平板型雙流道太陽能空氣集熱器擾流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 東， 張建軍， 張躍智， 李金平， 王林軍

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 蘭州 730050；2. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

平板型太陽能空氣集熱器以空氣為介質(zhì)，具有抗凍、承壓性能較好、加工簡單、建筑一體化程度較高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于干燥、供熱等領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景.

國內(nèi)外的研究者對(duì)平板型空氣集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳熱特性以及集熱器的綜合性能進(jìn)行了較為廣泛的研究.例如：郭超等[1]建立了雙流道雙效太陽能集熱器的空氣集熱理論模型，并發(fā)現(xiàn)集熱器的上、下流道處于 15～20 mm之間時(shí)，可以獲得最高的凈有效能和熱效率；程友良等[2]發(fā)現(xiàn)具有拋物線型吸熱板的集熱器具有較高的集熱效率；Bakari[3]研究了安裝不同數(shù)量的擾流板對(duì)集熱器性能的影響；錢珊珠等[4]通過數(shù)值模擬研究了擾流板數(shù)量以及出口流速對(duì)集熱器熱效率的影響；夏佰林等[5]獲得了擾流板型太陽能平板空氣集熱器的效率表達(dá)式；劉一福等[6]通過數(shù)值模擬得到了擾流板型太陽能平板空氣集熱器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)并得到其瞬時(shí)效率公式；Romdhane[7]對(duì)形狀不同的擾流板太陽能空氣集熱器進(jìn)行了研究，并且對(duì)比了空氣的流動(dòng)狀態(tài)和升溫效率；Kumar等[8]提出一種分散式的V型擾流板集熱器模型，并研究了擾流板夾角對(duì)集熱器性能的影響；李曉琳等[9]設(shè)計(jì)了蛇形雙流道平板太陽能空氣集熱器，并對(duì)影響集熱器的各種因素進(jìn)行了分析；賈勝輝[10]建立了平板空氣集熱器的二維穩(wěn)態(tài)CFD模型，利用Fluent軟件對(duì)4種不同類型(上流道式、下流道式、雙流道式以及回流式)的平板集熱器內(nèi)部的空氣流動(dòng)以及傳熱過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明在標(biāo)準(zhǔn)流量下，雙流道集熱器的熱效率最高；丁剛等[11]采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法對(duì)平板型太陽能集熱器的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)集熱器內(nèi)部存在流道死區(qū)，并具有局部高溫和內(nèi)部溫度分布不均勻的缺點(diǎn).

由此可見，具有雙流道的平板型太陽能空氣集熱器可以有效提高集熱效率，但易形成流動(dòng)死區(qū)及局部高溫區(qū)，且過于復(fù)雜的擾流翅片會(huì)顯著增加空氣流動(dòng)阻力和集熱器的加工制造成本.為兼顧空氣集熱器的效率與成本兩方面因素，本文將已產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的液體介質(zhì)平板型太陽能集熱器改型為雙流道空氣集熱器，并對(duì)加裝適量平面無孔式擾流板和開孔型擾流板兩種優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，以期降低擾流板構(gòu)造成本的同時(shí)解決空氣流動(dòng)死區(qū)及高溫區(qū)的問題.

1 物理模型及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 集熱器物理模型

集熱器的外形尺寸為：長 2 000 mm，寬 1 000 mm，高65 mm，玻璃蓋板厚度為3.2 mm.在集熱器長度方向以對(duì)角線形式設(shè)置空氣進(jìn)出口，如圖1所示.空氣流道由上下兩個(gè)流道組成，流道中間由吸熱板隔開，上流道高26.2 mm，下流道高20 mm.吸熱板由長 1 937 mm，寬110 mm，厚度為0.35 mm的8塊鋁鋅板組成，表面覆蓋選擇性涂層.集熱器空氣進(jìn)出口長260 mm，寬50 mm，集熱器四周和底板的保溫材料為巖棉.

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

采用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法測(cè)試平板型雙流道空氣集熱器的熱力性能，測(cè)試條件與文獻(xiàn)[12]的測(cè)試條件相同.該測(cè)試系統(tǒng)由平板型雙流道太陽能空氣集熱器、太陽能輻射儀、風(fēng)機(jī)、空氣流量計(jì)、溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集儀等組成.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示.測(cè)試儀器及其精度見表1.

