西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安建筑科技大學(xué) 王登甲西安建筑科技大學(xué) 任曉帥西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安建筑科技大學(xué) 劉艷峰西安建筑科技大學(xué) 丁 奎

0 引言

真空管太陽(yáng)能空氣集熱器具有防凍，過(guò)熱、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)小，且集熱效率相對(duì)較高，熱風(fēng)供暖控制方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。但由于空氣比熱容小，太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)普遍要求面積較大，系統(tǒng)內(nèi)阻力設(shè)計(jì)、平衡較為復(fù)雜。且在實(shí)際使用中，隨著吸收太陽(yáng)輻射熱量后空氣溫度物性發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致集熱陣列內(nèi)部阻力呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，尚難利用穩(wěn)態(tài)工作條件下的阻力計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行描述，如何對(duì)劇烈波動(dòng)變化條件下的太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)阻力進(jìn)行分析計(jì)算是真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨的工程問(wèn)題之一。

與傳統(tǒng)的管道系統(tǒng)阻力研究類(lèi)似，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中總阻力也可分為沿程阻力與局部阻力，阻力計(jì)算方法也大多借鑒了管道系統(tǒng)阻力方法。在太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中，關(guān)于熱水集熱器，Bava等人提出了計(jì)算U形結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能集熱器在等溫條件下的壓降和流量分布的MATLAB數(shù)值模型[1]；平板太陽(yáng)能集熱器中，F(xiàn)an等人分析了不同工況對(duì)平板型太陽(yáng)能熱水集熱器流量分布的影響[2]；真空管太陽(yáng)能集熱器阻力特性與流量分布研究中，Shah等人采用計(jì)算流體力學(xué)方法，研究了不同工況下全玻璃真空管集熱器內(nèi)部傳熱和流動(dòng)特性[3]。

在氣態(tài)輸配系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)管道系統(tǒng)阻力特性研究中，針對(duì)低溫空氣系統(tǒng)，Al-Tameemi等人以水和空氣為工質(zhì)，在500

上述研究中，雖然考慮了溫度這一參數(shù)對(duì)阻力的影響，但是較少考慮溫度波動(dòng)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的阻力特性，現(xiàn)有阻力計(jì)算方法難以表征真空管太陽(yáng)能空氣集熱陣列復(fù)雜的阻力特性。因此，本文建立了真空管太陽(yáng)能空氣集熱陣列阻力計(jì)算模型，研究了不同太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、陣列進(jìn)口溫度、工質(zhì)質(zhì)量流量及串聯(lián)集熱器數(shù)量參數(shù)對(duì)陣列阻力的影響，得到在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下阻力變化規(guī)律及簡(jiǎn)化阻力計(jì)算表，為工程中阻力設(shè)計(jì)及選型提供參考。

1 真空管太陽(yáng)能空氣集熱陣列阻力理論分析

1.1 集熱器內(nèi)部流動(dòng)原理

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論及太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部流動(dòng)特征[7]，真空管太陽(yáng)能空氣集熱器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)過(guò)程分析如圖1所示。

圖1 真空管式太陽(yáng)能空氣集熱器流動(dòng)過(guò)程

流動(dòng)過(guò)程包含5個(gè)部分：流體在兩相鄰集熱管間分流集箱內(nèi)流動(dòng)；在分流集箱與第i根集熱管交匯處流動(dòng)；在集熱管中流動(dòng)；在匯流集箱與第i根集熱管交匯處流動(dòng)；在兩集熱管間匯流集箱內(nèi)流動(dòng)。圖1中集熱器內(nèi)部控制體流動(dòng)能量方程和連續(xù)性方程如下[7]。

1) 兩相鄰集熱管間分流集箱管段能量方程：

(1)

式中p為壓力，Pa；f為沿程阻力系數(shù)；W為兩相鄰集熱管間距，m；Db為集熱管內(nèi)徑，m；Dd為分流集箱直徑，m；k為局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s；下標(biāo)d表示分流，r表示此處微元體右側(cè)，l表示此處微元體左側(cè)，i表示第i根集熱管，數(shù)字1代表兩相鄰集熱管間分流集箱管段處。

