太陽能熱管式吸熱蓄熱器的研制

太陽能熱管式吸熱蓄熱器的研制

太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)（sd）已成為長壽、低軌和高功率空間結構的第一個對象。它利用拋物型的聚能器截取太陽能,并將其聚集到吸熱/蓄熱器(HR)的圓柱形腔內,吸收轉換成熱能,其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質以驅動熱機發(fā)電,另一部分熱能則被封裝在多個小容器內的相變蓄熱材料(PCM)中通過融化而吸收儲存起來。在軌道陰影期,PCM在相變點附近凝固釋熱,充當熱機熱源來加熱循環(huán)工質,使得空間站處于陰影期時仍能連續(xù)工作發(fā)電。航天器的質量大,發(fā)射和維護費用極其昂貴,因此盡可能減少航天器的質量的研究,具有重大的現(xiàn)實意義。由于技術的復雜性,HR是20世紀60年代以來熱動力系統(tǒng)研究中投入力量最多的部件,HR的質量大約占總系統(tǒng)質量的1/3,所以在保證其性能的基礎上,減少HR的質量對于減少空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的成本有重要的意義,開發(fā)質量小、體積小、效率高的新型HR迫在眉睫。熱管作為高效傳熱元件,在各個工業(yè)領域中發(fā)揮越來越重要的作用,隨著熱管技術的不斷發(fā)展,在太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中開發(fā)熱管式HR成為可能。本文分析表明熱管式HR不但能改善溫度均勻性,而且能充分有效利用相變材料,這使得吸熱器能變得體積小、質量小。1熱盒子的hr研究1.1工質及材質的選擇對于空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)HR來說,由于受熱機循環(huán)溫度(900K以上)的限制,要求采用高溫潛熱蓄熱,因此熱管工質蒸發(fā)溫度也要與之適應,熱管依靠工作液體的相變來傳遞熱量,因此工質的各種物理性質對于熱管的工作特性也就具有重要的影響。高溫熱管所選用工質使用溫度的上限受限于相應的飽和蒸氣壓力,壓力對熱管的強度要求具有決定性的影響,必須考慮在高溫下外殼的機械性能及外殼材料與工質的相互作用,特別是由于此時出現(xiàn)特殊的破損機理,如熱腐蝕性疲勞、蠕變斷裂、總體腐蝕及晶間腐蝕、液態(tài)金屬及氫氣脆化等,這些過程決定了系統(tǒng)的可靠性及工作壽命。此外,工質及外殼材料的選擇還取決于高溫熱管的制造工藝及價格。高溫熱管所選用工質使用溫度的下限是由于靠近熔點時蒸氣密度及壓力太低,具體取決于起動加熱特性、傳輸功率及結構尺寸。根據(jù)熱管的工作溫度,可選用的工質有鈉、鉀、鋰及甚少應用的銫與銣,上述液態(tài)金屬的工作溫度范圍為600～1800K。由于金屬鈉具有良好的物理性能,即氣化潛熱高、表面張力大、導熱系數(shù)和潤濕能力都比較高、粘度較低、有合適的飽和蒸氣壓-溫度曲線,所以高溫相變HR目前多采用鈉作為熱管工質。1.2系統(tǒng)的試驗和研究分析系統(tǒng)的輕量化研究是空間應用領域研究的重點,美國從20世紀80年代中期開始,進行了大量的研究,NASALeRC委托Garrett公司進行了先進太陽能HR概念(ASRC)的研究。Garrett公司首先提出了4種可用于7kW布雷頓循環(huán)(CBC)和斯特林循環(huán)(SC)裝置的新的HR概念,并與計劃用于自由號空間站的原型HR方案進行比較[5～7]。