热管式吸热器研究进展

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1、文章编号:热管式吸热器研究进展徐伟强，袁修干（北京航空航夭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，列举了儿种典型的热管吸热器方案，分析对比了不同方案Z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耍选择对象。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

2、由四人部件组成：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。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tl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，只有吸热器即没冇同类的地面设备可以移植，也没有己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

3、，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z—,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。木文将通过列举和分析国外热管式吸热器的研究发展过程屮提出的儿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AiRre

4、seach热管吸热器方案美国Allied-signal公司的GarrettAirese-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。文献［1］详细介绍了AiRreseach7kW布雷顿式热管吸热器的设讣结果，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。工质进口总管工质出口总管板翅

5、式换热器、换热段吸热段常热段钠热管名层绝热入射孔图1AiRreseach热管式吸热器结构图Fig.1ConfigurationofAiRreseachHeatPipe基金项LI：国家自然科学基金资助项U（50276001）国家863计划支持项目Receiver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tl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

6、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%,而瓦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tl本的Makoto等人以30kWSDPSS为研究对彖进行了热管式吸热器的方案设计⑵。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

7、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-•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。整体式热管吸热器的工作过程如下：日照期吋，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，

8、而在循环工质管外壁而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而冷凝使得内部的PCM熔化以储存热量；阴影期吋，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