太阳能供暖用新型流体制备及导热性能测试

张佳琦, 齐典伟, 徐凤, 李亚菲

(新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 830046)

普通工质应用于太阳能系统时,往往由于携热量不足难以降低太阳能基板温度,导致热源侧温度升高继而影响换热效率。相较于普通工质,相变工质的潜热能力能够较好地解决这一问题,这使其在太阳能[1-2]和暖通空调[3-4]领域得到广泛应用,但太阳能的不稳定性导致以其为热源的系统需要大容量蓄热设备加持且工质导热性能会受到运行状况影响。

基于上述问题,许多国内学者开展了关于传热蓄热流体(heat transfer and heat storage fluid,HTHSF)的热性能研究。朱楚侨[5]通过研究表明添加碳纤维可以增强其导热性能,张宇[6]分析了槽式管道应用HTHSF的系统性能,结果表明当工质为HTHSF时,管壁面温升明显低于水。陈红兵等[7]研究了乳化剂种类对HTHSF的影响并对其进行微观形态表征[8],结果表明以二十二烷为主体的HTHSF更加契合PV-T太阳能集热系统要求,HTHSF在PV-T系统中的应用[9]时,光伏板表面温度降低2 ℃,换热水箱水温高出1.3 ℃,日均热效率相对高出7%。国内有关HTHSF的研究均已证明HTHSF有较好的工程应用效果,但对于HTHSF的导热性能及抗冻性能研究开展较少。

瞬态热线法是实验室测量液体导热系数的首选方法。其在国外实验室研究起步较早,自1978年开始,Kestin等[10]对用于热导率测量的瞬态热线技术理论就展开了研究。Palacios等[11]对表征热能储存材料的热导率测量技术进行了研究。Zhang等[12]提出了一种遗传算法的瞬态识别方法,从瞬态热响应中识别导热系数与温度的关系。Mehta等[13]介绍了热导率增强机理、预测纳米流体热导率的数值模型、测量纳米流体热导率的实验。Zhang等[14]研究表明相变增强了测量过程中的传热,导致实际热导率小于直接从实验中获得的热导率。

就中外研究现状而言,以往的研究均已证明HTHSF相较于普通流体有较好的传热蓄热效果,且瞬态热线法测量液体导热系数技术发展成熟。但针对瞬态热线法测量导热系数和HTHSF导热性能与太阳能应用耦合的研究较少,并鲜见HTHSF的防冻性能研究,这使得该类型流体在严寒地区的应用受到限制。现将乙二醇型防冻液作为载流体,配制一种太阳能用HTHSF并研究其导热性能。通过瞬态热线法测定不同浓度HTHSF导热系数,得到HTHSF导热系数在不同温度下的变化规律以及载流体对HTHSF导热系数的影响,为严寒寒冷地区HTHSF的应用提供参考。

实验购置相变微胶囊乳液的相变温度为28 ℃,导热系数为0.483 W/(m·K),相变微胶囊采用密胺树脂包裹十八烷制成。以体积当量浓度30%的相变材料为原溶液,用冰点为-40 ℃的乙二醇型防冻液作为载流体配制不同浓度的HTHSF。

查阅乙二醇体积浓度与冰点对照资料与相关文献[15],冰点-40 ℃对应的乙二醇体积浓度为54%。实验过程中将原溶液分别加入乙二醇型防冻液稀释成不同体积当量浓度HTHSF各200 mL,各浓度稀释参数如表1所示。

将各浓度稀释后的HTHSF分别静置48 h后观察其状态如图1所示,从左至右浓度依次为:5%、10%、15%、20%、25%。经过48 h静置,配制的HTHSF呈现均质流体的特性。

表1 不同浓度HTHSF

图1 静置48 h后各浓度HTHSFFig.1 All concentrations of HTHSF were left for 48 h

2.1 基本原理

Jiang等[16]针对热线法测量液体热导率做了测量和建模分析。液体相对于固体而言,更容易产生对流。对于液体导热系数的测量,必须在很短的时间内获得测试结果。

热线法的理论分析要基于如下假设:①加热丝无限长且半径无限小;②加热丝热导率无限大,热容量无限小,加热丝温度平衡;③待测样品物性参数连续且各向同性;④加热丝和试样之间完全接触,忽略接触热阻且热传递过程仅存在热传导,图2为瞬态热线法测量导热系数示意图。

