热管式吸热器研究进展

文章编号 热管式吸热器研究进展 徐伟强 袁修干 北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100083 摘 要 介绍了国外热管式吸热器的研究进展 列举了几种典型的热管吸热器方案 分析对比 了不同方案之间的优缺点 并根据国内的研究现状作出今后国内热管吸热器发展方向的建议 关键词 吸热器 热管 研究进展 中图分类号 TK513 5 文献标识码 A 0 引 言 太阳能热动力发电系统 SDPSS 已成 为长寿命 低轨道 高功率空间站电源系 统的主要选择对象 与光伏发电系统相比 它的能量储存 释放效率高 寿命长且具 有较小的比质量和比面积 典型的 SDPSS 由四大部件组成 太阳能聚能器 吸热 蓄 热器 简称吸热器 能量转化部件 辐射 器 吸热器不仅吸收入射的太阳光能 加 热循环工质将热量传递给能量转化部件 而且利用相变材料 PCM 在日照期储存 部分能量以保证阴影期内的 SDPSS 的连续 工作 是 SDPSS 的关键部件 相比其他部 件 只有吸热器即没有同类的地面设备可 以移植 也没有已经用于空间的类似部件 可以借鉴 另外吸热器质量通常占整个发 电系统的 1 3 以上 降低它的质量对减少 系统质量有重大意义 同时微重力下 PCM 容器内的物理过程在理论上相当复杂 地 面试验也比较困难 研制难度较大 因此 吸热器成为国外自 20 世纪 60 年代开始的 SDPSS 研制计划中投入力量最多的一个部 件 热管式吸热器是 1985 年 NASA 提出的 四种新概念吸热器中最具发展潜力的方案 之一 美国 俄罗斯 日本 德国等国均 对其进行了进一步的研究与实验 与基本 型吸热器相比 热管式吸热器内温度分布 均匀 能更加安全有效的利用相变材料 PCM 从而提高吸热器效率和可靠性 并在体积和质量上均有较大改进 本文将通过列举和分析国外热管式吸 热器的研究发展过程中提出的几种典型热 管式吸热器方案 探讨国内开展热管式吸 热器研究的方向 1 国外研究进展 1 1 美国 AiRreseach 热管吸热器方案 美国 Allied signal 公司的 Garrett Airese arch 提出的布雷顿式热管吸热器设 计方案中对吸热器总体方案设计 轨道参 数和系统要求的选定 主要部件结构设计 等关键课题作了系统的研究与分析 文献 1 详细介绍了 AiRreseach 7kW 布 雷顿式热管吸热器的设计结果 其结构如 图 1 所示 吸热器采用简单圆柱形外形设 计 腔内沿轴向安装一系列钠热管 并利 用热管将太阳热能均匀地传递给 PCM 和循 环工质 蓄热段内部的剩余空间可以用来 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50276001 国家 863 计划支持项目 图 1 AiRreseach 热管式吸热器结构图 Fig 1 Configuration of AiRreseach Heat Pipe Receiver 吸热段 蓄热段 换热段 工质 出口 工质 进口 工质出口总管 工质进口总管 入射孔 板翅式换热器 热管 多层绝热 钠热管 安置电力转化部件等 从而减小了系统体 积 热管吸热器按下述方式工作 日照期 时 热管工质在吸热器段接受日照而蒸发 而在蓄热段和换热段发生冷凝 放出热量 使蓄热段 PCM 熔化并在换热段加热循环工 质 阴影期时 尽管吸热段可能由于热量 损失还有少许冷凝现象发生 但基本看作 绝热状态 此时蓄热段成为热管蒸发段 PCM 冷凝放热通过热管为换热段的循环工 质提供热量 以维持发电系统的连续工作 与基本型吸热器相比 AiRreseach7kW 热管吸热器在质量和体积上均有了重大的 改进 其比质量和比体积分别降到了基本 型吸热器的 52 和 18 而且通过将电力 转化部件等组建安装在剩余的吸热器内部 空间还可以为减小系统体积作出贡献 1 2 日本 Makoto 整体式热管吸热器方案 1990 年日本的 Makoto 等人以 30 kW SDPSS 为研究对象进行了热管式吸热器的 方案设计 2 其中给出了两种单元热管的 设计方案 外套 PCM 容器的单元热管和整 体式单元热管 外套 PCM 容器的单元热管 又分为采用单一相变材料和组合式相变材 