整體式太陽(yáng)能空氣集熱器傳熱性能分析

吳國(guó)玉，胡明輔，袁 江，畢二朋

(昆明理工大學(xué) 太陽(yáng)能工程研究所，云南 昆明650500)

0 引言

近年來(lái)，太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的主要研究發(fā)展任務(wù)是降低太陽(yáng)能集熱器的生產(chǎn)制造成本，簡(jiǎn)化設(shè)備安裝，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性。在太陽(yáng)能低溫利用系統(tǒng)中，決定成本和效率的關(guān)鍵部件是平板集熱器;而在建筑采暖、通風(fēng)、農(nóng)產(chǎn)品干燥、除濕等實(shí)際工程應(yīng)用中，目前采用的是平板型太陽(yáng)能空氣集熱器［1］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件對(duì)集熱器集熱性能及參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究分析。在太陽(yáng)能空氣集熱器集熱性能研究領(lǐng)域中CFD得到了相關(guān)應(yīng)用。

CFD是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，分析流體流動(dòng)和傳熱等相關(guān)物理現(xiàn)象的一種數(shù)值模擬分析方法。因?yàn)槠浜?jiǎn)單便捷，可快速得到數(shù)值模擬結(jié)果;并可以通過(guò)簡(jiǎn)化物理模型，使問(wèn)題求解變得容易，使模擬最大限度的接近于真實(shí)［2－3］;可以直觀看到集熱器內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，比實(shí)驗(yàn)研究所測(cè)試的數(shù)據(jù)要詳細(xì)。

Arulanandam［4］等人通過(guò)CFD方法對(duì)吸熱板上的圓孔進(jìn)行了研究，并得到吸熱板效率的相關(guān)性方程。張立平［5］等人根據(jù)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，利用CFD軟件對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并得到了集熱器較好的運(yùn)行工況。王崇杰［6］等人在CFD數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，制作了幾種滲透型太陽(yáng)能空氣集熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)其送風(fēng)溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和熱效率進(jìn)行了模擬研究。彭冬根［7］等人運(yùn)用CFD軟件模擬圓柱陣列集熱器內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布情況;通過(guò)模擬數(shù)據(jù)分析，得出圓柱陣列式空氣集熱器的對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程。丁剛［8］等人利用CFD模擬軟件對(duì)傳統(tǒng)平板太陽(yáng)能空氣集熱器的流道進(jìn)行了改進(jìn)研究;研究表明:改進(jìn)后的集熱器內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(duì)折流板型太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行了分析研究，通過(guò)改變集熱器流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)其進(jìn)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(duì)整體式太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到集熱器進(jìn)口流體流速、流體溫度、太陽(yáng)輻照度對(duì)集熱器集熱效率、沿程溫度分布、出口溫度的影響關(guān)系。以期可以為整體式太陽(yáng)能空氣集熱器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、選型提供理論參考依據(jù)。

1 物理模型

整體式太陽(yáng)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(jìn)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(dòng)更為真實(shí)，更符合實(shí)際情況。因此，創(chuàng)建三維整體式太陽(yáng)能空氣集熱器幾何模型。

圖1是整體式太陽(yáng)能空氣集熱器示意圖。整體式太陽(yáng)能空氣集熱器的進(jìn)口和出口位于流道的兩端，空氣可以均勻流過(guò)吸熱板，內(nèi)部基本不存在空氣流動(dòng)滯留區(qū)域，空氣流動(dòng)通暢，阻力較小，吸熱板與空氣對(duì)流換熱充分。該示意圖的集熱器底板和邊框由酚醛樹(shù)脂保溫材料構(gòu)成。其相關(guān)尺寸為長(zhǎng)X=15 m，寬Y=2 m，高Z=0.2 m;集熱器進(jìn)出口尺寸為長(zhǎng)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(gè)區(qū)域上生成規(guī)則網(wǎng)格;對(duì)壁面附近進(jìn)行加密處理，滿足y+=30［10］;整體式太陽(yáng)能空氣集熱器具有流場(chǎng)對(duì)稱性好的特點(diǎn)。

圖1 整體式太陽(yáng)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(yáng)能空氣集熱器數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)不同工況下的太陽(yáng)能空氣集熱器的工作狀況進(jìn)行數(shù)值模擬;在模擬過(guò)程中，作者對(duì)邊界條件設(shè)定了一定的變化范圍，研究整體式太陽(yáng)能空氣集熱器在全新風(fēng)工況下的集熱性能及其影響因素。

