廖圣平

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

太陽能集熱器[1]為現(xiàn)代人類對(duì)太陽能的熱利用提供了有效的方案，把自然資源很好地轉(zhuǎn)化成可以被人類利用的能量，可以一定程度上減輕地球不可再生能源消耗的負(fù)擔(dān)，為節(jié)能減排作出重要貢獻(xiàn)。我國地域?qū)拸V，太陽能資源十分豐富[2]，很適合太陽能集熱器的規(guī)?；褂?，我國也逐漸形成了全球最大的太陽能資源運(yùn)用市場(chǎng)。

傳統(tǒng)的太陽能集熱器是一種熱交換器，太陽的照射角度影響著集熱器的吸光性能和傳熱效率。Zhao[3]發(fā)現(xiàn)，平面集熱器受到的太陽輻射與太陽光對(duì)平面的入射角度有關(guān)，太陽入射角也可以通過太陽高度角的三角函數(shù)表示。一般研究太陽照射角度對(duì)集熱器的影響的方法均采用測(cè)定裝置或儀器的測(cè)定，如Yi等[4]通過在不同的試驗(yàn)站開展太陽輻射的測(cè)定，研究了不同氣候、不同緯度條件下太陽照射強(qiáng)度的變化，研究了角度對(duì)太陽輻射強(qiáng)度的影響。Zhai[5]等人對(duì)集熱器的傾角、管道排列間隔、集熱器方位角等作出了變量設(shè)置，探究了這些不同對(duì)真空管集熱器排列性能的影響。Yang等人[6]通過數(shù)學(xué)模型，對(duì)太陽光照入射和反射路徑進(jìn)行了研究，對(duì)研究槽式聚光的角度以提高槽式太陽能集熱效率具有重要作用。Borode等[7]利用碳納米材料具有優(yōu)良的導(dǎo)熱特性，分別通過對(duì)不同納米流體濃度、溫度和流量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究對(duì)太陽能集熱器集熱效率的影響。結(jié)果表明，0.3%的碳基納米流體對(duì)平板、真空管、拋物線槽和混合型光伏熱太陽能集熱器的集熱效率分別提高了95.12%、93.43%、74.7%和97.3%。Gan和Qiao[8]分別將多壁碳納米管、碳納米粒子和鋁納米粒子分散在乙醇溶液中,制成具有不同介質(zhì)的納米流體，發(fā)現(xiàn)多壁碳納米流體的光熱吸收特性好于普通碳納米流體和其他金屬納米流體。曼徹斯特大學(xué)的Geim和Novoselov[9]在2004年首次合成了石墨烯這一新型材料，其具有許多優(yōu)良的性質(zhì)[10]，其中石墨烯擁有著已知材料中最高的導(dǎo)熱系數(shù)[11]，這一優(yōu)勢(shì)有助于提高納米流體的傳熱特性。李天宇等[12]模擬了石墨烯-乙醇納米流體的導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明石墨烯固體顆粒改善了乙醇基液的導(dǎo)熱性能，相同溫度下石墨烯-乙醇納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著固體顆粒濃度的增大而增大，其中體積分?jǐn)?shù)為 0.1%的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于純乙醇基液的提升約為10%。 如今，有專家學(xué)者對(duì)集熱器照射角度的進(jìn)行研究，但主要集中在平板式太陽能集熱器[13]、真空管太陽能集熱器[14]和直接吸收式集熱器[15]放置的傾角上，其解決的問題是如何找到面對(duì)太陽直接照射和散射的最佳照射角度，使得吸收效率最高，而對(duì)于直接吸收式納米流體的照射吸收沒有做出具體的角度改變研究。所以，研究不同照射角度對(duì)直接吸收式集熱器的光熱吸收轉(zhuǎn)化效率的影響，對(duì)提高直接吸收式集熱器的工作效率具有重要意義。

基于此，本文利用FLUENT軟件對(duì)簡(jiǎn)化的直接吸收式集熱器進(jìn)行模擬仿真，構(gòu)建直接吸收式集熱器玻璃管模型，選用石墨烯納米流體為傳熱介質(zhì)，采用軟件中的輻射傳熱模塊并調(diào)用太陽方位角組件，對(duì)集熱器進(jìn)行了不同方位角度的模擬照射，對(duì)照射結(jié)果進(jìn)行比較分析，通過溫度和流場(chǎng)的變化找出最有利于集熱器吸收太陽能的具體方位，提高直接吸收式太陽能集熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率。

