蛇形流道太陽(yáng)能平板集熱器的數(shù)值分析

曹麗華，張 來(lái)，姜鐵熘

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

太陽(yáng)能空氣集熱器是將太陽(yáng)輻射在其表面上的太陽(yáng)能傳給其內(nèi)部工質(zhì)(空氣)轉(zhuǎn)化為空氣熱能的裝置[1～2].現(xiàn)階段我國(guó)主要將太陽(yáng)能空氣集熱器用在熱發(fā)電(高溫)、化工(中溫)、取暖(低溫)等領(lǐng)域.其中，在利用太陽(yáng)能空氣集熱器供暖方面的研究得到了很大的進(jìn)步.我國(guó)建筑能耗約占總能耗的25%，在我國(guó)寒冷地區(qū)該比例可達(dá)到50%[3].我國(guó)大部分采暖地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，2/3地區(qū)年輻照總量大于5020 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在2 200 h以上.豐富的太陽(yáng)能資源為太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展、推廣和普及提供了良好的資源基礎(chǔ).開發(fā)和利用可再生能源是目前解決能源危機(jī)的主要途徑.近幾年，對(duì)太陽(yáng)能平板空氣集熱器的研究主要集中在以下幾方面：孫可亮等[4～5]分析了環(huán)境溫度、入口溫度對(duì)平板式太陽(yáng)能集熱器性能的影響.胡鵬飛等[6]提出地?zé)?太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電，利用太陽(yáng)能提高地?zé)豳Y源的焓值.Rustum等[7]對(duì)二維水平翅片管內(nèi)的混合對(duì)流換熱過程進(jìn)行了模擬.王武等[8]運(yùn)用TRNSYS仿真平臺(tái)模擬了主、被動(dòng)雙效太陽(yáng)能集熱器的采暖過程.王金平等[9]分析了集熱器的瞬時(shí)效率隨傳熱工質(zhì)溫度的變化.高志強(qiáng)等[10]分析了關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)集熱器性能的影響.盧郁等[11]引入效率因子，對(duì)帶有翅片的集熱器進(jìn)行理論計(jì)算和模擬得出效率因子隨焊縫寬度的關(guān)系.該文通過對(duì)集熱器流道的改進(jìn)，將整體進(jìn)出式結(jié)構(gòu)改為蛇形流道式結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化傳熱，并利用數(shù)值模擬方法分析了傳熱效果和計(jì)算了集熱效率.

1 太陽(yáng)能集熱器的物理模型

本文研究的帶有金屬隔板的蛇形流道平板集熱器，如圖1所示.集熱器長(zhǎng)722.4 mm、寬500 mm、高45 mm；金屬隔板8個(gè)，每個(gè)隔板長(zhǎng)450 mm、高45 mm、厚0.3 mm；隔板間隔80 mm.底部及四周保溫層厚度為15 mm.空氣從集熱器入口流入集熱器，繞過各個(gè)肋片板，呈蛇形往前流動(dòng)，直至從集熱器出口流出.空氣在集熱器內(nèi)充分吸收來(lái)自太陽(yáng)能吸熱板的熱量，達(dá)到集熱效果.

圖1 蛇形流道平板集熱器的立體圖

蛇形流道太陽(yáng)能平板集熱器的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)通過在集熱器內(nèi)部設(shè)置肋片將集熱器分割為蛇形流道，增加了工質(zhì)在集熱器中的流程和增加集熱時(shí)間，從而提高集熱器出口溫度.

(2)相對(duì)于普通的集熱器，蛇形流道集熱器能增大工質(zhì)的有效吸熱面積和減小散熱面積，從而提高集熱器的效率.

(3)對(duì)于相同容量的集熱器，蛇形流道平板集熱器的安裝場(chǎng)地小，占地面積小.

