（制冷及低温工程专业论文）乙醇—水太阳能热管性能的实验研究.pdf

摘要 摘要 作为一种高效的传热元件，热管已经被广泛的应用在太阳能热水器上。目前 的太阳能热管热水器通常用水作为热管工质，但是水在低温下传热性能并不好并 且在北方寒冷的冬季很容易出现冻结现象。鉴于此，本文对采用乙醇水溶液作为 工质的太阳能热管的传热性能和启动性能开展了实验研究。 热管的传热性能与热管工质的物性、热管倾斜角度、充液率以及加热功率等 都有很大的关系。结果显示：热管的倾斜角度对热管传热性能的影响随着加热功 率的增大而不同，原因为随着加热功率的增大热流密度和回流液量增多；由于黏 度、挥发性和表面张力等的不同导致不同工质热管有不同的最佳充液率，本文研 究的五种工质热管的最佳充液率值位于11 8 2 3 5 的范围内；在加热功率大于 3 0 - 4 0 w 时，水热管的传热性能最好，这主要由于水在高于5 0 时传热性能开始 变好并且水的气化潜热值最大；2 0 乙醇水溶液热管的传热性能最不好，主要由 于乙醇含量少，乙醇蒸汽冷凝后形成的回流液不能完全降低蒸发段的温度，导致， 蒸发段平均温度升高；其它三种浓度的乙醇水溶液热管的传热性能相差不大。 本文做了五种工质热管的启动性能实验，结果显示：热管的启动温度受到工 质种类、热管倾斜角度、充液率等多种因素影响，其中影响因素最大的是工质种 类，乙醇含量越高的工质启动温度越低并且启动速度也越快。 通过对五种工质热管的传热性能和启动性能的对比分析，作者发现与纯水热 管相比，乙醇水溶液热管无论是在传热性能上还是在启动性能上，都是有一定的 优势存在的。最后，本文对我国不同建筑气候区太阳能乙醇水溶液热管的使用提 出了建议。 关键词：热管；太阳能；热水器；混合工质；乙醇水溶液 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sah i 曲e f f i c i e n c yh e a t e x c h a n g eu n i t ，h e a tp i p e sh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni ns o l a r w a t e rh e a t e r a sw o r k i n gf l u i d ，w a t e ri so f t e nu s e da tp r e s e n ti ns o l a rh e a tp i p ew a t e r h e a t e r b u tw a t e rc a u s e sp o o rp e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ru n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n d f r e e z i n gi nn o r t hi nw i n t e r s o ，t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n ds t a r t - u pp e r f o r m a n c e o fs o l a rh e a tp i p e sw i t hw o r k i n gf l u i do fe t h a n o l - w a t e rs o l u t i o nh a sb e e ns t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p e si si n f l u e n c e db yp h y s i c a lp r o p e r t i e so f w o r k i n gf l u i d ，i n c l i n ea n g l eo fh e a tp i p e s ，c h a r g eq u a n t i t ya n dh e a t i n gp o w e rt h e e f f e c t so fi n c l i n ea n g l eo nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p e sb e c o m ed i s t i n c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a t i n gp o w e r s t h er e a s o ni st h a tt h eh e a tf l u xb e c o m e sh i 出 a n dr e f l u xc o n d e n s a t eb e c o m e sm u c hw i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a t i n gp o w e r b e c a u s e o fd i f f e r e n tv i s c o s i t y , v o l a t i l i t ya n ds u r f a c et e n s i o