輕質(zhì)雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能試驗(yàn)研究

朱婧婧，程小梅，李瑤，郭建生

（1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201600；2.重慶延鋒安道拓汽車部件有限責(zé)任公司，重慶 400000）

0 引言

太陽(yáng)能空氣集熱器是一種有效的太陽(yáng)能熱收集裝置，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物干燥、農(nóng)業(yè)大棚、建筑采暖等領(lǐng)域[1]，[2]。為了克服空氣低比熱容和低熱導(dǎo)系數(shù)的缺點(diǎn)，提高太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從減小集熱器熱損失和提高空氣與吸熱板的對(duì)流換熱兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)[3]～[7]。這些研究在一定程度上提高了太陽(yáng)能空氣集熱器性能，但目前廣泛應(yīng)用的集熱器材料多為堅(jiān)硬的金屬和玻璃，質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以大面積推廣應(yīng)用。制備輕質(zhì)且便宜的太陽(yáng)能空氣集熱器引起了部分學(xué)者的興趣。

Engelhardt[8]基于北極熊皮毛透明隔熱的原理，首次將三維間隔織物與透明薄膜層復(fù)合設(shè)計(jì)了紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器。透明間隔織物不僅允許太陽(yáng)光的透過(guò)，交叉排列的間隔絲還能阻隔熱量的散失，同時(shí)，交叉排列的間隔絲有利于空氣湍流效應(yīng)的產(chǎn)生，提高空氣與吸熱板的換熱系數(shù)，是一種潛在的工業(yè)用換熱材料。為了研究間隔織物收集太陽(yáng)能的可行性，Jia[9]通過(guò)試驗(yàn)及仿真方法，研究了間隔織物作為透明隔熱層時(shí)的平板空氣集熱器性能，證明隔熱層能有效減少集熱器上表面熱損失。Zhu[10]進(jìn)一步將間隔織物復(fù)合材料作為通風(fēng)換熱層，結(jié)果表明，間隔絲表面涂有吸熱涂層的空氣集熱器性能高于間隔絲表面無(wú)涂層的集熱器。紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器作為新型集熱器，集熱器結(jié)構(gòu)和間隔織物參數(shù)對(duì)集熱器性能的影響有待進(jìn)一步研究。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型的雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器，兩種參數(shù)不同的透明間隔織物復(fù)合材料分別作為集熱器的通風(fēng)換熱層和透明隔熱層。通過(guò)戶外試驗(yàn)，對(duì)比了單、雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器集熱性能，研究了間隔織物間隔絲密度、入口流量對(duì)集熱器性能的影響，為優(yōu)化高性能紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器提供依據(jù)。

1 紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器

紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的主體部分是中空的三維間隔織物復(fù)合材料。試驗(yàn)所用的間隔織物均在拉舍爾經(jīng)編機(jī)上編織而成。為了最大限度透過(guò)太陽(yáng)光，間隔織物表面設(shè)計(jì)為六角網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，表面及間隔絲均為透明滌綸單絲。間隔絲將上下兩個(gè)表層連接起來(lái)，通過(guò)調(diào)整經(jīng)編機(jī)隔距來(lái)控制間隔絲長(zhǎng)度，可得到厚度不同的三維經(jīng)編間隔織物。本文用到的間隔織物1#和2#的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 間隔織物1#和2#的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of spacer fabric 1#and 2#

PDMS具有透明、柔韌、抗老化、粘附性好等特點(diǎn)，是優(yōu)異的柔性透明涂層。因此，間隔織物上表面固化的是厚度為1 mm，太陽(yáng)光透過(guò)率為0.90的PDMS透明層；下表面固化的是厚度為1 mm，吸收率與發(fā)射率均為0.95，熱導(dǎo)率為0.51 W/（m·℃）的炭黑與PDMS混合的吸熱層。此外，集熱器保溫層為厚度為50 mm，熱導(dǎo)率為0.03 W/（m·℃）的硅酸鋁保溫棉。間隔織物復(fù)合材料及雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 間隔織物復(fù)合材料及雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spacer fabric composites and double layer textile-based solar air collector

