工质灌充量对太阳能重力热管传热影响的理论分析

>> 工质灌充量对太阳能重力热管传热影响的理论分析 http://nx8.net/news/4/ 2006-10-1 23:28:30 日期:2006-2-18 10:50:48 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者：不详 热度： 摘要：本文定义了工质在热管内全部相变为蒸汽时的饱和温度为热管的干涸温度。论述了工质灌充量对干涸温度的影响，进而对热管传热的影响。导出了热管式真空管集热效率、太阳能重力热管传热温差以及太阳辐照度三者之间的理论关系式；应用此关系式可以对热管式真空管的集热效率进行估算；或对太阳能重力热管的传热温差进行估算，进而根据定义估算出工质的灌充量。 以水为主要工质的重力热管在太阳能领域得到了广泛的应用；尤其是将重力热管技术与真空管技术相结合制成的热管式太阳能真空集热管，充分发挥了该两项技术的优势，使之具有许多良好的特性。优良的高温性能，使得太阳能的中高温应用避免了高价、复杂的聚焦等设备，得以便利的实现；优良的抗冻性能使得太阳集热器可以在－30℃条件下正常运行；优良的热二极管性能可以显著减少太阳集热器的热损；优良的承压性能使得太阳能热水工程更加安全可靠，是Zui适合于与建筑相结合的太阳集热元件之一。工质灌充量的多少对于太阳能重力热管的诸多特性，尤其是与高温性能相关的传热特性有着显著的影响。作者以水作为热管工质，通过理论分析对该影响进行了一些有益的研究，以期能够对太阳能重力热管的设计、制造以及应用起到一定的指导作用。 1、太阳能重力热管的工作特性 如图1所示，与典型热管的区别是，真空管内的太阳能重力热管除冷凝段外，受太阳辐射的部分均为蒸发段，而不存在明显的中间绝热段。在蒸发段，热管均匀地吸收太阳辐射能，可以视为热管的瞬时径向等热通量传热过程；液态工质在重力作用下克服与管壁和蒸汽流的摩擦阻力，从蒸发段顶部流向底部，沿程接受径向传热而不断相变形成蒸汽，体积急剧膨胀；在冷凝段，蒸汽释放所携带的相变潜热又成为液态，体积急剧收缩；因工质体积变化产生的压差成为蒸汽克服重力向上流动的动力。在稳定工况下，太阳能重力热管处于传热平衡以及传质平衡状态，此时热管内工质的整体温度和压力也处在动平衡状态，不发生明显变化。但由于太阳辐照度、环境温度等气象条件都是随时间而发生变化的，因此太阳能重力热管的传热传质过程，也必然随着上述参数变化而变化。 2、质灌充量对太阳能重力热管传热影响的定性分析 为了便于理论分析，我们假定：1）热管内工质仅灌充一定量的水，而无其他物质；2）传热（加热及放热）过程是热力学所谓的准静态过程；3）定义热管内水受热全部相变为饱和蒸汽时的温度为热管的干涸极限。 根据假设，可以得出热管工质灌充量（即充液密度）与干涸温度及饱和压力的关系：（见表1） 从表1、图2和图3可以看出，工质的灌充量γ对热管的干涸温度t和工作压力ρ有着显著影响。随着工质灌充量的增加，热管的干涸温度和工作压力随之急剧增高；干涸温度是判别重力热管能否正常工作的重要参数之一，现以此为依据定性分析如下： 当热管内工质的温度小于干涸温度时：工质处于饱和蒸汽、饱和水两相状态；其状态可由所对应状态下的饱和温度、饱和压力来描述。随着加热量的增加，工质的饱和温度及饱和压力随之增高，工质的汽相成分随之增加，而液相成分则随之减少（即液位下降）。 随着加热量的增加，当热管内工质的温度被加热到干涸温度时：工质完全处于饱和蒸汽单相状态，而液相成分随之减少到0（即液位下降至0），压力为干涸温度所对应的饱和压力。