連續(xù)性方程為

vdr,i-1=vdl,i

(2)

2) 分流集箱與集熱管交匯處能量方程：

(3)

其中,沿程阻力Δpdf為

(4)

局部阻力Δpdk為

(5)

式(3)～(5)中kd為分流集箱與集熱管交匯處?kù)o壓恢復(fù)系數(shù)；下標(biāo)2代表分流集箱與集熱管交匯處。

連續(xù)性方程為

(6)

式中vb為流速，m/s。

3) 集熱管處能量方程：

(7)

式中CTd為分流轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；CTc為匯流轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；L為上下聯(lián)箱中心距離，mm；下標(biāo)3代表集熱管處，c代表匯流。

4) 匯流集箱與集熱管交匯處能量方程：

(8)

沿程阻力Δpcf為

(9)

局部阻力Δpck為

(10)

連續(xù)性方程為

(11)

式(8)～(11)中kc為匯流集箱與集熱管交匯處?kù)o壓恢復(fù)系數(shù)；Dc為匯流集箱直徑，mm；下標(biāo)4代表匯流集箱與集熱管交匯處。

5) 兩相鄰集熱管間匯流集箱管段能量方程：

(12)

式中 下標(biāo)5代表兩相鄰集熱管間匯流集箱管段。

連續(xù)性方程為

vcl,i=vcr,i-1

(13)

1.2 集熱系統(tǒng)阻力理論計(jì)算

根據(jù)流體流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)理論[8]，太陽(yáng)能集熱陣列中各部分流體沿程阻力可表示為

(14)

式中λ為太陽(yáng)能集熱陣列的沿程阻力系數(shù)；L′為等徑風(fēng)管道長(zhǎng)度，m；D為管道內(nèi)徑，m。

連續(xù)性方程見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。沿程阻力系數(shù)λ由流態(tài)和管壁粗糙度決定，流態(tài)可通過(guò)雷諾數(shù)Re進(jìn)行區(qū)分。

(15)

式中μ為黏度，Pa·s，其經(jīng)驗(yàn)公式為[9]

式中t為氣體溫度，℃。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得氣體密度公式：

(17)

不同流態(tài)下，流體雷諾數(shù)計(jì)算公式根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行相應(yīng)選取。

局部阻力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(18)

式中ξ為局部阻力系數(shù)，局部阻力系數(shù)通常由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。

應(yīng)用流體輸配原理，在某一流動(dòng)狀態(tài)下，集熱系統(tǒng)各部分阻力表達(dá)式可統(tǒng)一表示為

(19)

式中 Δpi為集熱系統(tǒng)某部分阻力,Pa；Si為集熱系統(tǒng)某部分阻抗,Pa/(m3/h)2；Qi為集熱系統(tǒng)某部分流量,m3/h。

1.3 真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)阻力求解模型

根據(jù)上述真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)原理及各部分阻力數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)阻力計(jì)算模型，如下：

(20)

1.4 真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)阻力求解流程

1) 輸入?yún)?shù)。集熱器尺寸：集熱器聯(lián)箱直徑、集熱管內(nèi)徑和長(zhǎng)度、相鄰集熱管間距、集熱管數(shù)量等；運(yùn)行參數(shù)：集熱工質(zhì)溫度、質(zhì)量流量、太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、進(jìn)口溫度、系統(tǒng)串聯(lián)集熱器數(shù)量。

2) 在設(shè)計(jì)參數(shù)下，計(jì)算集熱系統(tǒng)出口溫度。假定各集熱器初始流量分布均勻，計(jì)算各水力路徑阻抗系數(shù)，結(jié)合各部分流量計(jì)算水力路徑阻力。

3) 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中各支路阻力相等原則，計(jì)算得到支路流量修正系數(shù)，并重新計(jì)算支路流量，進(jìn)而得到各支路阻力修正值。當(dāng)各水力路徑兩次流量迭代的差值小于設(shè)定殘差時(shí)，隨即輸出集熱陣列阻力。系統(tǒng)阻力計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 真空管太陽(yáng)能空氣集熱陣列阻力計(jì)算流程

