太陽能熱管技術與室內供熱

宋佳營

(華東理工大學，上海 200237)

0 引言

太陽能既是一次資源，又可以再生并循環使用。它的利用不限定時間和地域，但其缺點是能量密度低，較難收集，此外對太陽能的利用容易受天氣和氣候影響。但可以將太陽能加以貯存或將其轉換成其他形式的能量加以利用。文中主要研究利用太陽能達到室內供熱的效果。

太陽能產品及利用方式有太陽能集熱器、太陽能熱水器、太陽灶、太陽能建筑(太陽能房)、太陽池、太陽坑、太陽能電池以及太陽能直接發電等。其中，太陽能供熱房設計系統相對較復雜，需要大型集熱系統或大量的建筑材料，因此仍未規模化投入使用。文中主要研究太陽能供熱房的相關技術。

太陽能供熱房的技術關鍵是將太陽能很好地吸收來提高室內溫度，以達到冬天室內溫度適宜的效果，但需要解決下列問題:

(1)太陽能的合理收集;

(2)確定集熱裝置的尺寸大小及使用的范圍;

(3)提高裝置的真空度;

(4)保障裝置內部流體正常流動;

(5)保障散熱效果;

(6)裝置循環動力［1］設計。

1 太陽能熱管的原理與介質選取

1.1 太陽能熱管工作原理

典型的太陽能熱管由管殼和端蓋組成，將管內抽成1.3×10－1～1.3 ×10－4Pa的負壓后充以適量的工作液體。管的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。熱管的一端受熱時蒸發段的液體汽化、上升，在冷凝段放出熱量凝結成液體，液體再由重力的作用流回蒸發段。如此循環，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實現這一熱量轉移的過程中，包含了以下6個相互關聯的主要過程［2］:

(1)太陽能熱量通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液－汽分界面;

(2)液體在蒸發段內的液－汽分界面上蒸發;

(3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段;

(4)蒸汽在冷凝段內的汽－液分界面上凝結;

(5)熱量從汽－液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;

(6)在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發段。

1.2 熱管介質的選擇

太陽能熱管應選用易達到沸點的低沸點物質為介質，同時利用熱管管殼內呈負壓而降低工質沸點的特性，強化熱管表面換熱技術，以期達到對太陽能的更高效利用。

熱管多數采用甲醇、乙醇、丙酮、氨為工作介質。由于氨的工作溫度不符合要求，文中擬從甲醇、乙醇、丙酮3種介質中選擇。不同溫度下3種介質汽化潛熱比較圖見圖1。通過表1三種物質主要熱物性進行比較可以發現，甲醇的汽化潛熱和導熱率最高而沸點又相對較低，優先選用甲醇為工作介質。

圖1 不同溫度下3種介質汽化潛熱比較圖

表1 3種主要物質常溫下熱物性對比

2 輔助裝置設計

2.1 聚光裝置

蒸發段加熱處如果光線不足的話，可能會使整個裝置無法啟動，需要在加熱的地方加聚光裝置，以提高整個裝置的效率。采用的聚光裝置如圖2所示，圖中采用的是菲涅爾棱鏡。R1，R2為太陽平行光，可以看出平行光從右側入射至棱鏡，聚集于焦點S處。

圖2 菲涅爾棱鏡［3］

2.2 吸液芯結構及選取

吸液芯是熱管的一個重要組成部分。熱管正常工作的必要條件是［4］:

式中，毛細壓頭△Pc是熱管內部工作液體循環的推動力，用來克服蒸汽從蒸發段流向冷凝段的壓力降△Pv，冷凝液體從冷凝段流回蒸發段的壓力降△Pl和重力場對液體流動的壓力降△Pg(△Pg可以是正值、負值或零，視熱管在重力場中的位置而定)。

一個性能優良的管芯應具有:

(1)足夠大的毛細抽吸壓力或較小的管芯有效孔徑;

(2)較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率;

(3)良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻;

(4)良好的工藝重復性及可靠性，制造簡單，價格便宜。

通過對幾種管芯性價比較，裝置中選用了多層網芯的管芯。

3 試驗過程及分析

3.1 設計與試驗操作

圖3示出根據所需要求設計出的太陽能熱管系統，包括玻璃熱管、筒體、散熱管、回流管、真空抽取及加料部分。

圖3 結構示意

玻璃熱管包括真空層、玻璃套管、玻璃套管內設有吸收管。設置真空層的目的是減小熱量損失。為了更好地吸收太陽能，玻璃熱管與水平面成45°。用法蘭來連接玻璃熱管和筒體。筒體的材料為無縫鋼管，其上開有孔，用來安裝玻璃熱管、回流管、散熱管、真空表、真空抽取和加料部分等，外表裹有絕熱層。筒體的作用是匯集各熱管產生的蒸汽，使之送往散熱管并儲存甲醇。散熱管的材料擬用紫銅，管殼外裝有散熱片，以增大散熱面積。散熱管及散熱片放置在室內，其余部分放置在室外。

