利用條縫射流強(qiáng)化無蓋板型太陽能集熱器性能

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0325 文章編號：0254-0096（2023）03-0533-08

摘 要：為提升無蓋板型太陽能空氣集熱器熱性能，設(shè)計(jì)一種條縫射流型太陽能空氣集熱器，并利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對其熱性能進(jìn)行分析。集熱器內(nèi)部流動及換熱特性的模擬結(jié)果表明，利用圓孔和擋片形成的條縫射流能對集熱板形成有效覆蓋，進(jìn)而提高進(jìn)氣與集熱板的對流換熱。射流條縫存在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)圓孔直徑為25 mm時，條縫寬度在3 mm處接近最優(yōu)；集熱效率則隨擋片直徑的增大而增大，是由于射流貼附效應(yīng)在變強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，條縫射流型集熱器的全天熱效率穩(wěn)定且高效。當(dāng)處理氣量為39 m3/h時，該集熱器全天熱效率穩(wěn)定在約48%，優(yōu)于傳統(tǒng)的無蓋板滲透型太陽能集熱器。

關(guān)鍵詞：太陽能空氣集熱器；無蓋板集熱器；集熱器效率；數(shù)值模擬；條縫射流

中圖分類號：TK513 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

太陽能空氣集熱器是以空氣為介質(zhì)將吸收的太陽輻射輸出到功能端的設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維護(hù)方便且無需防凍措施［1-3］等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的輔助供熱［4］、木柴及農(nóng)作物的干燥［5］等領(lǐng)域。

平板型太陽能空氣集熱器按照有無透光蓋板分為蓋板型集熱器和無蓋板型集熱器。蓋板型集熱器因其具有良好的保溫性能得到廣泛關(guān)注，為進(jìn)一步強(qiáng)化其熱性能，學(xué)者們提出肋片型［6-8］、滲透型［9-10］、回流型［11-12］和射流沖擊型［13-14］等多種類型的集熱器。而無蓋板型集熱器由于可直接接收太陽輻射，克服了蓋板透光材料的光反射和吸收損失，從而在熱性能方面具有更大潛力；但無蓋板集熱器通過在集熱板上開孔或條縫對進(jìn)氣進(jìn)行一次性加熱，存在換熱不充分的問題；同時將集熱板直接暴露在環(huán)境中，存在與環(huán)境的熱損失問題，因此具有較大的優(yōu)化空間。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在無蓋板型集熱器的性能分析與工程應(yīng)用方面開展了大量研究。王崇杰等［15］發(fā)現(xiàn)無覆蓋滲透型太陽能集熱器在新風(fēng)預(yù)熱領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。高立新等［16］發(fā)現(xiàn)無蓋板滲透型太陽能集熱器的集熱效率要優(yōu)于普通平板太陽能集熱器。Peci等［17］發(fā)現(xiàn)使用無蓋板太陽能集熱器的模塊化方法翻新建筑立面可被視為減少通風(fēng)和供暖能耗的替代方案。Moon等［18］研發(fā)并分析了一種基于PCM熱控制系統(tǒng)的無蓋板太陽能集熱器。文獻(xiàn)［19］發(fā)現(xiàn)沖擊射流能有效改善空氣與吸熱板之間的傳熱，提高無蓋板集熱器的熱效率，為提升無蓋板型集熱器的熱性能提供了新思路。

沖擊射流被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化換熱領(lǐng)域［20］。近年來，學(xué)者們針對旋轉(zhuǎn)沖擊射流［21-22］、脈沖射流［23-25］、準(zhǔn)環(huán)形射流［26］以及不同沖擊角度射流［27］的流動耦合傳熱特性進(jìn)行了廣泛研究，其強(qiáng)化傳熱主要是針對被沖擊板面，而針對射流被阻擋后，反射射流沖擊板面的強(qiáng)化傳熱特性的研究少見報(bào)道。

因此，本文設(shè)計(jì)一種利用條縫射流強(qiáng)化換熱的無蓋板型太陽能空氣集熱器，通過設(shè)計(jì)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生貼附條縫射流強(qiáng)化空氣與集熱板間的換熱，進(jìn)而降低集熱板與環(huán)境溫差，減小熱損失，提高集熱效率。本文運(yùn)用數(shù)值模擬分析集熱器的流動特性和換熱特性，探究條縫寬度和擋片直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對集熱效率的影響，最終搭建實(shí)驗(yàn)臺對其運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 條縫射流型集熱器模型

