不同結構的新型U型導熱油太陽能真空集熱管試驗研究

陳安娟，劉 杰，張 俊

(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266525)

太陽能集熱器作為太陽能熱利用的核心元件，其傳熱性能的大小決定了太陽能熱利用的高低。目前使用最普遍的太陽能集熱器為平板式及真空管式集熱器，真空管式集熱器包括全玻璃真空管式、熱管式真空管式、U型真空管式[1]。為了滿足用熱需求，要求太陽能集熱器在較高的工作溫度時仍保持較高的工作效率，而導熱油型真空管太陽能集熱器符合這一特性[2]。U型導熱油真空集熱管外有真空套管，內有金屬流道，具有傳熱效率高、升溫快、承壓能力高、單管破裂不會影響整體運行等優(yōu)點，普遍應用于中低溫領域[3]。

近年來，一些研究者在太陽能集熱器熱性能提升方面做了很多研究，閔子健、張昕宇等[4-5]為降低真空集熱管的輻射傳熱熱損，提出了帶內遮板的真空集熱管管型，通過計算得到帶內遮板的真空集熱管的性能更優(yōu)；LIANG Ruobing等[6]提出了一種新型填充式U型真空集熱管，通過理論計算與實驗得出，填充U型管式真空集熱管具有良好的熱性能，其集熱效率可較現(xiàn)有鋁翼型U型管式真空集熱管提升12%；安玉嬌等[7]提出在U型真空管內采用波浪式鋁翼代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁翼，結果表明波浪式鋁翼的U型真空管熱效率較傳統(tǒng)鋁翼可提高約6%。國外有學者采取在集熱管內填充工質的方法來減少集熱器熱損失[8]，這種方法可在一定程度上提高真空管型太陽集熱器的熱性能，但工藝相對復雜，一些工藝停留在實驗室階段，未得到推廣應用。

本文根據傳熱學原理對U型導熱油真空集熱管進行了傳熱分析，通過對不同結構的集熱管建立物理模型、數(shù)學模型和熱阻模型，分析了不同集熱管的傳熱過程。通過搭建試驗臺，對U型管下有填充物和U型管下無填充物的2種不同真空管結構的太陽能集熱器熱性能進行對比分析。實驗測試過程中，2種集熱器除真空管結構不同外其他試驗條件均相同，根據其熱性能確定最優(yōu)的真空集熱管結構。

1 不同結構的新型U型太陽能真空集熱管

為研究不同太陽輻照度下，不同結構的新型U型太陽能真空集熱管的傳熱性能，建立了如圖1所示的2種U型集熱管物理模型，分別為U型管下有填充物和U型管下無填充物。無填充物的U型真空集熱管主要由玻璃套管、真空層、吸收涂層、U型管及之間的卡子組成，截面如圖1(a)所示；有填充物的U型真空集熱管主要由玻璃套管、真空層、吸收涂層、U型管、填充物(玻璃巖棉)、內外玻璃管之間的卡子組成，截面如圖1(b)所示。

圖1 新型U型太陽能真空集熱管截面

2 新型U型太陽能真空集熱管傳熱分析

2.1 無填充物的U型真空集熱管的傳熱分析

太陽輻射透過外玻璃套管，投射到涂有選擇性吸收涂層的內玻璃管上，吸收涂層充分吸收入射太陽能，將太陽輻射能轉換為熱能，通過導熱和對流的形式將熱量傳遞給貼壁U型管，U型管吸收熱量后與管內工質進行對流換熱，使管內工質不斷升溫，導熱油在被加熱升溫的過程中將有用熱能帶走，與此同時，加熱后的吸熱管以輻射的方式將部分熱量傳遞給外玻璃管，外玻璃管以輻射和對流的形式向周圍環(huán)境散失一部分熱量，如圖2所示。

圖2 無填充物的新型U型真空集熱管能量傳遞

集熱管傳熱過程可以通過系統(tǒng)熱阻來表示，熱阻網絡如圖3所示。

圖3 管內無保溫材料熱阻網絡

圖4 有填充物的新型U型真空集熱管能量傳遞

2.2 有填充物的U型真空集熱管的傳熱分析

該結構下的真空集熱管除因在U型管下有填充物而減少散熱外，其他傳熱過程與U型管下無填充物的真空集熱管傳熱過程相同，能量傳遞過程如圖4所示。

集熱管的傳熱過程可以通過系統(tǒng)熱阻來表示，熱阻模型如圖5所示。

2.3 集熱器瞬時效率

集熱器瞬時效率ηi定義為在某一時間內吸收的有用能Q與入射的太陽輻射能之比[9]。

其中：

Q=mCf(To-Ti)

Aa=L×[(n-1)S+Dg1]