1 模型選擇

1.1 輻射傳熱模型

(1)

1.2 浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)

當(dāng)流體受熱升溫時(shí)，局部密度會(huì)發(fā)生變化，從而引起重力差異造成流體的流動(dòng)[16]。FLUENT可以對(duì)這種由重力差異引起的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

在混合對(duì)流過程中，浮力的影響可以表現(xiàn)為格拉曉夫數(shù)與雷諾數(shù)之比：

(2)

式中：Gr為格拉曉頭數(shù)；Re為雷諾數(shù)；ρ為液體密度，kg/m3;g為重力加速度，m·s-2;h為特征尺度；v為流體流速，m·s-1。

當(dāng)此數(shù)值近似或大于1時(shí)，浮力對(duì)流體的流動(dòng)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)數(shù)值小于1時(shí)，浮力對(duì)流體流動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)。

在自然對(duì)流中，瑞利數(shù)可以用來判定浮力引起的流動(dòng)強(qiáng)度：

(3)

(4)

(5)

式中：β為熱膨脹系數(shù)；T為熱力學(xué)溫度，K；L為特征長度；ρ為流體密度，kg·m-3;μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；α為熱擴(kuò)散率，m2/s；k為導(dǎo)致系數(shù)，W/(m·K)；cp為比熱容，J/(kg·K)。

1.3 流體特性

太陽能集熱器的流體中加入具有吸光導(dǎo)熱性能的納米顆?？梢杂行岣呒療崞鞯墓鉄徂D(zhuǎn)化效率。SiO2、Al2O3、Cu、碳基材料等納米顆粒的添加都會(huì)對(duì)流體的傳熱特性造成一定影響。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[17-18]，納米顆粒的添加，會(huì)使流體的強(qiáng)化傳熱效果比未添加時(shí)有所提高，換熱系數(shù)受顆粒添加量和顆粒尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響。

與普通的傳熱介質(zhì)相比，納米流體的優(yōu)點(diǎn)突出：根據(jù)麥克斯韋理論，流體的熱傳導(dǎo)能力會(huì)因?yàn)楣腆w顆粒的加入得到明顯的提升，液體中的顆粒含量越大，所得的納米流體的導(dǎo)熱性能也越好；納米顆粒使基液的表面張力減小，改善基液的潤濕性能，能極大地提升工質(zhì)流體的對(duì)流傳熱與沸騰換熱能力，改良基液的蒸發(fā)特性；當(dāng)納米顆粒分散在基液中，體系的光學(xué)性能將發(fā)生改變，納米流體對(duì)某些特定波段內(nèi)的光吸收率將大大增加，這種變化會(huì)使納米流體呈現(xiàn)出優(yōu)于普通工質(zhì)流體的輻射特性。

基于石墨烯具有已知材料中最高導(dǎo)熱系數(shù)的熱物性優(yōu)勢(shì)，本文選用石墨烯納米顆粒為流體基質(zhì)，為使計(jì)算簡(jiǎn)化，將石墨烯納米流體視為單相流體，物理參數(shù)為視為常數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)、黏度和比熱容。納米流體參數(shù)值采用文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)值。

1.4 參數(shù)設(shè)定

直接吸收式太陽能集熱器照射原理與能量轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。仿真將集熱器管路簡(jiǎn)化成圓柱狀、由內(nèi)外層玻璃夾中間真空的模型，管長120 mm，直徑30 mm。網(wǎng)格采用四面體和六面體混合體網(wǎng)格形式劃分，網(wǎng)格尺寸為2 mm，網(wǎng)格數(shù)為17 880，如圖2所示。

圖1 集熱器照射原理與能量轉(zhuǎn)換流程圖

圖2 簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分

材料流體選擇石墨烯納米流體(導(dǎo)熱系數(shù)0.175 W/(m·K)，比熱容4 154 J/(kg·K)，動(dòng)力黏度0.009 47 Pa·s)；定義新材料為玻璃和真空，玻璃密度2 200 kg/m3，比熱容830 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率1.15 W/(m·K)；真空密度0.1 kg/m3，比熱容870 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率0.01 W/(m·K)。