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試集熱器阻力特性，驗(yàn)證上述阻力計(jì)算模型準(zhǔn)確性。真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力特性實(shí)驗(yàn)原理

阻力特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括太陽(yáng)模擬器和太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱系統(tǒng)兩部分。太陽(yáng)模擬器主要包括輻射模擬發(fā)射器、太陽(yáng)輻射測(cè)試儀、智能控制主機(jī)與實(shí)時(shí)顯示器；太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱系統(tǒng)包括數(shù)組真空管太陽(yáng)能空氣集熱管、上下聯(lián)箱、風(fēng)機(jī)等。首先通過(guò)智能控制主機(jī)模擬太陽(yáng)輻射值設(shè)定，此外通過(guò)貼附于集熱器平面的太陽(yáng)輻射測(cè)試儀進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，以獲得集熱器所接收到的準(zhǔn)確輻照度數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)用真空管太陽(yáng)能空氣集熱器尺寸為：集熱器長(zhǎng)2.23 m，總面積4.86 m2，采光面積2.92 m2；集熱管(光管)總長(zhǎng)1.8 m；集熱管下端進(jìn)口孔徑10 mm，管內(nèi)徑47 mm，外徑58 mm，相鄰管中心間距75 mm，集熱管數(shù)量30根。主要測(cè)試儀器為：壓力變送器SKE-131，量程-500～2 000 Pa，精度±0.5%；溫度傳感器K型，量程-100～1 300 ℃，精度±0.75%；萬(wàn)向風(fēng)速儀WWFWZY-1型，量程0.05～30 m/s，精度±(0.01～0.02) m/s。

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

保持集熱器流量不變，分別測(cè)試太陽(yáng)輻照度為600、700、800 W/m2時(shí)集熱器進(jìn)出口溫度和壓力，真空管太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)出口壓降及出口溫度如圖4所示。

圖4 不同太陽(yáng)輻照度下集熱器壓降和出口溫度

2.2 模型驗(yàn)證

不同集熱器出口溫度下實(shí)驗(yàn)與模擬所得壓降對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同集熱器出口溫度下實(shí)驗(yàn)與模擬壓降對(duì)比

其均方根誤差RMSD如下：

(21)

式中n為工況測(cè)試次數(shù)；Xsim,i為節(jié)點(diǎn)i處模擬值；Xexp,i為節(jié)點(diǎn)i處實(shí)驗(yàn)值。

實(shí)驗(yàn)與模擬壓降相對(duì)誤差ε可表示為

(22)

真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有相似變化趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的RMSD均在8.2%以?xún)?nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬壓降結(jié)果最大相對(duì)誤差為9.4%。真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力模擬計(jì)算值略大于實(shí)驗(yàn)值，這主要是因?yàn)?，在?shí)際運(yùn)行中，由于集熱管和聯(lián)箱、壓力變送器和集熱器等難以保證完全連接緊密，空氣泄漏不可避免，導(dǎo)致集熱器內(nèi)流量減少，集熱器壓力有所下降，進(jìn)而導(dǎo)致集熱器進(jìn)出口壓降值下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果總體來(lái)說(shuō)吻合較好，二者變化趨勢(shì)相似，表明真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算模型和方法較為準(zhǔn)確可靠，可用于真空管太陽(yáng)能空氣集熱陣列系統(tǒng)阻力特性研究。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力特性分析

根據(jù)真空管太陽(yáng)能空氣集熱器流動(dòng)理論分析，結(jié)合式(19)可知，影響集熱器阻力的關(guān)鍵參數(shù)為集熱器阻抗和流量。當(dāng)集熱器結(jié)構(gòu)確定時(shí)，影響真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻抗的2個(gè)直接因素為集熱工質(zhì)溫度和集熱工質(zhì)流量。分別對(duì)上述因素進(jìn)行模擬，研究其對(duì)真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力特性的影響，其中集熱工質(zhì)溫度的模擬工況取值范圍為20～300 ℃；對(duì)于集熱工質(zhì)流量，根據(jù)規(guī)范推薦流量[10]，確定其質(zhì)量流量取值范圍為0.03～0.06 kg/s。