n ，d i f f e r e n tw o r k i n gf l u i dh e a tp i p e s h a v ed i f f e r e n to p t i m a lc h a r g eq u a n t i t y i nt h i sp a p e r , t h eo p t i m a lc h a r g eq u a n t i t i e sa r e a l lf r o m11 8 t o2 3 5 t h eh e a tt r a n s f e ro fw a t e rh e a tp i p e si st h eb e s tw h e nt h e h e a t i n gp o w e ri sb i g g e rt h a n3 0 - 4 0 wb e c a u s et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f w a t e r i sb e t t e rt h a no t h e r sa n dt h el a t e n th e a ti sl a r g e s tw h e nt h et e m p e r a t u r ei sb i g g e rt h a n 50 c t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p ew i t h2 0 v o l u m i n a lc o n c e n t r a t i o n e t h a n o ls o l u t i o ni st h ew o r s tb e c a u s et h ec o n t e n to fe t h a n o li ss m a l la n dr e f l u x c o n d e n s a t ec a nn o te f f e c t i v e l yc o o lt h ee v a p o r a t i o ns e c t i o ns ot h a tt h ea v e r a g e t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i o ns e c t i o ni sh i 曲t h e r e i sn o tl a r g ed e f f e r e n c eo fh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e sb e t w e e no t h e rt h r e ee t h a n o l - w a t e rh e a tp i p e s s t a r t u pp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so ff i v ew o r k i n gf l u i dh e a tp i p e sh a v e b e e n c o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t a r t - u pt e m p e r a t u r eo fh e a tp i p e si s i n f l u e n c e db ys p e c i e so fw o r k i n gf l u i d ，c h a r g eq u a n t i t ya n di n c l i n ea n g l eo fh e a tp i p e s t h ei n f l u e n c eo fw o r k i n gf l u i ds p e c i e si st h eb i g g e s t t h ec o n c e n t r a t i o no fe t h a n o li s h i g h e r , t h es t a r t u pt e m p e r a t u r ei sl o w e ra n d t h es t a r t - u ps p e e do fh e a tp i p ei sf a s t e n b yt h ec o m p a r i n ga n da n a l y z i n go ff i v ew o r k i n gf l u i dh e a tp i p e s ，i ti sf o u n dt h a t t h ee t h a n o l w a t e rs o l u t i o nh e a tp i p e sh a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c et h a np u r ew a t e r h e a tp i p e si nh e a tt r a n s f e ra n ds t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , ap r o p o s a lf o ru s i