料两种形式 其中对整体式单元热管做了 较为详细的介绍 其结构如图 2 所式 整 体式热管内部嵌入了一根 U 型的循环工质 管和两根封闭的相变蓄热管 而在工质管 相变蓄热管的外表面和整体式热管的内表 面之间填充热管工质 这其实是一种复杂 形式的径向热管 采用整体式单元热管的 热管吸热器 以下简称整体式热管吸热器 包含 160 根整体式热管 图 3 为该吸热器 的结构示意图 整体式热管吸热器的工作过程如下 日照期时 太阳光从吸热器腔口入射 照 射到整体式单元热管上 热管工质在整体 式单元热管壁面吸收热量而蒸发 而在循 环工质管外壁面发生冷凝加热循环工质 同时热管工质也在相变蓄热管的外壁面冷 凝使得内部的 PCM 熔化以储存热量 阴影 期时 整体式单元热管的外壁面不再有太 阳光照射 虽然会有一定的热量损失 但 是基本可以看作绝热 此时相变蓄热管内 的 PCM 冷凝放热并通过相变蓄热管外表面 加热热管工质继续为循环工质管内的循环 工质提供热量 以维持发电系统的连续工 作 数值模拟分析和对比表明 整体式单 元热管在 PCM 利用率和吸热器内部温度均 匀性上都优于外套 PCM 容器的单元热管 之后 Makoto 制造了整体式单元热管并用 电加热模拟入射热流进行了热性能试验 结果证明了整体式单元热管的良好性能表 现 并且保持了循环工质出口温度和吸热 器内温度在很小的范围内波动 不过相变 蓄热管由于在相变过程中受到 PCM 体积变 化产生的周期性应力 试验后发现了明显 循环工 质出口 循环工 质入口 相变 蓄热管 相变蓄热管 循环工质管 图 2 Makoto 热管吸热器的整体式热管 Fig 2 Integrated Heat Pipe of Makoto s Heat Pipe Receiver 图 3 Makoto 热管吸热器结构图 Fig 3 Configuration of Makoto s Heat Pipe Receiver 整体式单元热管 循环工质总管 反射面 入射孔板 图 4 试验后相变蓄热管剖面照片 Fig 4 Sectional Photo of Thermal Storage Tube 的变形 如图 4 所示 1 3 日本 NAL 热管吸热器试验系统 1998 年日本的 Takeshi 等人在国家航 空实验室设计和安装完成一套太阳能吸热 器的地面试验装置 3 4 如图 5 所示 实 验装置由吸热器腔体 蓄热装置和钠热管 组成 大约有 1 6kW 的太阳能由聚能器聚 焦 通过吸热器腔口进入吸热器 约有 1 3kW 的能量传给热管 再传递到能量转 换装置 试验表明 吸热器得到了均匀的 热流并且具有良好的传热作用 实验模拟 了日照 阴影期周期性的变化 地面试验装 置验证了各单元容器的温度变化呈现出周 期性的变化 日照期的输出功率为 100W 阴影期的输出功率为 75W 较好的验证了 热管式吸热器的性能 2000 年他们又对高 效太阳能吸热器系统地面样机进行了实验 实验装置采用半自由活塞式发动机 蓄热 装置和钠热管 热管为三根 每根管上有 4 个蓄热单元 以 LiF CaF2作为 PCM 为 了测定传热量 每根热管的冷凝端部分安 装了以氦为工质的冷凝器以测定传热量 整个装置安装在真空舱内 用加热炉模拟 太阳周期的变化 日照期 40 分钟 阴影期 50 分钟 试验表明 热管冷凝端的蒸发温 度能够稳定的保持在所要求的 923K 以上 经过一系列试验 热效率达到了 32 系 统效率达到了 20 根据以上成果 正在 进行斯特林发电系统的改进工作 使最终 的发电功率要达到 500W 以上 1 4 德国 Stuttgart 热管吸热器方案 1999 年德国 Stuttgart 大学的 Ch Audy 等人提出了一种热管式吸热器方案 5 该 吸热器由 37 根沿轴向平行排列的整体式单 元热管组成 如图 6 所示 每根热管内插 入一根 U 型工质管 循环工质从工质管入 口进入 流经工质管的同时吸收热量 再 由工质管出口流出 将热量传递到电力转 化装置中 而在靠近单元热管内壁处集成 了一系列相变蓄热环 内部填充 PCM LiF 存储热量以维持 SDPSS 的连 续工作 Ch Audy 还建立了简化的数学模型 对四种轨道参数下的斯特林式和布雷顿式 SDPSS 的动态性能进行了分析和对比 简化 