1—風(fēng)機(jī)，2—環(huán)境風(fēng)速測(cè)量儀，3—環(huán)境溫度測(cè)試儀，4—數(shù)據(jù)采集儀，5—空氣質(zhì)量流量計(jì)，6—太陽能輻射儀，7—空氣入口，8—平板型雙流道太陽能空氣集熱器，9—空氣出口圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental platform

儀器型號(hào)精度范圍太陽能輻射儀TRT-2±2%空氣流量計(jì)JY-LUGB1.5級(jí),±4.8 m3/h空氣溫度傳感器PT100A級(jí),±(0.15+0.002 t)℃吸熱板溫度傳感器K型熱電偶B級(jí),±0.75% t℃

2 集熱器數(shù)學(xué)建模

2.1 能量平衡方程

由集熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，空氣進(jìn)入集熱器后在上、下兩個(gè)流道內(nèi)與吸熱板進(jìn)行換熱.其換熱關(guān)系如圖3所示.圖中：h1為上流道空氣與玻璃蓋板的對(duì)流換熱系數(shù)；h4為下流道空氣與底板的對(duì)流換熱系數(shù)；Tf1、Tf2分別為上、下流道的空氣溫度；Ug、Ud分別為頂部和底部的熱損失系數(shù)；hpg、hpd分別為吸熱板與玻璃蓋板、底板的輻射換熱系數(shù)；h2、h3分別為上、下流道空氣與吸熱板的對(duì)流換熱系數(shù)；Tp、Ta、Tg以及Td分別為吸熱板溫度、環(huán)境溫度、玻璃蓋板溫度以及底板溫度.

圖3 集熱器換熱關(guān)系圖Fig.3 Heat transfer diagram of the collector

當(dāng)集熱器處于穩(wěn)態(tài)換熱且無空氣泄露的情況下，玻璃蓋板的能量平衡方程為

S1+hpg(Tp-Tg)+h1(Tf1-Tg)=

Ug(Tg-Ta)

(1)

式中：S1為玻璃蓋板吸收的太陽輻射量.上流道空氣在單位時(shí)間內(nèi)獲得的熱量為

Q1=h1(Tg-Tf1)+h2(Tp-Tf1)

(2)

吸熱板單位時(shí)間吸收的太陽輻射量為

S2=h3(Tp-Tf2)+h2(Tp-Tf1)+

hpg(Tp-Tg)+hpd(Tp-Td)

(3)

下流道空氣在單位時(shí)間內(nèi)獲得的熱量為

Q2=h3(Tp-Tf2)+h4(Td-Tf2)

(4)

底板能量平衡方程為

h4(Tf2-Td)+hpd(Tp-Td)=

Ud(Td-Ta)

(5)

式(1)和(3)的邊界條件為邊界上的熱流密度值，式(2)和(4)的邊界條件為邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h.

2.2 數(shù)值模擬方法

利用ANSYS Meshing對(duì)集熱器進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分.經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于7×105時(shí)模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，本文設(shè)定總網(wǎng)格數(shù)為 7.8×105.

由于空氣在集熱器中的流速較低，溫度變化較大，從而產(chǎn)生密度變化，因此采用Boussinesq假設(shè)考慮浮升力的影響.選取Realizablek-w湍流模型模擬集熱器中渦流和圓形射流等復(fù)雜流動(dòng).采用離散坐標(biāo)DO輻射模型模擬透明蓋板與集熱板間的輻射換熱.利用Fluent軟件的有限體積法對(duì)模型進(jìn)行求解.選用SIMPLE耦合解法對(duì)離散方程進(jìn)行求解.壓力插值方案選用Body Force Weighted格式.能量、動(dòng)量以及湍流方程均采用二階迎風(fēng)格式.相應(yīng)的邊界條件及物性參數(shù)如表2所示.

表2 邊界條件及物性參數(shù)Tab.2 Boundary conditions and material properties

2.3 集熱器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

在穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下，集熱器中空氣輸出的能量與集熱器采光面積和太陽輻射強(qiáng)度的乘積之比定義為集熱器的熱效率：

(6)

式中：m為空氣質(zhì)量流量；Cr為空氣的定壓比熱容；To為空氣出口溫度；Ti為空氣進(jìn)口溫度；Ag為集熱器的采光面積；GT為太陽輻射強(qiáng)度.

3 集熱器性能分析

3.1 模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

某一天的9:00到16:00，平均太陽輻射強(qiáng)度為651 W/m2，環(huán)境溫度為23.2 ℃，空氣出口溫度的實(shí)測(cè)值和模擬值如圖4所示.可以看出，模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，最大相對(duì)誤差為8.52%，即本文所述的模擬方法在一定程度上可以預(yù)測(cè)集熱器的實(shí)際運(yùn)行性能.此外，最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在早上9:00，原因在于此時(shí)的空氣出口溫度較低，在相同絕對(duì)誤差的條件下，相對(duì)誤差較高.

圖4 空氣出口溫度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison between the simulated and the measured air outlet temperature

3.2 集熱器模擬分析

選取某一天13:30時(shí)刻的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行集熱器模擬分析.太陽的輻射強(qiáng)度為725 W/m2，環(huán)境溫度為24.3 ℃，空氣進(jìn)口溫度為25.4 ℃，空氣入口的質(zhì)量流量為0.024 kg/s.集熱器空氣出口溫度以及集熱效率的模擬值分別為55.3 ℃和53.4%.集熱器吸熱板的溫度分布和流體域空氣流動(dòng)如圖5和6所示.

