太陽能雙效集熱器流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究①

馬進(jìn)偉， 杜 濤， 方 浩， 劉 爽， 陳茜茜， 李 蔥

(1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230601；2.合肥中南光電有限公司,安徽 合肥 231600；3.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

優(yōu)化集熱器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)能夠有效提高集熱性能和效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。Singh等[1-5]提出在吸熱板背部安裝幾何形狀不同的流阻結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試論證等方式研究空氣集熱過程，分析流阻結(jié)構(gòu)對(duì)集熱效率的影響；王林軍等[6-8]則對(duì)平板型雙流道的空氣集熱器開展模擬和實(shí)驗(yàn)，利用增加的流道長(zhǎng)度強(qiáng)化空氣與吸熱板間的換熱，集熱效率最高可以達(dá)到67.9%。童維維等[9-10]利用Fluent軟件對(duì)光電/光熱多功能模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合數(shù)據(jù)分析了流道尺寸、入口流量等影響集熱效率的多種因素。Ma等[11]提出一種新型雙效平板集熱器，并將集熱器與建筑相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)的冬季采暖模式展開理論與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合上述，目前有關(guān)空氣集熱的研究已較多，而有關(guān)水集熱、空氣-水復(fù)合集熱模式的模擬研究還少有涉及。提出一種翅片[12-14]-擋板式流道結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡(jiǎn)單。利用CFD數(shù)值模擬翅片-擋板式雙效集熱器在不同集熱模式下的傳熱特性，通過溫度分布云圖對(duì)比分析增設(shè)擋板結(jié)構(gòu)對(duì)集熱性能的影響，優(yōu)化空氣/水雙工質(zhì)循環(huán)高效換熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升集熱器的綜合性能。

1 雙效集熱器構(gòu)造

雙效集熱器主要由玻璃蓋板、吸熱板、銅管、保溫層構(gòu)成，模型長(zhǎng)1900 mm，寬1000 mm，高75 mm。玻璃蓋板的厚度為5 mm，與吸熱板之間有15mm的空氣夾層，吸熱板的下表面焊接8根外徑11 mm的銅管，兩端與直徑22 mm的水管干管相連?？諝膺M(jìn)出口設(shè)置在集熱器上下兩端，呈直線型。35 mm的空氣流道內(nèi)布置翅片-擋板式阻流結(jié)構(gòu)。翅片為粘附在吸熱板上，距離換熱銅管兩側(cè)55 mm處15(高)×0.4(厚)mm的鋁片，擋板對(duì)稱分布在翅片的兩側(cè)，總寬度為60mm，高度與翅片平齊，具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)稱性高的特點(diǎn)。集熱器邊框以及底部均采用玻璃纖維進(jìn)行保溫，保溫層厚度分別為3 mm、15 mm。圖1為翅片-擋板式雙效集熱器的結(jié)構(gòu)。

1.空氣入口 2.水入口 3.空氣出口 4.水出口 5.保溫層 6.翅片 7.擋板 8.玻璃蓋板 9.換熱銅管 10.空氣層 11.空氣流道 12.吸熱板

2 建立模型

2.1 控制方程和計(jì)算模型

建立集熱器數(shù)學(xué)模型滿足以下假設(shè)：①集熱器換熱過程是常物性流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②集熱器的輻射散熱忽略不計(jì)；③吸熱板接收的太陽輻照能等效為內(nèi)熱源，加熱水和空氣；④吸熱板溫度關(guān)于銅管對(duì)稱分布。

模擬中工質(zhì)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)有如下控制方程：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量方程

(3)

經(jīng)計(jì)算，空氣、水流動(dòng)為低雷諾數(shù)的湍流，Realizable k-ε模型[15]對(duì)流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分離以及復(fù)雜二次流解釋更為合理，因此選擇Realizable k-ε計(jì)算模型，其表達(dá)式如下：

Pκ+Pb-ρε-YM+Sκ

(4)

式中：ρ為流體密度；κ為流體紊動(dòng)能；μj為流體豎直方向上的速度分量；μ為分子粘性系數(shù)；μL為混合長(zhǎng)度為L(zhǎng)的分子粘性系數(shù)；ε為流體紊動(dòng)能耗散率；σk為流體湍動(dòng)能κ的湍流普朗特?cái)?shù)；σε為紊動(dòng)能耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Pκ為平均速度梯度的湍動(dòng)能；Pb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響參數(shù)；Sκ、Sε均為源項(xiàng)；υ為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε均為常數(shù)，C1ε=1.41～1.45，C2ε=1.91～1.92，C3ε=0.07～0.09。

采用DO模型模擬玻璃蓋板與吸熱板間的輻射換熱，其方程為：

(5)

