CPC热管式真空管集热器开发及其传热分析

CPC热管式真空管集热器开发及其传热分析收稿日期:2021202125作者简介:赵玉兰(19742),女,山东潍坊人,硕士,从事高效传热传质设备技术的开发与研究。文章编号:100027466(2021)0420218204CPC热管式真空管集热器开发及其传热分析赵玉兰,张红,战栋栋,庄骏(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009)摘要:基于太阳能集热器的发展现状,综合利用非跟踪聚焦型聚光器CPC和热管式真空管集热器的优越性,开发了一种CPC热管式真空管太阳能集热器。给出了此集热器中聚光镜和接收器的结构设计,并对集热器进行了传热分析。关键词:集热器;太阳能;热管;CPC;传热中图分类号:TK172.4文献标识码:ADesignandheattransferanalysisofCPCheatpipeevacuatedtubularcollectorsZHAOYu2Lan,ZHANGHong,ZHANDong2dong,ZHUANGJun(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)Abstract:ConsideringtheadvantagesofCPC(compoundparabolicconcentrator)andheatpipeevacuatedtubularcollector,akindofsolarcollectorwhichemployedbothtwocomponentsispres2ented.Theconfigurationdesignofconcentratorandcollectorisdiscussed,andtheheattransfera2nalysisofcollectorsisgiven.Keywords:evacuatedtubularcollector;solar;heatpipe;compoundparabolicconcentrator;heattransfer太阳能作为一种巨大的、无污染的可再生能源,已经越来越引起人们的普遍重视。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,并且价格昂贵,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,它运用了真空技术和热管技术,具有热损失少、热容量小、热二极管性及工作范围宽等显著优点。文中介绍将热管式真空管作为CPC的接收器开发设计的CPC热管式真空管太阳能集热器,针对现有的集热器容易形成焦斑、热损失大等问题进行了相应的结构改进,并且对此集热器进行了传热分析和计算。1CPC热管式真空管集热器结构CPC热管式真空管集热器结构见图1。CPC热1.双层玻璃2.涂层3.真空4.聚光镜5.热管6.肋片图1CPC热管式真空管集热器结构图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第35卷第4期石油化工设备Vol135No142021年7月PETRO2CHEMICALEQUIPMENTJuly2021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,而热管式真空管将光能转化为热能后由介质带走。(1)聚光器其横截面为轴对称图形,其中右半支为一段渐开线外接一段抛物线DF2,图2。设计中右支抛物线的焦点F1靠近左支抛物线的起点。光线S1、S2照射到抛物面上后,聚集到抛物线的焦点上,因抛物线的焦点不在吸热圆上,光线聚集在吸热体的A、B两点,而不是聚集在一点上。这样使聚集的光线在吸热体上分布合理[2],不易形成焦斑,也不易使集热管损坏。F1G、GF2为两段对称的渐开线,渐开线的展开圆为真空管的内圆,即吸热圆。由圆的渐开线性质可知,从圆外任何方向射向圆的渐开线上的光线经反射后都投射到该圆上,因此它具有不用跟踪太阳也可接收汇聚光线的功能,故提高了聚光器的光学效率。图2聚光镜的聚光原理示意图(2)接收器接收器是一个热管式真空管集热器,热管式真空管结构见图3。真空管为双层,内管上电镀了特殊的选择性吸收涂层(Al2N/Al)作为吸热体,能有效吸收太阳光线,增加了集热管的光学效率。内外层之间抽成真空,能有效防止热量通过对流方式散发出去[3]。阳光照射或反射到真空管选择性吸收涂层,产生热量后通过肋片板将热量传给热虹吸管(简称热管),热管获得热量(同时含有真空管闷晒热量)后通过冷凝段将热量传给集热介质。1.热管冷凝端2.保温堵塞3.热管蒸发端4.真空管内管5.真空管外管6.弹簧卡和消气剂7.肋片图3热管式真空管结构简图2集热器传热计算2.1CPC热管式真空管集热器的光学效率CPC热管式真空管集热器的光学效率用下式表示[4]:Gop=QSeArpfref(1)式中,Q为不锈钢聚光镜的反射率;Se为真空管玻璃外管的透过率;Ar为真空管内管上选择性涂层的吸收率;p=1-g/(PDr),为间隙损失系数;Dr为真空管内管的内径,De为真空管内管外径,g为CPC聚光镜与真空管内管之间的间隙,m;fref=1/(1-QrQeAr/Ae),Qr为玻璃内管和玻璃管外管之间的多重反射系数;Qr=1-Ar,为真空管内管的反射率,Qe为真空管外管的反射率;Ar,Ar是真空管内、外面积,m2。2.2真空管热损失系数计算为分析集热器内部的传热过程作了如下假设:1忽略真空管内管沿圆周边温度分布的不均匀性。o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认为是半无限平行平板间的辐射换热。真空管的热损失系数Ut用下式表示[5]:Ut=1hr,e2r+1hw+hr,e2s-1(2)式中,hr,e2r为吸热体与真空管外管之间的辐射传热系数,hw为风的对流传热系数[6],hr,e2s为真空管外管到天空的辐射传热系数,W/(m2#e),分别用式(3)~式(5)表示。