n go f e t h a n o l w a t e rs o l u t i o nh e a tp i p e si nd i f f e r e n tc l i m a t i cr e g i o n a l i z a t i o nf o ra r c h i t e c t u r e i nc h i n ah a sb e e no 行i e r d k e yw o r d s ：h e a tp i p e s ；s o l a re n e r g y ；w a t e rh e a t e r ；m i x t u r ew o r k i n gf l u i d ； e t h a n 0 1 w a r e rs o l u t i o n i i 物理量的名称及符号表 物理量的名称及符号表 m 平均摩尔质量，g m o l p 密度，k g m 3 汽化潜热，k j k g 质量流量，s 矿体积，m l r 时间，s p 功率，w ，电流，a 天电阻，q c p 液体定压比热容，j g 丁温差， q 一热量，k j h 传热系数，w m 2 c 丁温度， f 表面积，i n 2 t 蒸发段长度，m m 绝热段长度，m m 乞冷凝段长度，m m d 直径，m m “液体的动力黏度，p p o s g 重力加速度，n k g i i i 独创性声明 本人声明呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垒 ：塑丝 日期： 关于论文使用授权的说明 力佃孑岁3 d 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交文件的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘逝堑导师签名：驻塑日期：丝堡：兰兰垒 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1 1 1 太阳台毫的热乖i j 用 太阳能是一种清洁、高效的能源。随着世界能耗问题越来越严重，太阳能逐 渐成为人类关注的能源焦点【1 】。中国是太阳能资源十分丰富的国家之一，我国陆 地表面每年接受的太阳辐射能约为5 0 x 1 0 1 8k j ，全国各地太阳能年辐射量达3 3 5 , - - 8 3 7k j c m 2 1 2 】。在我国开发和利用太阳能资源将会有很好的发展前景。 太阳能的利用方法是多种多样的，但目前而言，利用太阳能提供生活热水是 我国城市太阳能利用的最佳方式【3 】。我国的人均用热水量远远低于发达国家，利 用太阳能提供生活热水除了可以降低城市建筑能耗外，还可以进一步提高人民的 生活水平。热管作为一种高效的传热元件，自问世以来得到了迅速的发展，在许 多领域中得到了广泛应用。太阳能热水器是热管在建筑节能中的应用领域之一。 1 1 2 热管 1 9 4 2 年，g a u l e r 提出热管的原理，1 9 6 4 年，g - r o v e r 等提出了类似于g a u l e r 的传热元件，取名热管，此时，热管正式出现1 4 。之后，很多的科学技术工作者 开始从事热管研究，使热管得到了很快的发展【5 1 。热管通常分为有芯热管( 见图 1 1 ) 以及重力热管( 见图卜2 ) 。 热管采用相变传热，导热系数极高，比银、铜、铝等金属热导体高出几个数 量级【6 】。重力热管的热传导性超过铜棒2 0 0 - 5 0 0 倍【7 1 。 热管具有很好的等温性【6 】，因为当冷凝段温度下降时，立即有蒸汽冷凝放出 液化潜热，以保持一定温度。 热管的冷凝没用运动部件，不具有破坏性【8 1 。蒸发段和冷凝段可以距离很远， 输入输出的热流密度可以变化t 6 。 热管具有热二极管性。所谓热二极管就是单向传热的热管，它仅在一个方向 上有优良的产热性能，在反方向上则不能传热或只有少量的漏热【9 】。 由于热管这些优良的热性能，使其在热利用方面得到了广泛的应用。 图l - 1 有芯热管示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i co f aw i c kh e a tp i p e 北京工业大学工学硕士学位论文 整 繇 佥 - - 整 熹 鞣 整 越 糕 _ 一 1 一： 液态工质 3 + - 。一 j + 一l 。 上 3 。7 一 图1 - 2 重力热管不恿图 f i g 1 2s c h e m a t i co fag r a v i t yh e a tp i p e ( 1 ) 重力热管传热的工作原理 如图1 2 所示：重力热管沿轴向分为蒸发段、绝热段、冷凝段。其工作过程 如下：当重力热管一端受热时，蒸发段的液体工质蒸发气化，在压差的作用下饱 和蒸气流向重力热管的冷凝段，在冷凝段向外界放出热量而再次凝结为液体，该 液体在自身重力的作用下返回到蒸发段，再继续蒸发、冷凝，如此实现了工质在 管内的循环。在重力热管中，重力是液体回流的主要驱动力，人们也把这种重力 驱动回流管的热管称为两相热虹吸管。