热管式吸热器研究进展.doc

文章编号：热管式吸热器研究进展徐伟强,袁修干（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083）摘 要：介绍了国外热管式吸热器的研究进展，列举了几种典型的热管吸热器方案，分析对比了不同方案之间的优缺点，并根据国内的研究现状作出今后国内热管吸热器发展方向的建议。关键词：吸热器，热管，研究进展中图分类号：TK513.5 文献标识码：A0 引 言太阳能热动力发电系统（SDPSS）已成为长寿命、低轨道、高功率空间站电源系统的主要选择对象。与光伏发电系统相比它的能量储存释放效率高，寿命长且具有较小的比质量和比面积。典型的SDPSS由四大部件组成：太阳能聚能器，吸热/蓄热器（简称吸热器），能量转化部件，辐射器。图1 AiRreseach热管式吸热器结构图Fig. 1 Configuration of AiRreseach Heat Pipe Receiver吸热段蓄热段换热段工质出口工质进口工质出口总管工质进口总管入射孔板翅式换热器热管多层绝热钠热管吸热器不仅吸收入射的太阳光能，加热循环工质将热量传递给能量转化部件，而且利用相变材料（PCM）在日照期储存部分能量以保证阴影期内的SDPSS的连续工作，是SDPSS的关键部件。相比其他部件，只有吸热器即没有同类的地面设备可以移植，也没有已经用于空间的类似部件可以借鉴；另外吸热器质量通常占整个发电系统的1/3以上，降低它的质量对减少系统质量有重大意义；同时微重力下PCM容器内的物理过程在理论上相当复杂，地面试验也比较困难，研制难度较大。因此，吸热器成为国外自20世纪60年代开始的SDPSS研制计划中投入力量最多的一个部件。热管式吸热器是1985年NASA提出的四种新概念吸热器中最具发展潜力的方案之一，美国、俄罗斯、日本、德国等国均对其进行了进一步的研究与实验。与基本型吸热器相比，热管式吸热器内温度分布均匀，能更加安全有效的利用相变材料（PCM），从而提高吸热器效率和可靠性，并在体积和质量上均有较大改进。本文将通过列举和分析国外热管式吸热器的研究发展过程中提出的几种典型热管式吸热器方案，探讨国内开展热管式吸热器研究的方向。1 国外研究进展1.1 美国AiRreseach热管吸热器方案美国Allied-signal公司的Garrett Airese- arch提出的布雷顿式热管吸热器设计方案中对吸热器总体方案设计、轨道参数和系统要求的选定、主要部件结构设计等关键课题作了系统的研究与分析。基金项目：国家自然科学基金资助项目(50276001) 国家863计划支持项目 文献1详细介绍了AiRreseach 7kW布雷顿式热管吸热器的设计结果，其结构如图1所示。吸热器采用简单圆柱形外形设计，腔内沿轴向安装一系列钠热管，并利用热管将太阳热能均匀地传递给PCM和循环工质，蓄热段内部的剩余空间可以用来安置电力转化部件等，从而减小了系统体积。热管吸热器按下述方式工作：日照期时，热管工质在吸热器段接受日照而蒸发，而在蓄热段和换热段发生冷凝，放出热量使蓄热段PCM熔化并在换热段加热循环工质。阴影期时，尽管吸热段可能由于热量损失还有少许冷凝现象发生，但基本看作绝热状态。此时蓄热段成为热管蒸发段，PCM冷凝放热通过热管为换热段的循环工质提供热量，以维持发电系统的连续工作。与基本型吸热器相比，AiRreseach7kW热管吸热器在质量和体积上均有了重大的改进，其比质量和比体积分别降到了基本型吸热器的52%和18%，而且通过将电力转化部件等组建安装在剩余的吸热器内部空间还可以为减小系统体积作出贡献。1.2 日本Makoto整体式热管吸热器方案1990年日本的Makoto等人以30 kW SDPSS为研究对象进行了热管式吸热器的方案设计2。其中给出了两种单元热管的设计方案，外套PCM容器的单元热管和整体式单元热管，外套PCM容器的单元热管又分为采用单一相变材料和组合式相变材料两种形式。其中对整体式单元热管做了较为详细的介绍，其结构如图2所式。整体式热管内部嵌入了一根U型的循环工质管和两根封闭的相变蓄热管，而在工质管、相变蓄热管的外表面和整体式热管的内表面之间填充热管工质，这其实是一种复杂形式的径向热管。采用整体式单元热管的热管吸热器（以下简称整体式热管吸热器）包含160根整体式热管，图3为该吸热器的结构示意图。循环工质出口循环工质入口相变蓄热管相变蓄热管循环工质管图2 Makoto热管吸热器的整体式热管Fig. 