太阳能相变储能新风高效换热系统设计及材料性能测试

齐欣

摘要：本文将太阳能集热、热管导热和相变蓄热三个部分进行集成，通过热管技术的引入提高系统换热效率，对太阳能技术和相变储能技术的联合应用是一次拓展。

关键词：相变储能；热管；材料性能测试。

中图分类号：TK511文献标识码： A

1引言

中国北方严寒地区由于冬季室外气温低，一直采取门窗紧闭，隔绝室内外空气自然流通等密闭方式进行采暖保温。通过太阳能集热与相变蓄热的联合，通过热管技术的引入使太阳能和相变储能进行有机结合，实现严寒地区冬季通风换气，此种联合利用方式太阳能及相变储能应用领域极具研究价值。以沈阳市某二层小楼为原型，设计了基于太阳能的相变储能新风高效换热技术集成利用的方案，由太阳能平板集热器、热管、换热设备与相变蓄热构件组成。

2基于太阳能的相变储能新风高效换热系统介绍

目前太阳能新风换热系统效率普遍偏低，主要原因有三点：

(1)由于室外环境污染严重，玻璃盖板附着灰尘影响透光性；

(2)空气自身导热系数低，充分换热需要增加接触面积，占用建筑外部空间；

(3)由于资金及技术原因，集热板集热效率参差不齐。其中主要原因是第二条。

由于太阳能空气集热器要与建筑相集成，覆盖建筑面积受到严格控制，空气流道不能无限制增大，空气不能充分与集热板进行热量交换，造成新风温度低，而集热板热量过剩。同时由于有机相变材料自身导热能力差，低温新风所提供热量不足以使癸酸融化。其核心问题是集热部分有热量剩余而蓄热部分又无热量用，这样就需要一种介质将过剩热量搬运至蓄热构件，从而提高系统热量利用率。热管一种导热能力超强的金属元件，其导热过程中所产生的热损失小，导热迅速，完全符合解决本系统的不足。

3热管

当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。 具有良好导热性的材料有铝[(λ＝202w/m·℃)]、柴铜[λ＝385w/ m·℃]、和银[λ＝410w/ m·℃)]，但其导热系数只能达到102w/m·℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管的发明就解决了这一问题。热管的相当导热系数可达105 w/m·℃的数量级。为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能．热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。

3.1热管原理

热管是一种导热性能极高的被动传热元件。热管利用相变原理和毛细作用，使得它本身的热传递效率要千百倍的高于同样材质的纯铜。真空铜管内部充满液体，这种液体作为媒介将热量高速的从热管一端传递到另外一端。水作为最典型的工作液体应用于大多数热管中，圆柱形铜质热管是最常见的一种。热管壁被吸液芯覆盖，冷凝液体依靠吸液芯产生的毛细力从冷凝段回到蒸发段。热管内部首先被抽成真空，然后注入液体，最后封闭开口，工作液体蒸发后的蒸汽压力决定热管内部的压的。热管表明温度稍有升高，工作液就会蒸发，此时受热处蒸汽的温度和压力会较其他部分略高，热管内部产生压差，压迫蒸汽流向热管另外较冷的一端。当蒸汽冷凝蒸汽释放汽化潜热，热量传至冷凝段。之后，热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热，这一过程就会循环进行。

从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。

常用的热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。

热管的管壳是受压部件，要求由高导热率、耐压、耐热应力的材料制造。在材料的选择上必须考虑到热管在长期运行中管壳无腐蚀，工质与管壳不发生化学反应，不产生气体。

管壳材料有多种，以不锈钢、铜、铝、镍等较多，也可用贵重金属铌、钽或玻璃、陶瓷等。管壳的作用是将热管的工作部分封闭起来，在热端和冷端接受和放出热量，并承受管内外压力不等时所产生的压力差。

热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减小接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。

热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。

3.2热管的基本特性

高效的导热性:

热管内部主要靠工作液体的汽-液相变传热，热阻很小。

(1)良好的等温性

热管受热，内部工作液蒸发，处于饱和状态的蒸汽从传热过程中产生微小压降，有热力学可知其温降也很小。

(2)热流密度的可变性

热管的蒸发段受热面积和冷却段受热面积在制作时可以自行改变。

(3)热流方向的可变性（重力热管有方向性）

毛细力是热管内部的循环动力，因此非重力热管任意端受热皆可作为蒸发段。

(4)整体的恒温性

一般热管的各部分热阻不变，不受热量变化影响。

(5)环境的适应性

热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、 燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。

热管用途广泛，种类繁多，其内部工作液体热管材质和结构都不相同，本实验选取的是重力热管。与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此他在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。

3.3热管性能检验

本实验所采用的热管由直管型热管通过特殊工艺加工制作，具体见表3.1。

表3.1 热管参数

Table 3.1 The parameters of the heat pipe

热管参数

直径 8.5mm 类型 重力式

长度 700mm 结构 沟槽结构

数量 18 材质 纯铜

倾斜角度 95° 传热介质 水

启动温度 20℃ 传热效率 ≧99.9%

最佳传热温度 30℃ 热阻 0.0000000777℃/

1.热管测试安装。

2.加热块长度：DA=150mm，散热块长度：DB=300mm，室温：Te=20±3℃。

3.在热管的一端加热 并将温度保持在TH=50±5℃，另一端利用水套（或风扇）强制冷却（冷却端永远保持最大冷凝功效），此时的功率值，即为热管的最大传热功率。

4.热管加热端利用电源供应器提供加热端所需之加热功率。

结论：经测试，热管温升迅速，传热时间在3~5s之间，温差在2°之内，性能良好，能够应用于本实验。

3.4相变材料的遴选

实验所需相变材料用于冬季住宅蓄热通风，相变材料可以从目前研究较多的低温相变材料中选择，结合室内温度、新风换热效率、热管最佳工作温度和相变材料蓄热工作温度范围等因素的综合考虑，选用癸酸作为本试验的相变蓄热材料。

癸酸的性质

试验所用的相变蓄热材料（癸酸）由天津市元立化工有限公司提供，经过差式扫描量热仪测试可以得出癸酸的DSC相变峰值温度为31.1℃，熔解热158kJ/kg，导热系数0.202 W/(m·K)，沸点270℃，45℃时液体密度为885.8 kg/m3，24℃时固体密度为1004 kg/m3。

3.5结论

本文主要对基于太阳能的相变储能新风高效换热系统的结构设计进行了介绍。经试验测试，特殊定制的热管导热迅速，在系统运行中能够高效提取集热板热量并传入蓄热器，提高太阳能利用率。经分析选取低温相变材料癸酸作为本试验相变蓄热材料，由于热管放热端大部分与癸酸接触，在蓄、放热时热管的存在改善了癸酸的导热能力。经计算热管在蓄热器内所占体积仅为蓄热器体积的1%，所以可近似忽略应用热管所增加的体积。

参考文献

[1]田玮,王一乎,韩立君等.2005.聚光光伏系统的技术进展[J].太阳能学报,26(4): 597-604.

[2]Kalogirou S. 2003. The potential of solar industrial process heat appIications[J], Apply Energy, 76(4):337-61.