与有芯热管相比，热虹吸管由于没有吸液 芯，使其不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作性能可 靠，因此可用作地面上各类传热设备中的高效传热元件。 ( 2 ) 重力热管内部的传热极限 重力热管内部是靠工质相变和连续工质循环实现热量传递的，它的传热能力 受到携带极限、干涸极限和沸腾极限的限制，当设计一根性能优良的热管时要充 分考虑这三种极限。 a 携带极限 携带极限也叫做液阻极限，易出现于充液量较大，轴向热流密度亦较大的情 况，它是由重力热管内逆向流动的蒸气与回流的液体在界面上相互作用引起的， 其机理与普通热管的携带机理一致。随着气一液间相对速度的增大，气液界面上 的粘滞剪切力阻碍着回流液体从冷凝段回到蒸发段，高速的蒸气流将携带着回流 液体到达冷凝段，使得蒸发段干涸，管壁温度飞升。当蒸气流状况稳定时，管内 的液体被阻止回流到蒸发段，就是达到了重力热管的携带传热极限。 b 沸腾极限 第1 章绪论 在充液量较大、径向热流密度很大的情况下易发生沸腾传热极限，又称之为 烧毁传热极限。随着径向热流密度的增大，蒸发段液池内开始产生核态沸腾。热 流密度进一步增大，液池内沸腾越来越激烈，当达到临界热流密度时，气泡聚合 连成一片贴近管壁而形成蒸气膜，蒸气膜将液体与壁面隔绝开来，导致壁面温度 突然增高，这种现象类似于池沸腾中的膜沸腾状态，即认为是达到了沸腾极限。 c 干涸极限 当重力热管的充液量很少，蒸发段的径向热流密度也相对较小时，在蒸发段 的底部可能会出现干涸传热极限，在这种情况下，冷凝段的下降液膜仍持续回流 到蒸发段，然而蒸发段底部的液膜厚度接近零，可见此时充液量只能满足重力热 管的循环，即蒸气和下降液膜的流动，蒸发段底部无液池存在。当蒸发段的热流 密度增大时，重力热管的底部则出现干涸，干涸的区域随着热流密度的增大而扩 展，壁面温度持续上升，这就是干涸极限。 除了充液量以外，工质的物性、重力热管的几何尺寸和工作温度等都是影响 其干涸极限的重要因素。 1 1 3 热管型太阳能热水器 热管的诸多优点加之其热二极管性，防止了家用太阳能系统的逆循环，使得 热管成为太阳能系统中传热元件的良好选择【8 】o 由于生活热水的提供仍是城市太 阳能热利用的主要方面，所以太阳能热水器技术的发展仍然是太阳能热利用技术 的主要方向之一。 热管型太阳能热水器具有防冻能力强、启动快、传热性能好、防腐蚀、防结 垢、成本较低、使用可靠等优点【6 】【1 0 】，它的出现使太阳能热水器的发展更加快速。 集热器是太阳能热水器的核心部件。热管型太阳能集热器主要有以下几种形 式：闷晒式热管集热器、平板式热管集热器和真空管式热管集热器【l 。其中闷晒 式太阳能集热器结构简单、易于安装，且价格较低，但是保温性能不佳【l2 1 。 1 1 3 1 平板式热管太阳能集热器 ( 1 ) 普通平板式太阳能集热器 传统的平板集热器由集热板、透明盖板、隔热层和壳体4 部分组成。其优点 为结构和制造工艺简单，维修简便和价格低廉【1 3 】。理论上平板式太阳能集热器的 日平均效率比真空管式太阳能集热器要高【1 4 1 。文献【1 3 】研究指出若集热温度1 0 2 0 c ，即使室外温度不高，平板集热器的集热效率可达到5 0 左右，甚至更高， 因此集热量也很可观，由此可见平板太阳能集热器有很好的发展潜力。 但是平板式太阳能集热器与真空管式太阳能集热器相比，平均热损系数较 高，高温段的效率偏低；当冬季室外气温过低时，可能出现集热管破裂、冻结等 问题。随着热管和蜂窝技术的出现，这些问题在逐步的被解决。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 平板式热管太阳能集热器 平板式热管太阳能集热器的工作原理是当太阳辐射能透过两层平板玻璃后， 其热量被涂有表面吸收涂层的平板式热管吸收，热管达到工作温度( 3 0 。c 左右) 后，通过内部工质的相变过程将热量迅速输送给蓄热器。与普通平板太阳能集热 器相比具有传热效率高，抗冻能力强，工作性能稳定、使用寿命长等优点【1 5 】。 1 1 3 2 真空管式热管太阳能集热器 ( 1 ) 普通真空管式太阳能集热器 普通的真空管式太阳能集热器由内外两层玻璃管套合密封而成，两层玻璃管之 间抽真空，外层透明，内层玻璃管外壁镀上一层黑色吸热薄膜，管内充满水。太阳 能以辐射的方式把热量传给外层玻璃管，内管中的水以对流和传导的方式传热。其 优点为进入玻璃管内的热能不易散失【1 6 1 。缺点为易结垢【17 1 ，水压不稳、水温调节 不型18 1 ，处于室外的进水管在低温下可能会因管内水结冰而造成堵塞甚至爆裂【1 9 1 。 ( 2 ) 真空管式热管太阳能集热器 真空管式热管集热器是玻璃金属封接的真空集热管的一种。目前，我国主 要有三种真空管式热管集热器【4 1 ，如图1 3 所示。 真空 平板要片执管 癯蓦蔓：窭彗骂雾鋈雪当瓜 医涎堇趸囊薹譬翼磊：盗丑厂一v 真空夹层 圆筒形翼片 熟管 蓬垂重羹葑囝 真空夹层 传热介质 热管 图1 3 真空管式热管集热元件【4 】 f i g 1 - 3h e a tp i p ev a c u u mt u b ec o l l e c t o r 热管式真空管集热器的优点是抗冻能力突出，适合于高寒地区。并且通过合 理地选择热管的管材、工质和管芯材料，还可解决腐蚀和结垢问题【6 1 1 1 0 1 。 