2 Integrated Heat Pipe of Makotos Heat Pipe Receiver图3 Makoto热管吸热器结构图Fig. 3 Configuration of Makotos Heat Pipe Receiver整体式单元热管循环工质总管反射面入射孔板图4 试验后相变蓄热管剖面照片Fig. 4 Sectional Photo of Thermal Storage Tube整体式热管吸热器的工作过程如下：日照期时，太阳光从吸热器腔口入射，照射到整体式单元热管上，热管工质在整体式单元热管壁面吸收热量而蒸发，而在循环工质管外壁面发生冷凝加热循环工质，同时热管工质也在相变蓄热管的外壁面冷凝使得内部的PCM熔化以储存热量；阴影期时，整体式单元热管的外壁面不再有太阳光照射，虽然会有一定的热量损失，但是基本可以看作绝热。此时相变蓄热管内的PCM冷凝放热并通过相变蓄热管外表面加热热管工质继续为循环工质管内的循环工质提供热量，以维持发电系统的连续工作。数值模拟分析和对比表明，整体式单元热管在PCM利用率和吸热器内部温度均匀性上都优于外套PCM容器的单元热管。之后，Makoto制造了整体式单元热管并用电加热模拟入射热流进行了热性能试验，结果证明了整体式单元热管的良好性能表现，并且保持了循环工质出口温度和吸热器内温度在很小的范围内波动。不过相变蓄热管由于在相变过程中受到PCM体积变化产生的周期性应力，试验后发现了明显的变形，如图4所示。1.3 日本NAL 热管吸热器试验系统1998年日本的Takeshi等人在国家航空实验室设计和安装完成一套太阳能吸热器的地面试验装置3，4，如图5所示。实验装置由吸热器腔体、蓄热装置和钠热管组成，大约有1.6kW的太阳能由聚能器聚焦，通过吸热器腔口进入吸热器，约有1.3kW的能量传给热管，再传递到能量转换装置。试验表明，吸热器得到了均匀的热流并且具有良好的传热作用。实验模拟了日照/阴影期周期性的变化，地面试验装置验证了各单元容器的温度变化呈现出周期性的变化，日照期的输出功率为100W，阴影期的输出功率为75W，较好的验证了热管式吸热器的性能。2000年他们又对高效太阳能吸热器系统地面样机进行了实验，实验装置采用半自由活塞式发动机、蓄热装置和钠热管，热管为三根，每根管上有4个蓄热单元，以LiF-CaF2作为PCM。为了测定传热量，每根热管的冷凝端部分安装了以氦为工质的冷凝器以测定传热量，整个装置安装在真空舱内，用加热炉模拟太阳周期的变化，日照期40分钟，阴影期50分钟。试验表明，热管冷凝端的蒸发温度能够稳定的保持在所要求的923K以上。经过一系列试验，热效率达到了32%，系统效率达到了20%。根据以上成果，正在进行斯特林发电系统的改进工作，使最终的发电功率要达到500W以上。1.4 德国Stuttgart热管吸热器方案入射热流进/出口总管循环工质整体式热管（带蓄热环）隔热材料图6 Stuttgart热管式吸热器结构图Fig. 6 Configuration of Stuttgart Heat Pipe Receiver1999年德国Stuttgart大学的Ch. Audy等人提出了一种热管式吸热器方案5，该吸热器由37根沿轴向平行排列的整体式单元热管组成，如图6所示。每根热管内插入一根U型工质管，循环工质从工质管入口进入，流经工质管的同时吸收热量，再由工质管出口流出，将热量传递到电力转化装置中；而在靠近单元热管内壁处集成了一系列相变蓄热环，内部填充PCM（LiF）存储热量以维持SDPSS的连续工作。图5 NAL 热管式吸热器地面试验Fig. 5 Ground Test of The NAL Heat Pipe Receiver吸热器NAL 真空实验舱PCM容器多层隔热换热器热管预热器泵卤素灯水冷器Ch. Audy还建立了简化的数学模型，对四种轨道参数下的斯特林式和布雷顿式SDPSS的动态性能进行了分析和对比，简化模型与简化前模型的计算结果的最大误差低于5%，但是计算时间被大幅缩短。通过参数化和设置能量平衡，该简化模型具有了更好的通用性，可以用来分析空间站的位置和运动对SDPSS动态性能的影响。1.5 德国DLR混合动力式热管吸热器1996年，在欧洲委员会的资助下启动了以研究和发展应用于分散型太阳能电站的混合式热管吸热器为目的的HYHPIRE计划。该研究计划为期三年半，由包括德国、瑞典、西班牙等国的多家机构合作进行，其主要研究目标就是发展一个可以实现24小时运行的集成了燃烧室的热管吸热器。