2 太陽(yáng)能集熱器的數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

吸熱板吸收太陽(yáng)輻射的能量轉(zhuǎn)化為自身的熱量，其中絕大部分傳遞給流進(jìn)集熱器的工質(zhì)即空氣；另外一部分通過導(dǎo)熱、對(duì)流或紅外輻射散失到環(huán)境中.在模擬的過程中，將吸熱板接收到的太陽(yáng)輻射能等效為吸熱板的內(nèi)熱源.計(jì)算域內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)和熱量傳遞滿足以下控制方程：

連續(xù)性方程

；

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

，

(4)

2.2 能量平衡方程

其能量平衡方程為

QA=QU+QL+QS，

(5)

式中：QA為單位時(shí)間內(nèi)吸熱板吸收到的太陽(yáng)輻射能，W/s；QU為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用輸出能量，W/s；QL為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的熱損失，W/s；QS為單位時(shí)間內(nèi)集熱器存儲(chǔ)的能量，W/s.

QA=AC(τα)GT，

(6)

式中：Ac為集熱器的有效吸熱面積，m2；τα為總輻射的透過率和吸收率的乘積；GT為吸熱面上的總輻射強(qiáng)度，W/m2.

QU=ACmcP(To-Ti)，

(7)

式中：m為通過集熱器內(nèi)單位截面積工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/(m2·h)；cP為工質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg·K)；To及Ti分別為工質(zhì)流經(jīng)集熱器出口和入口溫度，K.

QL=ACUL(TP-Ta)，

(8)

式中：UL為集熱器總熱損失系數(shù)，W/(m2·K)；TP和Ta分別為吸熱板和環(huán)境溫度，K.

Qs=Ccdt/dτ，

(9)

式中：Cc為集熱器的熱容量，J/℃；τ為時(shí)間，s；t為溫度，K.

2.3 集熱器的瞬時(shí)效率η

集熱器瞬時(shí)效率η即為穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下，規(guī)定時(shí)段(常為5 min～15 min)內(nèi)，傳熱工質(zhì)從太陽(yáng)能集熱器獲得的能量與同時(shí)段下集熱器吸熱面積上的太陽(yáng)輻射能量之比，即

η=QU/Ac(τα)GT.

(10)

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Fluent軟件對(duì)蛇形流道平板型太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬.采用Gambit建立模型，模型尺寸如圖1所示,并且對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.本文利用高質(zhì)量的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,經(jīng)過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，100萬(wàn)網(wǎng)格已經(jīng)滿足計(jì)算要求，此后改變網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果基本無(wú)影響.最終取網(wǎng)格數(shù)量為101.2萬(wàn).

3.2 計(jì)算方法

采用DO輻射模型模擬流道內(nèi)部各個(gè)表面之間的輻射換熱.輻射熱源采用附加源項(xiàng)法，將熱輻射及太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度作為吸收面的體積熱源，并假定表面溫度均勻.

3.3 邊界條件和初始條件

入口邊界為速度入口邊界、出口邊界為自然出流.上表面為玻璃蓋板，其密度為2 500 kg/m3、比熱容為840 J/(kg·K)、導(dǎo)熱系數(shù)為0.76、太陽(yáng)能透射率為0.9、吸收率為0.06.下表面為吸熱板，其密度為2 719 kg/m3、比熱容為871 J/(kg·K)、導(dǎo)熱系數(shù)為202.40、太陽(yáng)能吸收率為0.95.吸熱面以下均為保溫層，并假定保溫層為絕熱層.空氣入口初始溫度288 K,環(huán)境溫度301.15 K，環(huán)境風(fēng)速為2 m/s.

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 集熱器內(nèi)空氣流動(dòng)狀況

圖2 入口速度不同時(shí)的集熱器內(nèi)空氣流動(dòng)流線圖

不同入口速度時(shí)集熱器內(nèi)的空氣流動(dòng)流線圖，如圖2所示.通過對(duì)比可以明顯的看出：隨著入口速度的增加，流道內(nèi)出現(xiàn)的漩渦越明顯，相鄰兩漩渦距離越近，重合度也越高，即產(chǎn)生了更大的擾動(dòng)，破壞了流體邊界層，使得雷諾數(shù)增大從而使換熱系數(shù)增加，換熱效果變好，漩渦區(qū)域溫度明顯較高.

