劉佰紅， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 邢秀蘭， 胡小芳

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092)

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全玻璃真空太陽集熱管空曬性能的數(shù)值模擬分析*

劉佰紅， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 邢秀蘭， 胡小芳

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650092)

利用FLUENT對?58×1 800 mm全玻璃真空管在不同發(fā)射率、真空度下空曬熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，并通過空曬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性.數(shù)值分析結(jié)果表明：發(fā)射率越低，真空管的熱損失越小，真空管的熱性能越好.真空管空曬熱性能隨真空夾層壓強(qiáng)的增加而減小，真空管空曬性能變化主要位于10-1～10 Pa范圍，當(dāng)壓強(qiáng)小于10-1Pa或大于10 Pa時，由真空夾層間氣體的導(dǎo)熱損失引起的真空管熱性能變化已不明顯，為了保證良好的真空管熱性能，真空夾層的真空度應(yīng)當(dāng)維持在10-2Pa的數(shù)量級.

發(fā)射率；真空度；熱損系數(shù)；空曬性能參數(shù)

1 引 言

真空管具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、安裝和運(yùn)輸方便、保溫性能好、光熱轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，因而在我國有著廣泛的應(yīng)用市場.

目前真空管性能的研究主要集中在理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方面，殷志強(qiáng)等人[2]從能量方程式推導(dǎo)出真空太陽能集熱管的光-熱性能參數(shù)，分析了真空管熱性能的影響因素，提出了真空管空曬熱性能評價標(biāo)準(zhǔn)，并做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.Ma[3]通過實(shí)驗(yàn)分析了空曬性能參數(shù)、悶曬太陽輻照量和平均熱損系數(shù)三個參數(shù)對真空管熱性能的影響，得出涂層發(fā)射比是影響真空管空曬性能參數(shù)和平均熱損系數(shù)的主要因數(shù)，增大涂層吸收比可以提高真空管的悶曬性能.Badar等人[4]通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方式分析了真空夾層內(nèi)殘余氣體對真空管熱量損失的影響，但熱損測量值比理論值高.吳家慶等人[5]通過對全玻璃真空集熱管的真空獲得與真空壽命的研究表明：從良好的絕熱效果和投資成本綜合考慮，真空度選擇在10-4～10-5托(1.33×10-2Pa～1.33×10-3Pa)為宜.Gui等人[6]研究了選擇性吸收涂層發(fā)射率的影響，結(jié)果表明：真空管夾層間的壓強(qiáng)在不大于5×10-2Pa時，由真空夾層間空氣的導(dǎo)熱引起的損失可以忽略.楊靜蕓等人[7]利用FLUENT對三腔式全玻璃真空管與常規(guī)全玻璃真空管在悶曬狀態(tài)下管內(nèi)流體的流動狀態(tài)及性能進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，結(jié)果表明三腔式全玻璃真空管相較于常規(guī)全玻璃真空管具有啟動速度快、溫升高、管內(nèi)流體流速大等特點(diǎn).

本文采用數(shù)值模擬方法對?58×1 800 mm全玻璃真空管空曬狀態(tài)下的熱性能、管內(nèi)工質(zhì)的溫度分布及變化情況進(jìn)行模擬分析.探討真空管高溫狀態(tài)下熱損失機(jī)理及影響因數(shù)，為優(yōu)化真空管的生產(chǎn)工藝和技術(shù)提供依據(jù).