图2 热线法测量示意图Fig.2 Diagram of hot wire measurement

根据瞬态热线法的测量原理[17],假设初始时刻的线热源与流体温度为T0,任意时刻任意位置的温升为ΔT,则有

ΔT(r,t)=T(r,t)-T0

(1)

式(1)中:T为温度;t为时间;r为半径上任一位置;T(r,t)为t时r处的温度。

基于上述假设,可以在其控制方程(傅里叶方程)的基础上建立热线法的初始导热方程和边界条件[18]为

(2)

ΔT(r,t)=0,t≤0

(3)

(4)

(5)

式中:q为单位长度热线的加热率;假定介质的热扩散系数α、密度ρ、导热系数λ、定压比热Cp等物性参数均为常数;const为常数项。

用格林-狄克拉函数进行求解,可得半径r处的瞬时温度分布式[19]为

(6)

(7)

式中:E(x)、y为指数积分和指数函数;γ为欧拉常数;γ=0.577 215 7…;o(x2)为欧拉函数。

经过式(6)和式(7)联立之后可推导出发热丝表面的理论温升方程,但由于发热丝半径无线小,当通电时间t相对足够长时,理论温升方程可近似为

=Alnt+B

(8)

由式(8)可知,测试时间的对数与发热丝表面温升呈线性相关,对式(8)两边同时进行微分可获得导热系数和热扩散系数的计算方程为

(9)

(10)

2.2 测试系统

测试仪器采用TC3100L液体导热系数仪。测试系统主要组成部件包括:测试主机、循环浴、测试计算机。各组件连接示意图和测试主机内部示意图如图3所示,测试主机性能参数如表2所示。

图3 测试系统与测试主机Fig.3 Test system and test host

表2 测试主机参数

3.1 载流体导热性能测试

将乙二醇型防冻液作为载流体的目的是让HTHSF具有一定抗冻性能。对HTHSF的载流体进行导热系数的测量,对比各温度下不同载流体的导热系数。图4分别是用于实验室测量导热系数的乙二醇型防冻液及纯水样品。

图4 不同类型的载流体Fig.4 Different types of carrier fluids

冰点是寒地太阳能工质的首要参数,不同载流体冰点不同,根据所购置成品的参数绘制图5所示乙二醇体积浓度与冰点关系。

图5 不同浓度防冻液与冰点关系Fig.5 Relationship between different concentrations of antifreeze and freezing point

根据图5可知,乙二醇型防冻液冰点随着其浓度的增加而减小,工程应用时应根据当地气候条件确定载流体冰点及对应浓度。冰点过高导致HTHSF不具有良好的抗冻性能,考虑寒地温度,HTHSF冰点在-20 ℃左右为宜。

不同浓度冰点不一,实验室测量其导热系数时选择0～60 ℃作为防冻液测量范围,10～60 ℃作为纯水测量范围,温度梯度均为10 ℃,每个温度点均进行10次重复测量后取平均值,图6为两种常用载流体的导热系数随温度变化情况。

图6 不同载流体导热系数与温度关系Fig.6 Relationship between thermal conductivity and temperature of different carrier fluids

结果显示:纯水在测量温度周期下平均导热系数为:0.603 3 W/(m·K),作为寒地太阳能常见工质,冰点为-40 ℃的乙二醇型防冻液导热系数仅为纯水的63%,流体携热不充分导致太阳能集热器基板温度随着循环逐步升高,这是严寒地区太阳能集热器出现过热现象的原因。根据图6可知,乙二醇型防冻液导热系数随温度的变化趋势与水一致,均随着温度的升高而升高,这是因为防冻液仍为一定比例的水基溶液,这一点在前文中已指出。

3.2 HTHSF导热性能测试

为了探究该流体导热系数随温度的变化规律,对配制的不同浓度HTHSF进行0、10、20、30、40 ℃下的导热系数测量。

图7表明:对于相变温度28 ℃的HTHSF,相变前后导热系数差异较大,除5%浓度HTHSF外,同一浓度HTHSF导热系数在温度升高的情况下,导热系数均呈现先升高后下降再升高的趋势。HTHSF导热系数在单一相温度区间内仍随温度升高而升高,产生这一现象的原因为的载流体为水基溶液,其导热系数宏观上仍呈现水基溶液特性,这解释了导热系数在两端升高的现象。

图7 不同浓度HTHSF导热系数与温度关系Fig.7 Relationship between thermal conductivity and temperature at different concentrations of HTHSF