1.1 條縫射流強(qiáng)化換熱原理

條縫射流的形成原理如圖1所示。開孔集熱板和擋片吸收太陽輻射后，快速升溫。在集熱器出口處風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下，開孔集熱板外側(cè)與之換熱的空氣由圓孔吸入，沖擊擋片。隨后氣流在擋片和集熱板的夾逼作用下，形成環(huán)狀貼附條縫射流向四周發(fā)散射出，沖擊開孔集熱板下表面，以此加強(qiáng)空氣與集熱板的對流換熱。

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文原始模型為課題組綜合考慮工程應(yīng)用和施工安裝而自主設(shè)計(jì)的條縫射流型太陽能空氣集熱器，其腔室的內(nèi)部尺寸為1.0 m×0.5 m×0.11 m，圓形出口的直徑為0.06 m。集熱板上有橫向間距80 mm，縱向間距90 mm均勻分布的66個直徑為25 mm的圓孔，圓孔正下方6 mm處存在直徑為60 mm的同心圓形擋片。為模擬實(shí)際陽光照射效果，擋片分為與圓孔同心等大的內(nèi)圓部分和外環(huán)部分，并分別給定邊界條件。具體模型如圖2所示。

仿真運(yùn)用Gambit軟件進(jìn)行幾何建模。因?yàn)槟Ｐ椭虚_孔集熱板上的圓孔和擋片破壞了幾何結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是為減小網(wǎng)格疏密程度對數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。本次檢查以開孔集熱板的平均溫度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

開孔集熱板的平均溫度隨網(wǎng)格數(shù)增加而減小，且在網(wǎng)格數(shù)量超過171萬后大致收斂，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量大小，本文各仿真模型均控制在171萬的網(wǎng)格數(shù)。

1.3 模型及邊界條件的確定

條縫射流型集熱器內(nèi)部流動復(fù)雜，考慮到Realizable k-ε兩方程模型不僅對負(fù)壓梯度流動有較好的預(yù)測，而且對平面射流和圓形射流的散布率預(yù)測更加準(zhǔn)確。因此，本文的湍流模型選擇Realizable k-ε兩方程模型。

本文輻射模型采用S2S（surface to surface）輻射模型，其適用于零光學(xué)厚度的情況，即只考慮各表面間的輻射。本文數(shù)值模型只考慮擋片、其他壁面和開孔集熱板間的輻射傳熱。設(shè)置數(shù)值模型的邊界條件如表1所示。

1.4 數(shù)值模型可靠性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在河北省秦皇島市燕山大學(xué)東校區(qū)第一教學(xué)樓樓頂（39°90′N～119°55′E）。由于正午時刻的太陽能空氣集熱器的熱性能最穩(wěn)定，因此選取2021年7月20日12：00的溫度測量值做對比。試驗(yàn)中測點(diǎn)1～4沿集熱器中心線方向分布，其中測點(diǎn)1和3在集熱板下表面，用以反映集熱板溫度；測點(diǎn)2和4在集熱腔內(nèi)，用以反映腔內(nèi)空氣溫度；測點(diǎn)5位于集熱器出口，測量集熱器出口處空氣溫度，用以反映該集熱器的整體熱性能。

各測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)與仿真溫度的比較如圖4所示。結(jié)果表明，盡管測點(diǎn)1～4之間存在一定預(yù)測誤差（0.2%～6.9%），但反映總體熱性能的測點(diǎn)5的預(yù)測誤差僅為2.1%，證明該集熱器數(shù)值模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測其實(shí)際性能。

2 集熱器仿真分析

2.1 集熱效率和收斂標(biāo)準(zhǔn)

集熱效率表示在一定時間間隔內(nèi)，由傳熱工質(zhì)從集熱器內(nèi)帶走的熱量與同一時間間隔內(nèi)入射在該集熱器面積上的太陽能之比，如式（1）所示：

式中：[m]——集熱器空氣流量，kg/s；[cp]——空氣的定壓比熱容，J/（kg·K）；[Tout]——流動介質(zhì)出口溫度，K；[Tin]——流動介質(zhì)入口溫度，K；[A]——集熱板總面積，m2；G——太陽總輻照度，W/m2。

本文用ANSYS Fluent 2019R1模擬軟件進(jìn)行仿真。數(shù)值計(jì)算時，當(dāng)各殘差曲線減小為5個數(shù)量級，且集熱器出口處的空氣溫度穩(wěn)定時認(rèn)為收斂。