hr,e-r={R[(te+273)2+(tr+273)2]@[(te+273)+(tr+273)]}T[1/Ee+(Ae/Ar)(1/Er-1)](3)hw=517+318v(4)hr,e2s={R[(te+273)2+(ts+273)2]@[(te+273)+(ts+273)]/(1/Ee)(5)式中,R=5167@10-8(W/m2#e4),为斯蒂芬2玻尔兹曼常数,;te为真空管外管壁温度,tr为真空管内管壁温度,ts为管外空气的温度,e;Ee为真空管外管辐射率;Er为内管壁的辐射率;v为周围环境的风速,m/s。2.3热管传热热阻计算热管蒸发段的热量主要靠肋片通过导热方式传递,其热阻Rt用下式表示:Rt=Rb+Rc+R1+R2+R3+R4(6)式中,Rb为肋片与热管接合处的传热热阻,Rc为热管的冷凝段与水的传热热阻,R1为蒸发段管外壁的传热热阻[8~10],R2为热管蒸发端液汽界面相变传热热阻,R3为热管冷凝端汽液界面相变传热热阻,R4为冷凝段外壁的传热热阻,e/W,分别用以下各式表示:#29#第4期赵玉兰,等:CPC热管式真空管集热器开发及其传热分析Rb=CKbbl(7)Rc=1hcPD0lc(8)R1=DmPKpdmle(9)R2=R(ts+273)22PR(ts+273)pvhfgPdvle(10)R3=R(ts+273)22PR(ts+273)pvhfg2Pdvle(11)R4=DmPKpdmlc(12)式中,C为肋片与热管接合处平均厚度,b为肋片与热管接合处平均宽度,l为肋片长度,D0为热管的外径,Di为热管的内径,dm为热管内外管壁的平均直径,dm=015(D0+Di),Dm为热管的壁厚,Dm=015(D0-Di),lc为热管冷凝段长度,le为热管蒸发段长度,dv为蒸汽腔直径,m;ts是管内液体和管壁交界面的温度,e;Kb为接合处的导热系数,Kp为热管所用紫铜导热系数,W(m#K);hc为热管冷凝段与水的对流传热系数,W/(m2#e);hfg为汽化潜热,J/kg;R=461.889,为气体常数;pv为蒸汽压力,Pa。2.4集热器效率把肋片展开按照平板计算,设真空管内壁温度与肋片温度相等,即tb=tr。CPC热管式真空管集热器集热效率用下式表示:G=FcGop-UtIiCR(tf-ta)(13)其中Fc=1/PDrWF+D+PDrLUtRtF=[th(mW/2)]/[mW/2]m2=Ut/(KD)式中,Gop为光学效率;Ii为辐射强度,W/m2;CR为聚光比;tf为流体温度,ta为周围空气的温度,e;Fc为集热器的效率因子,F为肋片效率;W为热管肋片宽度,D为热管肋片厚度,L为真空管的长度,m;K为肋片的导热系数,W/(m#e)。3计算实例所选用的聚光器的基板用不锈钢镜面板加工成型,反射率Q=0.8,几何聚光比CR=3.251,采光面积SA=0.72m2。真空管长L=1.5m、内孔直径Dr=0.047m、外径De=0.058m,选择性吸收涂层(Al2N/Al)的吸收率Ar=93%、发射率Er=6%[7];热管为无氧铜管,蒸发段长le=1.4m、冷凝段长lc=0.1m、管壳直径D=0.008m。为了使其接近实际,计算时设周围环境温度ta=35e,风速v=5m/s,天空的温度t=29e[7],真空管集热器的平均集热温度tr=164e。根据上述参数和其他测量值算出该CPC热管式真空管集热器(CHE)的Ut=015858W/(m2#e),Fc=01933,并得到CHE、热管式真空管集热器(HE)的瞬时效率方程和集热器的瞬时集热效率与流体温差的关系图,两种热管的瞬时效率方程用下式表示:GCHE=01632-01175Ii(tf-ta)(14)GHE=01632-01532Ii(tf-ta)(15)两种集热器在两种辐射强度下的瞬时集热效率与流体温差的关系见图4。在流体温差相同时,由曲线3~4可知,CPC热管式真空管集热器的瞬时集热效率随辐射强度的增大而增大;在辐射强度相同时,由曲线1~4可知,集热器的瞬时集热效率随流体温差的增大而减小。在低温时,由曲线1~3可知,热管式真空管集热器HE的集热效率稍高于CPC热管式真空管集热器CHE的集热效率,随着温度的升高,CPC热管式真空管集热器的集热效率明显高于热管式真空管集热器的集热效率。故在高温时,CPC热管式真空管集热器的集热效率优于真空管式集热器的集热效率。图4集热器瞬时集热效率与流体温差关系图4结语对CPC热管式真空管集热器进行了传热学分析,提出集热效率的计算公式。该集热器具有以下特点:1聚光器右半支抛物线的焦点靠近左半支抛物线的起点,远离吸热面,使聚集光线在吸热圆上分布合理,不易形成焦斑,从而不易损坏集热管。o集热体采用热管式真空管可以大幅度降低集热器的热损失。?CPC热管式真空管集热器在高温时的性能#30#石油化工设备2021年第35卷优于热管式真空管集热器。参考文献:[1]何梓年,蒋富林,葛洪川,等.热管式真空管集热器的热性能研究[J].太阳能学报,1994,1(15):73282.[2]郑飞,李安定.一种新型复合抛物面聚光器[J].太阳能学报,2021,25(5):6632665.[3]李明华,程如光,沈鼎成.组合式玻璃真空管集热器的热设计[J].太阳能学报,1983,4(4):4252428.[4]OommenR,ayaramanS.Developmentandperformanceanaly2sisofcompoundparabolicsolarconcentratorswithreducedgaplossesoversizedreflector[J].EnergyConversionandManage2ment,2021,42:137921399.[5]郭延玮,刘鉴民.太阳能的利用[M].北京:科学技术文献出版