此时热管利用工质的蒸发、冷凝来进行传热的作用已完全消失，即进入所谓“干涸”状态。 随着加热量的继续增加，当热管内工质的温度被加热到大于干涸温度时：工质完全处于过热蒸汽单相状态无液相成分，性质更加接近理想气体，压力也随温度的增高而增加——可以近似地认为压力正变于过热蒸汽的温度。此时“干涸”现象更为明显，热管的工作条件更为恶劣。 热管的工作温度范围随着工质灌充量的增加而增大，是否工质灌充量越多越好呢﹖显然这是不正确的，如当工质达到临界状态后（水的临界温度为374．15℃，临界压力为22．1mpa；），工质整体直接由液态转变为气态，不再有汽、液共存的现象，从而热管无法正常工作。工质灌充量应该依据热管设计用途所对应的Zui高工作温度来进行选择。 对于主要应用于供应生活热水或采暖的太阳集热器来说，其供水温度应小于100℃，对应的热管工质工作温度应略大于100℃；从表1、图2可知：在100－120℃温度范围内，热管工质的灌充量的理论值应为：γ＝0．598～1．122 kg/m3。 对于太阳能中高温应用，其热负荷将大于100℃，甚至达到200℃左右；若热管工质的工作温度范围为120～240℃，则工质的理论灌充量应为：γ＝1．122～16．76 kg/m3。 考虑到在热管内存在着非冷凝性气体、工质在热管内壁浸润、传热传质过程需要时间等因素，工质灌充量应高于理论值。在实际应用中，工质灌充量往往远高于理论值，此情况下，若热管传递的热量能够及时地传给被加热物质对于大多数实际应用情况都是如此，则工质灌充量多并不存在任何问题，只是相当量的液态工质停留在热管底部不参与传热而已；但若出现热管传递的热量不能够及时地传给被加热物质的情况，则工质灌充量多就会导致发生：热管传热温度显著高于热负荷正常使用温度，以及热管内工作压力急剧增高的现象，从而给使用带来不利影响。 反过来分析，若工质灌充量比理论值偏少，则当热管达到对应的干涸温度时，就不能有效地传递热量。 3、太阳能重力热管传热的理论计算 为了便于计算，假设：1）热管蒸发段的径向传热为等热通量传热；2）热管蒸发段的轴向传热为液体相变所带走的汽化潜热；3）热管冷凝段的凝结换热符合努谢尔特（nusselt）假设；则： 1热管蒸发段的径向传热q： q＝ηea/πdl ［w/m ］ （3－1） 式中：η－热管式太阳能真空管集热效率； e－热管式太阳能真空管吸热体面积所在平面的太阳辐照度[w/㎡]； a－热管式太阳能真空管吸热体面积[㎡]； d－热管蒸发段直径[m] l－热管蒸发段长度[m] 2熟管蒸发段的轴向传热q： q＝qπdl＝ηea ［w］ （3－2） 式中符号同（3－1）式； 3热管蒸发段的轴向蒸汽流量dm/dτ： dm/dτ＝q/r [kg/s] （3－3） 式中：r－水的汽化潜热[j/kg]； 4热管冷凝段平均凝结换热系数α： α＝0.943｛（g′rp 1 2 λ 1 3） /［μ1l′（ts－tw）］｝ 1/4 ［w/m ·℃］ （3－4） 式中：g′（＝gsinф）－修整重力加速度（m/s ）：ф为热管与水平面的夹角； p1－饱和水密度[mg/m ]； λ1－水的导热系数[w/m·℃[； μ1－水的动力粘度[kg/m·s]； ts－饱和水蒸汽温度[℃]； tw－热管冷凝段壁温[℃]； l′－热管冷凝段长度[m]； 5热管冷凝段凝结换热量q′： q′＝απd′l′（t s －t w ） [w] (3－5) 式中： d′－热管冷凝段直径[m]： 根据能量守恒定律，热管轴向传热量应与冷凝段凝结换热量相等，即q＝q′； 6热管式太阳能真空管集热效率η、热管传热温差(t s －t w )及太阳辐照度e的关系式： η＝0.934πd′［g′rp 1 2 λ 1 3 l′ 3 （t s －t w 3 μ 1 ］ 1/4/ ea (3－6) 根据当地的日照气象条件，设计的热管工作温度，热负荷Zui高温度以及热管的尺寸参数，应用(3－6)式可以对热管式太阳能真空管的集热效率进行估算。