CPC热管式真空管集热器的集热效率分析

1CPC热管式真空管集热器的集热效率分析赵玉兰，张红，战栋栋（南京工业大学机械与动力工程学院，南京市新模范马路30号210009）摘要：本文介绍了CPC(compoundparabolicconcentrator)热管式真空管集热器的结构。对CPC的热管式真空管太阳能集热器进行了传热分析，并对CPC热管式真空管集热器、热管式真空管集热器和CPC热管式集热器的集热效率进行了比较计算。结果表明，CPC热管式真空管集热器是一种性能良好的中温（80℃-150℃）集热器。关键词：CPC；热管；真空管集热器；集热效率1.引言全球性的环境恶化和能源危机已经越来越引起全人类的普遍重视。太阳能作为一种巨大的、无污染的可再生能源，它在未来的能源替代中处于非常重要的位置。在太阳能中温应用领域中，由于非聚光集热器很难达到较高的温度，而抛物面聚光器又需要复杂的跟踪系统，价格昂贵，因此复合抛物面聚光器(CPC)有着广泛的应用前景[1]。CPC热管式真空管集热器是一种新型的太阳能集热装置，同时由于运用了真空技术和热管技术，具有热损失少、热容量小、热二极管特性、宽工作范围等优点。本文首先简要介绍了CPC(compoundparabolicconcentrator)热管式真空管集热器的结构，然后对CPC的热管式真空管太阳能集热器进行了传热性能分析，推导出其总的热损失系数，效率因子的计算公式，给出了三种集热器瞬时集热效率的方程，并对三种集热器的集热效率进行分析计算。2.CPC热管式真空管集热器的物理结构CPC热管式真空管集热器是由非跟踪聚焦型的复合抛物面聚光器CPC和热管式真空管（接收器）组成。CPC是一种非成像低聚焦的聚光器。它根据边缘光线原理设计，可将给定接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接收器上。热管式真空管（接收器）将光能转化为热能，再由介质带走。其结构如图1所示。图1CPC热管式真空管集热器的结构图图2热管式真空管结构图设计中聚光器的基板取不锈钢镜面板成型的壳体，厚度1.2mm，反射率0.70至0.9，反射体实际高度487mm，长度1.5m，几何聚光比3.251，采光面积0.72m2。接收器是一个热管式真空管集热器，结构如图2所示。热管式真空管集热器是一种新型的太阳能集热装置。由于运用了真空技术，大幅度地降低了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能。同时，由于运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管，因而跟普通真空管集热器相比，热管式真空管集热器还具有许多其它优点：热容量小，在瞬变的太阳辐照条件下可提高集热器输出能量；热二极管效应，当太阳辐照较低时可减少被加热工质向周围环境散热；防冻，2在冬季夜间零下20℃时热管本身不会冻裂；另外，系统承压高，易于安装、维修等等。热管式真空管主要设计参数为：真空管长1500mm、真空度优于10-3Pa、，内孔直径φ47mm、外径φ58mm，选择性吸收涂层(Al-N/Al)的吸收率α93%、发射率ε6%[2]；热管蒸发段长1400mm、冷凝段长100mm、管壳为φ8×0.7mm无氧铜管。3.集热器的集热效率分析计算CPC热管式真空管集热器的光学效率[3]：operrefpfηρτα=（1）式中，ρ为聚光镜的反射率，不锈钢镜取0.80；eτ为真空管玻璃外管的透过率，玻璃材料为特硬高硼硅玻璃3.3取0.93；rα为真空管内管上选择性涂层的吸收率，取0.92；P是间隙损失系数，112gprπ=−，g是间隙厚度取7.46mm，1r是吸收体的半径。reff是玻璃内管和玻璃管外管之间的多重反射系数，11refrerefAAρρ=−,其中rr1ρα=−,rA，eA是真空管内外管的面积，eρ真空管内管的反射率，取0.03。3.1真空管热损失系数的计算为分析集热器内部的传热过程作如下假设：忽略真空管内管沿圆周边温度分布的不均匀；忽略玻璃管厚度及沿厚度方向上的温度差异；忽略玻璃管内表面与肋片之间的热阻；由于真空管内外管间抽成真空，所以对流和导热损失可以忽略不计；内管与外管之间的辐射热损失可以看作为半无限平行平板间的辐射换热。吸热体与真空管外管之间的辐射系数hr,p-r22,()()1(11)prprrprRrprTTTThAAσεε−++=+−（2）外管与周围环境的换热包括对流和辐射量两部分。风的对流换热系数wh[5]：5.73.8whV=+（3）从真空管外管到天空的辐射系数r,p-ah：22,()()1pspsrpspTTTThσε−++=（4）式中设风速V=5m/s，真空管外管辐射率0.94pε=，真空管内管外壁镀选择性涂层，其辐射率0.06rε=[6]，斯蒂芬-玻尔兹曼常数8245.6710(W/mK)σ−=×。3热损失系数tU：1,,11trprwrpsUhhh−−−=++（5）3.2热管传热热阻的计算肋片与热管接合处的传热热阻：bbRblγλ=（6）其中bλ为接合处的导热系数，b为平均宽度，γ为平均厚度，l为肋片长度。热管的冷凝段与水的传热热阻为：1cccRhDlπ=（7）蒸发段（冷凝段）管内外壁的传热热阻[7，8，9]14()mpmRRdlδπλ=′（8）对R2,1.4ml′=对R4，0.1ml′=其中1()2miDDδ=−（9）1()2midDD=+（10）紫铜153℃时导热系数370/()pWmKλ=⋅热管内液汽界面相变传热热阻：22322()ssvvRTRTRRPdlπλπ=（11）式中dv为蒸汽腔直径；Ts=428K；2103.5kJ/kgλ′=；55.186310PavP=×；R为气体常数8314/18=461.889。热管的总热阻：1234tbcRRRRRRR=+++++（12）3.3以流体温度计算的集热器的效率热量昀终传给流体，则有用收益用流体表示为：4bfutTTQR−=（13）热虹吸管的肋片形状如图2所示，把肋片展开为平板计算，热管肋片的宽度为W，长度为el，厚度δ，λ为肋片的导热系数。