CPC-U型真空管中温集热器的压降计算与测试分析

山东力诺瑞特新能源有限公司 ■ 苏士强 马光柏 袁婉丽

0 引言

得益于清华大学殷志强教授发明的具有自主知识产权的选择性吸收涂层技术，我国太阳能热利用行业在90年代后期逐步发展壮大，且在此后十几年里持续增长。在太阳能低温热利用领域，截止至2018年，我国的太阳能集热器保有量占世界总保有量的70%[1]。郑瑞澄[2]按系统达到的工作温度将太阳能中温热利用定义为100～250 ℃，这是采用U型管的CPC真空管型集热器可以达到的温度。在U型管流道的CPC集热器研究方面，王雪勍等[3]进行了CPC脉动热管太阳能集热器的运行特性研究，总结了各参数对集热器性能的影响规律；马玉森等[4]研究了集热器的聚光特性；焦青太等[5]研究了应用CPC集热器产生蒸汽量的对比。在集热器压降方面，翟桂珍等[6]针对泡沫金属平板式太阳能集热器，研究了不同泡沫金属块高度与孔隙率对太阳能集热器排管内传热的影响，并分析了不同情况下的Nu数、压降和综合节能性能；王金标[7]研究了承压容积式太阳能集热器压降与流量之间的数学模型，得出了集热器流量与压降的变化关系。虽然关于集热器的研究文献不少，但对于U型管集热器的压降，目前尚未见到相关研究。

在实际工程设计中，集热器的压降是一个重要的参数，对集热器阵列布置、循环泵选型有重要影响，在相关标准中也明确了其测试方法。为了解集热器两端压降的计算方法及实际的压降数据，为工程设计提供参考，本文以采用铜材质U型管的CPC真空管型中温集热器为对象进行压降计算、试验及分析，以获得不同类型集热器的压降数据及工程应用比较。

1 集热器两端压降的计算方法

流体介质从集热器的一端流进，从另一端流出，在集热器中流动时，由于实际流体本身都具有粘性，流体质点间有相对运动，必将产生粘性切应力，即流动阻力，从而产生能量损失；这种能量损失主要由沿程阻力损失和局部阻力损失两部分组成，导致了集热器压降的产生。

介质在集热器两端的压降即阻力损失，其公式为：

式中，hf为单位重量流体的沿程阻力损失，m水柱；hj为单位重量流体的局部阻力损失，m水柱。

工程上用于计算管内流动阻力的公式[8]如下：

1)沿程阻力损失的计算式为：

式中，λ为沿程阻力系数，无量纲；l为管长，m；d为铜管直径，m；v为介质的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

沿程阻力系数λ的计算分为2种情况：

①当层流流动时：

②当湍流流动时：

式中，Re为雷诺数，Re＞2320时为湍流，V为介质的运动粘度，m/s2。

铜管内介质的流速v的计算式为：

式中，Q为流量，m3/s。

2)局部阻力损失的计算式为：

式中，ξ为局部阻力系数，无量纲，取值主要与管道结构和尺寸有关，一般根据管道变化情况来确定。

产品设计时，在流量不变的情况下，为了尽量减少集热器的压降，集热器内的U型管流道的设计显得尤其重要，主要包括单台集热器面积大小及集管和U型管的连接数量等。为进行比较，分别对CPC-U型真空管中温集热器内单组、两组、三组U型管与集管焊接(以下分别简称为单组焊接、两组焊接和三组焊接)的流道进行压降计算。不同的U型管与集管焊接方式如图1所示。

图1 集热器内的U型管与集管的焊接方式

根据参考文献[8]，集热器的局部阻力系数ξ的取值由介质流向确定，具体如表1所示。

集热器的主管外径为15 mm，内径为13 mm；U型管的外径为8 mm，内径为7 mm；水的运动粘度为1.0×10-6m/s2，1 m水柱压强为98.1 mbar。根据式(1)，可计算介质在集热器两端的压降值。在计算过程中，集热器的单位面积流量按0.020 kg/(s·m2)计算；U型管流量取集管流量均分值；集管内各处流量按U型管连接分流后取依次递减的值，并对应相应的长度。集热器内流体流动形式基本为层流，计算得到的不同类型集热器采用不同焊接方式时的压降值对比如表2所示。

