中分别加入0.5 g的ZnO、0.25 g的SiO2、0.5 g的Al2O3、0.5 g的TiO2纳米粉进行实验。结果表明：加入纳米粉后换热系数均有所提升，加入纳米粉的尺寸越小，热管的换热性能越好，其中加入SiO2的工质，换热系数增加最多，达到17.71%[8]。

分析后，我们确定以长度为2 100 mm、外径为8 mm、内径为6.6 mm的热管为研究对象，分别充装6 mL粒径30 nm、体积分数0.2% 的SiO2-水纳米流体与去离子水，充液比为8.4%。

3 重力热管的充液灌装

重力热管的工质必须在一个抽成高真空的封闭壳体中循环相变，传递热能。热管在灌装前要进行清洗、检漏等工艺处理，清洗后热管内部的清洁程度会影响灌装工质的纯度，工质纯度降低易在工作中形成不凝气体；检漏主要是检查热管的密封效果、焊接牢固性等问题，热管在高热负荷下工作时，管内会形成高压蒸汽，如出现泄漏将造成热管失效[9]。

热管充液采用专门设计的热管充装装置，经过管内抽真空、管体烘烤、注入工质、封口焊接等步骤。抽真空系统由阀门、储液瓶、管路、真空机等构成，靠高速旋片式真空泵与涡轮分子泵双级抽取真空，同时对管体烘烤以提高管内真空度，真空度可达6×10-5Pa。当充装系统的充液量达到理想值时关闭充液阀，用液压钳夹断热管充液口 (暂时维持管内真空)，然后迅速将热管断口焊住[10]。

4 热管式真空集热管的设计

4.1 结构设计

目前，我国热管式真空集热管主要有三种类型，如图1所示，他们都是由玻璃真空管1、金属吸热板2、金属封盖3、重力热管4等部分构成的。图1(a)集热管的吸热板2采用平板翼片式，制造方便；图1(b)集热管的吸热板2采用C型翼片，重力热管4偏心布置，有利于提高吸热效果；图1(c)集热管的吸热板2采用带圆筒形翼片吸热板，圆筒形翼片紧贴在真空管内表面，结构较复杂。为了降低成本，本设计采用第一种类型。

1-玻璃真空管；2-金属吸热板；3-金属封盖；4-重力热管

4.2 玻璃-金属封接技术

由于金属和玻璃的热膨胀系数不同，玻璃真空管与金属热管之间的气密性封接是一项技术难题。玻璃-金属间的封接大体有两种形式：一是热压封技术，用塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的情况下将金属封盖和玻璃管封接在一起；二是热熔封(也称火封)技术，它借助一种热膨胀系数介于玻璃和金属之间的过渡材料，利用火焰将玻璃融化后封接在一起。本设计采用第一种方式。

4.3 性能对比测试

4.3.1 实验方法设计

为了分析纳米流体热管式真空集热管的换热性能，我们在集热器换热性能实验台上分别对水和SiO2-水纳米导热介质的热管式玻璃真空管集热管进行了测试。实验地点：德州(纬度37°27′，经度116°17′)。实验系统包括集热管1、换热冷却系统2、测量系统3和数据采集系统4四大部分，如图2所示。换热冷却系统由采用PVC管制成的套管式换热器10和水箱11以及流量计、增压泵、软管、阀门等构成，换热器外包保温材料，冷却水流量保持恒定。测量系统3包括冷却水进口温度传感器5、出口温度传感器8、太阳辐射强度传感器7、环境温度传感器6。数据采集系统通过数据采集仪4对测量检测数据自动检测、记录。

1-集热管；2-换热冷却系统；3-测量系统；4-数据采集系统；5-进口温度传感器;6-环境温度传感器；7-太阳辐射强度传感器；8-出口温度传感器；9-支架；10-套管式换热器；11-水箱

4.3.2 实验数据

太阳能集热器的瞬时集热效率是指在稳态条件下，特定时间间隔内，传热工质从集热器集热面积上带走的能量与同一时间间隔内入射到该集热器面积上的太阳能之比，是衡量太阳能利用率的重要指标。瞬时集热效率定义式为：

(2)

其中：M为保温水箱中水的质量，kg；Cp为水的比热容，Cp=4.186 8 kJ/(kg·K)；A为集热器采光面积，m2；ti+1、ti分别为测试始、末贮水水温，℃；Hi+1、Hi分别为测试间隔的始末太阳能辐射量，kJ/m2。

在2016年9月11、12、13日连续3 d进行瞬时效率性能测试，实验数据如图3～图5所示。

4.3.3 实验分析

分析图3～图5可得出以下结论：

(1) 在相同条件下，同规格的纳米流体热管型集热管瞬时集热效率高于以去离子水为传热工质的热管型集热管。

(2) 两组换热器的瞬时集热效率曲线随时间变化的一般规律相同，都是先减小后增大，再减小。可以理解为：早上冷却水进口水温较低，对流、换热效果较好，瞬时效率较高；随着太阳辐射增强，冷却水进口温度增大，对流换热效率有下降的趋势，在11∶30左右达到低点；随着辐射的进一步增强，换热效率开始增大，到中午1点左右达到最大值。