与平板式热管太阳能集热器相比，热管式真空管太阳能集热器的热损失小， 日平均热效率高。但玻璃真空管涉及玻璃套管的生产制造、金属玻璃封接和玻璃 真空密封等生产制造工艺，工艺比较复杂、技术难度比较大，具备这样生产条件 的企业较岁15 1 。 1 2 相关领域的研究现状 1 2 1 热管的研究现状 热管工质的选取及其工质的充液率、蒸发段、冷凝段的长度、热管的倾斜角 第1 章绪论 度等对热管的传热i + 工t - 台日匕e - , 也有很大的影响，直接影响了热管式太阳能热水器的热效 率。 m e s e n 和h e s e n 实验研究t r l 3 4 a 、r 4 0 7 c 、r 4 1 0 a 三种工质对两相封闭热 虹吸管太阳能集热器性能的影响，通过实验获得使用r 4 1 0 a 可以获得更好的性能 j 。k k a t s u h i k o 等人对于混合工质( 水一乙醇) 两相闭式热虹吸管进行了实验 研究，发现混合工质热管管壁的轴向温度分布与纯工质热管有明显区别。他们认 为这是由易挥发组分( 乙醇) 轴向浓度分布不同所造成的，并提出了一个分析模 型以预测工质浓度分布及温度分布【2 1 1 。魏琪，袁朗对水甲醇混合工质的传热特 性进行了研究，着重分析了倾斜角度和混合工质甲醇浓度对热管换热系数的影响 嵋引。w c h u n 等人对丙酮、甲醇、乙醇、蒸馏水和酒精水溶液五种热管工质进行 了实验研究，指出不同工质的选择对热管的性能有一定的影响【2 3 】。y h k a n g 等 人对充有水、乙醇和乙醇水的三种工质环形热管进行了实验研究，指出了不同 工质在不同的充液率和不同加热功率下的温度分配以及每种工质的最佳充液量， 他们还就系统效率和太阳能能量积累的情况进行了讨论【2 4 】。s k h a n d e k a r 等人研 究在纯水工质中加入微小颗粒可以提高管壁的润湿性，但却降低了传热性能【2 5 1 。 r s a v i n o 等人研究得出用酒精溶液比纯水热管的性能更好【2 6 1 。 关于最佳充液量以及最佳蒸发段和冷凝段长度比，研究者也做了相关的实验 研究。h i m u r a 等1 2 7 】得到的结果是最佳充液率为0 2 o 3 3 。k t f e l d m a nj r 等 2 8 】 得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的1 8 - - 2 0 。淮南工业学院的王磊提出对 水重力热管的最佳充液量为其有效空间的1 7 , - - - 2 0 t 2 9 1 。s h n o i e 对太阳能热 管的不同填充率和改变蒸发段长度做了实验研究，指出不同的填充率对应不同的 蒸发段长度【7 】。河北省科学院能源研究所的张成怀就一种无机复合工质指出最佳 充液率为1 0 - - - 1 5 t 圳。对某一总长度为定长的热管可通过对总热阻求极值的方 法得到蒸发段与冷凝段的最佳长度比【2 9 】。 1 2 2 平板式热管太阳能集热器的研究现状 平板式热管太阳能集热器的缺点是经由平板式热管太阳能集热器的盖板和 集热板之间的对流和传导两种传热，使其热损失较大，日平均效率只有5 0 或更 少【3 。通过国内外学者的大量研究，这一问题正在得到逐步解决。在平板式热管 太阳能集热器的透明盖板下加蜂窝夹层构成蜂窝热管平板太阳能集热器，研究表 明这种结构可以大大减少热损失，提高日平均效率 3 2 3 4 】。胡亚才等 3 5 1 研究了真 空玻璃盖板的平板式热管太阳能集热器，实验得出这种结构日平均效率较高，平 均热损失系数较小。r i f f a t 3 1 】提出的薄膜热管太阳能集热器也可以进一步解决平 板式热管集热器盖板热损失的问题。把复合抛物面聚光器( c o m p o u n dp a r a b o l i c c o n c e n t r a t o r ，c p c ) 和热管平板式集热器相结合形成热管式太阳能集热器，实验 表明可以提高集热器的集热温度和集热效率，降低热损失【3 6 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 另外，对平板式热管太阳能热水器的结构参数，诸如：吸收板材料和密度、 热管的倾斜度和管径的比值、冷凝长度和整个热管长度的比值、水箱容积与收集 器面积比率以及水箱容积与水箱尺寸比值等进行优化设计也能进一步提高整个 热水器的热效率【3 7 。0 1 。由此可见，随着平板式热管太阳能集热器的缺陷在不断 的被弥补，平板式热管太阳能集热器正在逐步被人们所认可。 1 2 3 真空管式热管太阳能集热器研究现状 为了达到较高的温度，c p c 热管式真空管集热器已经成为目前热管式真空 管太阳能热水器的研究热点。c p c 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1 4 卜4 2 1 。 热管式真空管太阳能集热器凭借其不易炸管、不易结垢、高集热率的特点， 特别是采用了c p c 技术后工作范围更宽，使其越来越受到广泛的关注。 1 2 4 热管型太阳能热水器与其它系统的结合使用 基于热管型太阳能热水器的优点，热管型太阳能热水器与热泵、空调等系统 结合使用，能够进一步提高整个系统的性能。 