2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

圖2為紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器測(cè)試系統(tǒng)。為評(píng)估紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器，根據(jù)GB/T4271-2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》和GB/T26977-2011《太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，搭建并測(cè)試集熱器熱性能[11]，[12]。上海地處北緯31°，安裝時(shí)集熱器與地面成45°朝南放置；集熱器尺寸為1 000 mm×400 mm；測(cè)試系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)正壓條件下工作。

圖2 紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 The setup of textile-based solar air collector

3 太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

在穩(wěn)態(tài)條件下，太陽(yáng)能空氣集熱器的瞬時(shí)集熱效率η為該集熱器實(shí)際獲得的有用功率與該集熱器表面接收到的太陽(yáng)能輻射功率之比。在通風(fēng)集熱試驗(yàn)中，空氣實(shí)際獲得的有用功率Q˙的計(jì)算式為

式中：m˙為空氣出口質(zhì)量流量，kg/s；cpda為平均溫度條件下干空氣的比熱容，J/（kg·℃）；ΔT=（to-ti），ti，to為空氣進(jìn)、出口平均溫度，℃。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，基于集熱器輪廓采光面積Ac的瞬時(shí)集熱效率η也可由集熱器的進(jìn)口溫度歸一化溫差Ti*表示：

式中：G為太陽(yáng)輻照度，W/m2；FR為太陽(yáng)能空氣集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子；（τα）e為集熱器的有效透射吸收積；UL為集熱器的總熱損系數(shù)，W/（m2·℃）；ta為環(huán)境溫度，℃。

通過(guò)調(diào)節(jié)集熱器進(jìn)口溫度，測(cè)試得到不同工況下的試驗(yàn)參數(shù)。運(yùn)用線性回歸分析，擬合出基于進(jìn)口溫度和輪廓采光面積的單雙層集熱器的η隨Ti*的變化曲線。由于FR，UL和（τα）e均為常數(shù)，此時(shí)，η與Ti*為線性關(guān)系，依據(jù)式（2），該直線斜率的絕對(duì)值為FRUL，在縱軸上的截距為FR（τα）e，由此可以計(jì)算出該條件下，集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子和總熱損系數(shù)。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 單、雙層結(jié)構(gòu)對(duì)集熱器集熱效率影響

首先比較當(dāng)空氣質(zhì)量流量為0.023 kg/（m2·s）時(shí)，單、雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能。為降低太陽(yáng)輻射變化帶來(lái)的誤差，試驗(yàn)選擇在天氣晴朗、太陽(yáng)輻照度相對(duì)穩(wěn)定的中午前后，即11：00-14：00進(jìn)行。兩種結(jié)構(gòu)集熱器的溫度和太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化情況如圖3所示。由圖可知，空氣出口溫度與太陽(yáng)輻照度成正比，雙層結(jié)構(gòu)集熱器空氣出口溫度在中午12時(shí)達(dá)到最大，約為60℃，比單層結(jié)構(gòu)集熱器高約12℃。除測(cè)試雙層結(jié)構(gòu)集熱器時(shí)太陽(yáng)輻照度略高的因素外，雙層結(jié)構(gòu)集熱器也在一定程度上提升了空氣出口溫度。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)集熱器的溫度和G隨時(shí)間變化情況Fig.3 Variation of temperature and solar irradiance with time for single-layer and double-layer solar air collectors

在質(zhì)量流量為0.023 kg/（m2·s）時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)集熱器η與Ti*的關(guān)系如圖4所示。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)集熱器η與T i*的關(guān)系Fig.4 Relationship betweenηand T i*for two types of solar air collectors

