王萬(wàn)新

(德州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

0 引言

如何提高太陽(yáng)輻射熱的轉(zhuǎn)換效率一直是人們研究的重點(diǎn)，隨著熱管技術(shù)研究的深入，有科研工作者將熱管技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器，用熱管式集熱管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空管集熱管，取得了較好的成績(jī)。但在進(jìn)一步提高熱管傳熱換熱效能方面，熱管工質(zhì)對(duì)集熱器換熱性能的影響研究還多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，多數(shù)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)所采用的熱管長(zhǎng)度小于500 mm，真正的應(yīng)用于工程的測(cè)試還較少[1]。本文按照某太陽(yáng)能企業(yè)常用集熱器尺寸要求，設(shè)計(jì)了一種以SiO2-水納米流體為傳熱介質(zhì)的內(nèi)插熱管真空集熱管，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究納米流體的傳熱性能。

1 納米流體工質(zhì)的選擇與制備

1.1 納米流體的選擇

熱管式集熱管的出現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器中真空玻璃管易炸管、熱啟動(dòng)速度慢等缺陷，因此受到了眾多太陽(yáng)能企業(yè)的歡迎。在熱管傳熱工質(zhì)選擇方面，由于太陽(yáng)能集熱器中的熱管使用溫度一般在10 ℃～100 ℃，在悶曬時(shí)，溫度可達(dá)250 ℃以上，因此適宜工質(zhì)有水、氨、甲醇、乙醇、丙酮等。經(jīng)過(guò)查證和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)甲醇、乙醇熱管使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體，導(dǎo)致熱管性能下降；丙酮在使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生縮聚反應(yīng)現(xiàn)象，使熱管性能下降[2]，所以目前多采用去離子水作傳熱介質(zhì)。

納米流體熱管傳熱系數(shù)明顯高于水介質(zhì)熱管，是水介質(zhì)熱管的1.35倍～1.70倍，因此，我們?cè)阢~-水熱管的基礎(chǔ)上，采用化學(xué)穩(wěn)定性、分散性和懸浮性好的SiO2納米流體為工質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

1.2 納米流體制備方法

目前納米流體的制備有單步法和兩步法兩種。單步法制備的納米流體雖然純度高、分散性好、懸浮穩(wěn)定性高，但制備成本高，企業(yè)很少采用。

兩步法是先制備納米顆粒，再將其分散于基液中形成納米流體，此方法成本低，幾乎適用于所有納米流體的制備[3]，更適合于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。但兩步法制備納米流體懸浮穩(wěn)定性低，必須采用一定的分散技術(shù)解決這一問(wèn)題，我們選購(gòu)制備好的SiO2納米顆粒粉，通過(guò)超聲波分散儀超聲分散5 h，獲得了懸浮穩(wěn)定的SiO2納米流體。

2 熱管尺寸及工質(zhì)充裝量的確定

2.1 熱管管壁材料的選擇與尺寸確定

根據(jù)管材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1527—1997)，選用壁厚0.7 mm、直徑8 mm的銅管為熱管管壁。已知銅250 ℃時(shí)許用拉應(yīng)力[σ] =29.4 MPa，則銅熱管的許用壓力[p]為[4]：

(1)

其中：di為熱管內(nèi)徑，mm;s為熱管壁厚，mm。

計(jì)算可知250 ℃時(shí)水的飽和壓力為3.973 5 MPa，小于熱管的許用壓力，所以熱管工作時(shí)安全。目前國(guó)內(nèi)常用的熱管真空管長(zhǎng)度有1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm等[5]，這里取熱管長(zhǎng)度為2 100 mm。

2.2 傳熱工質(zhì)充裝量的確定

熱管工質(zhì)充裝量存在最優(yōu)問(wèn)題，太少容易在蒸發(fā)段出現(xiàn)干涸現(xiàn)象，過(guò)多容易在冷凝段形成不傳熱液柱，影響傳熱效果[6]?？笛訛I和王仁人以水-銅熱管為研究對(duì)象對(duì)工作液體充裝量進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明：7%的充液比時(shí)，太陽(yáng)能重力熱管不會(huì)出現(xiàn)攜帶極限和沸騰極限的危險(xiǎn)[7]。