模擬采用的邊界條件設(shè)置如下:進(jìn)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(yáng)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(jì)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(shí)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(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法的數(shù)值求解方法。在方程進(jìn)行離散時(shí)，對(duì)壓力項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)都選用一階迎風(fēng)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(shè)為10－3。

2.1 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型為雙方程模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的雙方程湍流模型。在關(guān)于湍動(dòng)能k的方程的基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程，便形成了標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程模型［11－12］。在模型中，表示湍動(dòng)耗散率的ε定義為

湍動(dòng)黏度μt可表示成k和ε的函數(shù)，即

在標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程模型中，k和ε是兩個(gè)基本未知量，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

Gb——由浮升力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

YM——可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;

Prt——湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，在標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)常數(shù)，取值分別為C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09;

σk、σε——湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取值分別為 σk=1.0、σε=1.3。

2.2 數(shù)值模擬過(guò)程及分析

在太陽(yáng)輻照度為600 W/m2，進(jìn)口空氣溫度為288 K情況下，通過(guò)改變集熱器進(jìn)口流體流速分別進(jìn)行模擬。集熱器進(jìn)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(jìn)口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖。

從圖2集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)中可以看出:當(dāng)集熱器流道內(nèi)的空氣流速過(guò)小時(shí)，在集熱器出口處雖然會(huì)產(chǎn)生較高溫度的熱空氣，但是由于流體流速過(guò)小，造成集熱器吸熱板局部溫度過(guò)高，熱損失過(guò)大，導(dǎo)致集熱器的熱效率偏低。當(dāng)進(jìn)口空氣速度為4 m/s時(shí)，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(dòng)方向上溫度逐漸升高，溫度梯度比較明顯，是因?yàn)榭諝馀c吸熱板進(jìn)行了較為充分的換熱。從圖3可以看出:當(dāng)流體流速較小時(shí)，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(yáng)能空氣集熱器的流體流速存在最佳值。

圖2 不同集熱器進(jìn)口流體流速下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布

圖3 集熱效率與進(jìn)口流體流速間的關(guān)系曲線

在太陽(yáng)輻照度為600 W/m2，進(jìn)口空氣流速為4 m/s情況下，通過(guò)改變集熱器進(jìn)口流體溫度分別進(jìn)行模擬。集熱器進(jìn)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(jìn)口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖。

圖4 不同集熱器進(jìn)口流體溫度下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布

從圖4的集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)中可以看出:流體在集熱器內(nèi)部沿程流動(dòng)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(jìn)口流體溫度的升高，集熱器的集熱效率有下降的趨勢(shì);主要原因是進(jìn)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(duì)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(jìn)口流體溫度的關(guān)系曲線

在集熱器進(jìn)口空氣流速為4 m/s，進(jìn)口溫度為288 K情況下，通過(guò)改變太陽(yáng)輻照強(qiáng)度分別進(jìn)行模擬。太陽(yáng)輻照強(qiáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖。

圖6 不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布

從圖6的集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)中可以看出:當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大時(shí)，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)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(shí)，集熱器吸收轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射量減弱。從圖7中可以看出:集熱器的集熱效率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的波動(dòng)很小，說(shuō)明整體式太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率與其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響不大。

圖7 集熱效率與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度間的關(guān)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(chǎng)分布可以看出:在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、進(jìn)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(jìn)口空氣速度的增加而降低;從圖9的集熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖可以看出:在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣進(jìn)口速度一樣的條件下，集熱器出口的空氣溫度隨進(jìn)口空氣溫度的升高而增大。

圖8 不同集熱器進(jìn)口流體流速下集熱器溫度場(chǎng)分布

圖9 不同集熱器進(jìn)口流體溫度下集熱器溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)論

通過(guò)CFD軟件對(duì)整體式太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別模擬了集熱器進(jìn)口流體流量、流體溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器集熱效率的影響。模擬的數(shù)值結(jié)果，經(jīng)過(guò)處理后得到了多條關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明:整體式太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率在流體流速較小時(shí)，通過(guò)提高進(jìn)口流體流速可以明顯提高集熱器的集熱性能;隨進(jìn)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(dǎo)致集熱器集熱性能降低;隨太陽(yáng)輻射度的波動(dòng)很小，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響不大。

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