2 全玻璃真空太陽集熱管熱性能的影響因素分析

真空管在不同的輻射強(qiáng)度及環(huán)境溫度下其空曬溫度存在很大的差異，殷志強(qiáng)等人[2]通過大量的測試實(shí)驗(yàn)，分析得出了評價真空管空曬性能的參數(shù)

(1)

式中：Ac為真空管的有效采光面積(m2)；Aa為內(nèi)管的表面積(m2)；τ為罩玻璃管透射比(AM1.5)；α為吸收涂層的吸收比(AM1.5)；G為太陽輻照度(W/m2)；Ul為熱損系數(shù)(W/m2·K)；Ta為環(huán)境溫度(K)；Tg為加熱工質(zhì)平均溫度(K).從式(1)中可以看出，熱損系數(shù)對真空管空曬性能參數(shù)起著決定性作用.真空管的熱損主要有三個部分構(gòu)成：不銹鋼卡子和管口玻璃傳導(dǎo)熱損；吸收涂層的發(fā)射熱損；真空夾層氣體的導(dǎo)熱.因此熱損系數(shù)

σεT(Tg2+Ta2)(Tg+Ta)

(2)

式中：kg為真空管內(nèi)不銹鋼卡子和開口端玻璃傳導(dǎo)損失kg≈0.003 2W/K[2]；K為真空管夾層氣體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；εT為內(nèi)管溫度為T時吸收涂層的半球發(fā)射比.

3 數(shù)值模型及邊界條件

選擇市場常見的普通全玻璃真空管作為分析案例，真空管的外管管徑為58mm，管長為1 800mm，內(nèi)管管徑為47mm，玻璃管壁厚為1.7mm，容積3.26L.根據(jù)全玻璃真空管的幾何尺寸，利用ICEM構(gòu)建網(wǎng)格模型.

圖1 全玻璃真空管空曬示意圖

將ICEM生成的網(wǎng)格模型，導(dǎo)入Fluent中求解計(jì)算，根據(jù)實(shí)際輻射情況，建立輻射模型邊界條件，真空管南北向放置，傾角45°，地點(diǎn)設(shè)置為昆明(E102°N25°)，模擬時間為2014年11月21日13時，其模型示意圖如圖1所示.為便于研究，需要對模型做以下幾方面的假設(shè):

1)采用Boussinesq假設(shè)，并假設(shè)在空曬條件下真空管內(nèi)的空氣隨溫度的熱膨脹系數(shù)為1/273K;

2)真空管底部卡子無熱傳導(dǎo)損失；

3)忽略能量方程中的黏性耗散熱；

4)涂層的吸收率和發(fā)射率不隨溫度的變化而改變；

5)真空管玻璃的物性參數(shù)均不隨溫度的變化而改變.

在不影響計(jì)算結(jié)果精度的前提下，為了減少FLUENT求解計(jì)算時間，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.分別計(jì)算了3種不同網(wǎng)格數(shù)下真空管空曬最高溫度，結(jié)果見表1.對三種網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比可以得出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為174 477時，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，空曬最高溫度幾乎不變，因此選擇174 477的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算.

表1 三種網(wǎng)格數(shù)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，根據(jù)GB/T17049-2005[8]的方法及步驟進(jìn)行了真空管空曬測試，分別選取5根透過率與吸收率相近的真空管，對應(yīng)的發(fā)射比為0.028、0.031、0.041、0.06、0.082，測試期間太陽輻照度900～1 000W/m2，環(huán)境溫度15～20 ℃，記錄真空管內(nèi)溫度變化.利用FLUENT對發(fā)射比分別為0.04、0.06、0.08、0.1、0.12的真空管進(jìn)行空曬數(shù)值模擬，并與測試結(jié)果進(jìn)行對比.