集熱工質(zhì)質(zhì)量流量為0.04 kg/s，不同集熱工質(zhì)溫度以及集熱工質(zhì)溫度確定時(shí)，對(duì)不同集熱器風(fēng)量下真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力變化規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖6所示。

圖6 不同集熱工質(zhì)溫度與風(fēng)量下集熱器壓降

由圖6可知，隨集熱工質(zhì)溫度升高，真空管太陽(yáng)能空氣集熱器壓降呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，模擬集熱工質(zhì)溫度范圍內(nèi)，集熱器壓降變化范圍為559.4～1 093.7 Pa，增加了96%。隨工質(zhì)質(zhì)量流量增加，真空管太陽(yáng)能空氣集熱器壓降呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，模擬集熱工質(zhì)流量范圍內(nèi)，集熱器壓降變化范圍為379.2～1 515.8 Pa，增大了3倍。

(23)

由式(23)可知，影響阻抗S的因素有：摩擦阻力系數(shù)λ，管段長(zhǎng)度l，直徑(或當(dāng)量直徑)d，局部阻力系數(shù)∑ξ，流體密度ρ。

由于集熱器中各集熱管及相鄰集熱管集箱處流態(tài)不同，通過(guò)分別聯(lián)立式(14)、(18)和式(19)將摩擦阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)轉(zhuǎn)換成集熱器阻抗系數(shù)，即

(24)

(25)

通過(guò)計(jì)算集熱器各部分阻抗，進(jìn)而計(jì)算集熱器各部分阻力，最終得到集熱器總阻力。其中沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[10]查出。

當(dāng)真空管太陽(yáng)能空氣集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí)，阻抗的主要影響因素僅為流體溫度，根據(jù)式(23)，即可得到真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻抗與集熱工質(zhì)溫度變化關(guān)系，如圖7所示。

圖7 不同集熱工質(zhì)溫度下集熱器阻抗

在真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻抗變化關(guān)系中，隨集熱工質(zhì)溫度升高，集熱器阻抗呈指數(shù)減小趨勢(shì)，集熱工質(zhì)溫度由20 ℃升高至300 ℃，阻抗由0.04 Pa/(m3/h)2減小至0.02 Pa/(m3/h)2，減小了1/2。

3.2 串聯(lián)真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)阻力特性分析

將集熱器串聯(lián)可有效增加系統(tǒng)出口溫度，串聯(lián)真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、陣列進(jìn)口溫度會(huì)影響集熱器內(nèi)部工質(zhì)溫度進(jìn)而影響系統(tǒng)阻力。分析不同太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、進(jìn)口溫度、工質(zhì)質(zhì)量流量及串聯(lián)集熱器數(shù)量對(duì)集熱系統(tǒng)阻力的影響，考慮各種使用情況，以及文獻(xiàn)[11]推薦值，各因素取值如表1所示。

表1 串聯(lián)真空管太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)模擬工況設(shè)置

3.2.1不同集熱器串聯(lián)數(shù)量下系統(tǒng)阻力特性

當(dāng)太陽(yáng)輻照度為1 000 W/m2、串聯(lián)集熱系統(tǒng)進(jìn)口溫度為15 ℃、環(huán)境溫度為10 ℃、集熱工質(zhì)質(zhì)量流量為0.04 kg/s時(shí)，不同串聯(lián)集熱器數(shù)量下各組集熱器阻力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同串聯(lián)集熱器數(shù)量下各組集熱器阻力與集熱系統(tǒng)出口溫度