2.2 流動及換熱特性分析

圖5反映了條縫射流型集熱器內(nèi)兩個相鄰射流單元附近的局部流場特征。由圖5可知，該結(jié)構(gòu)可形成預(yù)期的流動形式，即空氣從集熱板上的圓孔進(jìn)入，沖擊擋片，隨后反向沖擊集熱板，并在集熱板和擋片之間的狹縫作用下，形成圓周條縫射流。但由于左側(cè)條縫射流單元的出流與主流流動方向相反，因此在擋片左背側(cè)形成貼附渦旋并發(fā)生流動分離，到擋片右背側(cè)，流動出現(xiàn)再附著。隨后，再附著流體與下游條縫射流再次作用，形成新的貼附渦旋，直至出口。由于貼附條縫射流幾乎覆蓋了集熱板下側(cè)的所有面積，達(dá)到對集熱板換熱面積的充分利用，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的熱性能。擋片背側(cè)的渦旋原本是一個不利的流動特征，但由于擋片正面的沖擊射流較強(qiáng)，且金屬擋片較薄，因此這一流動現(xiàn)象不至于對擋片的換熱產(chǎn)生不利影響。

圖6為條縫射流型太陽能集熱器集熱板的溫度分布。由圖6可知，集熱板圓孔邊緣的溫度最低，然后由中心向四周逐漸升高，呈環(huán)狀分布。圓孔周邊的溫度明顯比兩個圓孔之間過渡區(qū)域的溫度低。這是因?yàn)闂l縫射流沖擊集熱板的

強(qiáng)度必然會隨著空氣與圓孔中心距離的增加而減弱，空氣與集熱板的換熱強(qiáng)度也會隨之減弱。

結(jié)果表明，在當(dāng)前的開孔參數(shù)下，條縫射流作用形成的低溫區(qū)域較大，基本能夠?qū)崿F(xiàn)集熱板的全覆蓋。條縫射流強(qiáng)化換熱效果明顯，預(yù)期能夠改善傳統(tǒng)滲透型集熱器換熱不充分以及局部高溫的問題。

2.3 條縫寬度對集熱性能的影響

為研究條縫寬度對條縫射流型集熱器集熱效率的影響，運(yùn)用控制變量法對條縫寬度進(jìn)行仿真計(jì)算。由于條縫寬度小于2 mm時，條縫產(chǎn)生的阻力過大，所以本次仿真的條縫寬度分別設(shè)置為2、4、6、8和10 mm，得到集熱效率隨條縫寬度的變化如圖7所示。

仿真中集熱器的進(jìn)出口壓差保持不變，條縫寬度的變化會導(dǎo)致處理氣量的變化。為便于分析，圖中增加各條縫寬度對應(yīng)的處理氣量作參考。如圖7所示，隨著條縫寬度的增加，處理氣量快速增大至風(fēng)機(jī)飽和流量，而后基本維持不變，而集熱效率則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢判斷，條縫寬度約為3 mm時，預(yù)期集熱效率最大。

氣流與集熱板進(jìn)行對流換熱，其熱邊界層厚度將成為影響性能的重要因素。當(dāng)條縫寬度小于3 mm時，條縫的流通阻力較大，阻礙空氣流入，使得較小的處理氣量不能及時帶走集熱板的熱量，導(dǎo)致集熱板與外界環(huán)境間存在較大溫差，造成熱損失，因此集熱效率較小。在條縫寬度增大，且未達(dá)到最大熱邊界層厚度時，集熱板和擋片均能對氣流進(jìn)行有效加熱，同時增大的空氣流量會帶走更多熱量，在3 mm條縫時效率達(dá)到最高。

為探究條縫寬度超過3 mm后，集熱效率減小的原因，繪制出條縫寬度分別為4、6、8和10 mm的局部流線圖8。如圖8d所示，由于條縫較寬，在空氣沖擊擋片后發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)并形成貼附射流的過程中，射流邊界與集熱板下表面存在未被射流沖擊的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)原本靜止的空氣在周邊射流影響下，形成渦旋。渦旋會阻礙條縫射流帶走其附近集熱板的熱量，從而造成熱損失，降低集熱效率。隨后通過分析圖8中不同條縫寬度時渦旋的大小可知，隨著條縫寬度的增加，逐漸增大的渦旋會增強(qiáng)對條縫射流與集熱板之間換熱的干擾，造成更大的熱損失，使得集熱效率在超過3 mm后逐漸減小。