圖2為模擬與測試的空曬性能參數(shù)Y-ε的曲線，由圖2可以看出，2條曲線變化趨勢一致，真空管的空曬性能參數(shù)隨發(fā)射率的升高呈現(xiàn)出降低的趨勢，相同發(fā)射率下實(shí)驗(yàn)測得的真空管空曬性能參數(shù)比模擬結(jié)果平均低50K·m2·(kW)-1，這是由于真空管的涂層吸收比隨溫度的升高變化不大，而涂層發(fā)射比隨空曬溫度升高卻迅速增大，史月艷等人[9]測量不同溫度下AlN-Al真空管的發(fā)射比，結(jié)果表明300 ℃下真空管的發(fā)射比比80 ℃下真空管的發(fā)射比增加了57.1%.所以發(fā)射比在0.041、0.06、0.082時實(shí)驗(yàn)所測的空曬性能參數(shù)Y應(yīng)近似等于發(fā)射比在0.06、0.09、0.12時模擬所得的空曬性能參數(shù)，從圖中可以看出當(dāng)模擬發(fā)射比比實(shí)驗(yàn)發(fā)射比大50%時，模擬與實(shí)驗(yàn)所得的空曬性能參數(shù)幾乎相等.總體看來，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果吻合較好，所以通過模擬求解計(jì)算，用于分析真空管的熱性能是合理的.

圖2 空曬性能參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比

5 模擬結(jié)果與分析

5.1 發(fā)射率對真空管熱性能的影響分析

1)不同發(fā)生率下真空管空曬溫度對比

初始輻照G=988W/m2，環(huán)境溫度為300K，τ=0.92，α=0.92，忽略真空部分的導(dǎo)熱損失，分別將涂層的發(fā)射率設(shè)定為0.04、0.06、0.08、0.1、0.12，對真空管進(jìn)行120min的輻射模擬求解計(jì)算，每隔10min取一次數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行整理分析得出不同發(fā)射率下，真空管內(nèi)空曬溫度隨空曬時間的變化關(guān)系，如圖3所示.從圖中可以看出，不同發(fā)射率下真空管空曬溫度曲線變化趨勢相同，初始階段，溫度迅速升高，隨著空曬時間的增長，溫度升高的速率逐漸趨緩并達(dá)到相應(yīng)的平衡狀態(tài)，溫度不再升高.發(fā)射率在0.04、0.06、0.08、0.1、0.12下分別對應(yīng)的空曬溫度為610K、560K、520K、480K，即發(fā)射率越低其空曬溫度越高.

圖3 不同發(fā)射率下真空管空曬溫度隨時間的變化

圖4 不同發(fā)射率下真空管軸向截面的等溫圖

當(dāng)真空管空曬溫度不再升高時，截取真空管軸向截面，如圖4所示，發(fā)射率分別為0.04、0.06、0.08時真空管內(nèi)部溫度的等溫線圖.從圖中可以看出發(fā)射率低的真空管內(nèi)部的整體溫度明顯高于發(fā)射率高的真空管內(nèi)部的整體溫度.圖中等溫度曲線顯示，真空管中部溫度變化較為均勻，加熱壁面(左邊為太陽輻射面)附近工質(zhì)溫度較高，向右溫度逐漸降低.底部和頂部溫度變化較大，且兩端平均溫度相對中部平均溫度較低，這是由于真空管空曬情況下，由管口導(dǎo)熱引起的損失較大，所以靠近管口的工質(zhì)溫度較低，而底部則是在密度差引起的熱浮力作用下，使得管底部工質(zhì)的溫度低于中部工質(zhì)溫度.

2)發(fā)射率對真空管熱損系數(shù)的影響

圖5為輻射強(qiáng)度988W/m2，環(huán)境溫度為300K，真空管的熱損系數(shù)隨空曬溫度的變化關(guān)系，從圖中可以看出真空管的熱損系數(shù)隨溫度的升高逐漸增大，發(fā)射率越高，其曲線斜率越大，熱損系數(shù)隨溫度的變化越明顯.

