复合抛物聚光脉动热管太阳能中温集热器复杂热流边界条件下极限传热机理研究

A novel intermediate temperature solar collector that consists of pulsating heat pipe (PHP) and compound parabolic collector (CPC) will be proposed and developed, referred to as CPC-PHP hereafter. The medium temperature can be achieved by CPC-PHP under small size, without sunshine tracking. Both the thermal boundary condition and heating method are changed, by which the heat transfer limit is determined. Understanding on the heat transfer limit of the CPC-PHP is the basic that is the main purpose of this study. With the aid of the visual experiment, the couple relationship of flow pattern, "dry out" process and heat transfer performance of PHP will be built to find the relationship among critical heat flux of the CPC-PHP, operating parameters, geometric parameters and working fluid thermo physical parameters. The model of unsteady heat transfer limit containing phase change of multiphase flow in the small pipeline will be built based on the split phase flow model and Finite Volume Method. The CPC-PHP can work stably with non-uniform and long span heat flux boundary conditions though the development. The significance of the present project is to provide a theoretical and experimental benchmark for designing CPC-PHP under the given operating conditions in engineering applications. In addition, the most striking contribution of this project is to promote the use of solar at intermediate temperature.

复合抛物聚光器与脉动热管相结合可实现小尺寸、无跟踪条件下太阳能中温集热。复合抛物聚光器与脉动热管吸热器的组合，改变了脉动热管的热流边界和加热方式，形成复杂的热流边界条件，决定了脉动热管的极限传热能力。为了深入了解极限传热的机理，从传热极限（“烧干”）时管内工质流型变化入手，建立管内工质流型变化、“烧干”过程与脉动热管传热性能的耦合关系，提出无量纲临界热流密度判定参数，进而提出基于几何、物理和操作三个因素的临界密度经验关联式，为极限传热的判定提供依据；基于分相流模型，利用有限容积法，建立封闭管路内包含相变的多相流非稳态极限传热模型。通过本项目的研究对深入认识非均匀、大跨度热流边界条件下多尺度、多参数耦合的包含相变的两相非稳态极限传热问题具有重要的学术价值。研究成果可为给定条件下脉动热管集热器的设计以及工程化应用提供理论基础，同时对推动太阳能中温利用具有重要意义。

针对太阳能中温集热器尺度大、需要跟踪装置、难以与建筑结合等痛点问题，提出了一种复合抛物聚光脉动热管太阳能集热器。一方面，复合抛物聚光器（CPC）的聚光作用，提高了脉动热管蒸发段的热流密度，从而提高脉动热管的传热性能；另一方面，脉动热管的小管径，克服了CPC高宽比大的问题。新集热器在与平板集热器相同尺度下，实现了3倍以上聚光比，理论上可以满足200℃以下太阳能集热需求，为中温集热提供了一种新的解决思路。围绕此集热器的关键科学问题“非均匀、大跨度热流边界条件下多尺度、多参数耦合的包含相变的两相非稳态传热”开展了系统研究工作：1）通过自编程建立了CPC脉动热管集热器蒙特卡洛光线追迹模型，分析了聚光比、截取比、入射角度及CPC形变等对脉动热管吸热器复杂热流密度边界条件的影响规律；2）设计了东西向及南北向CPC脉动热管集热器样机，研究了工质、充灌率、倾斜角度、集热器进口水温及环境温度等对脉动热管吸热器及集热器运行特性的影响；3）建立了集热模型，分析了太阳辐射强度、风速、环境温度、保温层厚度、管径、流速及进口水温对集热器性能的影响，研究了CPC脉动热管集热器的运行机理；由于CPC的聚光作用，减少了对外散热面积，同时阻隔减弱了空气层的流动，减少了通过空气层向外的漏热损失，从而提高了集热器效率，集热器理论效率达到75%；4）针对脉动热管“启动”和“烧干”的“矛盾”，创造性地提出了非共沸不互溶混合工质及两种工质气化潜热、比热、密度等物性的配合原则，并系统研究了应用非共沸工质脉动热管传热传质机理；5）根据脉动热管运行特性，分工作阶段建立了给定加热功率下的脉动热管的动态响应模型。研究成果可为给定条件下脉动热管集热器的设计以及工程化应用提供理论基础，同时对推动太阳能中温热利用具有重要意义。