2002年Doerte Laing在文献6中介绍了HYHPIRE计划中研制成功的SBP/LCS 10kW碟式斯特林发电系统，其主要部件就是混合式的热管吸热器，其外形和结构示意分别见图7、图8。混合式热管吸热器主要由一个热管吸热器和一个燃烧室集合而成，它可以由入射太阳光、燃烧气体或者是两者同时提供热功力，从而实现了斯特林热机24小时持续运行的可能。混合吸热器的前端是一个双层壁面的热管吸热器，热管内部填充毛细结构，其内壁面用以吸收入射太阳热能，外壁面则用以吸收燃烧气体产生的热能；混合吸热器的中间留有空间放置斯特林热机；剩余的壳体加上循环管路组成燃烧室，燃烧气体从预热腔经由循环管路到达吸热器外表面后进行燃烧，其燃烧热由热管外壁面吸收；热管吸热器的后侧端面焊接了一系列的细换热管，从热管端面吸收热能并传递给斯特林热机。图7 DLR混合动力式热管吸热器Fig. 7 DLR Hybrid Heat Pipe Receiver图8 DLR混合动力式热管吸热器结构示意图Fig. 8 Scheme of DLR Hybrid Heat Pipe Receiver在对SBP/LCS 10kW碟式斯特林发电系统进行了360小时的系统试验和507小时的燃烧系统试验中，太阳热动力、燃烧气体热动力和混合热动力三个模式的系统试验均获得成功，试验表明，热管吸热器具有良好的表现，而燃烧系统进一步的改进来提高不同工作条件下的火焰稳定性和减少CO的排放。由于试验中系统工作温度只达到了600，系统效率低于预期值，太阳热动力、燃烧气体热动力和混合热动力三个模式的最大系统效率分别为16%、17%和15%，而最大输出功率为7.8kW。2 对典型方案的对比分析纵观国外SDPSS的研究发展过程，热管式吸热器以其效率高、质量轻、体积小、可靠性好等特点，已经成为SDPSS的必然选择。而随着对早期SDPSS方案的改进及新型SDPSS方案的推出，热管式吸热器的研究日趋成熟，并发展出了针对不同SDPSS方案的吸热器形式和结构。根据当前国内外现状选择热管吸热器的发展研究方向已成为国内进一步深入研究发展SDPSS的必要工作。下面笔者将通过对比分析前文列举的典型热管吸热器方案之间的利弊，对开展热管式吸热器研究的方向作出建议。美国AiRreseach热管吸热器以轴向热管作为传递热量的元件，沿轴向分为吸热段、蓄热段和换热段三个功能段，太阳能只在吸热段部分加热热管，而蓄热段和换热段中的腔体内可以用来放置循环工质总管和电力转化部件等等；蓄热段套装的PCM容器在结构形式上与基本型吸热器的PCM容器相似，将PCM封装在一系列的容器里，使得相变时产生的空穴也分散在各个容器中，削弱了“热斑”“热松脱”的影响，而且单个容器的破坏不会对其他容器造成影响，提高了系统的可靠性，但是加工制造相对复杂。日本Makoto提出的整体式热管将循环工质管和相变蓄热管都整合到热管内部，从传热过程来看，热量在热管壁、循环工质管壁及相变蓄热管壁之间传递，是径向热管的形式。与美国AiRreseach热管吸热器相比，工质与热管工质直接在热管内部的循环工质管表面进行换热，能够提高其换热效率，而且不再需要专门的换热装置。其最大的缺点是PCM集中封装在相变蓄热管中，空穴的分布比较集中，管壁会承受较大的热应力，可靠性差，文献2就提及了蓄/放热试验后相变蓄热管的明显变形；另外吸热器整个腔体都作为吸热腔，没有剩余的空间放置其他部件，不利于减小SDPSS体积。德国Stuttgart热管吸热器中也采用了整体式热管的方式，不过只是将循环工质管放置到了热管内部，相变蓄热装置则采用了PCM容器的方式，综合了前面两种方案的优点；但是其加工制造比较复杂，而且目前仍未有实际研制和试验的报道，其可行性有待验证。德国DLR混合动力式热管吸热器以燃烧气体发热代替相变蓄热解决了没有太阳能时的热量供应，能够很好的保证发电系统的连续运行，而且混合式的动力供应能够提高系统的发电效率。但是由于混合动力式热管吸热器内不仅有吸热器，还包含了包括预热室、燃烧室、气体循环管路、火焰稳定器，带翅片的换热器等一系列装置，其结构非常复杂，所以加工制造难度较大，而且燃烧气体需要携带燃料，燃烧过程还会产生废气，不如纯太阳能热动力式的简单和清洁。3 国内研究的方向和重点国内对吸热器的研究始于20世纪80年代末，截止目前，航天部501所、北京航空航天大学等单位在吸热器总体方案设计，吸热器内热性能分析，PCM容器内高温固液相变换热过程模拟分析，PCM容器及吸热器单元换热管样件的研制和地面试验等方面都进行了比较深入的研究。但是上述研究主要局限在基本型吸热器上，仅在2003年之后，由北京航空航天大学的崔海亭、徐伟强、桂晓宏等人开始针对热管式吸热器展开进一步研究。