陳懷， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 劉雪平

（云南師范大學(xué) 太陽(yáng)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）

1 引 言

作為太陽(yáng)能利用的重要裝置，太陽(yáng)能空氣集熱器被廣泛地用于作物干燥和空間加熱［1－5］.從已有的研究成果看，除平板型空氣集熱器外，V型波紋吸熱板空氣集熱器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低廉及換熱效率較高等優(yōu)點(diǎn)成為研究和應(yīng)用較為廣泛的一類(lèi)空氣集熱器.最早對(duì)其進(jìn)行研究的是Elsherbing［6］，隨后趙錫偉等人［7］在其基礎(chǔ)上，對(duì)V型吸熱板與玻璃蓋板間空氣夾層的自然對(duì)流換熱進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，并對(duì)V型波紋吸熱板的輻射特性進(jìn)行分析，建立了“鏡漫反射混合模型”.張珂理［8］對(duì)V型波紋多孔體太陽(yáng)能空氣集熱器的熱性能和光學(xué)性能進(jìn)行了研究，由能量平衡方程組得到了熱性能參數(shù)和光學(xué)性能參數(shù)的解析表達(dá)式，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算求得了與試驗(yàn)結(jié)果相符的理論效率.袁旭東等［9］從太陽(yáng)能空氣集熱器傳熱特征及熱平衡分析出發(fā)，對(duì)V型太陽(yáng)能空氣集熱器的熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了適用于V型集熱器、單、雙流道集熱器、帶與不帶肋片集熱器的通用數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際對(duì)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，利用有限差分法對(duì)微分方程進(jìn)行離散化即得到空氣集熱器的瞬時(shí)效率.Abdul－Malik和 Ebrahim［10］設(shè)計(jì) V 型吸熱板空氣集熱器，不僅增加了吸熱面積，而且可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的二次反射和吸收，提高了效率.Metwally［11］設(shè)計(jì)了一種波紋狀吸熱板的空氣集熱器，此種吸熱板增加了吸熱面積，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)集熱器.A.A EI－Sebaii［12］等利用實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法對(duì)雙流道V型波紋板太陽(yáng)能空氣集熱器的空氣出口溫度、有用的熱量輸出和總的熱損進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析有很好的吻合；文中還分析了空氣質(zhì)量流率對(duì)壓降和熱液壓效率的影響，結(jié)果表明雙流道V型波紋板太陽(yáng)能空氣集熱器比雙流道平板型太陽(yáng)能空氣集熱器的熱效率高11%～14%.

從目前的研究看，使用V型波紋板已經(jīng)成為提高太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能的一種重要方式.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以交叉V型吸熱板－底板太陽(yáng)能空氣集熱器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了四種不同的吸熱板與底板的放置方式，利用CFD技術(shù)，建立集熱器的三維數(shù)值模擬模型，在模型中加載太陽(yáng)載荷模型，既考慮了直接輻射、漫射太陽(yáng)輻射和地面反射，并同時(shí)考慮了系統(tǒng)內(nèi)部散射和漫射及太陽(yáng)的位置變化等，使得計(jì)算更接近實(shí)際.文中對(duì)比分析了四種集熱器在相同流量下的瞬時(shí)效率和傳熱性能，同時(shí)還深入研究了集熱器中溫度場(chǎng)，不僅可以對(duì)比四種集熱器在熱性能方面的優(yōu)劣，還可以揭示集熱器內(nèi)部的傳熱機(jī)理.

2 集熱器物理模型

為了使不同的吸熱板與底板的放置方式能夠進(jìn)行性能對(duì)比，四種集熱器除了放置方式不同外，其他參數(shù)如V形開(kāi)口角、V形邊長(zhǎng)、空氣流道高度、吸熱板與玻璃蓋板距離盡量選擇一致，其中空氣流道高度為吸熱板與底板的最大距離（即吸熱板的V形波峰與底板的V形波谷的距離）與最小距離（即吸熱板的V形波谷與底板的V形波峰的距離）的平均值.集熱器各項(xiàng)幾何參數(shù)如表1所示.

表1 集熱器幾何參數(shù)Table 1 The geometric parameters of collector

圖1為研究的四種集熱器幾何結(jié)構(gòu)圖.其中：圖a的吸熱板的波形為橫向放置，底板為縱向放置，圖b的吸熱板的波形為縱向放置，底板為橫向放置，即這兩種放置方式中的吸熱板與底板的V形波相互垂直；圖c的吸熱板與底板的波形都為橫向放置，且波峰與波峰相對(duì)，波谷與波谷相對(duì)，圖d的吸熱板與底板也都為橫向放置，但其波峰與波谷相對(duì)，這兩種結(jié)構(gòu)的波形為平行放置.