系統工作流程如下:在陽光照射下，熱管內液態甲醇吸收太陽能并且溫度不斷升高，當達到沸點時，液態甲醇汽化變成甲醇蒸汽;并聯的熱管產生的蒸汽在筒體處匯集，并輸往散熱管;當達到散熱管時，由于外界溫度比甲醇蒸汽溫度低，蒸汽冷凝，釋放熱量，熱量通過散熱片傳到外界，此時即達到目的。冷凝的液態甲醇由于重力因素通過回流管回到筒體，流回的液體使筒體內液面升高，液態甲醇均勻地回到玻璃熱管中。如此循環，使太陽能產生的熱量不斷轉移到室內。

3.2 試驗中的問題

在對裝置抽取真空、灌入介質等準備工作后，發現經過長時間的光照后，玻璃管內的介質只是冒很小的氣泡，現象并不明顯。抽真空后，裝置內甲醇介質的沸騰溫度為56℃。甲醇液體沸騰不持續，唯一可能的解釋就是甲醇沸點上升，原因可能是體系內壓強變化造成的。如果甲醇蒸汽在裝置中無法及時冷凝，則會導致體系壓強增大，甲醇沸點升高，最終沸騰停止，整個循環無法維持。

4 改進設計

4.1 改進方法

在原來的裝置設計中，管路橫放，即流體進行水平方向流動。這樣的設計不利于氣、液相分離，液相平鋪在整個管路內，不利于進行循環。將新的裝置(如圖4所示)設計為豎放，這樣液體沸騰時產生的氣體能夠直接脫離液相進入管路，而在換熱管部分，冷凝而成的液相由于重力作用迅速流下。循環過程中氣、液嚴格分離，有利于流動。

圖4 改進后結構示意

為了強化蒸發及循環，在氣體發生部分采用了新的吸液芯設計，以獲得更大的毛細抽吸壓力［5］，更小的液體流動阻力。一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率，采用兩層組合管芯，基本上將管芯分成兩部分，一部分起毛細抽吸作用;另一部分起液體回流通道作用。貼近表壁外層用細網，細孔網毛細效果好、抽吸力大，但流動阻力大;內層用粗孔網，流動阻力小，這樣可由表面細孔網提供較大的毛細抽吸壓力，通道內的粗孔網使流動阻力較小。組合管芯能兼顧毛細力和滲透率，從而能獲得較高的軸向傳熱能力。通過這樣的改進，可以在蒸發部分獲得更大的壓強，并通過吸液芯將冷凝液吸回蒸發部分，大大提高裝置的循環效果和速率。

在新的裝置中加入了一些新的部件，以提高試驗時對熱管內部情況的了解程度。蒸發部分設置了一段玻璃管，方便對液體沸騰情況的觀察。此外裝置中加裝了熱電阻和差壓計，隨時監測裝置溫度和壓強的變化，確保系統穩定工作。

4.2 試驗結果

在室溫為13℃下，每隔3 min測得裝置散熱段周圍提高4～6℃，可以初步達到供熱效果。若同樣裝置并聯使用效果更佳。

5 結論

(1)由于甲醇的汽化潛熱和導熱率較高而沸點又相對較低，選用甲醇為工作介質。

(2)設計出一種利用介質相變傳熱的熱管裝置，并對其加以改進，用于低品位能量的吸收與轉移。在利用裝置進行一系列試驗后，試驗裝置存在傳熱效果不明顯以及沸騰無法持續進行的現象，對其進行了原因分析并對裝置做了大量改進，以期能夠使裝置進行持續的相變循環，液體持續沸騰，翅片溫度上升，并達到一定的傳熱效率。

［1］ 趙忠超，周根明，陳育平，等.環路熱管理論研究進展［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2009，23(5):416－420.

［2］ 莊駿，徐通明，石壽椿.熱管與熱管換熱器［M］.上海:上海交通大學出版社，1989.

［3］ 深圳市沃恩德溢光電科技有限公司.http://www.szoande.qiyeku.com/comp/.info/56218 －1004_1154_1156 －2688087.html.

［4］ 莊駿，張紅.熱管技術及其工程應用［M］.北京:北京化學工業出版社，2004.

［5］ Li Jia － Hao.Loop Heat Pipe［P］.United States Patent，US7654310 B2.Feb2 2010.