2.2 求解方法

利用GAMBIT對(duì)集熱器建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用局部結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對(duì)出口、吸熱板壁面進(jìn)行加密處理，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到220萬時(shí)，模擬趨于穩(wěn)定，因此模型的網(wǎng)格總數(shù)為220萬。

模擬計(jì)算過程采用三維雙精度壓力基求解以及DO輻射模型中的solar計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，在空氣集熱模式下，選擇SIMPLIC算法處理速度與壓力基的耦合，空氣-水復(fù)合集熱模式下選擇COUPLED算法，離散方程選擇二階迎風(fēng)差分格式。

2.3 邊界條件及材料參數(shù)

氣象參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)TMY數(shù)據(jù)，時(shí)間設(shè)定在7月21日13:00，地點(diǎn)合肥市(N31.83°，E117.25°)?？諝獠捎肂oussinesq假設(shè)，可以減少計(jì)算量加快模擬收斂。模擬過程中，工質(zhì)流體采用速度入口、壓力出口的邊界條件，玻璃蓋板設(shè)置為混合邊界，保溫層、邊框設(shè)置為絕熱邊界，吸熱板與空氣存在流固耦合傳熱現(xiàn)象，設(shè)置為耦合邊界，進(jìn)行熱量傳遞計(jì)算。集熱器材料的物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.4 集熱性能評(píng)價(jià)

單位時(shí)間內(nèi)集熱工質(zhì)的有效得熱量與集熱器所接太陽輻照能的比值定義為瞬時(shí)集熱效率：

(6)

綜合集熱效率用于評(píng)價(jià)空氣-水復(fù)合集熱的性能：

ηc=ηa+ηw

(7)

式(7)中：ηc為綜合效率；ηa為空氣集熱效率；ηw為水集熱效率。

3 模擬過程與結(jié)果分析

3.1 空氣集熱過程模擬

圖2為空氣集熱模式下翅片式和翅片-擋板式集熱器吸熱板溫度分布云圖。兩種流道結(jié)構(gòu)均設(shè)定相同的初始參數(shù)，空氣入口質(zhì)量流量為0.012 kg/s，進(jìn)口溫度300K。結(jié)果顯示，翅片式集熱器的空氣出口平均溫度為361.85 K，瞬時(shí)集熱效率為53.13%；翅片-擋板式集熱器的空氣出口平均溫度為364.47 K，瞬時(shí)集熱效率為55.39%，相比翅片式提高2.26%。

a 翅片式

由溫度分布云圖可見，兩者的吸熱板溫度呈U型分布，且溫度分層明顯，翅片式、翅片-擋板式集熱器吸熱板的平均溫度分別為373.82 K、371.31 K。顯然翅片-擋板式集熱器的吸熱板溫度更低，水平方向溫度分布更加均勻，這是因?yàn)槌崞?擋板式流道結(jié)構(gòu)對(duì)空氣的擾流作用增大，強(qiáng)化了空氣與集熱板間的對(duì)流換熱過程，使得空氣出口溫度進(jìn)一步升高。

兩者玻璃蓋板的溫度分布對(duì)比如圖3所示。不難看出，增加擋板結(jié)構(gòu)使得玻璃蓋板的溫度場(chǎng)波動(dòng)幅度減小。數(shù)據(jù)顯示：翅片式集熱器玻璃蓋板的最高溫度達(dá)到314 K左右，集熱損失為193.18 W/m2；加設(shè)擋板后，玻璃蓋板的最高溫度降低，集熱損失為185.97 W/m2，相比翅片式減少7.21 W/m2，表明有更多的熱量被空氣吸收，因此翅片-擋板式集熱器具有更高的的空氣集熱效率。

a 翅片式

3.2 水集熱過程模擬

圖4反映了水集熱模式下翅片式和翅片-擋板式集熱器吸熱板的溫度分布。初始參數(shù)中，水流量為0.036 kg/s，入口水溫300 K。模擬顯示：翅片式集熱器水流出口平均溫度為307.48 K，瞬時(shí)集熱效率為73.37%，吸熱板最高溫度達(dá)到326 K，平均溫度為317.1 K，平均輻射散熱量為38.37 W；翅片-擋板式集熱器水流出口平均溫度為307.52 K，瞬時(shí)集熱效率為73.76%，吸熱板最高溫度達(dá)到325 K，平均溫度為316.65 K，平均輻射散熱量為22.7 W。結(jié)合銅管橫截面溫度分布，增設(shè)擋板后，銅管間熱損失減小，出口水溫提高，因此水集熱效率較翅片式稍有提高。

