整體式太陽能空氣集熱器傳熱性能分析

吳國玉，胡明輔，袁 江，畢二朋

(昆明理工大學 太陽能工程研究所，云南 昆明650500)

0 引言

近年來，太陽能熱利用系統(tǒng)的主要研究發(fā)展任務是降低太陽能集熱器的生產(chǎn)制造成本，簡化設備安裝，提高系統(tǒng)運行效率和可靠性。在太陽能低溫利用系統(tǒng)中，決定成本和效率的關鍵部件是平板集熱器;而在建筑采暖、通風、農(nóng)產(chǎn)品干燥、除濕等實際工程應用中，目前采用的是平板型太陽能空氣集熱器［1］。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的學者通過計算機數(shù)值模擬軟件對集熱器集熱性能及參數(shù)間的關系進行了大量的研究分析。在太陽能空氣集熱器集熱性能研究領域中CFD得到了相關應用。

CFD是通過計算機進行數(shù)值計算和圖像顯示，分析流體流動和傳熱等相關物理現(xiàn)象的一種數(shù)值模擬分析方法。因為其簡單便捷，可快速得到數(shù)值模擬結(jié)果;并可以通過簡化物理模型，使問題求解變得容易，使模擬最大限度的接近于真實［2－3］;可以直觀看到集熱器內(nèi)部的流場和溫度場分布，比實驗研究所測試的數(shù)據(jù)要詳細。

Arulanandam［4］等人通過CFD方法對吸熱板上的圓孔進行了研究，并得到吸熱板效率的相關性方程。張立平［5］等人根據(jù)簡化的數(shù)學模型，利用CFD軟件對太陽能空氣集熱器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，并得到了集熱器較好的運行工況。王崇杰［6］等人在CFD數(shù)值模擬的基礎上，制作了幾種滲透型太陽能空氣集熱器實驗模型，對其送風溫度、太陽輻射強度和熱效率進行了模擬研究。彭冬根［7］等人運用CFD軟件模擬圓柱陣列集熱器內(nèi)的流場、溫度場分布情況;通過模擬數(shù)據(jù)分析，得出圓柱陣列式空氣集熱器的對流換熱準則方程。丁剛［8］等人利用CFD模擬軟件對傳統(tǒng)平板太陽能空氣集熱器的流道進行了改進研究;研究表明:改進后的集熱器內(nèi)部流場和溫度場分布均勻，集熱器出口流體溫度明顯提高。胡建軍［9］等人利用CFD模擬軟件對折流板型太陽能空氣集熱器進行了分析研究，通過改變集熱器流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對其進行數(shù)值優(yōu)化;模擬結(jié)果表明:集熱器流道內(nèi)安置折流板，可有效提高空氣集熱器的集熱效率。

本文利用CFD軟件對整體式太陽能空氣集熱器進行數(shù)值模擬計算，得到集熱器進口流體流速、流體溫度、太陽輻照度對集熱器集熱效率、沿程溫度分布、出口溫度的影響關系。以期可以為整體式太陽能空氣集熱器的設計、優(yōu)化、選型提供理論參考依據(jù)。

1 物理模型

整體式太陽能空氣集熱器幾何結(jié)構(gòu)模型主要由集熱器主體、集熱器進口、集熱器出口、集熱器吸熱板等四部分組成。由于三維建模，可以使物理模型以及內(nèi)部流體流動更為真實，更符合實際情況。因此，創(chuàng)建三維整體式太陽能空氣集熱器幾何模型。

圖1是整體式太陽能空氣集熱器示意圖。整體式太陽能空氣集熱器的進口和出口位于流道的兩端，空氣可以均勻流過吸熱板，內(nèi)部基本不存在空氣流動滯留區(qū)域，空氣流動通暢，阻力較小，吸熱板與空氣對流換熱充分。該示意圖的集熱器底板和邊框由酚醛樹脂保溫材料構(gòu)成。其相關尺寸為長X=15 m，寬Y=2 m，高Z=0.2 m;集熱器進出口尺寸為長L=0.4 m，寬W=0.15 m，吸熱板厚2 mm，翅片尺寸0.6 m，翅片間距0.2 m，翅片數(shù)n=15。選擇六面體網(wǎng)格單元類型，采取Submap劃分方法，即將不規(guī)則的區(qū)域劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在每個區(qū)域上生成規(guī)則網(wǎng)格;對壁面附近進行加密處理，滿足y+=30［10］;整體式太陽能空氣集熱器具有流場對稱性好的特點。

圖1 整體式太陽能空氣集熱器物理模型及網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬及分析

建立整體式太陽能空氣集熱器數(shù)學物理模型，對不同工況下的太陽能空氣集熱器的工作狀況進行數(shù)值模擬;在模擬過程中，作者對邊界條件設定了一定的變化范圍，研究整體式太陽能空氣集熱器在全新風工況下的集熱性能及其影響因素。

模擬采用的邊界條件設置如下:進口為空氣速度入口;出口為自由出流;集熱器側(cè)面和背面作絕熱處理;吸熱板作為內(nèi)熱源，恒定熱流密度等效于太陽輻射能;吸熱板表面換熱系數(shù)20 W/m2·K;吸熱板與集熱器內(nèi)部計算區(qū)域(空氣)的共同邊界采用耦合邊界條件;選擇Fluent6.3內(nèi)置的k－ε湍流模型。同時激活能量方程，使用(Pressure Based)分離式求解器，穩(wěn)態(tài)隱式(Implicit)格式求解;速度壓力耦合方式采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法的數(shù)值求解方法。在方程進行離散時，對壓力項、對流項和擴散項都選用一階迎風格式。為保證解的收斂穩(wěn)定性及精度，可以將殘差的精度控制均設為10－3。

