脉动热管太阳能集热器传热性能及工程应用研究

脉动热管是一种新型、高效的传热元件,其工作原理与传统热管相比有很大不同,是强化传热的一个重要发展方向。目前,许多学者对脉动热管传热机理及其强化传热的影响因素进行了实验研究。由于脉动热管优良的传热特性,其在电子冷却、低温余热回收等领域具有较强的应用潜力。然而脉动热管与太阳能集热器相结合的实验研究相对较少。因此,本文设计一种新型下冷式脉动热管太阳能集热器,并分析其传热特性。创新点有两个方面。首先,与传统太阳能集热器相比,下冷式脉动热管太阳能集热器的水箱位于底部,真空玻璃管不盛水并嵌于水箱上。这样设计提高了太阳能集热器整体稳定性,也避免了真空玻璃管在冬季恶劣天气造成的冻裂、泄漏等问题。其次,以传统真空管集热器瞬时效率方程为理论基础,探索了下冷式脉动热管太阳能集热器归一化温差与瞬时效率之间的关系,并且对下冷式脉动热管太阳能集热器瞬时效率方程进行了拟合。研究方法是将脉动热管作为传热元件,一部分置于真空玻璃管内,另一部分封于水箱中。实验过程中通过调整冷热段之间的比例,研究不同情况下脉动热管启动、运行及传热性能。研究结果表明:当脉动热管振荡时,波形图上加热段呈现“V”形振荡,冷却段呈现“Λ”形振荡;在倾角70°、充液率55%不变的情况下,脉动热管当量导热系数随冷热段比的减小而先升高后降低;当冷热段比47%时,脉动热管启动温度最低、传热性能最优,当量导热系数最大值为2604.4W/(m·K),热阻最小值为0.83K/W,集热器瞬时效率最大值为77.08%。根据实验工况和数据分析,当脉动热管在真空玻璃管内充当换热元器件时,脉动热管式太阳能集热器瞬时效率与归一化温差的函数关系可能不满足传统集热器瞬时效率方程。