表1 集热器局部阻力系数ξ的取值

表2 不同类型集热器采用不同焊接方式时的压降值对比

根据表2可知，在相同单位面积流量下，不同类型的单台集热器的压降大小依次为：CPC1518三组焊接＞U1521三组焊接＞CPC1518两组焊接＞CPC1512两组焊接＞ CPC1518单组焊接＞CPC1506两组焊接＞CPC1506单组焊接。

2 试验样品及试验方法简述

为进一步了解集热器压降的实际情况，采用不同焊接方式制作了样机进行测试。测试用集热器样品为6台CPC-U型真空管中温集热器和1台U型管真空管型集热器(无CPC反光板)，承压运行，竖单排放置，传热工质为水。试验样机明细如表3所示，样机实物如图2所示。

表3 集热器两端压降试验样机

图2 压降测试用集热器样品

按照GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》中的要求[9]，采用STD924型Honeywell微差压变送器进行集热器两端压差(压降)的测量，精度为100 kPa×0.05%=50 Pa。测试用的工质为水，水温约为20 ℃。压降测试系统为密闭运行，试验压力为0.2 MPa。工程设计中，按照GB 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》的要求，流量设计值一般按集热器总面积取0.015～0.020 kg/(s·m2)，本研究中测试流量按集热器总面积最大值取0.100 kg/(s·m2)，所测流量覆盖工程设计流量。

3 试验结果及说明

3.1 CPC1506集热器的压降测试结果

将CPC1506集热器采用单组焊接和两组焊接时的压降测试结果进行对比，如图3所示。

图3 CPC1506集热器采用不同焊接方式时的压降测试结果对比图

从图3中可以看出，对于CPC1506集热器而言，采用两组焊接时的压降比采用单组焊接时的大。当单位面积流量为0.024 kg/(s·m2)时，两组焊接的压降为单组焊接的3倍；随着单位面积流量增大，两组焊接的压降的上升幅度增大，且单位面积流量越大，二者之间的压降差别越明显。经分析，造成这一现象的原因为：两组焊接时U型管内的单位面积流量比单组焊接时的单位面积流量大1倍，且多了1组U型弯，造成局部阻力损失和沿程阻力损失增加。

3.2 CPC1518集热器的压降测试结果

CPC1518集热器分别有单组焊接、两组焊接、三组焊接的样机，其压降测试结果对比如图4所示。

图4 CPC1518集热器采用不同焊接方式时的压降测试结果对比图

从图4中可以看出，对于CPC1518集热器而言，三组焊接的压降最大，单组焊接的压降最小；且随着单位面积流量增大，集热器的压降增大，三组焊接压降的增加幅度最大。当单位面积流量为0.020 kg/(s·m2)时，三组焊接的压降为34.4 mbar，两组焊接的压降为19.6 mbar，单组焊接的压降为14.9 mbar，两两对比分别相差43%和57%。经分析，造成这一现象的原因为：集热器U型管内单位面积流量不同造成了沿程阻力损失不同，U型弯数量不同造成了局部阻力损失不同。

3.3 CPC1506、CPC1512与CPC1518集热器的压降测试结果

实际生产中，集热器中的U型管结构形式采用较多的为CPC1506单组焊接、CPC1512两组焊接与CPC1518三组焊接。采用这3种焊接方式的集热器的压降测试结果对比如图5所示。

图5 不同类型集热器采用不同焊接方式时的压降测试结果对比图

由图5可知，在相同的单位面积流量下，CPC1518三组焊接的压降最大，CPC1512两组焊接的次之，CPC1506单组焊接的最小。按照压降计算方法，当单位面积流量相同时，集管内流速相同，由于这3种集热器的U型管与集管连接均为6处，因此U型管内的流速也相同，此时介质在集热器内的压降差异主要是由于U型管的长度不同(CPC1506为2990 mm、CPC1512为6000 mm，CPC1518为9010 mm)所带来的沿程阻力损失不同和U型弯的数量不同(CPC1506为1个，CPC1512为3个，CPC1518为10个)所带来的局部阻力损失不同。