4.2 集熱器水平中心面溫度分布云圖

入口速度不同時(shí)的集熱器中心水平面溫度分布云圖，如圖3所示.工質(zhì)流入集熱器后，慢慢被加熱直至流出集熱器.隨著空氣流速的加大，集熱器出口溫度明顯降低，且在流道內(nèi)部沿左側(cè)內(nèi)壁的溫度較右側(cè)高.結(jié)合圖2的分析，這是由于漩渦一般都發(fā)生在左側(cè)內(nèi)壁附近，漩渦的發(fā)生使其局部雷諾數(shù)變大，更趨于紊流，換熱系數(shù)增加換熱效果明顯.但是隨著入口流速的增加，工質(zhì)在流道內(nèi)部停留時(shí)間變短，加熱時(shí)間減少，從而使得出口溫度降低.

圖3 入口速度不同時(shí)的集熱器中心水平面溫度分布云圖

4.3 集熱器出口溫度隨入口速度的變化

集熱器出口溫度隨入口速度變化規(guī)律圖，如圖4所示.從圖4中可以看出，在一定輻照強(qiáng)度下，隨著入口流速的增加集熱器出口溫度急劇降低，直到入口流速增加到一定值時(shí)出口溫度下降的速度減小，最后隨著入口流速的增加集熱器出口溫度趨于穩(wěn)定.由對(duì)流換熱公式q=α(tw-t)，熱流密度與對(duì)流換熱系數(shù)成正比，而對(duì)流換熱系數(shù)隨速度增加而增大.開始階段入口速度不大時(shí)，隨著入口速度的增加換熱系數(shù)增加并不明顯，但是隨著速度的增加吸熱時(shí)間卻明顯降低.當(dāng)速度增加到一定值時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)增加的幅度較大，換熱效果變好多吸收的熱量抵消一部分由于吸熱時(shí)間減小而少吸收的熱量而使得出口溫度下降且速度降低.

4.4 集熱器出口溫度隨輻射強(qiáng)度的變化

集熱器出口溫度隨輻射強(qiáng)度變化規(guī)律，如圖5所示.從圖5中可以看出，集熱器出口溫度隨輻射強(qiáng)度的增加而提高.隨著輻射強(qiáng)度的增加，吸熱板接收到的能量增加，溫度升高，內(nèi)熱源加大，從而出口溫度提高.在入口速度為0.4 m/s，輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2時(shí)出口溫度最高能達(dá)到329.36 K.在同一輻射強(qiáng)度下，隨入口速度的增加，工質(zhì)在流道內(nèi)部吸熱時(shí)間變短，導(dǎo)致出口溫度降低.

圖4 集熱器出口溫度隨入口速度變化規(guī)律圖圖5 集熱器出口溫度隨輻射強(qiáng)度變化規(guī)律圖

圖6 集熱器效率隨入口速度的變化規(guī)律圖

4.5 集熱器效率隨入口速度的變化

在輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2時(shí)，集熱器效率隨入口速度的變化規(guī)律，如圖6所示.從圖6中可以得出，速度增加不大的階段，集熱器效率隨入口速度的增加而明顯增加，該階段換熱系數(shù)增加換熱效果明顯而且輸出工質(zhì)流量加大.當(dāng)速度增大到4 m/s時(shí)，效率達(dá)到最大，此時(shí)最大效率為0.76.隨著入口速度繼續(xù)增加，吸熱面接受的能量一定，產(chǎn)熱量也一定，再增加工質(zhì)流量效率變化緩慢基本穩(wěn)定在0.76.

5 結(jié) 論

(1)蛇形流道太陽(yáng)能平板集熱器內(nèi)部特殊的流道為空氣提供有效的漩渦生成場(chǎng)所，入口速度越大，漩渦越大；相鄰兩氣腔內(nèi)的漩渦越近，集熱效果越好.

(2)隨著集熱器入口速度的增加，集熱器出口溫度降低.當(dāng)速度小于4 m/s時(shí)，隨入口流速增加，出口溫度的降低速度較大；當(dāng)入口速度增加到4 m/s以后，出口溫度降低的速度減小，直至穩(wěn)定.

(3)當(dāng)入口流速固定時(shí)，集熱器出口溫度隨表面輻射強(qiáng)度的增加而增加.當(dāng)表面輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，入口流速為0.4 m/s時(shí)，集熱器出口溫度能達(dá)到329.36 K.

(4)隨著入口速度的增加，集熱器效率增大，增大的幅度隨入口速度的增加而慢慢降低，最大效率能達(dá)到0.76.

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