模型与简化前模型的计算结果的最大误差 低于 5 但是计算时间被大幅缩短 通过 参数化和设置能量平衡 该简化模型具有 了更好的通用性 可以用来分析空间站的 位置和运动对 SDPSS 动态性能的影响 1 5 德国 DLR 混合动力式热管吸热器 1996年 在欧洲委员会的资助下启动 了以研究和发展应用于分散型太阳能电站 的混合式热管吸热器为目的的HYHPIRE计 划 该研究计划为期三年半 由包括德国 瑞典 西班牙等国的多家机构合作进行 其主要研究目标就是发展一个可以实现24 小时运行的集成了燃烧室的热管吸热器 2002年Doerte Laing在文献 6 中介绍了 HYHPIRE计划中研制成功的SBP LCS 10kW碟式斯特林发电系统 其主要部件就 图 5 NAL 热管式吸热器地面试验 Fig 5 Ground Test of The NAL Heat Pipe Receiver 吸热器 NAL 真空实验舱 PCM 容器 多层隔热 换热器 热管 预热器 泵 卤素灯 水冷器 入射热流 进 出口总管 循环 工质 整体式热管 带蓄热环 隔热材料 图 6 Stuttgart 热管式吸热器结构图 Fig 6 Configuration of Stuttgart Heat Pipe Receiver 是混合式的热管吸热器 其外形和结构示 意分别见图7 图8 混合式热管吸热器主 要由一个热管吸热器和一个燃烧室集合而 成 它可以由入射太阳光 燃烧气体或者 是两者同时提供热功力 从而实现了斯特 林热机24小时持续运行的可能 混合吸热 器的前端是一个双层壁面的热管吸热器 热管内部填充毛细结构 其内壁面用以吸 收入射太阳热能 外壁面则用以吸收燃烧 气体产生的热能 混合吸热器的中间留有 空间放置斯特林热机 剩余的壳体加上循 环管路组成燃烧室 燃烧气体从预热腔经 由循环管路到达吸热器外表面后进行燃烧 其燃烧热由热管外壁面吸收 热管吸热器 的后侧端面焊接了一系列的细换热管 从 热管端面吸收热能并传递给斯特林热机 在对SBP LCS 10kW碟式斯特林发电系 统进行了360小时的系统试验和507小时的 燃烧系统试验中 太阳热动力 燃烧气体 热动力和混合热动力三个模式的系统试验 均获得成功 试验表明 热管吸热器具有 良好的表现 而燃烧系统进一步的改进来 提高不同工作条件下的火焰稳定性和减少 CO的排放 由于试验中系统工作温度只达 到了600 系统效率低于预期值 太阳热 动力 燃烧气体热动力和混合热动力三个 模式的最大系统效率分别为16 17 和15 而最大输出功率为7 8kW 2 对典型方案的对比分析 纵观国外SDPSS的研究发展过程 热 管式吸热器以其效率高 质量轻 体积小 可靠性好等特点 已经成为SDPSS的必然 选择 而随着对早期SDPSS方案的改进及 新型SDPSS方案的推出 热管式吸热器的 研究日趋成熟 并发展出了针对不同 SDPSS方案的吸热器形式和结构 根据当 前国内外现状选择热管吸热器的发展研究 方向已成为国内进一步深入研究发展 SDPSS的必要工作 下面笔者将通过对比 分析前文列举的典型热管吸热器方案之间 的利弊 对开展热管式吸热器研究的方向 作出建议 美国AiRreseach热管吸热器以轴向热管 作为传递热量的元件 沿轴向分为吸热段 蓄热段和换热段三个功能段 太阳能只在 吸热段部分加热热管 而蓄热段和换热段 中的腔体内可以用来放置循环工质总管和 电力转化部件等等 蓄热段套装的PCM容 器在结构形式上与基本型吸热器的PCM容 器相似 将PCM封装在一系列的容器里 使得相变时产生的空穴也分散在各个容器 中 削弱了 热斑 热松脱 的影响 而 且单个容器的破坏不会对其他容器造成影 响 提高了系统的可靠性 但是加工制造 相对复杂 日本Makoto提出的整体式热管将循环 工质管和相变蓄热管都整合到热管内部 从传热过程来看 热量在热管壁 循环工 质管壁及相变蓄热管壁之间传递 是径向 热管的形式 与美国AiRreseach热管吸热器 相比 工质与热管工质直接在热管内部的 循环工质管表面进行换热 能够提高其换 热效率 而且不再需要专门的换热装置 其最大的缺点是PCM集中封装在相变蓄热 管中 空穴的分布比较集中 管壁会承受 较大的热应力 可靠性差 文献 2 就提及 图 7 DLR 混合动力式热管吸热器 Fig 