太阳能集热器、热泵和空调结合在一起使用可满足冬季供暖和夏季制冷的要 求，同时还可满足生活用热水的需要，克服了单纯利用太阳能供暖时，寒冷天气 和阴天、雨雪天热量不足的缺点【4 3 】。青岛理工大学的周恩泽等1 4 4 】设计建立了以 热管式真空管太阳能热水器和水源热泵机组为热源、以地板辐射采暖系统为末端 设备的太阳能热泵地板辐射采暖供暖系统实验台。测试结果表明太阳能热水器 效率高且稳定，热泵机组制热系数达到最初设计要求。利用采暖系统作为补充热 源，将采暖系统回水送入设在太阳能储水箱中的换热器，辅助加热，既不影响采 暖效果，又能提高锅炉的利用率1 4 5 1 。h u a n g 等f 4 6 】研究了热管太阳能辅助热泵热 水器系统，在太阳能辐射充足时使用热管型太阳能集热系统，太阳能不充足时使 用热泵系统提供热水。这种混合系统性能系数达到3 3 2 ，比单一热管太阳能模式 和单一的热泵模式都高。 太阳能受季节和天气条件的限制，不可能提供持久永恒的热量，这样在太阳 能的基础上引进热泵、空调等系统，可以保证热量的及时供给，还可以进一步降 低常规能源的消耗，有效减少了系统的运行费用等【4 7 4 8 1 。由此可见，热管型太 阳能热水器与其它系统的结合使用是高效、经济的，有良好的应用前景。 1 3 热管型太阳能热水器存在的主要问题及其解决途径 在过去的几年里，太阳能热水器市场获得了很大的发展，新技术和高质量的 产品也得到了发展和提高。热管型太阳能热水器有望成为以后发展的趋势。但是 目前这一产品还存在一些问题，例如工质，这些问题制约了热管式太阳能热水器 第1 章绪论 的广泛应用。 ( 1 ) 太阳能热管一般用水作工质，水与铜管壳有很好的相容性、蒸汽压适中、 提纯容易并且水的汽化潜热值比较大【1 0 】。但是水的凝固点为o 。c ，工作温度范围 是2 8 9 。c - 2 2 7 。c t 4 9 - 5 0 ，如果热管内的水结冰，热管就不能正常工作。我国北方 寒冷地区冬季的温度一般可达- - 2 0 ，这对防冻提出了严格的要求，增加了以水 为工质的热管式太阳能热水器在北方寒冷地区冬季使用时的成本。 ( 2 ) 水在温度低于5 0 时，蒸汽密度很低、传热介质过少、传热性能较差【5 0 】， 故热水器水箱内的水开始加热时升温较慢，在冬季尤甚【lo 】。 ( 3 ) 水作为热管工质，启动温度偏高、表面温度均匀性差【5 1 1 。而阴雨天太阳 能辐射不充足，这样太阳能热水器就不能满足阴雨天对热水的需求。 对于采用水作为工质带来的弊病可以考虑采用其它介质替代水作为解决方 案。对常年进水温度偏低且所需热水温度不高的地区，可考虑用醇类( 例如甲醇 或乙醇) 作工质。低温时甲醇的蒸气密度比水高一个数量级，尽管汽化潜热只有 水的一半，但综合热性能较好【1 0 ，5 们。与纯水相比，乙二醇水溶液具有较高的热 传输刚5 2 j 。 1 4 本课题的主要工作 针对太阳能水热管的缺点，本课题采用混合工质乙醇水溶液代替水作为热 管的工质。本课题的主要工作是对混合工质乙醇水溶液的传热性能和启动性能 进行实验研究，并与单一工质水、乙醇的传热性能和启动性能进行对比。本课题 研究的主要内容包括： ( 1 ) 热管传热性能实验台的改进、启动性能实验台的搭建； ( 2 ) 乙醇一水热管最佳倾斜角度的测定； ( 3 ) 乙醇一水热管最佳充液量的测定； ( 4 ) 不同浓度乙醇水溶液热管传热性能的分析； ( 5 ) 乙醇一水热管启动性能实验研究。 本章小结 本章首先介绍了太阳能的热利用、热管的发展状况及原理，详细介绍了热管 型太阳能热水器的工作原理、基本组成及其特点。通过文献综述，进一步介绍了 本课题相关领域的研究进展及成果，分析了当前热管型太阳能热水器存在的不 足。针对这些不足，提出了改进思路及其本课题的主要研究工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章热管传热实验系统的完善与调试 2 1 热管传热实验系统 本课题的太阳能热管传热实验是在北京工业大学制冷实验室内完成的，由制 冷实验室提供实验场地和一些实验设备。在已有实验系统的基础上，作者进行了 部分改进，并对整个实验系统进行了调试。太阳能热管传热实验系统( 如图2 1 所示) 主要有以下四部分组成：实验用太阳能热管、加热系统、冷却系统和测量 系统。 67891 01 l1 2 1 冷却水回收容器；2 流量调节阀：3 截止阀；4 冷却水进口：5 自耦变压器； 6 电流表；7 冷却水套；8 热管；9 加热膜：l o 支架：1 1 数据采集仪；1 2 热电偶 1r e c l a i mc o n t a i n e ro fc o o l i n gw a t e r ；2c o n t r o lv a l v eo f f l o wr a t e ；3c u t - o f fv a l v e ；4i n l e to f c o o l i n gw a t e r ；5a u t o t r a n s f o r m e r ；6a m m e t e r ；7c o o l i n gw a t e rj a c k e t ；8h e a tp i p e ；9f i l m h e a t e r ；10s h e l v e s ；11d a t aa c q u i s i t i o nu n i t ；12t h e r m o c o u p l e s 图2 - 1 热管实验系统示意图 f i g 2 - is c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a ls y s t e mo fh e a tp i p e s 2 1 1 太阳能热管 热管的设计包括热管本体的设计和热管工质的选择和充装。 