圖1 四種集熱器幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Four placement geometric structure

集熱器吸熱板為陽(yáng)極氧化選擇性吸收膜，吸熱板上面有一層玻璃蓋板，選用的為普通玻璃.底板為與吸熱板形狀一致的鋁板，兩板之間有一定的間隙，氣流在吸熱板與底板之間流動(dòng).集熱器的側(cè)面和最底部為聚氨酯保溫層，聚氨酯在平均溫度低于350℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.12W／（m·K），因此可以起到很好的保溫作用；邊框?yàn)殇X合金，用來(lái)固定整個(gè)裝置.集熱器包含兩個(gè)流體域，一個(gè)為玻璃蓋板、吸熱板和邊框共同圍成的封閉區(qū)域，內(nèi)為滯止空氣層，主要目的是形成溫室，從而可以起到溫室效應(yīng)的作用，使得較多的能量進(jìn)入且減少輻射出去的能量；另一個(gè)區(qū)域?yàn)槲鼰岚搴偷装鍢?gòu)成的空氣流道，空氣從集熱器入口進(jìn)入，在流經(jīng)空氣流道的過(guò)程中與吸熱板進(jìn)行熱交換，變成熱空氣從出口流出，此部分為要研究的流體域.

3 熱性能評(píng)價(jià)參數(shù)

3.1 空氣集熱器熱效率

太陽(yáng)能空氣集熱器主要是通過(guò)熱轉(zhuǎn)換效率η來(lái)評(píng)價(jià)熱性能的.集熱器的熱效率是規(guī)定時(shí)間內(nèi)吸收的有用熱能與入射在集熱器表面的太陽(yáng)輻射能之比，它也是可以直觀地體現(xiàn)集熱器對(duì)太陽(yáng)輻射能量的利用程度的量，其計(jì)算公式為［13］：

式中：Qu為有用熱能；Ac為極熱面積；GT為太陽(yáng)輻照度，W／m2.

從公式（1）中可以看出，Qu為計(jì)算集熱器熱轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要的參數(shù)，其值為集熱器吸收的太陽(yáng)輻射能與損失的熱能之差.本文將模擬的邊界條件設(shè)為四周絕熱，所以損失的熱能主要來(lái)自集熱器頂部，而頂部的熱損失與輻射能量相比比較小，所以吸熱板接收到的太陽(yáng)輻射能量都用于加熱流體.

Qu的計(jì)算：

式中：Ac為集熱器的面積，m2；CP為空氣定壓熱容，J／（kg·K）；mf為空氣流體的質(zhì)量流率，kg／（s·m2）；Tf為集熱器出口端空氣流體的溫度，K；Ti為集熱器進(jìn)口端流體的溫度，K.

3.2 流動(dòng)換熱

努賽爾數(shù)是表示對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度的無(wú)量綱參數(shù)，由下式計(jì)算得到［14］：

其中，h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；Dh為特征長(zhǎng)度，m；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）.

特征長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：

式中：Dh為特征長(zhǎng)度，m；A為介質(zhì)流道截面面積；P為濕周，m.

4 數(shù)值模擬模型及求解

4.1 數(shù)值模擬模型

考慮到計(jì)算的方便及集熱器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)模型做如下假設(shè)［15］：

（i）空氣視為不可壓縮流體，其密度與壓力無(wú)關(guān)，只與溫度有關(guān)，且在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，密度與溫度是線性變化的；

（ii）粘度系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)均與溫度無(wú)關(guān)，僅在體積力一項(xiàng)中考慮密度隨溫度的變化；

（iii）忽略粘性耗散熱引起的溫度變化.

為了使模型更接近于實(shí)際，在FLUENT模擬計(jì)算中選用了太陽(yáng)加載模型中的DO模型.FLUENT提供了兩種選項(xiàng)來(lái)計(jì)算太陽(yáng)載荷：晴朗天氣條件法和理論最大值法.本文選擇晴朗天氣模型（假設(shè)有云層，晴天指數(shù)為0.8），計(jì)算直接太陽(yáng)輻照為Edn＝A／eB／sinα，其中A和B分別為大氣質(zhì)量為0時(shí)的太陽(yáng)輻照和大氣消光系數(shù)，其值根據(jù)在無(wú)云日子里地球表面的數(shù)據(jù)得到，而α為太陽(yáng)高度角.太陽(yáng)載荷模型采用太陽(yáng)射線追蹤模型（solar ray tracing），地理位置設(shè)置為昆明的地理緯度（北緯25°，東經(jīng)102°，東8區(qū)）.考慮到集熱器的最佳安裝傾角為當(dāng)?shù)鼐暥取?0°［16］，本文取集熱器的安裝傾角為30°正南放置，不針對(duì)多種安裝傾角進(jìn)行模擬計(jì)算.計(jì)算得到傾斜面上接受到的總太陽(yáng)輻照度為804.975W／m2.

