平板型雙流道太陽能空氣集熱器擾流板結構優化

張 東， 張建軍， 張躍智， 李金平， 王林軍

(1. 蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 蘭州 730050；2. 甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 蘭州 730050)

平板型太陽能空氣集熱器以空氣為介質，具有抗凍、承壓性能較好、加工簡單、建筑一體化程度較高等優點，可廣泛應用于干燥、供熱等領域，具有廣闊的發展前景.

國內外的研究者對平板型空氣集熱器的結構優化、傳熱特性以及集熱器的綜合性能進行了較為廣泛的研究.例如：郭超等[1]建立了雙流道雙效太陽能集熱器的空氣集熱理論模型，并發現集熱器的上、下流道處于 15～20 mm之間時，可以獲得最高的凈有效能和熱效率；程友良等[2]發現具有拋物線型吸熱板的集熱器具有較高的集熱效率；Bakari[3]研究了安裝不同數量的擾流板對集熱器性能的影響；錢珊珠等[4]通過數值模擬研究了擾流板數量以及出口流速對集熱器熱效率的影響；夏佰林等[5]獲得了擾流板型太陽能平板空氣集熱器的效率表達式；劉一福等[6]通過數值模擬得到了擾流板型太陽能平板空氣集熱器的最佳結構參數并得到其瞬時效率公式；Romdhane[7]對形狀不同的擾流板太陽能空氣集熱器進行了研究，并且對比了空氣的流動狀態和升溫效率；Kumar等[8]提出一種分散式的V型擾流板集熱器模型，并研究了擾流板夾角對集熱器性能的影響；李曉琳等[9]設計了蛇形雙流道平板太陽能空氣集熱器，并對影響集熱器的各種因素進行了分析；賈勝輝[10]建立了平板空氣集熱器的二維穩態CFD模型，利用Fluent軟件對4種不同類型(上流道式、下流道式、雙流道式以及回流式)的平板集熱器內部的空氣流動以及傳熱過程進行了模擬，結果表明在標準流量下，雙流道集熱器的熱效率最高；丁剛等[11]采用實驗研究和數值模擬的方法對平板型太陽能集熱器的流道結構進行優化，發現傳統集熱器內部存在流道死區，并具有局部高溫和內部溫度分布不均勻的缺點.

由此可見，具有雙流道的平板型太陽能空氣集熱器可以有效提高集熱效率，但易形成流動死區及局部高溫區，且過于復雜的擾流翅片會顯著增加空氣流動阻力和集熱器的加工制造成本.為兼顧空氣集熱器的效率與成本兩方面因素，本文將已產業化應用的液體介質平板型太陽能集熱器改型為雙流道空氣集熱器，并對加裝適量平面無孔式擾流板和開孔型擾流板兩種優化方案進行對比分析，以期降低擾流板構造成本的同時解決空氣流動死區及高溫區的問題.

1 物理模型及實驗測試

1.1 集熱器物理模型

集熱器的外形尺寸為：長 2 000 mm，寬 1 000 mm，高65 mm，玻璃蓋板厚度為3.2 mm.在集熱器長度方向以對角線形式設置空氣進出口，如圖1所示.空氣流道由上下兩個流道組成，流道中間由吸熱板隔開，上流道高26.2 mm，下流道高20 mm.吸熱板由長 1 937 mm，寬110 mm，厚度為0.35 mm的8塊鋁鋅板組成，表面覆蓋選擇性涂層.集熱器空氣進出口長260 mm，寬50 mm，集熱器四周和底板的保溫材料為巖棉.

1.2 實驗測試系統

采用動態測試方法測試平板型雙流道空氣集熱器的熱力性能，測試條件與文獻[12]的測試條件相同.該測試系統由平板型雙流道太陽能空氣集熱器、太陽能輻射儀、風機、空氣流量計、溫度傳感器以及數據采集儀等組成.實驗平臺如圖2所示.測試儀器及其精度見表1.