7 DLR Hybrid Heat Pipe Receiver 图 8 DLR 混合动力式热管吸热器结构示意图 Fig 8 Scheme of DLR Hybrid Heat Pipe Receiver 了蓄 放热试验后相变蓄热管的明显变形 另外吸热器整个腔体都作为吸热腔 没有 剩余的空间放置其他部件 不利于减小 SDPSS体积 德国Stuttgart热管吸热器中也采用了整 体式热管的方式 不过只是将循环工质管 放置到了热管内部 相变蓄热装置则采用 了PCM容器的方式 综合了前面两种方案 的优点 但是其加工制造比较复杂 而且 目前仍未有实际研制和试验的报道 其可 行性有待验证 德国DLR混合动力式热管吸热器以燃 烧气体发热代替相变蓄热解决了没有太阳 能时的热量供应 能够很好的保证发电系 统的连续运行 而且混合式的动力供应能 够提高系统的发电效率 但是由于混合动 力式热管吸热器内不仅有吸热器 还包含 了包括预热室 燃烧室 气体循环管路 火焰稳定器 带翅片的换热器等一系列装 置 其结构非常复杂 所以加工制造难度 较大 而且燃烧气体需要携带燃料 燃烧 过程还会产生废气 不如纯太阳能热动力 式的简单和清洁 3 国内研究的方向和重点 国内对吸热器的研究始于20世纪80年 代末 截止目前 航天部501所 北京航空 航天大学等单位在吸热器总体方案设计 吸热器内热性能分析 PCM容器内高温固 液相变换热过程模拟分析 PCM容器及吸 热器单元换热管样件的研制和地面试验等 方面都进行了比较深入的研究 但是上述 研究主要局限在基本型吸热器上 仅在 2003年之后 由北京航空航天大学的崔海 亭 徐伟强 桂晓宏等人开始针对热管式 吸热器展开进一步研究 按照国内当前研究现状 笔者认为我 们研究发展热管式吸热器应该从结构简单 技术成熟完备 可靠性安全性好的方案起 步 美国AiRreseach热管吸热器的结构相对 简单 相变蓄热装置的可靠性高 其适用 性好 稍加修改即可应用于斯特林系统 应该成为我们优先选择的方案 由于美国 AiRreseach热管吸热器与基本型吸热器在设 计理念上又有一定的传承关系 也有利于 我们利用原有基本型吸热器的研究基础开 展进一步研究发展 因此 笔者建议以美 国AiRre seach热管吸热器方案为基础 对 吸热器入射腔 PCM容器 热管结构等内 容进行优化设计 尽快研制样机进行地面 试验 为SDPSS的空间应用做好准备 另外从SDPSS整体方案来说 自由活 塞式斯特林系统不仅可靠性好 而且使用 寿命长 是SDPSS发展的趋势 目前国外 对其研究和应用也日趋成熟 所以我们在 以布雷顿式热管式吸热器作为起步进行研 制及试验的同时 也应做好其为应用于斯 特林系统改进的准备 参考文献 1 Strumpf H J Coombs M G Advanced Heat Receiver Conceptual Design Study R N88 25977 Lewis Research Center 1988 2 Fujiwara M Sano T Suzuki K et Thermal analysis and fundamental tests on heat pipe receiver for solar dynamic space power system J Journal of Solar Energy Engineering 1990 112 4 177 182 3 Hitoshi N Tsutomu F Takeshi H An experimental study of a solar receiver for JEM experiment program AIAA 2000 2996 4 Takeshi H Hitoshi N Tsutomu F J Experimental study on stirling engine generator and solar receiver syst em for future space application AIAA 2000 2842 5 Audy C Fischer M Messerschmid E W Nonsteady behavior of solar dynamic power systems with Stir