新型相變蓄熱式太陽能集熱管及熱性能研究

上海海事大學蓄冷技術研究所■華維三章學來羅孝學劉宇飛

新型相變蓄熱式太陽能集熱管及熱性能研究

上海海事大學蓄冷技術研究所■華維三章學來*羅孝學劉宇飛

結合太陽能真空集熱管和相變蓄熱材料的特點，提出了一種集熱/蓄熱一體化的新型相變蓄熱式太陽能集熱管，該集熱管主要由金屬-玻璃真空集熱管、螺旋換熱管和相變蓄熱材料組成。通過室外蓄放熱性能實驗進行性能測試，結果表明：該新型相變蓄熱式太陽能集熱管集熱效果良好，集熱溫度可達80℃以上，可很好地應用于熱水供暖領域；以石蠟為相變蓄熱材料，單根集熱管的蓄熱量可達3.25 MJ；放熱過程中，有效得熱量為873.6 kJ，放熱損耗率為0.602；在保溫性能上，溫降率達1.67℃/h，保溫性能待進一步提高。

太陽能；太陽能集熱管；相變材料；石蠟；螺旋管

0　引言

太陽能易受地域、天氣等因素影響，不能24 h源源不斷地為用戶提供能量，這種間隙性和分散性缺點，嚴重阻礙了人類對它的充分利用［1，2］。然而，隨著相變儲能技術的不斷發展，太陽能的這種缺點得到了一定的改善。利用相變儲能技術和太陽能集熱器將白天充足的太陽能進行高效的吸收和儲存，這不僅可以克服太陽能間隙性和分散性的缺點，還可節約大量的電加熱運行費用［3-5］。

近年來，國內外很多學者對相變儲能技術和太陽能熱利用技術的結合進行了大量研究［6-11］。如楊斯涵［12］提出了一種與太陽能集熱水箱耦合的相變儲能系統，并進行相應的測試和模擬分析。結果表明，集熱水箱加入相變蓄熱器改善了釋能過程的水箱內熱分層效果，提高了進入水箱的釋熱總量。而國外，Eman-Bellah S Mettaweea等［13］研究了一種新型太陽能復合相變集熱器，該集熱器集熱/蓄熱一體化，沒有水箱。對該集熱器進行戶外蓄放熱實驗，結果表明：平均換熱系數隨著相變蓄熱材料熔化層的增厚而增大，有效得熱量隨著水的質量流量增加而增加。

綜上所述，國內外對太陽能和相變蓄熱結合的研究已有很多，但將太陽能真空集熱管與相變蓄熱進行一體化的研究還較少。本文提出將相變蓄熱技術應用于漸進成熟的金屬-玻璃真空集熱管中，將其做成一種新型集熱/蓄熱一體化的太陽能相變集熱管。多根太陽能相變集熱管串接或并接起來，又可得到無水箱的相變蓄熱式太陽能集熱器。這種無水箱的相變蓄熱式太陽能集熱器是玻璃金屬太陽能真空管與納米復合相變蓄熱材料的有效耦合，可對太陽能進行有效吸收和儲存，并實現太陽能熱水器的無水箱、防炸管、高蓄熱量。因此，該新型相變集熱管具有一定的創新性和實用性，值得深入的研究和開發。

1　相變蓄熱式太陽能真空集熱管

1.1結構介紹

圖1為相變蓄熱式太陽能真空集熱管（簡稱相變集熱管）實物圖，其主要組成元件及參數如下：金屬-玻璃真空集熱管，外徑120 mm、內徑100 mm、長1000 mm，外管為高硼硅玻璃、內管（吸熱體）為不銹鋼材質，太陽吸收比＞0.94、發射比0.06，由皇明太陽能（上海）有限公司提供；螺旋換熱管，外徑10 mm，螺旋總長2.3 m，表面積0.072 m2，由金屬銅管加工而成；相變蓄熱材料為高效切片石蠟，其相變溫度為58～60℃，由上海永華石蠟有限公司提供；密封法蘭，由鋁合金加工而成；金屬支架，為不銹鋼材質。相變蓄熱式太陽能真空集熱管無需水箱、蓄熱量大、能承壓和防炸管，可對白天充足的太陽能進行有效吸收和儲存。