圖5 真空管的熱損系數(shù)隨空曬溫度的變化關(guān)系

圖6 熱損系數(shù)隨發(fā)射率的變化關(guān)系

圖6為G=988W/m2，環(huán)境溫度為300K，真空管空曬溫度為480 ℃時，發(fā)射率與熱損系數(shù)的關(guān)系，從圖6中可以得出真空管的熱損系數(shù)隨發(fā)射率的增加幾乎成線性正比例增加，其線性回歸公式

(3)

3)發(fā)射率對空曬性能參數(shù)的影響

如圖7所示，真空管的空曬性能參數(shù)隨涂層發(fā)射率的增加而減小，發(fā)射率為0.04時真空管的熱性能參數(shù)為Y=325K·m2·(kW)-1，當(dāng)發(fā)射率增加到0.12時真空管的熱性能參數(shù)Y=193K·m2·(kW)-1，真空管的Y減少了132K·m2·(kW)-1，其擬合公式

Y*=350e-16.5ε+150

(4)

式(4)中，Y*為空曬性能參數(shù)(擬合值)，K·m2·(kW)-1.

圖7 真空管空曬性能參數(shù)Y與涂層發(fā)射率的關(guān)系

5.2 真空度對真空管空曬性能的影響

1)真空度對空曬溫度的影響

為了探究真空夾層的真空度對真空管空曬性能的影響，分別選取了10-3Pa、10-2Pa、10-1Pa、1.0Pa、10Pa、102Pa、103Pa的真空壓強(qiáng)進(jìn)行模擬求解，輻照G=988W/m2，環(huán)境溫度為300K，ε=0.06，α=0.92，τ=0.92，對真空管進(jìn)行120min的輻射模擬求解計(jì)算，分析模擬結(jié)果，得到真空管內(nèi)空曬溫度隨時間的變化關(guān)系，如圖8所示.從圖8中可以看出，真空管內(nèi)的空曬溫度開始一段時間內(nèi)溫度迅速升高，隨著空曬時間的增長，溫度升高速率逐漸趨緩，最后達(dá)到相應(yīng)的平衡狀態(tài)，溫度不再升高.真空管夾層間的壓強(qiáng)越大，空曬最高溫度越低，達(dá)到平衡狀態(tài)所用時間就越短.

當(dāng)真空管空曬溫度不再升高時，截取真空管軸向截面，得到壓強(qiáng)分別為1.0×10-3、1.0Pa、1.0×105Pa時真空管內(nèi)部溫度等溫線圖，如圖9所示.圖中真空管的左側(cè)為太陽輻射壁面，所以左側(cè)溫度較高，右側(cè)溫度較低；壓強(qiáng)低的真空管內(nèi)部的整體溫度明顯高于壓強(qiáng)高的真空管內(nèi)部的整體溫度；真空管中部溫度變化較為均勻，頂部和底部溫度變化較大，且平均溫度相對中部溫度較低.這是由于真空管在空曬情況下，管內(nèi)溫度較高，由管口導(dǎo)熱引起的損失較大，所以靠近管口的工質(zhì)溫度較低，而底部則是在密度差引起的熱浮力作用下，使得真空管低部工質(zhì)的溫度低于中部工質(zhì)溫度.

圖8 真空管空曬溫度隨時間的變化的關(guān)系

圖9 不同真空度下真空管軸向截面的等溫圖

2)真空度對熱損系數(shù)的影響

圖10表示不同真空度下真空管的熱損系數(shù)隨空曬溫度的變化關(guān)系，不同曲線分別對應(yīng)著不同的真空度，真空管的熱損系數(shù)隨溫度的升高逐漸的增大，壓強(qiáng)位于10-3Pa、10-2Pa、10-1Pa時，熱損系數(shù)隨溫度變化的曲線幾乎重合，空曬溫度560K下的熱損系數(shù)1.0W/(m2·K)比空曬溫度355K下的熱損系數(shù)0.5W/(m2·K)增加了一倍.然而當(dāng)壓強(qiáng)高于1.0Pa時，其熱損系數(shù)將不隨溫度的增加而增加.