设真空管内壁温度与肋片温度相等，即Tb=Tr。F为肋片的效率，它表示肋片的实际传热量和整个肋片表面都处于基础温度下Tb的传热量之比，其值为[4]：()22mWthFmW=（14）其中2tUmλδ=（15）CPC的热管式真空管集热器的效率因子为[10]：1rrttFDDLURWFDππ′=++（16）根据有关参数和其他的测量值，可算出CPC的热管式真空管集热器的热损失系数Ut及效率因子F′，可得到CPC热管式真空管集热器集热器（CHE）、热管式真空管集热器（HE）的瞬时效率方程[10]及CPC热管式集热器（CH）的瞬时效率方程[11]分别为：0.1750.632()faiTTIη=−−（17）0.5320.652()faiTTIη=−−（18）0.3210.648()faiTTIη=−−（19）集热介质（水）温差为80K、100K、150K时三种集热器瞬时集热效率与辐射强度的关系，如图3，图4，图5所示。在相同温差时，三种集热器的瞬时集热效率随着辐射强度的增大而增大；在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器（CHE）的瞬时集热效率比CPC热管式集热器（CH）瞬时集热效率高，主要是由于CPC热管式真空管集热器应用真空技术，大幅降低了集热器的热损失；在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率比热管式真空管集热器（HE）的集热效率更高，主要是由于CPC热管式真空管集热器有复合抛物面聚光器按一定聚光比会聚太阳辐射光到接收器上，使集热器在相同辐射强度时，CPC热管式真空管集热器比热管式真空管集热器接收到更多的辐射光线；如图3，图4，图5所示，随着集热介质温差的增加，在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率明显比其它两种集热器的瞬时集热效率效果好。如图6所示，在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率随集热介质温差的增大而减小。5图3温差为80K时瞬时集热效率曲线图4温差为100K时瞬时集热效率曲线图5温差为150K时瞬时集热效率曲线图6CPC热管式真空管集热器三种温度下的瞬时集热效率曲线4.结论通过对CPC热管式真空管太阳能集热器及其它两种集热器的瞬时集热效率分析计算，得到以下结论：1)集热介质在相同温差和辐射强度的情况下，其瞬时集热效率的关系为：CHECHHEηηη。2)随着集热介质温差的增加，在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率明显比其它两种集热器的瞬时集热效率效果好。3)在相同辐射强度的情况下，CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率的关系为：80K100K150Kηηη。参考文献[1]何梓年，蒋富林，葛洪川，李炜.热管式真空管集热器的热性能研究（J）.太阳能学报，1994，1（15）[2][3]R.Oommen,S.Jayaraman.Developmentandperformanceanalysisofcompoundparabolicsolarconcentratorswithreducedgaplossesoversizedreflector.EnergyConversionandManagement,2001，42：1379-1399[4]方荣生，项立成，李亭寒等.太阳能应用技术（M）.中国农业机械出版社，1985[5]郭延玮，刘鉴民.太阳能的利用（M）.科学技术文献出版社，1987[6]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）（M）.高等教育出版社，1998[7]靳明聪，陈远国.热管及热管换热器（M）.重庆大学出版社，1986[8]张红，庄骏.热管技术及其工程应用（M）.化学工业出版社，20006[9]庄骏，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器（M）.上海交通大学出版社，1989[10]赵玉兰，张红，战栋栋等CPC热管式真空管集热器的设计及传热分析（J）石油化工设备2006，（4）[11]袁胜利，杨从明用于发电的太阳能聚光热管集热器（J）节能2002，（8）HEATEFFICIENCYANALYSISOFCPCHEATPIPEEVACUATEDTUBULARCOLLECTORSLanyuZhao，HongZhang，DongdongZhan，JunZhuangAbstract：ThepaperpresentedtheconfigurationofCPC(compoundparabolicconcentrator)heatpipeevacuatedtubularcollector.ToprovetheadvantagesoftheCPCheatpipeevacuatedtubularcollector.TheheattransferanalysiswasmadeonthecollectorthatusedCPCandthecollectorthatdoesn’tuseCPC.Thepaperalsocomputedtheheatefficiencyofthreekindsofsolarcollectorsrespectively.TheresultsofcomputationshowthatCPCheatpipeevacuatedtubularcollectorperformsverywellduringmiddletemperature(80℃-150℃).Keywords:CPC；heatpipe；evacuatedtubularcollectors；heatefficiencyanalysis