2.4 擋片直徑對集熱性能的影響

為研究擋片直徑對條縫射流型集熱器集熱效率的影響，通過控制變量法對擋片直徑分別為20、30、40、50和60 mm進(jìn)行仿真計(jì)算，得出集熱效率隨條縫寬度的變化如圖9所示。仿真中，集熱板上圓孔直徑為25 mm，并控制進(jìn)出口壓差不變。如圖9可知，在擋片直徑為20～60 mm的范圍內(nèi)，集熱效率隨擋片直徑的增大而增大，但增長率逐漸減小。

當(dāng)擋片直徑小于圓孔直徑即小于25 mm時，擋片對氣流的約束小，因擋片作用而形成貼附集熱板下表面的條縫射流的空氣量減少，部分空氣不能以條縫射流的形式參與強(qiáng)化換熱，從而導(dǎo)致集熱效率偏低；當(dāng)擋片直徑超過25 mm時，絕大部分空氣均形成條縫射流，空氣量不再變化。但擋片對氣流的約束進(jìn)一步增強(qiáng)，隨著擋片直徑的增大，條縫射流作用于集熱板的面積增大，集熱效率升高。又因?yàn)閮上噜張A孔間距固定，當(dāng)兩相鄰擋片邊緣越接近，條縫射流作用面積越接近集熱板下表面總面積，因此集熱效率的增長率逐漸減小，集熱效率逐漸平緩。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

通過搭建實(shí)驗(yàn)臺，驗(yàn)證條縫射流型集熱器在真實(shí)氣象條件下的工作特性。實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)如圖10所示，其中集熱器的條縫寬度為3 mm，擋片直徑為60 mm，風(fēng)量控制為39 m3/h，傾角為45°，朝向?yàn)檎戏较颉?/p>

歐米伽熱線風(fēng)速儀用于測量出口流速并換算為體積流量。壓差計(jì)用于測量出口風(fēng)壓?？傒椛浔鞹BQ-2用于檢測實(shí)驗(yàn)日的太陽輻照度，使用時傾角與集熱器保持一致。安捷倫采集儀34972A用于實(shí)時采集測點(diǎn)溫度和太陽輻照度，數(shù)據(jù)采集間隔為5 min。環(huán)境風(fēng)速采集的時間間隔為15 min。為保證進(jìn)氣的均勻性，在集熱器的出口處安裝軸流風(fēng)扇，使集熱器腔內(nèi)形成負(fù)壓，從而吸入外界空氣。

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自2021年7月20日。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄前，將集熱器在陽光下通氣運(yùn)行1 h，以減小集熱器初始狀態(tài)的影響。正式實(shí)驗(yàn)均于08：00開始，16：00結(jié)束，實(shí)驗(yàn)時間持續(xù)約8 h。實(shí)驗(yàn)儀器的主要參數(shù)見表2。

3.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于實(shí)驗(yàn)儀器的隨機(jī)誤差，計(jì)算各實(shí)驗(yàn)儀器的誤差如表3所示。最后，根據(jù)式（2）計(jì)算得到系統(tǒng)總誤差[WR]為6.4%，符合試驗(yàn)要求。

式中：[R]——實(shí)驗(yàn)中變量（如溫度）的變化范圍；[x1～xn]——變量（如溫度）的實(shí)際測量值；[w1～wn]——測量儀器[i]的準(zhǔn)確度等級。

3.3 熱性能分析

試驗(yàn)當(dāng)天的氣象條件如圖11所示，環(huán)境風(fēng)速全天變化不大且數(shù)值較小，在0～3 m/s之間波動。

太陽輻照度曲線基本呈拋物線狀，最大太陽輻照度為960 W/m2。由于在08：30和11：00附近出現(xiàn)多云天氣，太陽輻照度曲線在此時段存在明顯波動。

通過處理測量設(shè)備所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到條縫射流型集熱器運(yùn)行情況如圖12所示。其中圖12a為條縫射流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖，由圖可知，試驗(yàn)當(dāng)天的環(huán)境溫度為（28.5±3.5） ℃。圖中1、2、3為集熱板上距離圓孔中心越來越遠(yuǎn)且間距相等的3個測點(diǎn)。