圖1相變蓄熱式太陽能真空集熱管

圖2為相變集熱管的剖視圖，其中相變蓄熱材料密封于玻璃-金屬集熱管中；玻璃-金屬集熱管外層為玻璃、內層為金屬，兩者之間抽為真空；螺旋換熱管埋于相變材料中，其中心管由上至下布置有測溫點P1、P2和P3；螺旋換熱管的進口端和出口端固定在法蘭盤上；法蘭盤用于密封相變蓄熱材料和固定螺旋換熱管，其中心孔上開有一個釋壓孔。整個相變集熱管利用玻璃-金屬內管外表面上的選擇性吸收涂層進行太陽能的吸收，利用集熱管內的相變蓄熱材料進行太陽能的熱儲存。

圖2　集熱管剖視圖

1.2運行原理

晴朗的白天，太陽光透過玻璃-金屬真空集熱管的外管和真空層照射在帶有選擇性吸收涂層的金屬內管上，金屬內管由此開始吸熱，溫度升高，同時將熱量傳遞給封閉在其內的相變蓄熱材料；相變蓄熱材料得到熱量后，開始進行顯熱儲存和潛熱儲存，并將多余熱量傳遞給埋在其中的螺旋換熱管；螺旋換熱管得到熱量后將加熱其內的傳熱工質，傳熱工質得到熱量后就可將熱量輸送到所需之處，當白天太陽能充足而又不使用熱量的情況下，相變集熱管將積蓄越來越多的熱量；積蓄熱量過多可能導致集熱管過熱，此時法蘭盤上的釋壓孔將發揮其作用，可有效緩沖過熱產生的壓力。

在沒有太陽光和用水量大的情況下，該新型相變集熱管將發揮它的關鍵功能。往螺旋換熱管里通入冷水，則金屬內管里的相變蓄熱材料將釋放在白天儲存的大量熱量，以此加熱螺旋換熱管和其內的冷水，從而實現集熱器的連續放熱功能。放熱過程為顯熱放熱和潛熱放熱的綜合。

1.3測試系統

為了測試相變蓄熱式太陽能集熱管的熱性能參數，搭建了圖3所示的實驗測試系統。該實驗測試系統主要由相變蓄熱式太陽能集熱管、太陽能輻射儀、循環式恒溫槽和安捷倫數據采集儀組成。其中，太陽能輻射儀用于測試當日的太陽能直射輻射值；循環式恒溫水槽作為系統的水循環動力和模擬儲水箱，槽內布置有水溫測試點；安捷倫數據采集儀用于采集轉換系統的所有溫度信號和太陽能輻射值。本實驗系統通過相變蓄熱式太陽能集熱管中布置的P1、P2、P33個測溫點，可測試相變集熱管的蓄熱量、放熱效率和溫降率等熱性能參數。

圖3　實驗測試系統

2　實驗測試及分析

實驗主要分為蓄熱實驗、保溫實驗和放熱實驗，蓄熱實驗在晴天的10:00～17:00進行，蓄熱時長7 h；保溫性能實驗在第一天20:00至第二天05:00進行，歷時9 h；放熱性能實驗在17:00點后進行，放熱過程用循環式恒溫水槽模擬循環水泵和儲水箱（恒溫槽循環水流量為120 L/h，水槽總容積為18 L，恒溫槽內水的初始溫度為30℃）。實驗采用的相變蓄熱材料為石蠟，其主要參數為：相變溫度58～60℃、相變潛熱189～220 kJ/kg、比熱容2.14～2.9 J/（g·K），導熱系數0.21～0.55 W/（m·K）。