單、雙層結(jié)構(gòu)集熱器擬合得到的集熱效率方程分別為η=0.58-6.74Ti*和η=0.64-5.69Ti*，已知單、雙層結(jié)構(gòu)集熱器的（τα）e分別為0.86和0.66，由式（2）計(jì)算得到單層結(jié)構(gòu)集熱器的FR和UL分別為0.67和10.06 W/（m2·℃）；雙層結(jié)構(gòu)集熱器的FR和UL分別為0.97，5.87 W/（m2·℃）。根據(jù)擬合得到的集熱效率方程式，當(dāng)空氣進(jìn)口溫度等于環(huán)境溫度時(shí)，單、雙層結(jié)構(gòu)集熱器的最大瞬時(shí)集熱效率分別為0.58和0.64。綜上所述，雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的上層間隔織物復(fù)合材料具有較好的保溫效果，盡管增加一層間隔織物會(huì)降低太陽(yáng)光的透過(guò)率，但集熱器總體性能提高優(yōu)于部分性能降低，因此，雙層結(jié)構(gòu)集熱器總體集熱性能優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)集熱器。

4.2 間隔絲密度對(duì)集熱器集熱效率影響

紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的間隔絲數(shù)量會(huì)影響集熱器對(duì)流換熱強(qiáng)度的大小，因此，探究間隔絲密度對(duì)集熱器集熱效率的影響，指導(dǎo)間隔織物設(shè)計(jì)，是提高紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器性能的方法之一。本文通過(guò)調(diào)節(jié)間隔絲參數(shù)，制備了4種不同間隔絲密度的間隔織物作為通風(fēng)層。4種間隔絲密度不同的空氣集熱器的溫度和太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化情況如圖5所示。

圖5 不同間隔絲密度的空氣集熱器的溫度和太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化情況Fig.5 The variation of temperature and solar irradiance of solar air collectors with different spacer filament density

試驗(yàn)所用的模型為雙層結(jié)構(gòu)，通風(fēng)層的間隔絲密度分別為24，28，32，36根/cm2。進(jìn)行戶外試驗(yàn)時(shí)，空氣質(zhì)量流量為0.023 kg/（m2·s），測(cè)試時(shí)間為天氣晴朗、太陽(yáng)輻照度相對(duì)穩(wěn)定的11：00-14：00時(shí)。

盡管試驗(yàn)時(shí)天氣相對(duì)晴朗，但烏云的存在對(duì)太陽(yáng)輻照度有較大影響，尤其在測(cè)試間隔絲密度為32根/cm2的紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器時(shí)，13時(shí)后太陽(yáng)輻照度波動(dòng)較大，但出口空氣溫度波動(dòng)不大，表明暫時(shí)性的太陽(yáng)輻照度對(duì)集熱器進(jìn)出口溫度影響不大。當(dāng)太陽(yáng)輻照度持續(xù)下降時(shí)，出口溫度會(huì)隨著太陽(yáng)輻照度的降低而下降。另外，太陽(yáng)輻照度的波動(dòng)對(duì)集熱器瞬時(shí)集熱效率影響較大。圖6為4種間隔絲密度不同的空氣集熱器瞬時(shí)集熱效率曲線。

圖6 4種間隔絲密度的空氣集熱器瞬時(shí)集熱效率曲線Fig.6 Instantaneous thermal efficiency of solar air collectors with four spacer filament densities

由圖6可知，太陽(yáng)輻照度波動(dòng)引起間隔絲密度為32根/cm2的集熱器的瞬時(shí)效率大幅度波動(dòng)?？傮w來(lái)看，集熱器的集熱效率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，間隔絲密度為36，32，28，24根/cm2的4組集熱器的瞬時(shí)集熱效率平均值分別在0.59，0.52，0.47，0.42左右。綜上可知，間隔絲密度影響紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能，集熱器瞬時(shí)平均集熱效率隨間隔絲密度的增加而增大。

4.3 空氣質(zhì)量流量對(duì)集熱器集熱效率影響

4種間隔絲密度不同的集熱器分別在質(zhì)量流量為0.016，0.023，0.030，0.037 kg/（m2·s）的條件下進(jìn)行戶外試驗(yàn)。由于數(shù)據(jù)量大，進(jìn)出口溫差和太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化圖不集中在文章中顯示。