或者根据当地的日照气象条件，热负荷温度，设计的热管式太阳能真空管的集热效率以及热管的尺寸参数，应用(3－6)式来估算热管的工作温度，从而初步确定工质的灌充量。 分析(3－6)式可知：工质的物性r、p 、λ 、μ 1 是热管内工质饱和蒸汽温度t s 的函数；太阳辐照度e是时间、气象条件的函数；若将上述物性等参数用一段时间内如一白昼的平均值去取代，这样热管式太阳能真空管的平均集热效率η∞(t s －t w 3/4 工质的饱和蒸汽温度t s 与加热量即太阳辐照度e、时间τ、热负荷特性即冷凝段壁温t w 有关；当热负荷的耗热有用热和热损正常时，由于热管传递的太阳能可以及时地被热负荷带走，这样冷凝段壁温t w 较低，虽然此时工质的饱和蒸汽温度t s 也较低，但传热温差(t s －t w )却保持在与传热量相适应的量级，因此热管式太阳能真空管也保持着较高的平均集热效率η。 当热负荷的耗热偏少时，热管传递的太阳能不能及时地被热负荷带走，这样随着热量的积累，冷凝段壁温tw逐渐升高，虽然此时工质的饱和蒸汽温度t s 也随之升高，但传热温差(t s －t w )却逐渐减小，因此热管式太阳能真空管的平均集热效率η也随之降低。 尤其当热负荷的耗热非常小如有用热为0，仅存在很小的热损时，热管传递的太阳能几乎不能被热负荷带走，(t s －t w )逐渐减小接近于0，平均集热效率η也随之趋近于0；此时，工质的饱和蒸汽温度t s 也趋近于热管的干涸极限t，而干涸极限t正与工质的灌充量γ相关。 4、结论 从本文的理论分析可以得出以下结论： （1）本文定义的热管干涸极限温度是设计工质灌充量的重要参考因素； （2）本文首次提出了热管式太阳能真空管的集热效率η，热管工质与热负荷之间的传热温差（t s －t w ）以及太阳辐照度e三者之间的关系式（3－6）。应用（3－6）式，并根据热负荷的Zui高工作温度，设计的热管式太阳能真空管的集热效率，以及当地日照资料，可计算出热管工质的理论工作温度，从而可以确定热管工质的理论灌充量；或者根据当地的日照气象条件，设计的热管工作温度以及热负荷Zui高温度，可以对热管式太阳能真空管的集热效率进行估算； 3工质灌充量过少，将降低热管式太阳能真空管的集热效率；工质灌充量过多，将可能给热负荷带来因过热造成的不利影响； 4合理的工质灌充量，一方面可以保证太阳能重力热管在设计的温度范围内正常有效地工作；另一方面可以保证当太阳能重力热管的工作温度超过设计范围时产生干涸效应——减少直至停止传热，从而有效地防止热负荷由于过热而引发的不良后果；第三方面可以显著减小闷晒工况下热管内的压力，从而提高了太阳能重力热管的安全可靠性。 太阳能重力热管合理的工质灌充量究竟为多少，虽然本文给出了理论估算的方法，但该方法是建立在若干假设基础上推导的，没有考虑热管内必然存在非冷凝性气体及其对传热的影响；没有考虑工质浸润热管内壁给灌充量和传热造成的影响；没有考虑分热传质时间因素的影响……因此合理确定太阳能重力热管工质灌充量，除了必要的理论分析外，更为重要的是需要通过试验和实践来加以确定。