2 結(jié)果分析

2.1 從上方和下方照射對(duì)流體性能的影響

為了體現(xiàn)從上方和下方照射流體運(yùn)動(dòng)的差異，從上方照射時(shí)重力加速度g取正值，反之取負(fù)值。計(jì)算結(jié)果通過溫度云圖可以很直觀地呈現(xiàn)，如圖3分別為從上方和下方照射的xy截面溫度分布云圖，從圖3分析得出，熱量集中匯聚在內(nèi)玻璃層，真空層溫度由靠近內(nèi)玻璃的側(cè)向外玻璃側(cè)遞減，外玻璃溫度接近外界溫度，沒有形成明顯的溫度梯度變化。管內(nèi)流體區(qū)域溫度沿著太陽光照射方向遞減較快，較大的溫升區(qū)域主要集中在靠近上方位置，下方流體溫度摻混效果不是很明顯。

圖3 上方照射xy截面溫度分布云圖和下方照射xy截面溫度分布云圖

當(dāng)從下方進(jìn)行照射時(shí)，玻璃和真空區(qū)域溫度幾乎沒有發(fā)生變化，而流體區(qū)域的溫度分布卻發(fā)生了較大的變化。主要體現(xiàn)在流體總體溫度呈均勻分布，沒有明顯的溫度梯度變化，說明在吸收光熱后流體發(fā)生了摻混，使熱量分布更加均勻。對(duì)仿真結(jié)果取了多個(gè)xy截面發(fā)現(xiàn)，各個(gè)xy截面溫度分布情況和圖3(b)近乎一致，由于圖3的xy截面是圓管中心區(qū)域，認(rèn)為其具有一定代表性。

為了更加直觀地說明兩個(gè)不同照射條件下流體區(qū)域溫度分布的變化趨勢(shì)，對(duì)圓管xy截面溫度進(jìn)行了線性分析。取兩個(gè)空間點(diǎn)(0.035 21,0.072 39,0.073 99)和(0.063 65,0.070 69,0.073 75)構(gòu)成線段位置，對(duì)線上的溫度進(jìn)行折線分析。分析發(fā)現(xiàn)，從上方照射時(shí)，流體區(qū)域的溫度由下部位置沿著x軸方向向上部位置遞增，溫度變化呈現(xiàn)較為光滑的上坡狀，說明溫度不具有均勻分布的特點(diǎn)，如圖4(a)所示。而從下方照射時(shí)，如圖4(b)所示，流體區(qū)域溫度曲線較為平坦，沒有明顯坡度變化，體現(xiàn)了溫度均衡性，可以看出壁面和流體的換熱效果較好。

圖4 從上方照射時(shí)線上溫度分布曲線和從下方照射時(shí)線上流體溫度分布曲線

在研究流體的對(duì)流換熱特性時(shí)，常常會(huì)引入流場(chǎng)分析。通過流線的分布和走向可以對(duì)傳熱特性做出進(jìn)一步的說明和判斷?，F(xiàn)截取了兩種不同照射方式XY截面的溫度分布云圖分別與流線圖和速度矢量圖進(jìn)行疊加，如圖5、圖6所示。

分析可知，太陽光從上方照射圓管時(shí)，流線在貼近內(nèi)壁面處較為密集，在管道下方形成渦流，流體速度方向朝上，流場(chǎng)朝著上方運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從下方照射時(shí)，管內(nèi)的流場(chǎng)線變得更加均勻，運(yùn)動(dòng)軌跡相比從于上方照射出現(xiàn)更少的彎曲回旋，使得流體可以更快地到達(dá)管道上部分區(qū)域。由速度矢量圖可以看出，到達(dá)上部的流體又重新向下方運(yùn)動(dòng)，使得在內(nèi)管內(nèi)形成回旋運(yùn)動(dòng)。分析可知，流體的密度變化會(huì)導(dǎo)致流體內(nèi)部產(chǎn)生浮升力，使得流場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從流場(chǎng)的流線疏密程度可以看出從下方照射時(shí)，流體受密度影響較大，在浮力驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的作用下，會(huì)更快地于上方液體進(jìn)行摻混，使得對(duì)流換熱效果優(yōu)于前者。