熱管工質(zhì)中納米顆粒的大小、體積分?jǐn)?shù)也會(huì)對(duì)換熱系數(shù)產(chǎn)生影響，黃素逸、李中洲等以長(zhǎng)度800 mm、外徑12 mm、內(nèi)徑10 mm的銅熱管為研究對(duì)象，在10 mL的傳統(tǒng)熱管工質(zhì)中分別加入0.5 g的ZnO、0.25 g的SiO2、0.5 g的Al2O3、0.5 g的TiO2納米粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：加入納米粉后換熱系數(shù)均有所提升，加入納米粉的尺寸越小，熱管的換熱性能越好，其中加入SiO2的工質(zhì)，換熱系數(shù)增加最多，達(dá)到17.71%[8]。

分析后，我們確定以長(zhǎng)度為2 100 mm、外徑為8 mm、內(nèi)徑為6.6 mm的熱管為研究對(duì)象，分別充裝6 mL粒徑30 nm、體積分?jǐn)?shù)0.2% 的SiO2-水納米流體與去離子水，充液比為8.4%。

3 重力熱管的充液灌裝

重力熱管的工質(zhì)必須在一個(gè)抽成高真空的封閉殼體中循環(huán)相變，傳遞熱能。熱管在灌裝前要進(jìn)行清洗、檢漏等工藝處理，清洗后熱管內(nèi)部的清潔程度會(huì)影響灌裝工質(zhì)的純度，工質(zhì)純度降低易在工作中形成不凝氣體；檢漏主要是檢查熱管的密封效果、焊接牢固性等問(wèn)題，熱管在高熱負(fù)荷下工作時(shí)，管內(nèi)會(huì)形成高壓蒸汽，如出現(xiàn)泄漏將造成熱管失效[9]。

熱管充液采用專門(mén)設(shè)計(jì)的熱管充裝裝置，經(jīng)過(guò)管內(nèi)抽真空、管體烘烤、注入工質(zhì)、封口焊接等步驟。抽真空系統(tǒng)由閥門(mén)、儲(chǔ)液瓶、管路、真空機(jī)等構(gòu)成，靠高速旋片式真空泵與渦輪分子泵雙級(jí)抽取真空，同時(shí)對(duì)管體烘烤以提高管內(nèi)真空度，真空度可達(dá)6×10-5Pa。當(dāng)充裝系統(tǒng)的充液量達(dá)到理想值時(shí)關(guān)閉充液閥，用液壓鉗夾斷熱管充液口 (暫時(shí)維持管內(nèi)真空)，然后迅速將熱管斷口焊住[10]。

4 熱管式真空集熱管的設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)熱管式真空集熱管主要有三種類型，如圖1所示，他們都是由玻璃真空管1、 金屬吸熱板2、金屬封蓋3、重力熱管4等部分構(gòu)成的。圖1(a)集熱管的吸熱板2采用平板翼片式，制造方便；圖1(b)集熱管的吸熱板2采用C型翼片，重力熱管4偏心布置，有利于提高吸熱效果；圖1(c)集熱管的吸熱板2采用帶圓筒形翼片吸熱板，圓筒形翼片緊貼在真空管內(nèi)表面，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。為了降低成本，本設(shè)計(jì)采用第一種類型。

1-玻璃真空管；2-金屬吸熱板；3-金屬封蓋；4-重力熱管

4.2 玻璃-金屬封接技術(shù)

由于金屬和玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，玻璃真空管與金屬熱管之間的氣密性封接是一項(xiàng)技術(shù)難題。玻璃-金屬間的封接大體有兩種形式：一是熱壓封技術(shù)，用塑性較好的金屬作為焊料，在加熱加壓的情況下將金屬封蓋和玻璃管封接在一起；二是熱熔封(也稱火封)技術(shù)，它借助一種熱膨脹系數(shù)介于玻璃和金屬之間的過(guò)渡材料，利用火焰將玻璃融化后封接在一起。本設(shè)計(jì)采用第一種方式。