根据实验室测量结果:除5%浓度HTHSF之外,其余浓度HTHSF相变后导热系数均小于相变之前,这是因为5%浓度HTHSF相变材料含量少,导致相变对HTHSF的导热系数影响很小。相变引起导热系数明显下降有以下原因:①对于实验室测量的固-液相变材料,相变后液相导热系数小于相变前固相导热系数;②根据热线法测量原理,由于潜热变化很大导致式(9)中dΔT/dlnt异常增大,进而表现为导热系数减小。

各浓度下相变前后单一相HTHSF平均导热系数如表3所示。

表3 相变前后导热系数

测量结果表明10%HTHSF完全相变后与新防冻液平均导热系数差别不大,根据表1和图6,10%HTHSF中乙二醇体积当量浓度为35.91%,此时HTHSF冰点为-20 ℃,满足寒地太阳能用流体工质冰点要求的同时一定程度提高了导热系数。此外HTHSF的大潜热值使得其携热量增大,可有效解决集热器基板温度过热问题。

3.3 测量误差与分析

根据测量结果,各浓度HTHSF导热系数在单一相时与表4误差很小。26～31 ℃内导热系数出现波动,这是因为实验室热线法测量导热系数在测量时热线两端会被施加一个给定的电压,施加的电压会导致热线有1～3 K的温升,该温升会导致测量温度与设定温度存在温差。此外,进行导热系数测量前需等待测试系统达到热平衡。对于相变温度28 ℃的HTHSF而言,当其周围温度恒定在某一大于相变温度的点,HTHSF中已发生相变,故测量结果具有最小值。

3.4 HTHSF导热系数定义与拟合

HTHSF是一种混合水基溶液,由相变材料、乙二醇型防冻液和水组成。对于实验室配制的以防冻液为载流体的混合型HTHSF,其冰点、导热系数等物性参数满足严寒地区要求,该流体的导热系数由其组成成分共同决定,对混合型HTHSF,定义综合导热系数为

(11)

式(1)中:λT为温度T下的综合导热系数,W/(m·K);λa,T为温度T下a物质的导热系数,W/(m·K);λb,T为温度T下a物质的导热系数,W/(m·K);λn,T为温度T下n物质的导热系数,W/(m·K);θA为a物质的体积比;θB为b物质的体积比;θN为n物质的体积比;k为修正系数,根据经验取值。

对于以乙二醇型防冻液为载流体的HTHSF,综合导热系数定义为

(12)

式(12)中:a为相变材料;b为水;c为乙二醇;k1为相变前修正系数,k1=1/1.18;k2为相变后修正系数,k2=1/(θA+1.25)。

5%HTHSF由于相变作用浓度太低,影响很小,适用代入k1求解,其余对应导热系数在之前小节已经测得。为了验证理论模型经验公式与实测结果的拟合程度,将不同浓度下HTHSF拟合结果与实测数据进行比对,10%、15%、20%、25%浓度下的拟合值与实测值如图8所示。

图8 拟合结果与实测结果Fig.8 Fitting results and measured results

根据拟合曲线和实测曲线的关系可知,经验公式与实测结果拟合程度较高,10%、15%、20%、25%浓度下的拟合值与实测值的各温度误差分别0.05%、0.2%、0.4%和0.3%,说明拟合公式准确度较高。上述经验公式能够对以乙二醇型防冻液为载流体的HTHSF研究提供理论基础。

常作为寒地太阳能系统循环工质的乙二醇型防冻液导热系数低导致系统效率低。但添加相变材料制备一种寒地太阳能用新型HTHSF,可以在系统防冻的前提下有效解决导热不充分及携热量不足的问题。对HTHSF进行导热系数测量,得出如下结论。

(1)寒地太阳能用新型流体冰点随浓度增大而减小,且冰点为-20 ℃的HTHSF性能较好。

(2)同一温度下,载流体导热系数随浓度增大而减小;同一浓度下,载流体导流系数随温度升高而增大。

(3)寒地太阳能用新型流体以10%HTHSF为宜,其最小导热系数为0.381 W/(m·K),与防冻液导热系数测量值接近且冰点满足寒地太阳能要求。HTHSF在单一相温区内具有水基溶液特性,导热系数随温度的升高而升高,固-液相变类型HTHSF导热系数在相变温区内随温度升高而下降。

(4)本文提出的综合导热系数经验公式能够适用以乙二醇型防冻液为载流体的HTHSF,且拟合结果可靠性较高。