式中：Aa為集熱器輪廓采光面積，m2；Is為太陽輻照度，W/m2；m為工質質量流量，g/s；Cf為傳熱工質比熱容，J/(kg·℃)；To為工質出集熱器溫度，℃；Ti為工質進集熱器溫度，℃；L為真空管長度，m；n為真空管數(shù)；S為相鄰太陽集熱器的中心距，m；Dg1為真空管外徑，m。

圖5 管內有保溫材料熱阻網絡圖

3 不同結構的新型真空管太陽能集熱器熱性能試驗

圖6 試驗測試系統(tǒng)原理

表1 試驗主要測試設備參數(shù)

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗測試系統(tǒng)位于德州市某太陽能生產廠空地，集熱器安裝傾斜角為40°，試驗時間為2021年8月14日至20日，試驗期間集熱器采光面的太陽輻照度≥500 W/m2，環(huán)境風速≤4 m/s，環(huán)境溫度29～30 ℃，試驗采用非穩(wěn)態(tài)測試方法。

試驗測試系統(tǒng)由2臺不同結構的新型真空管太陽能集熱器組成，每臺集熱器各有16支真空管，每只真空管的幾何尺寸均為Φ57 mm×1500 mm，管間距均為12.6 mm，每支真空管的容積均為2.625×10-4m3，每臺集熱器集熱面積為1.75 m2。試驗測試系統(tǒng)中2臺真空管太陽能集熱器采用并聯(lián)方式連接，系統(tǒng)原理見圖6，試驗所需主要測試設備見表1。

3.2 試驗結果分析

不同真空管結構的太陽能集熱器進出口溫度如圖7所示。由圖7可知，不同真空管結構的太陽能集熱器出口溫度隨時間的變化整體上均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，受進口溫度及輻照度影響，出口溫度存在波動。在除真空管結構不同，其他條件均相同情況下，真空管內有填充物的集熱器出口溫度高于真空管內無填充物的集熱器出口溫度，最大溫差為2.1 ℃，出現(xiàn)在12：45，此時太陽輻射最強。產生這種現(xiàn)象的原因在于當太陽輻射投射到集熱管上后，真空管上部吸收涂層充分吸收入射太陽能，將太陽能轉化為熱能傳遞給管內流體，流體為導熱油，升溫快，而下部吸熱管因為上部及周圍真空管的遮擋接收太陽輻射量少，溫度低，且溫度低于管內流體溫度，管下填充保溫材料會減少熱損，而管下未填充保溫材料導致導熱油熱量向下部真空管傳熱，從而導致熱損增加，出口溫度降低。

不同真空管結構的太陽能集熱器效率如圖8所示。由圖8可知，不同真空管結構的太陽能集熱器效率隨時間的增加整體上均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢[10]，受太陽輻照度、進口溫度以及質量流量的影響，集熱器瞬時效率存在較大波動，隨著太陽輻照的增加，集熱效率升高，但不管集熱效率如何波動，真空管內有填充物的集熱器的集熱效率始終高于真空管內無填充物的集熱器效率，兩者平均集熱效率相差10.3%。產生這種現(xiàn)象的原因在于太陽能真空集熱管在接收太陽輻射后吸熱使管內流體升溫，真空管上部接收太陽輻射多，而真空管下部接收太陽輻射量少，溫度低，且溫度低于管內流體溫度，當管內無保溫材料時導致導熱油熱量損失增加，進出口溫差減小，集熱器效率也相對較低。

圖8 不同結構的太陽能集熱器效率

4 結論

本文對不同結構的新型U型導熱油太陽能真空集熱管進行研究，通過搭建2種真空管結構的太陽能集熱器試驗測試系統(tǒng)得到如下結論：

1) 在本文試驗條件下，2種真空管結構中，U型管下有填充物的集熱管相比U型管下無填充物的集熱管傳熱效果更好，結構更合理。

2) 在除真空管結構不同，其他條件相同情況下，真空管內有填充物的集熱器出口溫度高于真空管內無填充物的集熱器出口溫度，最大溫差為2.1 ℃，出現(xiàn)在12：45，此時太陽輻射最強。

3) 真空管內有填充物的集熱器的集熱效率高于真空管內無填充物的集熱器效率，平均集熱效率相差10.3%。

通過上述結論最終可以得出U型管下有填充物的太陽能真空集熱管熱性能更佳，且U型管下有填充物的集熱管在一天運行結束后可以對管內工質起到保溫作用，第2天啟用時預熱快，同時保溫材料的存在對玻璃套管和U型管起到保護和托舉作用，減小真空套管漏氣的可能性，所以U型管下填充保溫材料的真空集熱管結構更合理。

新型U型導熱油真空管太陽能集熱器，工質升溫快，出口溫度高，多組串聯(lián)與其他設備配合可適用于制冷、供暖或海水淡化等中低溫領域。