a 翅片式

圖5為水集熱模式下玻璃蓋板溫度的模擬結(jié)果。分析數(shù)據(jù)可知，翅片式集熱器的玻璃蓋板總熱損系數(shù)為4.51 W/(m2·K)，熱損失為49.26 W/m2；翅片-擋板式的玻璃蓋板總熱損系數(shù)為4.16 W/(m2·K)，熱損失為48.38 W/m2，熱損系數(shù)和熱損失大小較翅片式集熱器均有小幅度下降。通過溫度云圖可見，兩種流道結(jié)構(gòu)的玻璃蓋板溫度分布基本一致，平均溫度、最高溫度沒有明顯的差別。結(jié)合上述，增設(shè)擋板結(jié)構(gòu)將不影響水集熱過程和集熱水效率。

a 翅片式

3.3 空氣-水復(fù)合集熱過程模擬

空氣-水復(fù)合集熱模式下，初始參數(shù)設(shè)定為：空氣入口流量0.012 kg/s，水流入口流量0.036 kg/s，空氣和水的入口溫度均為300 K。翅片式和翅片-擋板式雙效集熱器吸熱板溫度模擬結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示：集熱器空氣出口平均溫度為311.72 K，水流出口平均溫度為306.27 K，玻璃蓋板熱損失為42.68 W/m2，空氣集熱效率為9.98%，水集熱效率為67.33%。翅片-擋板式集熱器空氣出口平均溫度為313.03K，水流出口平均溫度為306.22K，玻璃蓋板熱損失為30.58 W/m2，空氣集熱效率為11.19%，集熱水效率為66.79%。對(duì)比可知，復(fù)合集熱模式下翅片-擋板式結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了空氣換熱效果，吸熱板向水的傳熱減少使得空氣集熱效率上升，集熱水效率稍有下降，但增設(shè)擋板結(jié)構(gòu)后集熱器的綜合效率進(jìn)一步得到提高。

a 翅片式

3.4 流道進(jìn)出口結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合上文，增設(shè)擋板能夠有效提升空氣集熱效率，為進(jìn)一步探究空氣進(jìn)出口位置對(duì)集熱效率的影響，基于翅片-擋板式集熱器改變空氣流動(dòng)方向，將空氣流道的進(jìn)出口分別設(shè)置在集熱器邊框兩側(cè)，呈對(duì)角分布，通過模擬結(jié)果與直線型空氣流動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化空氣流道進(jìn)出口結(jié)構(gòu)。

空氣集熱模式下，對(duì)角型流道各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定與直線型流道的模擬參數(shù)完全一致。集熱器的玻璃蓋板吸熱板、溫度分布如圖7所示。由圖可知，玻璃蓋板的最高溫度為314 K，吸熱板的最高溫度達(dá)到398 K，平均溫度為370.3 K。模擬表明，吸熱板的平均輻射散熱量為121.9 W，集熱器的總熱損系數(shù)為9.27W/(m2·K)，熱損失為178.58W/m2。經(jīng)計(jì)算，集熱器的空氣平均出口溫度為360.64 K，瞬時(shí)集熱效率為52.10%，相比直線型空氣流道集熱效率下降2.29%，表明直線型空氣流動(dòng)方式有更佳的換熱效果。

a.吸熱板

由于改變空氣流動(dòng)方向?qū)为?dú)的水集熱過程沒有太大影響，因此還需要模擬對(duì)角型空氣流道集熱器的空氣-水復(fù)合集熱過程，模擬的初始參數(shù)與直線型空氣流道的雙效模式工況保持一致。

空氣-水復(fù)合集熱過程的模擬結(jié)果顯示，吸熱板的最高溫度為324 K，平均溫度為314.68 K，平均輻射散熱量為21.28 W，玻璃蓋板的熱損失為53.27 W/m2。集熱器的空氣出口溫度為309.91 K，空氣集熱效率為8.51%，水出口溫度為305.93 K，集熱水效率為63.68%。對(duì)比可知，相同的初始參數(shù)下直線型空氣流道的空氣集熱效率更高，綜合性能更為優(yōu)異。

4 結(jié) 論

1)空氣集熱模式下，翅片-擋板式結(jié)構(gòu)有一定的擾流作用，吸熱板溫度降低，玻璃蓋板熱損失減少，空氣集熱效率達(dá)到55.39%，相對(duì)翅片式集熱器提高2.26%。

2)水集熱模式下，兩種集熱器對(duì)應(yīng)的水流出口溫差很小，集熱效率接近，表明增設(shè)的擋板結(jié)構(gòu)對(duì)水集熱過程沒有明顯影響，各項(xiàng)性能參數(shù)基本保持不變。

3)空氣-水復(fù)合集熱模式下，擋板結(jié)構(gòu)能夠在保證水溫的前提下，提高空氣出口溫度，綜合效率更高。

4)模擬工況下，相比于對(duì)角型空氣流動(dòng)，直線型空氣流動(dòng)表現(xiàn)出更佳集熱性能。

5)翅片-擋板式雙效集熱器的流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，可增強(qiáng)空氣與吸熱板間的對(duì)流換熱，提升集熱效率，為集熱器流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了選擇方案和理論依據(jù)。