2 1 1 1 太阳能热管本体的设计 热管本体的设计包括热管外形尺寸的设计和管材的选择。 热管的壳体材料首先要满足与工作介质的相容性的要求，所谓“相容”是指热 管运行时不致发生腐蚀和不凝性气体，不凝性气体会阻隔工质的传热，甚至使热 第2 章热管传热蛮验系统的完善与调试 管失效。除此之外，壳体的材料还应满足在工作温度f 的强度和刚度的要求，在 满足以上要求的基础上，还应考虑经济性和材料的来源。 铜在太阳能利用中有广泛的应用，它有良好的传热性能和加工性能，耐腐蚀， 且与本课题所选工质有很好的相容性，二者不发生任何化学作用，所以本实验所 用热管的管材为无氧紫铜管。 实验热管的尺寸是在实际的太阳能热管( 如图2 2 所示) 的基础上，并结合 具体的实验条件自行设计的。设计参数如表2 1 所示。实验热管本体的加工是由 镇江天鸿新能源有限公司完成的。热管出厂前，厂家对热管强度、气密性做了检 验，符合q b 3 2 0 0 t h 0 0 1 2 0 0 5 标准。 图2 - 2 太阳能热管 p i 9 2 - 2s o l a r h e a tp i p e 表工l 太阳能热营设计尺寸 t a b l e 2 一】d e s i g ns i z e & s o l a rh e a tpipe(mm 211 2 热管工质的选择和充装 ( 1 ) 热管工质的选择 热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，因此工作液体的各种物理性质对 于热管的工作特性具有重要的影响，一般应考虑以下原则 经济合理，以降低成本； 适宜的工作温度区间，以利于运行： 较高的气化潜热，以提高传热效率i 饱和蒸气压力随温度的变化率较大，咀防止流动阻塞； 较低的液态粒度，以利于工质靠重力沿热管内壁回流； 较高的导热系数，以利于管壁向外传热。 为了进一步解决太阳能水热管的冰冻及低温时传热性能较差的问题，可以采 用台适的混合工质代替单一工质。本文采用水与乙醇的混台溶液作为热管的工作 介质，表2 2 提供了作者实验用的各种浓度的工作介质的相关物性参数。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 热管工质的充装 常用的热管工质的充装方法有两种：一种为加热排空法；一种为机械抽真空 法。加热排空法是采用加热沸腾排气形成真空，向预制好的热管内注入超过成品 热管工质量2 0 一5 0 的工质，然后将热管放入电炉内( 或其它加热设备) 加热， 使管内的工质沸腾，依靠工质蒸气压力将管内的空气排出，迅速封口，冷凝后即形 成真空【2 9 】。机械抽真空法是先用机械真空泵抽取热管内的空气，当热管内的真空 度达到1 3 3 x10 0 p a 时，充入工质。机械抽真空法对抽真空设备的要求十分的严 格，通常是真空泵和扩散泵联合使用才能达到真空度的要求。 考虑到本文所用的工质以及现有抽真空设备条件，本文采用加热排空法和抽 真空法联合来完成工质的充装。工质充装示意图见图2 3 。 图2 - 3 工质充装不恿图 f i g 2 3s c h e m a t i ca b o u tf i l l i n go fw o r k i n gf l u i d 充装步骤为：1 ) 在热管内充入一定量的工质；2 ) 使用加热膜加热热管蒸发 段，使热管内的空气排尽，并且使热管内残存少量工质蒸气；3 ) 在加热的同时 用真空泵抽取工质蒸气，直到达到真空度的要求后关闭截止阀和三通球阀。4 ) 将三通球阀旋开到充液管一端，再打开截止阀充入定量的工质，然后关闭截止阀， 完成一根热管的充装。 ( 3 ) 实验工质量的确定 文献【2 7 - 3 0 1 分别提出最佳充液率( 工质体积占管内容积的体积百分比) 范围为： 第2 章热琶传热实验系统的完善与调试 2 0 3 3 、1 8 - - 2 0 、1 7 2 0 、1 0 i5 。通过对这些经验值的分析综 合，本文初步选定1 0 - - 2 0 f f 范围，为了不局限于文献的经验范围，本文最后 决定扩大范围的上、下限到5 2 5 f s 9 9 7 ) ， 热管倾斜角度为3 0 度、4 5 度、6 0 度、9 0 度。对上述工况进行了热管传热性能 测试，加热功率为i o w - 8 0 w ，得出性能曲线如图4 1 所示。 由图4 1 可以看出，对于单一工质乙醇热管，最佳充液量多数情况下位于6 m l 处。在热管倾斜角度是3 0 度、4 5 度，加热功率5 0 w - 8 0 w 的三个功率下，最佳 充液量为8 m l 。