2.1相變集熱管的蓄熱性能

圖4為相變集熱管的蓄熱性能曲線圖（實驗從2015年5月19日10:00開始）。從圖4可看出：蓄熱開始前，P3點的溫度高于P1點和P2點的溫度；而蓄熱過程進行1 h后，P1、P2和P3點之間的溫差出現較大的偏離和交叉，P1點的溫升速度明顯大于P2點和P3點的溫升速度；由于P2點處于相變集熱管的中部，因此該點的溫度介于P1點和P3點之間；而P3點處于相變集熱管的底部，所以蓄熱開始后溫升較慢，溫度處于最低。P1、P2和P3點之間蓄熱前后的這種溫度分布，符合材料熱脹冷縮和熱上浮冷下沉的原理。3條測溫曲線在60℃時都有一個小小的平臺，此平臺為石蠟的相變平臺，在該平臺段內，相變材料溫度不變，保持相變潛熱蓄熱。在整個蓄熱過程中，相變集熱管內存在熱分層現象，蓄熱效果好，可很好地應用于日常生活熱水。

圖4　相變集熱管的蓄熱曲線

2.2相變集熱管的放熱性能

當集熱器內相變蓄熱材料的溫度為65℃時，進行相變集熱管的放熱實驗。放熱實驗開始前，將恒溫槽循環泵的流量設置為120 L/h，并往恒溫水槽內注滿16 L 30℃的自來水。待所有準備工作完成后，打開恒溫槽循環泵，得到圖5所示的放熱曲線（實驗從2015年5月21日17:00開始）。從圖5可看出，在放熱的前15 min內，相變集熱管內相變蓄熱材料的溫度下降較快，溫度從65℃降到了45℃；而恒溫槽內自來水的溫度上升較快，前15 min內上升了12℃。相變集熱管內的相變蓄熱材料導熱系數本身很低，但在本實驗中能快速地放出熱量，這得益于相變集熱管內的螺旋換熱管。螺旋換熱管是一種優良的傳熱結構，它具有單位體積內換熱面積大、換熱均勻等優點，可廣泛應用于相變蓄熱裝置中［14，15］。在放熱持續15 min后，相變集熱管內相變蓄熱材料的溫度和恒溫槽內自來水的溫度都變化緩慢；特別是在35 min以后，二者之間的溫度幾乎趨于穩定，平衡于43℃。仔細觀察相變集熱管內3個測點的溫度變化曲線，還可發現其溫度存在上下波動的現象，而并非平滑的下降。經分析，這主要是相變材料的緩慢凝固、部分凝固、固液共存和潛熱放熱引起的，這種現象與相變對流的傳熱規律相吻合。

圖5　集熱管的放熱曲線

2.3相變集熱管的保溫性能

將相變集熱管頂部法蘭盤處用3 cm厚保溫棉進行包裹，以減少法蘭盤和進出口水管與環境接觸散熱。實驗由2015年5月20日20:00開始，歷時9 h得到圖6所示的保溫曲線。從圖6可看出，在相變集熱管靜態情況下35°傾角放置時，管內存在明顯的熱分層現象，測溫點P1（頂部）的溫度始終處于最低，P2點（中部）的溫度次之，而P3點（底部）的溫度最高。相變集熱管內相變蓄熱材料靜態情況下的這種溫度分布與集熱管的結構和放置有關。因為相變集熱管處于35°傾角放置，P1、P2和P3之間存在高度差，按照液體靜置時熱上浮冷下沉的原理，P1、P2和P3之間的溫度大小關系應為P1＞P2＞P3，然而本實驗結果不符合這種大小分布關系，管內實際溫度分布為P1＜P2＜P3，這主要是由真空管自身的設計結構引起的（真空管中下部為真空結構、散熱量小，而頂部為金屬法蘭盤結構、散熱量大，因此管內相變蓄熱材料由頂部開始降溫和凝固）。對于相變集熱管的保溫性能，可從圖6所示的溫降曲線來分析。經過夜間9 h的溫降后，相變集熱管內的相變蓄熱材料溫度從80℃降到了約65℃，溫降率為1.66℃/ h，因此保溫不是很好，后期應加強保溫。