通過比較3個測點(diǎn)的溫度可看出，距離圓孔中心越遠(yuǎn)，集熱板上的溫度越高，且1、2點(diǎn)間的溫差較大，2、3點(diǎn)間的溫差較小、幾乎重疊。由此得出，集熱板因條縫射流的冷卻效應(yīng)，在圓孔周圍存在明顯的溫度梯度，且此溫度梯度距離圓孔中心越遠(yuǎn)而越小，即表現(xiàn)為溫度曲線越接近重疊。試驗(yàn)結(jié)果證明了條縫射流對增強(qiáng)空氣與集熱板之間換熱強(qiáng)度的有效性，而且形成的板面溫度變化趨勢與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖12b為數(shù)據(jù)處理得到的集熱器性能曲線。由圖可知，由于該集熱器的流量保持恒定，其進(jìn)出口溫差呈明顯的拋物線型，與太陽輻照度的變化一致，其中最大溫差可達(dá)16 ℃。而條縫射流型集熱器的全天集熱效率曲線雖有波動，但其變化趨勢并非呈拋物線型，而是全天基本穩(wěn)定，大致呈一條水平線，計(jì)算得到其全天的平均效率為48.1%。此外，為與相同風(fēng)量的文獻(xiàn)［28］中無蓋板滲透型太陽能集熱器比較，將條縫射流型集熱器的風(fēng)量提升至93 m3/h進(jìn)行試驗(yàn)，全天的平均集熱效率為82.4%，比文獻(xiàn)中集熱器高24.4%。

無蓋板型集熱器的集熱效率全天保持穩(wěn)定是其重要特征，它不像蓋板型集熱器的集熱效率與太陽輻照度趨勢類似，呈拋物線狀［29］。主要原因在于，蓋板型集熱器的性能受制于透光材料的反射和入射特性。當(dāng)入射角度比較大時，透明蓋板的反射率非常高，太陽輻射不能有效進(jìn)入集熱器而被捕獲。而對于無蓋板型集熱器，太陽輻射以任意角度入射均能被有效吸收，這導(dǎo)致集熱器進(jìn)出口溫差變化與太陽輻照度的變化趨勢一致。再結(jié)合式（1）關(guān)于集熱效率的定義，則不難理解為何條縫射流型集熱器的集熱效率能夠基本保持穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文以仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為研究手段，對條縫射流型太陽能集熱器進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）揭示了條縫射流型集熱器的內(nèi)部流動及換熱特性。圓孔與擋片形成的條縫射流能夠有效覆蓋集熱板下表面，以實(shí)現(xiàn)集熱面積的充分利用；貼附射流強(qiáng)化換熱效應(yīng)顯著，能在圓孔周圍形成較大低溫區(qū)，改善傳統(tǒng)滲透型集熱器換熱不充分和局部高溫的問題。

2）分析了條縫結(jié)構(gòu)參數(shù)對集熱效率的影響。當(dāng)條縫寬度為2～10 mm范圍內(nèi)變化時，集熱效率隨條縫寬度的增加，先增大后減小，且條縫寬度在3 mm時集熱效率最大；集熱效率隨擋片直徑的增加而增大，但增長率逐漸減小。

3）研究了條縫射流型集熱器的實(shí)際運(yùn)行特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅證明了條縫射流對增強(qiáng)空氣與集熱板之間換熱的有效性，同時也表明，無蓋板型集熱器的全天熱性能表現(xiàn)更為穩(wěn)定，并且顯著改善了傳統(tǒng)的無蓋板滲透型太陽能集熱器的熱性能。

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PERFORMANCE ENHANCEMENT OF UNGLAZED SOLAR

COLLECTOR BY SLIT JET

Jin Jian1，2，Hu Jianjun1，2，Hu Gui1，2，Du Shenghua1，2

（1. Hebei Province Low-Carbon and Clean Building Heating Technology Innovation Center， Yanshan University， Qinhuangdao 0660004， China；

2. Key Laboratory of Green Construction and Intelligent Maintenance for Civil Engineering of Hebei Province，

Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China）

Abstract：To improve the thermal performance of the unglazed solar air collector， a solar air collector using slit jet is designed， and its performance is analyzed experimentally and numerically. The simulation results of the internal flow and heat transfer characteristics of the collector show that the wall-attached slit jet formed by the circular holes and baffles can effectively cover the perforated absorber plate and thus improve the convective heat transfer between the air and the absorber plate. The optimal width of the slit is 3 mm when the diameter of the circular hole is 25 mm. The heat collection efficiency increases with the increase of baffle diameter because of the strong wall attachment effect. The experimental results show that the all-day thermal efficiency of the slit-jet solar air collector is stable and efficient. The all-day thermal efficiency of this solar air collector is up to 48% when the flow rate is 39 m3/h，which is better than the traditional unglazed solar air collector.

Keywords：solar air collector； unglazed collectors； collector efficiency； numerical simulation； slit jet