2.1 湍流模型

標準k－ε模型為雙方程模型，是目前應用最為廣泛的雙方程湍流模型。在關于湍動能k的方程的基礎上，再引入一個關于湍動耗散率ε的方程，便形成了標準k－ε方程模型［11－12］。在模型中，表示湍動耗散率的ε定義為

湍動黏度μt可表示成k和ε的函數(shù)，即

在標準k－ε方程模型中，k和ε是兩個基本未知量，與之相對應的輸運方程為

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

Gb——由浮升力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;

YM——可壓縮湍流中脈動膨脹對總的耗散率的影響;

Prt——湍動普朗特數(shù)，在標準k－ε模型中可取Prt=0.85;

gi——重力加速度在第i方向上的分量;

β——熱膨脹系數(shù);

Mt——湍流Mach數(shù);

a——聲速;

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗常數(shù)，取值分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09;

σk、σε——湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數(shù)，取值分別為 σk=1.0、σε=1.3。

2.2 數(shù)值模擬過程及分析

在太陽輻照度為600 W/m2，進口空氣溫度為288 K情況下，通過改變集熱器進口流體流速分別進行模擬。集熱器進口空氣速度分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s;圖2是四種不同集熱器進口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

從圖2集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:當集熱器流道內(nèi)的空氣流速過小時，在集熱器出口處雖然會產(chǎn)生較高溫度的熱空氣，但是由于流體流速過小，造成集熱器吸熱板局部溫度過高，熱損失過大，導致集熱器的熱效率偏低。當進口空氣速度為4 m/s時，流道內(nèi)的流體溫度分布比較均勻，空氣在集熱器沿程流動方向上溫度逐漸升高，溫度梯度比較明顯，是因為空氣與吸熱板進行了較為充分的換熱。從圖3可以看出:當流體流速較小時，增大流體流量，可以迅速提高集熱器的集熱效率。隨著流體流速的增大，集熱器出口單位體積流體帶走吸熱板的熱量減小，集熱器出口流體溫度降低，集熱器的集熱效率提高幅度緩慢，并趨于穩(wěn)定。因此，整體式太陽能空氣集熱器的流體流速存在最佳值。

圖2 不同集熱器進口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場分布

圖3 集熱效率與進口流體流速間的關系曲線

在太陽輻照度為600 W/m2，進口空氣流速為4 m/s情況下，通過改變集熱器進口流體溫度分別進行模擬。集熱器進口空氣溫度分別為278 K、283 K、288 K、293 K;圖4是四種不同集熱器進口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

圖4 不同集熱器進口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場分布

從圖4的集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:流體在集熱器內(nèi)部沿程流動方向上，載熱工質(zhì)空氣溫度逐漸升高;從圖5可以看出:隨進口流體溫度的升高，集熱器的集熱效率有下降的趨勢;主要原因是進口空氣溫度越高，載熱工質(zhì)空氣與吸熱板之間的傳熱溫差越小，從而降低集熱器內(nèi)部吸熱板與載熱流體間的對流換熱系數(shù)，造成集熱器集熱性能下降。

圖5 集熱效率與進口流體溫度的關系曲線

在集熱器進口空氣流速為4 m/s，進口溫度為288 K情況下，通過改變太陽輻照強度分別進行模擬。太陽輻照強度分別為500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2;圖6是四種不同太陽輻射強度下集熱器內(nèi)部溫度場分布圖。

圖6 不同太陽輻射強度下集熱器內(nèi)部溫度場分布

從圖6的集熱器內(nèi)部溫度場中可以看出:當太陽輻射強度增大時，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽輻射量增加，集熱器吸熱板溫度升高;在吸熱板溫度升高的同時，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽輻射量減弱。從圖7中可以看出:集熱器的集熱效率隨太陽輻射強度的波動很小，說明整體式太陽能空氣集熱器的集熱效率與其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及運行參數(shù)有關，受太陽輻射強度影響不大。

圖7 集熱效率與太陽輻射強度間的關系曲線

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖8的集熱器內(nèi)部溫度場分布可以看出:在太陽輻射強度、進口空氣溫度一樣的條件下，流道內(nèi)的空氣溫度隨集熱器進口空氣速度的增加而降低;從圖9的集熱器內(nèi)部溫度場分布圖可以看出:在太陽輻射強度、空氣進口速度一樣的條件下，集熱器出口的空氣溫度隨進口空氣溫度的升高而增大。

圖8 不同集熱器進口流體流速下集熱器溫度場分布

圖9 不同集熱器進口流體溫度下集熱器溫度場分布

3 結(jié)論

通過CFD軟件對整體式太陽能空氣集熱器進行數(shù)值模擬計算，分別模擬了集熱器進口流體流量、流體溫度、太陽輻射強度對集熱器集熱效率的影響。模擬的數(shù)值結(jié)果，經(jīng)過處理后得到了多條關系曲線。研究結(jié)果表明:整體式太陽能空氣集熱器的集熱效率在流體流速較小時，通過提高進口流體流速可以明顯提高集熱器的集熱性能;隨進口空氣溫度的升高，集熱器出口流體溫度隨之升高，但由于環(huán)境熱損增大，導致集熱器集熱性能降低;隨太陽輻射度的波動很小，受太陽輻射強度的影響不大。

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