圖6　集熱管的保溫實驗

3　相變集熱管的熱性能分析

3.1有效蓄熱量

相變集熱管的總蓄熱量Q可由式（1）來計算：

式中，c、m、h分別為石蠟的比熱容、質量、潛熱值；ΔT1、ΔT2為溫差，ΔT1=T相-T1，ΔT2= T2-T相，其中，T1為相變蓄熱材料的起始溫度，T2為相變蓄熱材料的終止溫度，T相為相變溫度。

將T1=30℃、T2=80℃、T相=59℃、c=2.5 J/ （g·K）、h=200 kJ/kg、m=10 kg代入式（1），可計算出單根相變集熱管相變蓄熱材料的蓄熱量為3.25 MJ。

3.2放熱損耗率

根據能量守恒定律和傳熱學定理，可得到相變集熱管的有效得熱量和放熱損耗率為：

式中，Qp為相變集熱管中相變蓄熱材料石蠟的放熱量，kJ；Qw為16 L水的有效得熱量，kJ；q損為相變集熱管放熱過程中的放熱損耗率；cw、mw分別16 L水的比熱容和質量；Tp1為相變蓄熱材料放熱前的溫度，Tp2為放熱后的溫度，ΔTp1= T相-Tp1，ΔTp2=Tp2-T相；ΔTw=Tw2-Tw1，其中，Tw1為恒溫水槽內自來水的起始溫度；Tw2為恒溫水槽內自來水的終止溫度（假設恒溫水槽為絕熱）。

以圖5所示的放熱過程為例，則相變集熱管的有效得熱量為873.6 kJ，放熱損耗率為0.602。

3.3平均溫降率（環境溫度）

實驗裝置利用真空管的真空性能進行保溫，真空度的大小對保溫性能的影響較大。實驗所用的玻璃-金屬真空集熱管的理論真空度為10-4～10-3，成品真空管真空度為固定值，實驗過程中無法改變。利用相變集熱管在夜間的溫度變化起始點、終止點和保溫持續時間，可建立相變集熱管的平均溫降率公式：

式中，μ為相變集熱管平均溫降率，℃/h；Tb1為相變蓄熱材料的起始溫度，℃；Tb2為相變蓄熱材料的終止溫度，℃；t為時間，h。

結合圖6的保溫曲線，將Tb1=80℃、Tb2= 65℃、t=9 h帶入式（5），則可計算出相變集熱管在環境溫度為26℃時的平均溫降率為1.67℃/h。

4　結論

相變蓄熱材料可很好地密封于玻璃-金屬熱管中，二者耦合具有很好的集熱/蓄熱性能。在蓄熱過程中，管內相變蓄熱材料溫度可達80℃以上，出水溫度主要集中在45℃左右。若將相變集熱器單元串接或并接起來，便可得到無水箱相變蓄熱式太陽能集熱器，可廣泛應用于城市高層建筑的熱水和供暖。

然而實驗測試結果表明，相變集熱管的放熱速率、有效放熱量和保溫性能仍有待提高。對于相變集熱管放熱速率，后期可利用相變溫度和相變潛熱值較高的相變蓄熱材料替代石蠟。對于有效得熱量，提升的空間還很大，下一步可通過減小傳熱溫差和減少熱耗散來提高有效得熱量。而在保溫性能方面，相變集熱管的夜間平均溫降率為1.66℃/h，熱耗散較大，主要是因為相變集熱管頂部為金屬法蘭盤結構，保溫采用保溫棉包裹，保溫性能較差。后期可利用聚氨酯整體發泡來提高相變集熱管的保溫性能，從而降底平均溫降率。

綜上所述，新型相變集熱管具有集熱/蓄熱一體化功能、結構簡單和充放熱穩定的特點，若克服其現有的缺點，則可將其廣泛應用于空間受限的城市熱水供暖領域，對我國節能減排也具有重要的意義。

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2015-08-26

上海市教委重點項目（12ZZ154）；上海海事大學研究生創新基金資助項目（SMU201405）

章學來（1964—），男，博士、教授，主要從事蓄能技術方面的研究。weisanhua@yeah.net