這4種HR為高溫HR、堆積床HR、板翅式HR和熱管HR。其中高溫HR適用于較高循環(huán)峰值溫度的SD系統(tǒng),設計概念上沒有什么改進。其他3種方案的溫度、效率、開口孔徑及采用的PCM和原型相同,但在設計概念上和原型有很大差別,其質量和體積可分別下降30%和60%。從目前來看,新一代的HR方案大都采用熱管原理,一方面是因為這種方案在質量和熱效率上有明顯的改進,如以LiF為PCM的CBC型環(huán)熱管HR的質量小于231kg,SC型腔熱管HR的質量為186kg,分別是原型HR(461kg)的50%和40%;另一方面熱管技術研究比較成熟并具有良好的基礎。但由于存在高溫和高熱流密度,技術上仍存在相當?shù)碾y度。1990年日本的DOUGLES等人以30kWCBC系統(tǒng)為研究對象,制造出了總熱管式單元管并用電加熱模擬了循環(huán)熱流,驗證了熱管式HR的性能[8～10]。通過改變加熱爐熱流量的方法模擬了日照期和陰影期內的溫度的變化情況,并和基本型HR進行了比較,驗證了PCM的儲熱能力。熱管的工質為金屬鉀,鉀的蒸發(fā)溫度和熱管壁的溫度接近于PCM的熔化溫度,在加熱和停止加熱時工質出口溫度的波動不會超過15K,并且傳熱速率保持恒定,這些數(shù)據(jù)表明PCM起到了良好的蓄熱作用。通過實驗發(fā)現(xiàn):熱管式HR能夠很好地改善HR的可靠性、保持整個HR的溫度在很小的范圍內波動。1998年日本的TAKESHI等人在國家航空實驗室設計和安裝完成一套太陽能HR的地面實驗裝置,實驗裝置由HR腔體、蓄熱裝置和鈉熱管組成,大約有1.8kW的太陽能由聚能器聚焦,通過HR腔口進入HR,約有1.3kW的能量傳給熱管,再傳遞到能量轉換裝置。實驗表明,HR得到了均勻的熱流并且具有良好的傳熱作用。實驗模擬了日照/陰影期周期性的變化,地面實驗裝置驗證了各單元容器的溫度變化呈現(xiàn)出的周期性變化,日照期的輸出功率為100W,陰影期的輸出功率為75W,較好地驗證了熱管式吸熱器的性能。2000年他們又對高效太陽能HR系統(tǒng)地面樣機進行了實驗,實驗裝置采用半自由活塞式發(fā)動機、蓄熱裝置和鈉熱管,熱管為3根,每根管上有4個蓄熱單元,以LiF-CaF2作為PCM。為了測定傳熱量,每根熱管的冷凝端部分安裝了以氦為工質的冷凝器以測定傳熱量,整個裝置安裝在真空艙內,用加熱爐模擬太陽周期的變化,日照期40min,陰影期50min。實驗表明,熱管冷凝端的蒸發(fā)溫度能夠穩(wěn)定地保持在所要求的923K以上。經過一系列實驗,熱效率達到了32%,系統(tǒng)效率達到了20%。德國Stuttgart大學于1999年進行了采用斯特林循環(huán)的空間站太陽能熱動力系統(tǒng)的動態(tài)性能研究,其中HR采用由37根相同規(guī)格的熱管組成的總熱管式HR,換熱管分別與縱向軸平行,蓄熱容器采用LiF相變鹽作蓄熱介質。其他科研工作者也對熱管式HR進行了研究。該研究目前存在的主要問題是對熱管與蓄熱容器耦合傳熱這一復雜邊界條件下的傳熱過程的研究缺乏深入地了解,缺乏對熱管組的排列結構、熱管外表面的強化傳熱措施、高溫熱管的制造技術、熱管與相變材料容器的套裝組合技術以及如何進行微重力下熱管蓄熱傳熱實驗等方面的研究。1.3.2.2熱流系統(tǒng)本文以Garrett公司采用布雷頓循環(huán)的熱管式HR結構為例說明其工作原理。圖1為其結構示意圖,圖2為熱管單元管的結構圖。