4.3 性能對(duì)比測(cè)試

4.3.1 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

為了分析納米流體熱管式真空集熱管的換熱性能，我們?cè)诩療崞鲹Q熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上分別對(duì)水和SiO2-水納米導(dǎo)熱介質(zhì)的熱管式玻璃真空管集熱管進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：德州(緯度37°27′，經(jīng)度116°17′)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括集熱管1、換熱冷卻系統(tǒng)2、測(cè)量系統(tǒng)3和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4四大部分，如圖2所示。換熱冷卻系統(tǒng)由采用PVC管制成的套管式換熱器10和水箱11以及流量計(jì)、增壓泵、軟管、閥門(mén)等構(gòu)成，換熱器外包保溫材料，冷卻水流量保持恒定。測(cè)量系統(tǒng)3包括冷卻水進(jìn)口溫度傳感器5、出口溫度傳感器8、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度傳感器7、環(huán)境溫度傳感器6。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀4對(duì)測(cè)量檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)、記錄。

1-集熱管；2-換熱冷卻系統(tǒng)；3-測(cè)量系統(tǒng)；4-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；5-進(jìn)口溫度傳感器;6-環(huán)境溫度傳感器；7-太陽(yáng)輻射強(qiáng)度傳感器；8-出口溫度傳感器；9-支架；10-套管式換熱器；11-水箱

4.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)集熱效率是指在穩(wěn)態(tài)條件下，特定時(shí)間間隔內(nèi)，傳熱工質(zhì)從集熱器集熱面積上帶走的能量與同一時(shí)間間隔內(nèi)入射到該集熱器面積上的太陽(yáng)能之比，是衡量太陽(yáng)能利用率的重要指標(biāo)。瞬時(shí)集熱效率定義式為：

(2)

其中：M為保溫水箱中水的質(zhì)量，kg；Cp為水的比熱容，Cp=4.186 8 kJ/(kg·K)；A為集熱器采光面積，m2；ti+1、ti分別為測(cè)試始、末貯水水溫，℃；Hi+1、Hi分別為測(cè)試間隔的始末太陽(yáng)能輻射量，kJ/m2。

在2016年9月11、12、13日連續(xù)3 d進(jìn)行瞬時(shí)效率性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3～圖5所示。

4.3.3 實(shí)驗(yàn)分析

分析圖3～圖5可得出以下結(jié)論：

(1) 在相同條件下，同規(guī)格的納米流體熱管型集熱管瞬時(shí)集熱效率高于以去離子水為傳熱工質(zhì)的熱管型集熱管。

(2) 兩組換熱器的瞬時(shí)集熱效率曲線隨時(shí)間變化的一般規(guī)律相同，都是先減小后增大，再減小?？梢岳斫鉃椋涸缟侠鋮s水進(jìn)口水溫較低，對(duì)流、換熱效果較好，瞬時(shí)效率較高；隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，冷卻水進(jìn)口溫度增大，對(duì)流換熱效率有下降的趨勢(shì)，在11∶30左右達(dá)到低點(diǎn)；隨著輻射的進(jìn)一步增強(qiáng)，換熱效率開(kāi)始增大，到中午1點(diǎn)左右達(dá)到最大值。

圖3 9月11日集熱管瞬時(shí)效率圖4 9月12日集熱管瞬時(shí)效率圖5 9月13日集熱管瞬時(shí)效率

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了集熱管的尺寸、熱管管徑、翅片形式及管內(nèi)工質(zhì)充液率選擇以及加入納米粉瞬時(shí)熱效率等問(wèn)題。研究結(jié)果表明：SiO2-水納米流體較水介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高，在強(qiáng)化傳熱方面有巨大的潛能。

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