圖5 上方照射流線圖和上方照射速度矢量圖

圖6 下方照射流線圖和下方照射速度矢量圖

2.2 不同角度照射對(duì)流體性能的影響

在發(fā)現(xiàn)下方和上方照射流體溫度分布差異以后，對(duì)這兩種照射情況的不同角度也做了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)理論在不同角度的熱負(fù)荷下也是成立的，通過比較不同角度照射下同一截面的平均溫度，可以說明典型角度(0°、15°、30°)度照射下流體的吸熱效果，圖7為不同角度下照射上方所呈現(xiàn)的xy截面溫度分布。

從圖7可以看出，0°和15°照射時(shí)流體溫度分布相差不大，比30°照射時(shí)相對(duì)均勻，可能受到流體密度的影響所致。若將照射位置調(diào)整到圓管底部，則溫度分布如圖8所示。

圖7 不同角度照射上方xy截面溫度分布

圖8 不同角度照射上方xy截面溫度分布

從圖7和圖8可以較為直觀地看出分別從圓管上方和底部照射時(shí)，不同入射角度對(duì)流體溫度分布的影響，從整體上看，在不同角度照射下，底部照射時(shí)流體的溫度分布都比較均勻，而從上方照射時(shí)，流體溫度梯度較為明顯，熱量摻混不均，為了更好地對(duì)比出兩種照射條件下的吸熱情況，對(duì)比分析了從底部和上方不同角度照射下xy截面的平均溫度，如圖9所示。

圖9 相同時(shí)間內(nèi)不同照射角度xy截面流體平均溫度

如圖9所示，在相同照射時(shí)間內(nèi)，上方照射的情況下，0°、15°、30°角入射時(shí)截面的流體平均溫度先升高后下降，在15°照射時(shí)截面平均溫度達(dá)到最高為299.526 K；下方照射情況下，0°、15°、30°角入射時(shí)截面的流體平均溫度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)0°入射(即底部垂直入射)時(shí)，截面流體平均溫度最高為301.534 K，雖然流體溫度未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平值，但模擬實(shí)驗(yàn)在相同時(shí)間的溫度場(chǎng)變化仍可以預(yù)測(cè)高溫變化趨勢(shì)?？傮w看來，在不同角度照射下，下方照射時(shí)的截面流體平均溫度高于上方照射，可以進(jìn)一步說明下方照射時(shí)流體的光熱吸收效果比上方照射時(shí)好。

3 結(jié) 論

從圓管上方照射時(shí)，熱量集中匯聚在內(nèi)玻璃層，真空層溫度由靠近內(nèi)玻璃的側(cè)向外玻璃側(cè)遞減，外玻璃溫度接近外界溫度，沒有形成明顯的溫度梯度變化。管內(nèi)流體區(qū)域溫度沿著太陽光照射方向遞減較快，較大的溫升區(qū)域主要集中在靠近上方位置，下方流體溫度摻混效果不是很明顯；當(dāng)從底部進(jìn)行照射時(shí)，玻璃和真空區(qū)域溫度幾乎沒有發(fā)生變化，而流體區(qū)域的溫度分布卻發(fā)生了較大的變化。主要體現(xiàn)在流體總體溫度呈均勻分布，沒有明顯的溫度梯度變化，說明在吸收光熱后流體發(fā)生了摻混，使熱量分布更加均勻，可以產(chǎn)生更好的傳熱效果。

發(fā)現(xiàn)浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)理論在不同角度的熱負(fù)荷下也是成立的，從上方照射時(shí)，不同角度照射流體平均溫差小于0.5 K，比下方照射時(shí)(0.914 K)變化小，15°角照射時(shí)截面流體平均溫度達(dá)到最高299.526 K；從底部照射時(shí)，當(dāng)0°入射(即底部垂直入射)時(shí)截面流體平均溫度最高301.534 K并隨著照射角度的增大流體溫度逐漸下降。下方不同入射角度導(dǎo)致的流體平均溫度301.100 K大于從上方照射299.322 K。

總體看來，在不同角度照射下，下方照射時(shí)的截面流體平均溫度高于從上方照射，可以進(jìn)一步說明下方照射時(shí)流體的光熱吸收效果比上方照射時(shí)好，該對(duì)比結(jié)果有助于對(duì)直接吸收式集熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)從而提高集熱效率，模擬結(jié)果可以在后期太陽能集熱器集熱實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。