在热管倾斜角度9 0 度、加热功率4 0 w - 8 0 w 的四个功率下，最佳 充液量也是8 m l 。由于本课题所使用热管的内容积为3 4 m i ，所以通过换算可以得 到本课题所用的乙醇热管的最佳充液率为热管内容积的1 7 6 2 3 5 ，加热功率 越高，最佳充液率值越大，并且和热管的倾斜角度有一定的影响。 2 0l 充液量“1 ) a ) 热管倾角3 0 度 p 、 2460 充液量“1 ) b ) 热管倾角4 5 度 硼 m 硼 娜 枷 蛳 舯 恤 p - - ) = 北京工业大学工学硕士学位论文 姗 7 0 6 0 0 0 5 蛳 p 逞枷 3 啪 锄 1 滓舞 - - n - - 1 0 w - - o - - 2 0 、 一一3 0 w 二夕丫 6 0 乙醇水溶液的气化潜热值 乙醇气 化潜热值，所以三种浓度的热管传热性能为4 0 6 0 乙醇。特别是加热 功率比较高时规律更加明显。 5 1 24 mi 热管传热性能实验 在热管充液量4 m l 情况下，对乙醇、水及3 种浓度的乙醇水溶液进行传热性 能测试，热管传热性能曲线如图5 2 所示，加热功率从l o w 加热到8 0 w ，热管 的倾斜角度分别为3 0 度、4 5 度和6 0 度。 通过实验，可以得出以下几种结论： 当加热功率大于3 0 w 时，水热管的传热性能最好。低于3 0 w 时，水热管的 传热性能不是最好。水热管的传热性能随着加热功率的升高而逐渐增大。因 为水的启动温度比较高，在低于3 0 w 的加热功率下，水没有完全启动，所以 水热管的传热性能不是最好。在加热功率大于3 0 w 时水热管完全启动，并且 水的汽化潜热值最大，所以此时的水热管传热性能为最好。但是与2 m l 的水 北京工业大学工学硕士学位论文 热管相比，4 m l 水热管的传热一i b i 4 - 台厅匕t c , 在更低的加热功率下就超过了其它几种工 质热管。这主要是由于水热管的最佳充液量是4 - 6 m l ，此时的4 m l 水热管在 最佳状态下运行。 1 02 0加 加热功率哪) a ) 热管倾角3 0 度 1 02 03 04 05 07 01 1 0q 0 加热功率 b ) 热管倾角4 5 度 1 02 03 0d j 05 0 6 0 7 08 0 加热功率( ) c ) 热管倾角6 0 度 图5 - 24 m l 热管传热性能曲线 f i 9 5 - 2h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p ew i t h4 m lw o r k i n gf l u i d 浓度为2 0 的乙醇水溶液热管的传热性能一直低于其它几种浓度热管的传热 性能。 因为4 0 7 , 醇水溶液的气化潜热值 6 0 乙醇水溶液的气化潜热值 乙醇气 化潜热值，所以三种浓度的热管传热性能为4 0 6 0 乙醇。特别是加热 功率比较高时规律更加明显。 5 1 36 ml 热管传热性能实验 5 1 3 1 实验结果 蛐l|嚣篙姗姗姗硼=棚姗|l伽。 一p 、i ) = 第5 章工质浓度对热管传热性能的影响 在热管充液量6 m l 情况下，对乙醇、水及3 种浓度的乙醇水溶液进行传热性 能测试，热管传热性能曲线如图5 3 所示，加热功率从1 0 w 加热到8 0 w ，热管 的倾斜角度分别为3 0 度、4 5 度和6 0 度。 o柏7 0 加热功率( 聊 a ) 热管倾角3 0 度 1 02 0 3 0 4 0 5 0 7 0 加热功率 b ) 热管倾角4 5 度 1 040为 加热功率( t o c ) 热管倾角6 0 度 图5 - 36 m l 热管传热性能曲线 f i 9 5 - 3h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p ew i t h6 m lw o r k i n gf l u i d 由图5 3 ，在6 m l 充液量的情况下，可以得到以下几种结论： 当加热功率大于3 0 w 时，水热管的传热性能最好。低于3 0 w 时，水热管的 传热性能不是最好。水热管的传热性能随着加热功率的升高而逐渐增大。 浓度为2 0 的乙醇水溶液热管的传热性能一直低于其它几种浓度热管的传热 性能。 根据第4 章分析可知，乙醇热管在低于5 0 w 时最佳充液量是6 m l ，6 0 乙醇 水溶液热管的最佳充液量为6 m l ，4 0 乙醇水溶液热管的最佳充液量为4 m l 。 对于6 m l 的热管，在加热功率低于5 0 w 时，乙醇热管和6 0 乙醇水溶液热管 北京工业大学工学硕士学位论文 应该是在最佳的运行工况下运行，而4 0 的乙醇水溶液热管的充液量过多导 致了热管性能下降，再结合三者的气化潜热值，可以说明其它3 种浓度热管 的传热性能规律是：加热功率低于5 0 w 时，6 0 乙醇 4 0 ；高于5 0 w 时， 随着热管倾斜角度的不同有一些差别。 5 1 48 ml 热管传热性能实验 在热管充液量8 m l 情况下，对乙醇、水及3 种浓度的乙醇水溶液进行热管传 热性能测试，热管传热性能曲线如图5 4 所示，加热功率从1 0 w 加热到8 0 w ， 热管的倾斜角度分别为3 0 度、4 5 度和6 0 度。 1 0柏5 07 01 0柏7 0 加热功率佃) 加热