熱管應(yīng)用于太陽能集熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：熱效率高,；吸熱段與放熱段分離,，可靠性高,；承壓性能好；熱虹吸管具有單向?qū)嵝?，熱管式太陽能集熱器夜間散熱損失減少,。在太陽能中溫（250～400℃）熱利用領(lǐng)域，主要是拋物面槽式太陽能集熱器中熱管技術(shù)應(yīng)用較少,，日本的Noboru Ezawa等M,。o在20世紀(jì)80年代初研制了用于拋物面槽式熱管太陽能集熱器的中溫?zé)峁芙邮掌鳎芯繘]有繼續(xù)下去,，希臘的Bakos等舊1設(shè)計(jì)了采用熱管接收器的拋物面槽式太陽能集熱器,。中溫?zé)峁芙邮掌鳑]有得到廣泛研究的原因在于采用中溫?zé)峁芙邮掌骱筇柲芗療崞餍枰獌A斜放置，并且需要額外的管路來輸送傳熱流體,，導(dǎo)致集熱系統(tǒng)復(fù)雜,。

　　近年來，為降低拋物面槽式太陽能電站的成本,，研究者提出用直接產(chǎn)蒸汽（DSG）系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)槽式太陽能電站的雙回路系統(tǒng)（包括導(dǎo)熱油回路和水循環(huán)2個(gè)回路）,，省去導(dǎo)熱油回路后系統(tǒng)效率顯著提高。

　　但也帶來了一系列新的問題：DSG系統(tǒng)中接收器吸熱管周向溫差較大,，汽水混合物對(duì)管路的沖擊,，導(dǎo)致接收器可靠性較差，容易產(chǎn)生彎曲,、顫動(dòng)甚至損壞玻璃套管,。熱管具有優(yōu)良的等溫性、蒸發(fā)段與冷凝段分離,，可以很好地解決DSG系統(tǒng)中接收器的問題,，提高接收器可靠性。筆者采用中溫?zé)峁艽嫫胀ㄎ鼰峁?，自主開發(fā)了用于DSG系統(tǒng)的太陽能中溫?zé)峁芙邮掌?，并通過模擬試驗(yàn)對(duì)中溫?zé)峁芗爸袦責(zé)峁芙邮掌鞯男阅苓M(jìn)行研究。

　　1 太陽能中溫?zé)峁芙邮掌鞯慕Y(jié)構(gòu)

　　中溫?zé)峁芙邮掌饔芍袦責(zé)峁?、玻璃套管組成,，熱管的蒸發(fā)段外罩單層玻璃套管，蒸發(fā)段一端通過玻璃—金屬密封件與玻璃套管連接,，另一端由支撐件支撐,，構(gòu)成接收器的吸熱段；熱管的冷凝段伸人夾套內(nèi)構(gòu)成接收器的放熱段,。熱管蒸發(fā)段外表面涂高溫選擇性吸收涂層,，作為吸熱層,，熱管蒸發(fā)段與冷凝段分離，接收器的吸熱段與放熱段也相應(yīng)分離,，如圖1所示,。

　　2 模擬試驗(yàn)研究

　　拋物面槽式太陽能集熱器工作過程中，接收器面對(duì)聚光器的一面與背對(duì)聚光器的一面接收到的熱流密度之比為62：1,，這也是導(dǎo)致接收器周向溫差過大的主要原因,。試驗(yàn)中采用電爐加熱模擬中溫?zé)峁芙邮掌魇軣釛l件,，在熱管蒸發(fā)段（即熱管位于爐膛中的部分）的上表面加2層厚為4[nln的玻璃纖維帶,，阻隔電爐對(duì)熱管的輻射換熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)中溫?zé)峁芙邮掌鲗?shí)際工作條件的模擬,。中溫?zé)峁芙邮掌髟囼?yàn)中熱管工作傾角為4℃,。

　　2.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

　　試驗(yàn)系統(tǒng)包括計(jì)量泵,、脈沖阻尼器、電爐,、冷卻器,、背壓閥及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示,。脈沖阻尼器用于平衡計(jì)量泵產(chǎn)生的流量波動(dòng),，確保管路中水壓力、流量穩(wěn)定,。背壓閥起背壓作用，調(diào)控閥前管路壓力,。測量系統(tǒng)由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀,、熱電偶、計(jì)算機(jī),、壓力表、流量計(jì)組成,，測量熱管溫度、進(jìn)出口水溫,、系統(tǒng)壓力、流量,。熱電偶布置見圖3，熱管管壁沿軸向與3個(gè)橫截面圓周方向均布置K型熱電偶,，測量熱管管壁軸向溫度與周向溫度分布,，夾套進(jìn)出口處布置E型熱電偶,。熱電偶直接焊在熱管管壁上，測溫點(diǎn)外面覆蓋2—3 mm厚的高溫膠,，避免爐膛輻射對(duì)熱電偶測溫準(zhǔn)確性的影響。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3 熱電偶布置

　　熱管傳輸功率Q：

　　式中：c。為比熱容,，J／（kg·℃）,；rh為質(zhì)量流量,，kg／s,；

　　熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)：

　　式中：疋為熱管蒸發(fā)段平均溫度,，通過測量熱管蒸發(fā)段管壁正上方各點(diǎn)及3個(gè)截面上各點(diǎn)溫度平均得到,；瓦為熱管絕熱段溫度,；Ah為熱管蒸發(fā)段表面積,。