圖5 原始模型吸熱板溫度分布Fig.5 Temperature distribution of absorber plate in orginal model

圖6 原始模型集熱器流體域空氣流動(dòng)圖Fig.6 The air flow diagram of the flow field in orginal model

由圖5和6可知，空氣主要沿對(duì)角線方向流動(dòng).在空氣流動(dòng)方向，吸熱板溫度分布相對(duì)均勻，但流體域內(nèi)部卻存在大范圍的空氣流動(dòng)死區(qū)和明顯的局部渦旋，導(dǎo)致吸熱板表面出現(xiàn)局部高溫區(qū)，最高溫度達(dá)到127 ℃.此外，由于吸熱板與空氣換熱不充分，在渦旋區(qū)域空氣的滯留時(shí)間增加并且被不斷加熱，空氣溫度進(jìn)一步升高.與此同時(shí)，此部分空氣將熱量傳遞至玻璃蓋板，玻璃蓋板溫度升高的同時(shí)通過輻射換熱等方式將熱能耗散到外界環(huán)境之中，因此增加了集熱器的熱損，降低了集熱效率.

4 集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為消除集熱器內(nèi)流動(dòng)死區(qū)及局部漩渦，提出加裝平面無孔式擾流板和開孔型擾流板兩種優(yōu)化方案.擾流板在空氣流體域內(nèi)對(duì)空氣起到阻擋和導(dǎo)流作用，可增加空氣之間的干擾力度，也可使空氣的流程加長，因此更有利于流動(dòng)換熱.

4.1 加裝平面無孔式擾流板

擾流板以垂直于集熱器長邊交錯(cuò)等距布置，共4塊，長度為800 mm，厚度為0.5 mm.上、下流道擾流板寬度分別為26.2和20 mm，如圖7所示.

圖7 擾流板集熱器示意圖Fig.7 Schematic diagram of solar collector with baffles

加裝擾流板的集熱器吸熱板溫度分布和流體域流線如圖8和9所示.可以看出，擾流板對(duì)空氣起到阻擋和導(dǎo)流作用，使得空氣以S形流動(dòng)且與吸熱板的換熱更加充分，因此吸熱板的溫度分布更加均勻，最高溫度為91 ℃.加裝擾流板集熱器的空氣出口溫度為61.1 ℃，集熱效率為63.8%，集熱效率相對(duì)原始模型提高19.48%.

圖8 加裝擾流板集熱器吸熱板的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of absorber plate with baffles

圖9 加裝擾流板集熱器流體域流線圖Fig.9 Streamline diagram of the flow field with baffles

從圖8還可以看出，在空氣流動(dòng)的S形區(qū)域，換熱相對(duì)充分，吸熱板溫度較低，但在空氣流動(dòng)的主要路徑之外，仍存在明顯的吸熱板高溫區(qū).該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因?yàn)閿_流板背部空氣流動(dòng)性差，使得吸熱板產(chǎn)生局部渦旋，甚至出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，因此該區(qū)域與空氣換熱效果差，從而出現(xiàn)局部高溫區(qū).

4.2 加裝開孔型擾流板

為進(jìn)一步增加擾動(dòng)，消除流動(dòng)死區(qū)，在擾流板上等距離開設(shè)7個(gè)小孔，上、下流道擾流板開孔直徑分別為18和14 mm，如圖10所示.加裝開孔型擾流板的集熱器吸熱板溫度分布和流體域流線如圖11和12所示.可以看出，在相同環(huán)境參數(shù)，加裝開孔型擾流板后，吸熱板的溫度分布更加均勻，最高溫度減小為88 ℃；流體域內(nèi)空氣流動(dòng)的主特征仍然是S形流動(dòng)，部分空氣通過擾流板小孔噴射而出，使流體域內(nèi)空氣的擾動(dòng)性增強(qiáng)且空氣流動(dòng)區(qū)域面積更大，從而減小了擾流板背部的高溫區(qū)和流動(dòng)死區(qū)的面積；集熱器的空氣出口溫度為63.4 ℃，集熱效率為67.9%；相比于加裝傳統(tǒng)擾流板的優(yōu)化方案，集熱效率提高6.43%，相比于原始模型，集熱效率提高27.15%.

圖11 加裝開孔型擾流板集熱器吸熱板溫度分布Fig.11 Temperature distribution of absorber plate with perforated baffles

圖10 開孔型擾流板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structural diagram of perforated baffle

圖12 加裝開孔型擾流板集熱器流體域流線圖Fig.12 Streamline diagram of the flow field with perforated baffles

5 結(jié)語

為改善平板型雙流道太陽能空氣集熱器的熱力性能及空氣流動(dòng)特性，提出加裝平面無孔式擾流板和開孔型擾流板的兩種優(yōu)化方案.在相同環(huán)境參數(shù)下，加裝平面無孔式擾流板使空氣出口溫度由55.3 ℃提升為61.1 ℃，集熱效率由53.4%提高到63.8%；加裝開孔型擾流板使空氣出口溫度升高為63.4 ℃，集熱效率增加到67.9%，集熱效率相對(duì)原始模型提高27.15%.開孔型擾流板是太陽能空氣集熱器可行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式.