按照国内当前研究现状，笔者认为我们研究发展热管式吸热器应该从结构简单，技术成熟完备，可靠性安全性好的方案起步。美国AiRreseach热管吸热器的结构相对简单，相变蓄热装置的可靠性高，其适用性好，稍加修改即可应用于斯特林系统，应该成为我们优先选择的方案。由于美国AiRreseach热管吸热器与基本型吸热器在设计理念上又有一定的传承关系，也有利于我们利用原有基本型吸热器的研究基础开展进一步研究发展。因此，笔者建议以美国AiRre- seach热管吸热器方案为基础，对吸热器入射腔、PCM容器、热管结构等内容进行优化设计，尽快研制样机进行地面试验，为SDPSS的空间应用做好准备。另外从SDPSS整体方案来说，自由活塞式斯特林系统不仅可靠性好，而且使用寿命长，是SDPSS发展的趋势，目前国外对其研究和应用也日趋成熟，所以我们在以布雷顿式热管式吸热器作为起步进行研制及试验的同时，也应做好其为应用于斯特林系统改进的准备。参考文献1Strumpf H J, Coombs M G. Advanced Heat Receiver Conceptual Design StudyR. N88-25977, Lewis Research Center, 19882Fujiwara M, Sano T, Suzuki K, et. Thermal analysis and fundamental tests on heat pipe receiver for solar dynamic space power systemJ . Journal of Solar Energy Engineering , 1990, 112 (4): 177 - 1823Hitoshi N, Tsutomu F, Takeshi H. An experimental study of a solar receiver for JEM experiment program. AIAA-2000-29964Takeshi H, Hitoshi N, Tsutomu F J. Experimental study on stirling engine generator and solar receiver syst- em for future space application. AIAA-2000-28425Audy C, Fischer M, Messerschmid E W. Nonsteady behavior of solar dynamic power systems with Stirling cycle for space station. Aerospace science and technology. 1999, 12(1) : 49-586Laing D, Palsson M. Hybrid Dish/Stirling System: Combustor and Heat Pipe Receiver Development. Journal of Solar Energy Engineering , 2002, 124 (2): 176 181Research Progress on Heat Pipe ReceiverXu Weiqiang, Yuan XiuganSchool of Aeronautic Science and Technology, Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100083, ChinaAbstract：The overseas development process of heat pipe receiver was introduced, several concepts of receiver were particularized, analyzed and compared. And the developing trend of heat pipe receiver was put forward depend on the presently development state in our country.Keyword：heat receiver, heat pipe, research progress联系人E-mail：thisisaaron作者简介：徐伟强（1981），男，浙江新昌人，北京航空航天大学博士研究生，主要从事太阳能利用研究。