　　熱管冷凝段傳熱系數(shù)：

　　式中：TC為熱管冷凝段平均溫度,，通過測量熱管絕熱段緊鄰冷凝段正下方的管壁溫度得到,；AHPC為冷凝段表面積,。

　　處在蒸發(fā)段不同位置3個(gè)截面的溫度分布趨勢不同，因此,，選擇3個(gè)截面的最大周向溫差的平均值作為熱管性能評(píng)價(jià)參數(shù),。

　　2.2 試驗(yàn)結(jié)果

　　不同蒸汽溫度下的熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)曲線見圖4、熱管冷凝段傳熱系數(shù)曲線見圖5.由圖4,、圖5可以看出,，隨著傳輸功率的增大,，熱管蒸發(fā)段和冷凝段傳熱系數(shù)都增加,。熱管蒸發(fā)段包括液池段和液膜段兩部分，其傳熱過程為：在傳輸功率較小的情況下為薄膜蒸發(fā),，傳輸功率較大的情況下會(huì)產(chǎn)生飽和核態(tài)沸騰傳熱。熱管冷凝段傳熱過程為膜狀凝結(jié),，當(dāng)液膜雷諾數(shù)Re,，<7.5時(shí)，認(rèn)為液膜為光滑層流,；當(dāng)7.5

　　熱管蒸發(fā)段周向平均溫差如圖6所示,，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí),，周向平均溫差為10℃左右,，蒸汽溫度為350和380℃時(shí),，周向平均溫差為3℃左右,。周向平均溫差定義是熱管蒸發(fā)段3個(gè)截面最大溫差的平均值。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),，溫度為250和300℃時(shí),，3個(gè)截面溫度分布相似，均為截面下表面溫度高,，上表面溫度低；蒸汽溫度為350和380 oC時(shí),，接近冷凝段的截面溫度分布為上表面溫度高,，下表面溫度低,，與另外2個(gè)截面剛好相反，所以平均值變小。

　　3 中溫?zé)峁芙邮掌餍阅芊治?/p>

　　本節(jié)主要分析熱管應(yīng)用到DSG系統(tǒng)接收器中對(duì)接收器性能的改進(jìn),，包括2個(gè)方面：接收器可靠性和接收器熱效率。

　　3.1 中溫?zé)峁芙邮掌骺煽啃?/p>

　　Eck等對(duì)DSG系統(tǒng)接收器吸熱管周向溫差進(jìn)行了研究,，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用普通鋼管作為吸熱管時(shí),，吸熱管周向最大溫差為40 oC.Almanza等研究結(jié)果顯示普通吸熱管周向最大溫差為60℃,。為改善吸熱管周向溫差,，Vicente等¨糾采用銅鋼復(fù)合管替代普通鋼管作為吸熱管，結(jié)果表明吸熱管周向溫差降至8℃,，效果顯著,。根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果,，筆者開發(fā)的中溫?zé)峁芙邮掌髟诟纳莆鼰峁苤芟驕夭罘矫嫘Ч蚕喈?dāng)顯著，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí),，周向平均溫差為10℃左右,，最大值低于13℃,。蒸汽溫度為350和380℃時(shí)，周向平均溫差僅為3℃左右,。

　　同時(shí)熱管蒸發(fā)段與冷凝段分離的特殊結(jié)構(gòu),，使得汽水混合物對(duì)管路的沖擊很難傳遞到蒸發(fā)段,，大大提高了接收器的可靠性,。

　　3.2 中溫?zé)峁芙邮掌鳠嵝?/p>

　　通過能量平衡法建立拋物面槽式太陽能集熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型,，將上節(jié)模擬試驗(yàn)得到的中溫?zé)峁苷舭l(fā)段和冷凝段的傳熱系數(shù)代人模型中,，可算得中溫?zé)峁芙邮掌鞲鞑考囟确植?，接收器熱效率見圖7、圖8.由圖8可以看出,，中溫?zé)峁芙邮掌鳠嵝瘦^高，當(dāng)流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時(shí),，熱效率仍然高達(dá)0.8,，驗(yàn)證了中溫?zé)峁芙邮掌鲀?yōu)良的傳熱性能,。模擬計(jì)算中取太陽輻射值為800 W／m2，系統(tǒng)流量為0.2 kg／s,，系統(tǒng)壓力為4 MPa，環(huán)境溫度為20℃,，集熱器參數(shù)見表1.

　　4 結(jié)論

　　1）熱管技術(shù)用于中溫太陽能接收器中大大改善了吸熱管周向溫差,，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時(shí),，周向平均溫差為lO℃左右,，最大值低于13℃,。蒸汽溫度為350和380℃時(shí),，周向平均溫差僅為3℃左右,，達(dá)到了與銅鋼復(fù)合管相當(dāng)?shù)男Ч?；熱管蒸發(fā)段與冷凝段分離,，汽水混合物對(duì)管路的沖擊很難傳遞到蒸發(fā)段，提高了接收器可靠性,。

　　2）中溫?zé)峁芙邮掌骶哂休^高的熱效率，當(dāng)流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時(shí),，熱效率仍然高達(dá)0.8.這驗(yàn)證了熱管技術(shù)用于中溫太陽能接收器中的可靠性和優(yōu)越性,。