蛇形流道太阳能平板集热器的数值分析

曹丽华，张 来，姜铁熘

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

太阳能空气集热器是将太阳辐射在其表面上的太阳能传给其内部工质(空气)转化为空气热能的装置[1～2].现阶段我国主要将太阳能空气集热器用在热发电(高温)、化工(中温)、取暖(低温)等领域.其中，在利用太阳能空气集热器供暖方面的研究得到了很大的进步.我国建筑能耗约占总能耗的25%，在我国寒冷地区该比例可达到50%[3].我国大部分采暖地区太阳能资源丰富，2/3地区年辐照总量大于5020 MJ/m2，年日照时数在2 200 h以上.丰富的太阳能资源为太阳能技术的发展、推广和普及提供了良好的资源基础.开发和利用可再生能源是目前解决能源危机的主要途径.近几年，对太阳能平板空气集热器的研究主要集中在以下几方面：孙可亮等[4～5]分析了环境温度、入口温度对平板式太阳能集热器性能的影响.胡鹏飞等[6]提出地热-太阳能联合发电，利用太阳能提高地热资源的焓值.Rustum等[7]对二维水平翅片管内的混合对流换热过程进行了模拟.王武等[8]运用TRNSYS仿真平台模拟了主、被动双效太阳能集热器的采暖过程.王金平等[9]分析了集热器的瞬时效率随传热工质温度的变化.高志强等[10]分析了关键运行参数和结构参数对集热器性能的影响.卢郁等[11]引入效率因子，对带有翅片的集热器进行理论计算和模拟得出效率因子随焊缝宽度的关系.该文通过对集热器流道的改进，将整体进出式结构改为蛇形流道式结构以强化传热，并利用数值模拟方法分析了传热效果和计算了集热效率.

1 太阳能集热器的物理模型

本文研究的带有金属隔板的蛇形流道平板集热器，如图1所示.集热器长722.4 mm、宽500 mm、高45 mm；金属隔板8个，每个隔板长450 mm、高45 mm、厚0.3 mm；隔板间隔80 mm.底部及四周保温层厚度为15 mm.空气从集热器入口流入集热器，绕过各个肋片板，呈蛇形往前流动，直至从集热器出口流出.空气在集热器内充分吸收来自太阳能吸热板的热量，达到集热效果.

图1 蛇形流道平板集热器的立体图

蛇形流道太阳能平板集热器的优点在于：

(1)通过在集热器内部设置肋片将集热器分割为蛇形流道，增加了工质在集热器中的流程和增加集热时间，从而提高集热器出口温度.

(2)相对于普通的集热器，蛇形流道集热器能增大工质的有效吸热面积和减小散热面积，从而提高集热器的效率.

(3)对于相同容量的集热器，蛇形流道平板集热器的安装场地小，占地面积小.

2 太阳能集热器的数学模型

2.1 控制方程

吸热板吸收太阳辐射的能量转化为自身的热量，其中绝大部分传递给流进集热器的工质即空气；另外一部分通过导热、对流或红外辐射散失到环境中.在模拟的过程中，将吸热板接收到的太阳辐射能等效为吸热板的内热源.计算域内工质的流动和热量传递满足以下控制方程：

连续性方程

；

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

，

(4)

2.2 能量平衡方程

其能量平衡方程为

QA=QU+QL+QS，

(5)

式中：QA为单位时间内吸热板吸收到的太阳辐射能，W/s；QU为单位时间内集热器的有用输出能量，W/s；QL为单位时间内集热器的热损失，W/s；QS为单位时间内集热器存储的能量，W/s.

QA=AC(τα)GT，

(6)

式中：Ac为集热器的有效吸热面积，m2；τα为总辐射的透过率和吸收率的乘积；GT为吸热面上的总辐射强度，W/m2.

QU=ACmcP(To-Ti)，

(7)

式中：m为通过集热器内单位截面积工质的质量流量，kg/(m2·h)；cP为工质的定压比热容，J/(kg·K)；To及Ti分别为工质流经集热器出口和入口温度，K.

QL=ACUL(TP-Ta)，

(8)

式中：UL为集热器总热损失系数，W/(m2·K)；TP和Ta分别为吸热板和环境温度，K.

Qs=Ccdt/dτ，

(9)

式中：Cc为集热器的热容量，J/℃；τ为时间，s；t为温度，K.

2.3 集热器的瞬时效率η

集热器瞬时效率η即为稳态或准稳态下，规定时段(常为5 min～15 min)内，传热工质从太阳能集热器获得的能量与同时段下集热器吸热面积上的太阳辐射能量之比，即

η=QU/Ac(τα)GT.

(10)

3 数值模拟计算

3.1 模型和网格划分

运用Fluent软件对蛇形流道平板型太阳能集热器进行数值模拟.采用Gambit建立模型，模型尺寸如图1所示,并且对模型进行网格划分.本文利用高质量的六面体结构网格,经过网格无关性验证，100万网格已经满足计算要求，此后改变网格数量对计算结果基本无影响.最终取网格数量为101.2万.