4.2 邊界條件

在求解器的設(shè)置中，選擇了壓力基，對(duì)流體采用了穩(wěn)態(tài)計(jì)算.計(jì)算模型選擇K－ε模型中的可實(shí)現(xiàn)方程.用于數(shù)值模擬的對(duì)應(yīng)邊界條件設(shè)置如表2所示.重力加速度沿y的負(fù)方向，即y＝－9.8 m／s2，環(huán)境溫度恒定為300K.

表2 用于數(shù)值模擬的集熱器邊界條件Table 2 The boundary conditions of collector used in numerical simulation

4.3 求解方法

計(jì)算時(shí)應(yīng)用分離式求解器，選擇壓力速度耦合的SIMPLEC算法.壓力采用PRESTO！離散方法.動(dòng)量、能量和湍動(dòng)能方程選擇二階迎風(fēng)格式.為了得到更好的收斂效果，可以適當(dāng)修改松弛因子.

5 計(jì)算結(jié)果及分析

國(guó)內(nèi)外研究普遍認(rèn)為，增加傳熱面積和空氣流動(dòng)可以有效提高吸熱板與空氣間的對(duì)流換熱.模擬以集熱器瞬時(shí)效率的高低作為判定集熱器熱性能好壞的指標(biāo)，為了比較四種空氣集熱器的熱性能，本文選擇集熱器的入口空氣流量為60m3／h，屬較高流量范圍，將其折算為入口速度后用于模擬計(jì)算，由于波形流道的幾何形狀不同，入口速度也不同.空氣的入口溫度為300K.

5.1 空氣集熱器的溫度場(chǎng)

5.1.1 寬度0.5m處截面和流道中心位置截面的溫度場(chǎng)

圖2所示為四種集熱器在寬度方向的中心即0.5m處截面的溫度云圖.從圖中可以看出，四種集熱器都有很明顯的等溫區(qū)域分界，說(shuō)明V型的設(shè)計(jì)對(duì)空氣的換熱起到了很好的擾動(dòng)作用.對(duì)于結(jié)構(gòu)一來(lái)說(shuō)，低溫區(qū)主要集中在從集熱器進(jìn)口到沿流道長(zhǎng)度為0.5m這一段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，從0.5m到大概1.3m左右的位置，空氣實(shí)現(xiàn)了較好的摻混和換熱，升溫至340K左右，從1.3m到出口端空氣溫度基本穩(wěn)定在350K左右.結(jié)構(gòu)二的低溫區(qū)主要是從進(jìn)口端延長(zhǎng)至沿流道長(zhǎng)度1m的位置，升溫所用時(shí)間較長(zhǎng).結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的低溫區(qū)大概為流道長(zhǎng)度的1／3，之后流道內(nèi)的升溫情況同結(jié)構(gòu)一的大致相同.

圖3為四種集熱器在流道中心位置截面的溫度云圖.可以看出，結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的低溫區(qū)域比結(jié)構(gòu)二小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四在空氣進(jìn)入空氣流道后被加熱的速度快，而結(jié)構(gòu)二則較慢.從以上分析可知，升溫最快的是結(jié)構(gòu)一，最慢的為結(jié)構(gòu)二，結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四介于結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二之間，所以，吸熱板的橫向放置方式優(yōu)于吸熱板的縱向放置方式，因?yàn)榭諝膺M(jìn)入流道后，吸熱板的波峰波谷交叉出現(xiàn)改變了流道的高度，由此對(duì)空氣形成了很好的擾動(dòng)，增強(qiáng)了空氣與吸熱板之間的換熱程度，使出口溫度增加，從而能夠提高換熱效率.

圖2 寬度中心0.5m處截面的溫度云圖Fig.2 The temperature contour in the center of width of 0.5msection

圖3 流道中心位置截面的溫度云圖Fig.3 The temperature contour in the center section of flow channel

5.1.2 吸熱板的溫度場(chǎng)

圖4是四種集熱器吸熱板上的溫度云圖.可以看出，四種吸熱板均存在低溫和高溫區(qū)域.結(jié)構(gòu)一的板溫最大最小值分別為310K和410K，結(jié)構(gòu)二的板溫最大最小值分別為320K和420K，結(jié)構(gòu)三的板溫最大最小值分別為315K和400K，結(jié)構(gòu)四的板溫最大最小值分別為335K和415K.從平均值上來(lái)看，各吸熱板的平均溫度分別為376.70K、390.46K、380.53K和380.26K，結(jié)構(gòu)一的吸熱板溫最低，結(jié)構(gòu)二的吸熱板溫最高，結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四板溫接近.在同傾角、同輻射以及相同流量的情況下，板溫低說(shuō)明空氣與吸熱板的換熱程度高，被空氣帶走的熱量多，空氣溫升大，則集熱器的瞬時(shí)效率高；板溫高說(shuō)明空氣與吸熱板換熱程度低，被空氣帶走的熱量少，空氣溫升小，則集熱器的瞬時(shí)效率低.