圖7為4種間隔絲密度不同的空氣集熱器在空氣質(zhì)量流量為0.037 kg/（m2·s）時(shí)進(jìn)出口空氣溫差ΔT與G的關(guān)系。由圖7可知，4種集熱器的ΔT均隨G的增加而增加，與另外3組空氣質(zhì)量流量下的結(jié)果相同。這是因?yàn)楦咛?yáng)輻照度下，單位時(shí)間內(nèi)集熱器得熱量更多，傳遞到空氣的熱量也更多，故ΔT更高。同時(shí)，ΔT隨間隔絲密度的增加而增加，當(dāng)間隔絲密度為36根/cm2時(shí)，集熱器進(jìn)出口溫差最高，另外3組空氣質(zhì)量流量下的結(jié)果亦是如此。這是因?yàn)楦唛g隔絲密度織物增強(qiáng)了吸熱板與空氣的對(duì)流換熱強(qiáng)度，延長(zhǎng)了吸熱板與空氣對(duì)流換熱時(shí)間，提高了空氣出口溫度。

圖7 4種間隔絲密度的空氣集熱器ΔT與G關(guān)系Fig.7 Relationship betweenΔT and G of air collectors with four spacer filament densities

圖8為4種間隔絲密度的空氣集熱器在不同空氣質(zhì)量流量下的ΔT和平均集熱效率值。

圖8 4種間隔絲密度的空氣集熱器在不同空氣質(zhì)量流量下的ΔT和平均集熱效率Fig.8ΔT and average thermal efficiency of the different solar air collectors with four spacer filament densities at different mass flow rates

集熱器ΔT取太陽(yáng)輻照度為800 W/m2時(shí)對(duì)應(yīng)的值，由圖8（a）可知，4種集熱器的ΔT均隨空氣質(zhì)量流量的增加而減小。這是因?yàn)榭諝赓|(zhì)量流量增加，即空氣流速變快，空氣在集熱器內(nèi)部停留時(shí)間變短，使出口溫度偏低。圖8（b）顯示4種集熱器的平均集熱效率隨空氣質(zhì)量流量的增加而增加，在空氣質(zhì)量流量為0.037 kg/（m2·s）時(shí)，間隔絲密度為36根/cm2的紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器集熱效率約為0.64。這是因?yàn)楫?dāng)空氣流速增大時(shí)，空氣與吸熱板之間的湍流作用變強(qiáng)，吸熱板與空氣的對(duì)流換熱增強(qiáng)。根據(jù)集熱效率式（2）可知，集熱器集熱效率是由空氣流量和進(jìn)出口溫差共同決定的，因此，雖然空氣質(zhì)量流量越大，空氣進(jìn)出口溫差越小，但同時(shí)流量越大，單位時(shí)間內(nèi)空氣帶走的熱量越高，故集熱器整體集熱效率是隨著空氣質(zhì)量流量的增加而增大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器，其在集熱器上表面增加一層三維間隔織物復(fù)合材料作為透明隔熱層。通過(guò)戶外試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)集熱器的熱損和集熱效率進(jìn)行了評(píng)估，得到如下結(jié)論。

①單、雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的總熱損系數(shù)UL分別為10.06 W/（m2·℃）和5.87 W/（m2·℃），說(shuō)明間隔織物能提高該柔性集熱器的隔熱效果，是一種優(yōu)良的透明隔熱材料。與單層相比，雙層結(jié)構(gòu)集熱器結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，集熱效率更高。

②雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的平均集熱效率隨間隔絲密度的增加而增大。在空氣質(zhì)量流量為0.023 kg/（m2·s）時(shí)，間隔絲密度為36，32，28，24根/cm2的4種集熱器平均集熱效率分別為0.59，0.52，0.47和0.42。

③紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的進(jìn)出口空氣溫差隨空氣質(zhì)量流量的增加而減小，平均集熱效率隨空氣質(zhì)量流量的增加而增大。在空氣質(zhì)量流量為0.037 kg/（m2·s）時(shí)，間隔絲密度為36根/cm2的集熱器的平均集熱效率最大，為0.64。

因此，在高質(zhì)量流量下，通風(fēng)層選用高密度間隔織物的雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器集熱性能更佳。與常用太陽(yáng)能空氣集熱器相比，本文研究的雙層紡織基太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率中等，后續(xù)設(shè)計(jì)間隔絲表面有吸熱涂層的間隔織物作為集熱器主體吸熱材料，可更大程度上提高集熱器集熱效率。