由圖1、圖2可見在HR腔內沿周向排列了20根鈉熱管。每根熱管分為3段:靠近腔口的一段為吸熱段,該段在熱管上沒有任何附加物;中部為儲熱段,在儲熱段的熱管上套以多個分離的環(huán)型截面的PCM容器,高溫相變材料封裝在容器內;靠近腔底的一段為熱源換熱器(HSHX)段,熱管插入通過工作流體的板翅式HSHX。由于在吸熱段和儲熱段中間有隔板,在日照期只有吸熱段能接收到太陽輻射熱流,此時吸熱段成為熱管的蒸發(fā)段,而儲熱段和HSHX段成為冷凝段,提供熱量熔解PCM和加熱流體。在陰影期,吸熱段除有少量通過腔口的輻射熱損失外,基本處于絕熱狀態(tài),儲熱段則由冷凝段轉變?yōu)檎舭l(fā)段,HSHX段仍為冷凝段,此時PCM凝結放熱仍有熱量提供給HSHX。熱管的冷凝液回流系統(tǒng)由鈮粉燒結的毛細芯和干線組成。毛細芯控制冷凝液的周向分布,而干線則提供冷凝液的軸向回流,整根熱管的外壁面無論從周向還是軸向來看基本都是等溫面。熱管內裝有毛細吸液芯(多孔材料)和工作液體,管的一部分為蒸發(fā)段,另一部分為冷凝段,當蒸發(fā)段受熱時,毛細材料中的液體蒸發(fā),流向冷凝段,冷凝段由于受到冷卻使蒸氣凝結為液體,液體靠毛細力的作用沿多孔材料再流回蒸發(fā)段,如此循環(huán)不已,熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管的這一特殊結構決定了熱管具有較高的傳熱能力、較高的等溫性和熱流密度變換的能力。由于PCM不直接接收太陽能,所以吸熱器的直徑能被減到最小。這不僅是因為消除了熱流密度不均勻使局部熱流和相應的溫度梯度降低,從而可以增加相變材料層厚度,而且省去了PCM儲熱容器之間為了熱流分配所需的圓周間隙。另外,熱管工質的蒸發(fā)使吸熱段產生高密度的熱流,也會使HR的尺寸減小。在保持其他條件不變時換熱段采用翅片管可以使傳熱面積增加到原來的10余倍到20倍,從而使換熱器的尺寸大大縮小。2熱管式hr的研究HR是空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)關鍵部件之一,由于它的重要性和技術復雜性,也是投入研究力量最多的部件。開發(fā)熱管式HR是中國科研人員面臨的重要課題,經過10多年的努力,中國在某些關鍵技術方面取得了一定的進步。為了加快中國太陽能熱動力系統(tǒng)的發(fā)展,趕上并達到世界先進水平,根據(jù)中國國情筆者建議應主要從以下幾方面開展研究。1)要有超前的思維和意識,起點要高,要想在短時間內達到世界先進水平,不能只跟蹤國外技術的發(fā)展。2)對熱管式HR進行總體方案設計,進行整體的熱分析、HR腔熱網(wǎng)絡分析、合理的結構設計,并對熱管外表面采取適當?shù)膹娀胧┮蕴岣咂涔β?質量比。3)對熱管式HR傳熱過程進行數(shù)值計算,重點分析熱管傳熱過程的幾個環(huán)節(jié),建立相應的數(shù)學模型,確定熱管的工作條件。通過數(shù)值計算得到熱管壁溫隨時間的變化情況、循環(huán)工質出口溫度的變化、PCM熔化率的大小、蓄熱容器外壁面的溫度變化情況以及熱流通過HR入射腔口的熱損失。4)與熱管式HR配套的蓄熱容器的相變材料應選擇LiF,這樣不但可以因較高的峰值溫度而提高CBC效率,而且由于LiF的相變潛熱比LiF-CaF2高30%而減少了質量。同時,熱管式HR腔內壁面的太陽輻射密度和腔內換熱管密度的提高,可適應高熱流密度,使聚能器定位更加準確。5)進行熱管式蓄熱容器的制造、檢驗、性能測試以及與熱管壁的焊接等方面的研究