1—風機，2—環境風速測量儀，3—環境溫度測試儀，4—數據采集儀，5—空氣質量流量計，6—太陽能輻射儀，7—空氣入口，8—平板型雙流道太陽能空氣集熱器，9—空氣出口圖2 實驗平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental platform

儀器型號精度范圍太陽能輻射儀TRT-2±2%空氣流量計JY-LUGB1.5級,±4.8 m3/h空氣溫度傳感器PT100A級,±(0.15+0.002 t)℃吸熱板溫度傳感器K型熱電偶B級,±0.75% t℃

2 集熱器數學建模

2.1 能量平衡方程

由集熱器的內部結構可知，空氣進入集熱器后在上、下兩個流道內與吸熱板進行換熱.其換熱關系如圖3所示.圖中：h1為上流道空氣與玻璃蓋板的對流換熱系數；h4為下流道空氣與底板的對流換熱系數；Tf1、Tf2分別為上、下流道的空氣溫度；Ug、Ud分別為頂部和底部的熱損失系數；hpg、hpd分別為吸熱板與玻璃蓋板、底板的輻射換熱系數；h2、h3分別為上、下流道空氣與吸熱板的對流換熱系數；Tp、Ta、Tg以及Td分別為吸熱板溫度、環境溫度、玻璃蓋板溫度以及底板溫度.

圖3 集熱器換熱關系圖Fig.3 Heat transfer diagram of the collector

當集熱器處于穩態換熱且無空氣泄露的情況下，玻璃蓋板的能量平衡方程為

S1+hpg(Tp-Tg)+h1(Tf1-Tg)=

Ug(Tg-Ta)

(1)

式中：S1為玻璃蓋板吸收的太陽輻射量.上流道空氣在單位時間內獲得的熱量為

Q1=h1(Tg-Tf1)+h2(Tp-Tf1)

(2)

吸熱板單位時間吸收的太陽輻射量為

S2=h3(Tp-Tf2)+h2(Tp-Tf1)+

hpg(Tp-Tg)+hpd(Tp-Td)

(3)

下流道空氣在單位時間內獲得的熱量為

Q2=h3(Tp-Tf2)+h4(Td-Tf2)

(4)

底板能量平衡方程為

h4(Tf2-Td)+hpd(Tp-Td)=

Ud(Td-Ta)

(5)

式(1)和(3)的邊界條件為邊界上的熱流密度值，式(2)和(4)的邊界條件為邊界上物體與周圍流體間的表面傳熱系數h.

2.2 數值模擬方法

利用ANSYS Meshing對集熱器進行建模及網格劃分.經網格無關性驗證發現，當網格數大于7×105時模擬結果趨于穩定，本文設定總網格數為 7.8×105.

由于空氣在集熱器中的流速較低，溫度變化較大，從而產生密度變化，因此采用Boussinesq假設考慮浮升力的影響.選取Realizablek-w湍流模型模擬集熱器中渦流和圓形射流等復雜流動.采用離散坐標DO輻射模型模擬透明蓋板與集熱板間的輻射換熱.利用Fluent軟件的有限體積法對模型進行求解.選用SIMPLE耦合解法對離散方程進行求解.壓力插值方案選用Body Force Weighted格式.能量、動量以及湍流方程均采用二階迎風格式.相應的邊界條件及物性參數如表2所示.

表2 邊界條件及物性參數Tab.2 Boundary conditions and material properties

2.3 集熱器性能評價指標

在穩態或準穩態條件下，集熱器中空氣輸出的能量與集熱器采光面積和太陽輻射強度的乘積之比定義為集熱器的熱效率：

(6)

式中：m為空氣質量流量；Cr為空氣的定壓比熱容；To為空氣出口溫度；Ti為空氣進口溫度；Ag為集熱器的采光面積；GT為太陽輻射強度.

3 集熱器性能分析

3.1 模擬結果實驗驗證

某一天的9:00到16:00，平均太陽輻射強度為651 W/m2，環境溫度為23.2 ℃，空氣出口溫度的實測值和模擬值如圖4所示.可以看出，模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，最大相對誤差為8.52%，即本文所述的模擬方法在一定程度上可以預測集熱器的實際運行性能.此外，最大相對誤差出現在早上9:00，原因在于此時的空氣出口溫度較低，在相同絕對誤差的條件下，相對誤差較高.

圖4 空氣出口溫度模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison between the simulated and the measured air outlet temperature

3.2 集熱器模擬分析

選取某一天13:30時刻的環境參數進行集熱器模擬分析.太陽的輻射強度為725 W/m2，環境溫度為24.3 ℃，空氣進口溫度為25.4 ℃，空氣入口的質量流量為0.024 kg/s.集熱器空氣出口溫度以及集熱效率的模擬值分別為55.3 ℃和53.4%.集熱器吸熱板的溫度分布和流體域空氣流動如圖5和6所示.