汇总所有测试样机的结果，可得到单台集热器的流量-压降对比关系图，如图6所示。

图6 单台集热器采用不同焊接方式时的流量-压降对比关系图

由图6可见，流量相同时，压降从大到小排序为：CPC1506两组焊接＞U1521三组焊接＞CPC1518三组焊接＞CPC1512两组焊接＞CPC1518两组焊接＞CPC1506单组焊接＞CPC1518单组焊接。

汇总所有测试样机的结果，可得到单台集热器的单位面积流量-压降对比关系图， 如图7所示。

图7 单台集热器采用不同焊接方式时的单位面积流量-压降对比关系图

由图7可见，单位面积流量相同时，压降从大到小排序为：CPC1518三组焊接＞U1521三组焊接＞CPC1518两组焊接＞CPC1512两组焊接＞CPC1518单组焊接＞CPC1506两组焊接＞CPC1506单组焊接。该趋势与表2的计算结果相吻合，这说明计算结果有一定可信度。

需要说明的是，经测试，本研究中不同类型集热器的焊接组数并不影响集热器的瞬时效率。但在产品设计中，仅考虑压降大小并不合适，还应考虑加工难度、加工成本、焊点渗漏几率等因素。

3.4 工程实际设计中的压降计算

从上文的比较可见，相同单位面积流量下单台集热器压降大小的排序与相同流量下单台集热器压降大小的排序不同，在实际应用中需要注意这一点。

为进一步了解在工程实际应用中的压降问题，以1个面积为12 m2的集热器串联阵列为例，计算采用不同类型集热器及焊接方式时的压降情况。参考GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中的表3.4.4，阵列单位面积流量取0.008 kg/(s·m2)，则该串联阵列的总流量为0.096 kg/s，即346 kg/h。实际应用中，集热器用量及对应的压降值如表4所示。

表4 实际应用中集热器阵列的压降

由表4可知，在集热器串联阵列中，使用不同类型集热器时阵列压降大小的排序为：CPC1506两组焊接＞CPC1506单组焊接＞U1521三组焊接＞CPC1512两组焊接＞CPC1518三组焊接＞CPC1518两组焊接＞CPC1518单组焊接。

该压降大小的排序与单台集热器在相同流量和相同单位面积流量时压降大小的排序又不相同。因此在实际应用中，为了减少泵的运行阻力而需要选用压降小的集热器时，不能仅考虑单台集热器压降，而应考虑集热器阵列的大小及其串联、并联布置情况，以及集热器的数量，由对应的设计流量进行压降计算后再确定。

4 结论

本文通过对集热器压降进行计算并对集热器样机的压降进行测试，得到如下结论：

1)CPC-U型真空管中温集热器的压降主要与U型管内的流量和U型弯的数量有关。U型管与集管连接越多、U型弯越少，集热器压降越小。根据U型管结构，要降低集热器压降，可通过增加U型管与集管的连接数量实现。压降最小的U型管结构为单组焊接的方式。

2)不同类型、不同U型管与集管焊接组数的单台集热器，在相同流量和相同单位面积流量下其压降大小排序并不相同；而工程应用中，集热器阵列的总压降与单台集热器压降大小的排序也不相同。如实际工程中常用的CPC1518三组焊接，单位面积流量为0.008 kg/(s·m2)时，单台集热器的压降为10.0 mbar，实际工程中采用4台集热器串联时，单位面积流量仍为0.008 kg/(s·m2)，但由于总流量变大，单台集热器压降变为96 mbar，差别很大。因此，不能仅从单台集热器的压降大小来进行工程设计的集热器选型，而应该根据设计的集热器阵列形式、面积、流量，以及单台集热器压降值进行综合计算后再进行选取。