圖10 不同真空度下熱損系數(shù)隨空曬溫度的變化關(guān)系

如圖11為空曬溫度390K時真空管的熱損系數(shù)隨真空度的變化關(guān)系，從圖中曲線可以看出壓強(qiáng)為10-1～10Pa是熱損系數(shù)變化最為明顯的區(qū)域，當(dāng)壓強(qiáng)從10-1Pa升高到10Pa時，熱損系數(shù)從0.5W/(m2·K)增大到2.7W/(m2·K).當(dāng)壓強(qiáng)小于10-1Pa或大于102Pa時，熱損系數(shù)的變化很小.

圖11 熱損系數(shù)隨真空度的變化關(guān)系

3)真空度對空曬性能的影響

圖12為真空管空曬性能參數(shù)隨真空度的變化關(guān)系，真空管的空曬性能參數(shù)隨壓強(qiáng)的升高而降低，從圖12中可以看出空曬性能參數(shù)隨壓強(qiáng)的變化主要位于10-1～10Pa的范圍，其空曬性能參數(shù)從264K·m2·(kW)-1下降到102K·m2·(kW)-1，當(dāng)壓強(qiáng)小于10-1Pa或大于10Pa時熱損系數(shù)變化很小.所以為了保證良好的真空管熱性能，通常需要將真空管夾層間的壓強(qiáng)維持在10-2Pa的數(shù)量級.

圖12 真空管空曬性能參數(shù)與真空度的關(guān)系

6 結(jié) 論

通過對全玻璃真空管的空曬性能及其影響因素模擬分析，得出以下結(jié)論：

1)影響真空管空曬性能的主要參數(shù)為發(fā)射率和真空度.

2)真空管的熱損系數(shù)隨發(fā)射率的增加而增大，且同一發(fā)射率下其熱損系數(shù)隨真空管空曬溫度的升高而增大，發(fā)射率升高真空管的空曬性能參數(shù)下降.

3)真空管空曬性能變化主要位于10-1～10Pa范圍，當(dāng)壓強(qiáng)小于10-1Pa或大于10Pa由真空夾層間氣體導(dǎo)熱損失引起空曬性能的變化很小，所以為了保證良好的真空管熱性能，通常需要將真空管夾層間的真空度維持在10-2Pa的數(shù)量級.

4)涂層發(fā)射率越低，由輻射引起的熱損失就越小，真空管的熱性能越好.

[1]YINZHIQIANG.DevelopmentofsolarthermalsystemsinChina[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells,2005,86:427-442.

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Numerical Simulation and Analysis on Stagnation Performance of All-glass Evacuated Collector Tubes

LIU Bai-hong, GAO Wen-feng, LIU Tao, LIN Wen-xian, XING Xiu-lan, HU Xiao-fang

(Solar Energy Research Institute,Key Laboratory of Advanced Technique & Preparation for Renewable Energy Materials of the Ministry of Education of China,Yunnan Normal University,Kunming 650092,China)

In this paper, FLUENT has been used to simulate and analyze the stagnation performance of all-glass evacuated tubes,which size is ?58×1 800mm,with different emittance and vacuum degree.In addition, the accuracy of numerical simulation also being verified through test.The numerical simulation results show that the lower is the emittance,the smaller is the heat loss and the better is the thermal performance of all-glass vacuumed tubes. What′s more, the stagnation performance of all-glass evacuated tube decreases with the increase of the air pressure in the vacuum jacket. The stagnation change of all-glass evacuated tube mainly in the range of 10-1～10 Pa. When the air pressure is lower than10-1Pa or greater than 10 Pa,the thermal performance change caused by heat conduction loss of air in the vacuum jacket is not obvious.Therefore the vacuum degree of air jacket should maintain in the order of 10-2Pa in order to guarantee good thermal performance of all-glass evacuated tube.

Emittance; Vacuum degree; Heat loss coefficient; Stagnation parameter

2015-06-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266016，51469035).

劉佰紅(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事太陽能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)方面研究.

高文峰(1970-)，男，副教授，主要從事太陽能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)方面研究.E-mail:413900096@qq.com.

TK513

A

1007-9793(2015)04-0005-06