圖5 原始模型吸熱板溫度分布Fig.5 Temperature distribution of absorber plate in orginal model

圖6 原始模型集熱器流體域空氣流動圖Fig.6 The air flow diagram of the flow field in orginal model

由圖5和6可知，空氣主要沿對角線方向流動.在空氣流動方向，吸熱板溫度分布相對均勻，但流體域內部卻存在大范圍的空氣流動死區和明顯的局部渦旋，導致吸熱板表面出現局部高溫區，最高溫度達到127 ℃.此外，由于吸熱板與空氣換熱不充分，在渦旋區域空氣的滯留時間增加并且被不斷加熱，空氣溫度進一步升高.與此同時，此部分空氣將熱量傳遞至玻璃蓋板，玻璃蓋板溫度升高的同時通過輻射換熱等方式將熱能耗散到外界環境之中，因此增加了集熱器的熱損，降低了集熱效率.

4 集熱器結構優化

為消除集熱器內流動死區及局部漩渦，提出加裝平面無孔式擾流板和開孔型擾流板兩種優化方案.擾流板在空氣流體域內對空氣起到阻擋和導流作用，可增加空氣之間的干擾力度，也可使空氣的流程加長，因此更有利于流動換熱.

4.1 加裝平面無孔式擾流板

擾流板以垂直于集熱器長邊交錯等距布置，共4塊，長度為800 mm，厚度為0.5 mm.上、下流道擾流板寬度分別為26.2和20 mm，如圖7所示.

圖7 擾流板集熱器示意圖Fig.7 Schematic diagram of solar collector with baffles

加裝擾流板的集熱器吸熱板溫度分布和流體域流線如圖8和9所示.可以看出，擾流板對空氣起到阻擋和導流作用，使得空氣以S形流動且與吸熱板的換熱更加充分，因此吸熱板的溫度分布更加均勻，最高溫度為91 ℃.加裝擾流板集熱器的空氣出口溫度為61.1 ℃，集熱效率為63.8%，集熱效率相對原始模型提高19.48%.

圖8 加裝擾流板集熱器吸熱板的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of absorber plate with baffles

圖9 加裝擾流板集熱器流體域流線圖Fig.9 Streamline diagram of the flow field with baffles

從圖8還可以看出，在空氣流動的S形區域，換熱相對充分，吸熱板溫度較低，但在空氣流動的主要路徑之外，仍存在明顯的吸熱板高溫區.該現象產生的主要原因為擾流板背部空氣流動性差，使得吸熱板產生局部渦旋，甚至出現流動死區，因此該區域與空氣換熱效果差，從而出現局部高溫區.

4.2 加裝開孔型擾流板

為進一步增加擾動，消除流動死區，在擾流板上等距離開設7個小孔，上、下流道擾流板開孔直徑分別為18和14 mm，如圖10所示.加裝開孔型擾流板的集熱器吸熱板溫度分布和流體域流線如圖11和12所示.可以看出，在相同環境參數，加裝開孔型擾流板后，吸熱板的溫度分布更加均勻，最高溫度減小為88 ℃；流體域內空氣流動的主特征仍然是S形流動，部分空氣通過擾流板小孔噴射而出，使流體域內空氣的擾動性增強且空氣流動區域面積更大，從而減小了擾流板背部的高溫區和流動死區的面積；集熱器的空氣出口溫度為63.4 ℃，集熱效率為67.9%；相比于加裝傳統擾流板的優化方案，集熱效率提高6.43%，相比于原始模型，集熱效率提高27.15%.

圖11 加裝開孔型擾流板集熱器吸熱板溫度分布Fig.11 Temperature distribution of absorber plate with perforated baffles

圖10 開孔型擾流板結構示意圖Fig.10 Structural diagram of perforated baffle

圖12 加裝開孔型擾流板集熱器流體域流線圖Fig.12 Streamline diagram of the flow field with perforated baffles

5 結語

為改善平板型雙流道太陽能空氣集熱器的熱力性能及空氣流動特性，提出加裝平面無孔式擾流板和開孔型擾流板的兩種優化方案.在相同環境參數下，加裝平面無孔式擾流板使空氣出口溫度由55.3 ℃提升為61.1 ℃，集熱效率由53.4%提高到63.8%；加裝開孔型擾流板使空氣出口溫度升高為63.4 ℃，集熱效率增加到67.9%，集熱效率相對原始模型提高27.15%.開孔型擾流板是太陽能空氣集熱器可行的結構優化方式.