結(jié)果表明：串聯(lián)集熱系統(tǒng)中雖然各集熱器流量相同，但是各組集熱器壓降不相同，第i組集熱器與第i-1組集熱器相比，壓降呈增長(zhǎng)率減小的增大趨勢(shì)，最后1組集熱器壓降約是第1組集熱器壓降的1.5倍。這主要是由于流經(jīng)各組集熱器的流體溫度不一致導(dǎo)致的流體黏度不一致，進(jìn)而導(dǎo)致各組集熱器阻力不一致；集熱系統(tǒng)各組集熱器出口溫度隨串聯(lián)集熱器數(shù)量增加而升高，但其溫度增長(zhǎng)率下降，最后1組集熱器出口溫度可達(dá)到220.6 ℃，比第1組集熱器出口溫度升高了158.8 ℃。這是由于隨串聯(lián)集熱器數(shù)量增加，第i組集熱器效率與第i-1組集熱器相比降低，但吸收的太陽(yáng)輻射熱量會(huì)使集熱器內(nèi)溫度不斷升高。

3.2.2不同太陽(yáng)輻射下系統(tǒng)阻力特性

在串聯(lián)集熱系統(tǒng)集熱器數(shù)量為3、集熱器進(jìn)口溫度為15 ℃、環(huán)境溫度為10 ℃、陣列流量為0.04 kg/s時(shí)對(duì)太陽(yáng)輻照度范圍為200～1 400 W/m2下的系統(tǒng)阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同太陽(yáng)輻照度下集熱系統(tǒng)阻力與出口溫度

從圖9可知，隨太陽(yáng)輻照度增大，串聯(lián)集熱陣列系統(tǒng)阻力和出口溫度均呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，太陽(yáng)輻照度為1 400 W/m2時(shí)，系統(tǒng)阻力為2 162.6 Pa，與太陽(yáng)輻照度為200 W/m2時(shí)的系統(tǒng)阻力1 716.5 Pa相比，增大了26%，系統(tǒng)出口溫度對(duì)應(yīng)升高111.1 ℃。

3.2.3不同進(jìn)口溫度下系統(tǒng)阻力特性

當(dāng)太陽(yáng)輻照度為1 000 W/m2、環(huán)境溫度為10 ℃、集熱工質(zhì)質(zhì)量流量為0.04 kg/s、集熱器串聯(lián)數(shù)量為3時(shí)，不同進(jìn)口溫度下系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同進(jìn)口溫度下集熱系統(tǒng)阻力與出口溫度

由圖10可知，隨進(jìn)口溫度升高，串聯(lián)集熱器系統(tǒng)阻力和出口溫度呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，進(jìn)口溫度為10 ℃時(shí)，系統(tǒng)阻力為1 992.9 Pa，出口溫度為102.6 ℃；進(jìn)口溫度為50 ℃時(shí)，系統(tǒng)阻力為2 160.9 Pa，出口溫度為127.4 ℃，阻力增大了8.4%，出口溫度升高了24.8 ℃。集熱器進(jìn)口溫度升高，雖然會(huì)導(dǎo)致集熱器的熱損失增加，但是由于集熱器為真空管型空氣集熱器，向環(huán)境散熱量較小，較高的集熱器進(jìn)口溫度會(huì)使得系統(tǒng)內(nèi)部溫度趨于一致性的程度更高，平均溫度更高，進(jìn)而使得系統(tǒng)中流體黏度更大，總壓降更高。總體來(lái)看，系統(tǒng)進(jìn)口溫度由10 ℃升高到50 ℃過(guò)程中，阻力增大約8.4%，因此，進(jìn)口溫度對(duì)系統(tǒng)阻力影響較小。

3.2.4不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)阻力特性

當(dāng)串聯(lián)集熱系統(tǒng)集熱器數(shù)量為3、集熱器進(jìn)口溫度為15 ℃、陣列流量為0.04 kg/s、太陽(yáng)輻照度為1 000 W/m2時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度為10～50 ℃下系統(tǒng)阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同環(huán)境溫度下集熱系統(tǒng)阻力與出口溫度

由圖11可知，隨環(huán)境溫度升高，串聯(lián)集熱系統(tǒng)阻力與出口溫度呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，環(huán)境溫度由10 ℃升高到50 ℃時(shí)，系統(tǒng)阻力由2 013.9 Pa增大到2 074.8 Pa，增大了3%，系統(tǒng)出口溫度由105.7 ℃升高到120.8 ℃，升高了15.1 ℃。