圖4 吸熱板的溫度云圖Fig.4 The temperature contour of absorbing plate

5.2 吸熱板在寬度0.5m處的努賽爾數(shù)

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，同一吸熱板在寬度為0.25m、0.5m和0.75m處的努賽爾數(shù)曲線基本相同，所以本文選取四種集熱器的吸熱板在寬度0.5m處沿長(zhǎng)度方向上努賽爾數(shù)曲線來(lái)研究吸熱板與空氣的對(duì)流換熱特性.由圖5可知，各吸熱板的努賽爾數(shù)都呈現(xiàn)波形分布，這是因?yàn)樗姆N集熱器的吸熱板均為V形，努賽爾數(shù)的波峰值出現(xiàn)在V形波谷附近，其波谷值出現(xiàn)在V形波峰附近，而且結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四相對(duì)結(jié)構(gòu)二來(lái)說(shuō)這種波形十分明顯，這主要是由于結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的吸熱板是橫向放置，而結(jié)構(gòu)二的吸熱板是縱向放置.另外，各吸熱板的努賽爾數(shù)都是在進(jìn)口處有較大值，而在出口處便急劇變小，說(shuō)明進(jìn)口處的換熱要強(qiáng)于出口處.從圖中還可以看出，結(jié)構(gòu)一努賽爾數(shù)大致集中在15～35之間，結(jié)構(gòu)二的努賽爾數(shù)大致集中在10～20之間，結(jié)構(gòu)三的努賽爾數(shù)大致集中在15～20之間，結(jié)構(gòu)四的努賽爾數(shù)大致集中在15～30之間.在FLUENT中取得四種集熱器在此線上的平均努賽爾數(shù)分別為20.145、14.851、18.155以及19.155，所以從努賽爾數(shù)的數(shù)值分析上同樣說(shuō)明結(jié)構(gòu)一的換熱要優(yōu)于其他三個(gè)結(jié)構(gòu).

圖5 吸熱板在寬度0.5m處沿長(zhǎng)度方向上努賽爾數(shù)Fig.5 The Nunumber of absorbing plate in the width 0.5msection alone the length direction

5.3 集熱器的瞬時(shí)效率

表3為四種空氣集熱器的模擬結(jié)果.可以看出，在入口空氣流量相同的情況下，結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的瞬時(shí)效率要高于結(jié)構(gòu)二的瞬時(shí)效率，說(shuō)明吸熱板的波形橫向放置要優(yōu)于吸熱板的縱向放置.另外，從瞬時(shí)效率的結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)一的效率是四種集熱器中最好的.

表3 四種空氣集熱器在入口空氣流量為60m3／h的模擬結(jié)果Tab.3 The simulation results of four solar air collectors－the inlet air flow rate as 60m3／h

6 結(jié) 論

本文以瞬時(shí)效率作為判定太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，取集熱器的安裝傾角為30°正南放置，入口空氣流量為60m3／h的工況下，對(duì)相同幾何尺寸（長(zhǎng)2m，寬1m）的波形板的四種吸熱板與底板不同放置方式的集熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比分析.同時(shí)分析了集熱器不同位置的溫度場(chǎng)以及四種流道的換熱性能，其結(jié)果如下：

由在中心寬度0.5m處截面和流道中心位置截面的溫度場(chǎng)分析可知，四種集熱器都有很明顯的等溫區(qū)域分界，而且流道中心位置的溫度變化均勻.結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四在長(zhǎng)度方向的低溫區(qū)域較結(jié)構(gòu)二來(lái)說(shuō)較小；升溫最快的是結(jié)構(gòu)一，最慢的為結(jié)構(gòu)二，結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四介于結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二之間.

四種集熱器在中心寬度0.5m處沿長(zhǎng)度方向上的平均努賽爾數(shù)分別為 20.145、14.851、18.155以及19.155，說(shuō)明結(jié)構(gòu)一的換熱優(yōu)于其他三個(gè)結(jié)構(gòu).

由模擬和瞬時(shí)效率計(jì)算結(jié)果可以看出，在同一傾角、同一輻照強(qiáng)度和空氣流量為60m3／h的工況下四種集熱器中結(jié)構(gòu)一的瞬時(shí)效率最高，為67.77%，結(jié)構(gòu)二瞬時(shí)效率最低，為62.69%，結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)四的瞬時(shí)效率介于結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)四之間，分別為64.44%和64.89%.相同入口溫度下，四種集熱器的最大溫升為53.09K.

通過(guò)對(duì)本文四種太陽(yáng)能空氣集熱器的數(shù)值模擬，得出空氣集熱器的V型吸熱板橫向放置，底板縱向放置結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)效率最高.

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