3.2 计算方法

采用DO辐射模型模拟流道内部各个表面之间的辐射换热.辐射热源采用附加源项法，将热辐射及太阳能辐射强度作为吸收面的体积热源，并假定表面温度均匀.

3.3 边界条件和初始条件

入口边界为速度入口边界、出口边界为自然出流.上表面为玻璃盖板，其密度为2 500 kg/m3、比热容为840 J/(kg·K)、导热系数为0.76、太阳能透射率为0.9、吸收率为0.06.下表面为吸热板，其密度为2 719 kg/m3、比热容为871 J/(kg·K)、导热系数为202.40、太阳能吸收率为0.95.吸热面以下均为保温层，并假定保温层为绝热层.空气入口初始温度288 K,环境温度301.15 K，环境风速为2 m/s.

4 模拟结果及分析

4.1 集热器内空气流动状况

图2 入口速度不同时的集热器内空气流动流线图

不同入口速度时集热器内的空气流动流线图，如图2所示.通过对比可以明显的看出：随着入口速度的增加，流道内出现的漩涡越明显，相邻两漩涡距离越近，重合度也越高，即产生了更大的扰动，破坏了流体边界层，使得雷诺数增大从而使换热系数增加，换热效果变好，漩涡区域温度明显较高.

4.2 集热器水平中心面温度分布云图

入口速度不同时的集热器中心水平面温度分布云图，如图3所示.工质流入集热器后，慢慢被加热直至流出集热器.随着空气流速的加大，集热器出口温度明显降低，且在流道内部沿左侧内壁的温度较右侧高.结合图2的分析，这是由于漩涡一般都发生在左侧内壁附近，漩涡的发生使其局部雷诺数变大，更趋于紊流，换热系数增加换热效果明显.但是随着入口流速的增加，工质在流道内部停留时间变短，加热时间减少，从而使得出口温度降低.

图3 入口速度不同时的集热器中心水平面温度分布云图

4.3 集热器出口温度随入口速度的变化

集热器出口温度随入口速度变化规律图，如图4所示.从图4中可以看出，在一定辐照强度下，随着入口流速的增加集热器出口温度急剧降低，直到入口流速增加到一定值时出口温度下降的速度减小，最后随着入口流速的增加集热器出口温度趋于稳定.由对流换热公式q=α(tw-t)，热流密度与对流换热系数成正比，而对流换热系数随速度增加而增大.开始阶段入口速度不大时，随着入口速度的增加换热系数增加并不明显，但是随着速度的增加吸热时间却明显降低.当速度增加到一定值时，对流换热系数增加的幅度较大，换热效果变好多吸收的热量抵消一部分由于吸热时间减小而少吸收的热量而使得出口温度下降且速度降低.

4.4 集热器出口温度随辐射强度的变化

集热器出口温度随辐射强度变化规律，如图5所示.从图5中可以看出，集热器出口温度随辐射强度的增加而提高.随着辐射强度的增加，吸热板接收到的能量增加，温度升高，内热源加大，从而出口温度提高.在入口速度为0.4 m/s，辐射强度为1 000 W/m2时出口温度最高能达到329.36 K.在同一辐射强度下，随入口速度的增加，工质在流道内部吸热时间变短，导致出口温度降低.

图4 集热器出口温度随入口速度变化规律图图5 集热器出口温度随辐射强度变化规律图

图6 集热器效率随入口速度的变化规律图

4.5 集热器效率随入口速度的变化

在辐射强度为1 000 W/m2时，集热器效率随入口速度的变化规律，如图6所示.从图6中可以得出，速度增加不大的阶段，集热器效率随入口速度的增加而明显增加，该阶段换热系数增加换热效果明显而且输出工质流量加大.当速度增大到4 m/s时，效率达到最大，此时最大效率为0.76.随着入口速度继续增加，吸热面接受的能量一定，产热量也一定，再增加工质流量效率变化缓慢基本稳定在0.76.

5 结 论

(1)蛇形流道太阳能平板集热器内部特殊的流道为空气提供有效的漩涡生成场所，入口速度越大，漩涡越大；相邻两气腔内的漩涡越近，集热效果越好.

(2)随着集热器入口速度的增加，集热器出口温度降低.当速度小于4 m/s时，随入口流速增加，出口温度的降低速度较大；当入口速度增加到4 m/s以后，出口温度降低的速度减小，直至稳定.

(3)当入口流速固定时，集热器出口温度随表面辐射强度的增加而增加.当表面辐射强度为1 000 W/m2，入口流速为0.4 m/s时，集热器出口温度能达到329.36 K.

(4)随着入口速度的增加，集热器效率增大，增大的幅度随入口速度的增加而慢慢降低，最大效率能达到0.76.

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