隨環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)阻力增大主要是由于集熱器進(jìn)口溫度一定時(shí)，環(huán)境溫度升高，集熱器向環(huán)境散發(fā)的熱損失減小，使得集熱器內(nèi)部仍能保持較高溫度，因而系統(tǒng)阻力有所增大，又由于集熱器與環(huán)境之間的換熱損失較小，因此隨環(huán)境溫度變化，集熱系統(tǒng)阻力變化較小。環(huán)境溫度由10 ℃升高到50 ℃過(guò)程中，系統(tǒng)阻力增大僅為3%，因此，綜合分析上述結(jié)果，環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)阻力影響較小，可以忽略。

3.2.5不同工質(zhì)質(zhì)量流量下系統(tǒng)阻力特性

在太陽(yáng)輻照度取1 000 W/m2、集熱器進(jìn)口溫度為15 ℃、環(huán)境溫度為10 ℃、串聯(lián)集熱器數(shù)量為3條件下，不同工質(zhì)質(zhì)量流量下系統(tǒng)阻力模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同工質(zhì)質(zhì)量流量下系統(tǒng)阻力與出口溫度

由圖12可知，隨工質(zhì)質(zhì)量流量增大，集熱系統(tǒng)阻力呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，集熱工質(zhì)質(zhì)量流量為0.03 kg/s時(shí)，系統(tǒng)阻力為1 192.4 Pa，當(dāng)工質(zhì)質(zhì)量流量增大到0.06 kg/s時(shí)，集熱系統(tǒng)阻力為4 275.3 Pa，增大了2.59倍，同時(shí)陣列出口溫度由129.8 ℃下降到78.6 ℃，下降了51.2 ℃。綜上分析可知，集熱工質(zhì)質(zhì)量流量對(duì)集熱系統(tǒng)阻力影響較大。

3.3 單位面積真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算

根據(jù)真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算模型，求解得到在不同集熱工質(zhì)溫度和工質(zhì)質(zhì)量流量下，單位面積真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力如表2所示。

結(jié)果顯示，集熱工質(zhì)流量一定時(shí)，單位面積集熱器阻力最大值為集熱器阻力最小值的2倍左右；集熱工質(zhì)溫度一定時(shí)，單位面積集熱器阻力最大值為最小值的4倍左右；集熱工質(zhì)流量為0.06 kg/s、集熱工質(zhì)溫度為300 ℃時(shí)單位面積集熱器阻力是流量為0.03 kg/s、工質(zhì)溫度為20 ℃時(shí)集熱器阻力的7.81倍。

表2 單位面積真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算結(jié)果 Pa/m2

以上結(jié)果說(shuō)明，在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下，集熱器阻力變化較大，因此真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力計(jì)算中，將流體視為等溫狀態(tài)將會(huì)引起較大誤差。

4 結(jié)論

1) 真空管太陽(yáng)能空氣集熱器阻力隨集熱工質(zhì)溫度升高呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨工質(zhì)質(zhì)量流量增加阻力呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，集熱工質(zhì)流量為0.03～0.06 kg/s范圍內(nèi)，集熱器壓降增大了3倍；隨集熱工質(zhì)溫度升高，集熱器阻抗呈指數(shù)減小趨勢(shì)，變化范圍為0.02～0.04 Pa/(m3/h)2。

2) 隨串聯(lián)集熱器數(shù)量增加，串聯(lián)真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)各組集熱器阻力呈增長(zhǎng)率減小的增大趨勢(shì)，系統(tǒng)阻力隨環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度、進(jìn)口溫度升高呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，其中環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)阻力影響較小，可忽略不計(jì)。集熱器數(shù)量一定時(shí)，各因素對(duì)串聯(lián)集熱系統(tǒng)阻力影響程度排序?yàn)椋汗べ|(zhì)流量>太陽(yáng)輻照度>集熱器進(jìn)口溫度>環(huán)境溫度。

3) 給出了單位面積集熱器阻力計(jì)算表，為真空管太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)串聯(lián)、并聯(lián)或者混合連接陣列阻力設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。