熱管應用于太陽能集熱器具有以下優(yōu)點：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)嵝裕瑹峁苁教柲芗療崞饕归g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)應用較少，日本的Noboru Ezawa等M。o在20世紀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熱管接收器，但研究沒有繼續(xù)下去，希臘的Bakos等舊1設(shè)計了采用熱管接收器的拋物面槽式太陽能集熱器。中溫熱管接收器沒有得到廣泛研究的原因在于采用中溫熱管接收器后太陽能集熱器需要傾斜放置，并且需要額外的管路來輸送傳熱流體，導致集熱系統(tǒng)復雜。
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)（包括導熱油回路和水循環(huán)2個回路），省去導熱油回路后系統(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，汽水混合物對管路的沖擊，導致接收器可靠性較差，容易產(chǎn)生彎曲、顫動甚至損壞玻璃套管。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。筆者采用中溫熱管代替普通吸熱管，自主開發(fā)了用于DSG系統(tǒng)的太陽能中溫熱管接收器，并通過模擬試驗對中溫熱管及中溫熱管接收器的性能進行研究。
1 太陽能中溫熱管接收器的結(jié)構(gòu)
中溫熱管接收器由中溫熱管、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分離，如圖1所示。
2 模擬試驗研究
拋物面槽式太陽能集熱器工作過程中，接收器面對聚光器的一面與背對聚光器的一面接收到的熱流密度之比為62：1，這也是導致接收器周向溫差過大的主要原因。試驗中采用電爐加熱模擬中溫熱管接收器受熱條件，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，阻隔電爐對熱管的輻射換熱，實現(xiàn)對中溫熱管接收器實際工作條件的模擬。中溫熱管接收器試驗中熱管工作傾角為4℃。
2.1 模擬試驗系統(tǒng)
試驗系統(tǒng)包括計量泵、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量泵產(chǎn)生的流量波動，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、計算機、壓力表、流量計組成，測量熱管溫度、進出口水溫、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，測溫點外面覆蓋2—3 mm厚的高溫膠，避免爐膛輻射對熱電偶測溫準確性的影響。
圖2 試驗系統(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)段管壁正上方各點及3個截面上各點溫度平均得到；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個截面的溫度分布趨勢不同，因此，選擇3個截面的最大周向溫差的平均值作為熱管性能評價參數(shù)。
2.2 試驗結(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)，當液膜雷諾數(shù)Re，<7.5時，認為液膜為光滑層流；當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，周向平均溫差為10℃左右，蒸汽溫度為350和380℃時，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個截面最大溫差的平均值。試驗中發(fā)現(xiàn)，溫度為250和300℃時，3個截面溫度分布相似，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，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個截面剛好相反，所以平均值變小。
3 中溫熱管接收器性能分析
本節(jié)主要分析熱管應用到DSG系統(tǒng)接收器中對接收器性能的改進，包括2個方面：接收器可靠性和接收器熱效率。
3.1 中溫熱管接收器可靠性
Eck等對DSG系統(tǒng)接收器吸熱管周向溫差進行了研究，發(fā)現(xiàn)當采用普通鋼管作為吸熱管時，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)模擬試驗的結(jié)果，筆者開發(fā)的中溫熱管接收器在改善吸熱管周向溫差方面效果也相當顯著，熱管管內(nèi)蒸汽溫度為250和300 oC時，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，周向平均溫差僅為3℃左右。
同時熱管蒸發(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 中溫熱管接收器熱效率
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)模擬試驗得到的中溫熱管蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱系數(shù)代人模型中，可算得中溫熱管接收器各部件溫度分布，接收器熱效率見圖7、圖8.由圖8可以看出，中溫熱管接收器熱效率較高，當流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時，熱效率仍然高達0.8，驗證了中溫熱管接收器優(yōu)良的傳熱性能。模擬計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，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，周向平均溫差僅為3℃左右，達到了與銅鋼復合管相當?shù)男Ч粺峁苷舭l(fā)段與冷凝段分離，汽水混合物對管路的沖擊很難傳遞到蒸發(fā)段，提高了接收器可靠性。
2）中溫熱管接收器具有較高的熱效率，當流體平均溫度與環(huán)境溫度差為330℃時，熱效率仍然高達0.8.這驗證了熱管技術(shù)用于中溫太陽能接收器中的可靠性和優(yōu)越性。