整体式太阳能空气集热器传热性能分析

吴国玉，胡明辅，袁 江，毕二朋

(昆明理工大学 太阳能工程研究所，云南 昆明650500)

0 引言

近年来，太阳能热利用系统的主要研究发展任务是降低太阳能集热器的生产制造成本，简化设备安装，提高系统运行效率和可靠性。在太阳能低温利用系统中，决定成本和效率的关键部件是平板集热器;而在建筑采暖、通风、农产品干燥、除湿等实际工程应用中，目前采用的是平板型太阳能空气集热器［1］。随着计算机技术的快速发展，越来越多的学者通过计算机数值模拟软件对集热器集热性能及参数间的关系进行了大量的研究分析。在太阳能空气集热器集热性能研究领域中CFD得到了相关应用。

CFD是通过计算机进行数值计算和图像显示，分析流体流动和传热等相关物理现象的一种数值模拟分析方法。因为其简单便捷，可快速得到数值模拟结果;并可以通过简化物理模型，使问题求解变得容易，使模拟最大限度的接近于真实［2－3］;可以直观看到集热器内部的流场和温度场分布，比实验研究所测试的数据要详细。

Arulanandam［4］等人通过CFD方法对吸热板上的圆孔进行了研究，并得到吸热板效率的相关性方程。张立平［5］等人根据简化的数学模型，利用CFD软件对太阳能空气集热器内部流场进行了数值模拟，并得到了集热器较好的运行工况。王崇杰［6］等人在CFD数值模拟的基础上，制作了几种渗透型太阳能空气集热器实验模型，对其送风温度、太阳辐射强度和热效率进行了模拟研究。彭冬根［7］等人运用CFD软件模拟圆柱阵列集热器内的流场、温度场分布情况;通过模拟数据分析，得出圆柱阵列式空气集热器的对流换热准则方程。丁刚［8］等人利用CFD模拟软件对传统平板太阳能空气集热器的流道进行了改进研究;研究表明:改进后的集热器内部流场和温度场分布均匀，集热器出口流体温度明显提高。胡建军［9］等人利用CFD模拟软件对折流板型太阳能空气集热器进行了分析研究，通过改变集热器流道内部结构及运行参数对其进行数值优化;模拟结果表明:集热器流道内安置折流板，可有效提高空气集热器的集热效率。

本文利用CFD软件对整体式太阳能空气集热器进行数值模拟计算，得到集热器进口流体流速、流体温度、太阳辐照度对集热器集热效率、沿程温度分布、出口温度的影响关系。以期可以为整体式太阳能空气集热器的设计、优化、选型提供理论参考依据。

1 物理模型

整体式太阳能空气集热器几何结构模型主要由集热器主体、集热器进口、集热器出口、集热器吸热板等四部分组成。由于三维建模，可以使物理模型以及内部流体流动更为真实，更符合实际情况。因此，创建三维整体式太阳能空气集热器几何模型。

图1是整体式太阳能空气集热器示意图。整体式太阳能空气集热器的进口和出口位于流道的两端，空气可以均匀流过吸热板，内部基本不存在空气流动滞留区域，空气流动通畅，阻力较小，吸热板与空气对流换热充分。该示意图的集热器底板和边框由酚醛树脂保温材料构成。其相关尺寸为长X=15 m，宽Y=2 m，高Z=0.2 m;集热器进出口尺寸为长L=0.4 m，宽W=0.15 m，吸热板厚2 mm，翅片尺寸0.6 m，翅片间距0.2 m，翅片数n=15。选择六面体网格单元类型，采取Submap划分方法，即将不规则的区域划分为六面体结构化网格，并在每个区域上生成规则网格;对壁面附近进行加密处理，满足y+=30［10］;整体式太阳能空气集热器具有流场对称性好的特点。

图1 整体式太阳能空气集热器物理模型及网格划分

2 数值模拟及分析

建立整体式太阳能空气集热器数学物理模型，对不同工况下的太阳能空气集热器的工作状况进行数值模拟;在模拟过程中，作者对边界条件设定了一定的变化范围，研究整体式太阳能空气集热器在全新风工况下的集热性能及其影响因素。

模拟采用的边界条件设置如下:进口为空气速度入口;出口为自由出流;集热器侧面和背面作绝热处理;吸热板作为内热源，恒定热流密度等效于太阳辐射能;吸热板表面换热系数20 W/m2·K;吸热板与集热器内部计算区域(空气)的共同边界采用耦合边界条件;选择Fluent6.3内置的k－ε湍流模型。同时激活能量方程，使用(Pressure Based)分离式求解器，稳态隐式(Implicit)格式求解;速度压力耦合方式采用基于交错网格的SIMPLE算法的数值求解方法。在方程进行离散时，对压力项、对流项和扩散项都选用一阶迎风格式。为保证解的收敛稳定性及精度，可以将残差的精度控制均设为10－3。

2.1 湍流模型

标准k－ε模型为双方程模型，是目前应用最为广泛的双方程湍流模型。在关于湍动能k的方程的基础上，再引入一个关于湍动耗散率ε的方程，便形成了标准k－ε方程模型［11－12］。在模型中，表示湍动耗散率的ε定义为

湍动黏度μt可表示成k和ε的函数，即

在标准k－ε方程模型中，k和ε是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;

Gb——由浮升力引起的湍动能k的产生项;

YM——可压缩湍流中脉动膨胀对总的耗散率的影响;

Prt——湍动普朗特数，在标准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——热膨胀系数;

Mt——湍流Mach数;

a——声速;

C1ε、C2ε、C3ε——经验常数，取值分别为C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09;

σk、σε——湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数，取值分别为 σk=1.0、σε=1.3。

2.2 数值模拟过程及分析

在太阳辐照度为600 W/m2，进口空气温度为288 K情况下，通过改变集热器进口流体流速分别进行模拟。集热器进口空气速度分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s;图2是四种不同集热器进口流体流速下集热器内部温度场分布图。

从图2集热器内部温度场中可以看出:当集热器流道内的空气流速过小时，在集热器出口处虽然会产生较高温度的热空气，但是由于流体流速过小，造成集热器吸热板局部温度过高，热损失过大，导致集热器的热效率偏低。当进口空气速度为4 m/s时，流道内的流体温度分布比较均匀，空气在集热器沿程流动方向上温度逐渐升高，温度梯度比较明显，是因为空气与吸热板进行了较为充分的换热。从图3可以看出:当流体流速较小时，增大流体流量，可以迅速提高集热器的集热效率。随着流体流速的增大，集热器出口单位体积流体带走吸热板的热量减小，集热器出口流体温度降低，集热器的集热效率提高幅度缓慢，并趋于稳定。因此，整体式太阳能空气集热器的流体流速存在最佳值。

图2 不同集热器进口流体流速下集热器内部温度场分布

图3 集热效率与进口流体流速间的关系曲线

在太阳辐照度为600 W/m2，进口空气流速为4 m/s情况下，通过改变集热器进口流体温度分别进行模拟。集热器进口空气温度分别为278 K、283 K、288 K、293 K;图4是四种不同集热器进口流体温度下集热器内部温度场分布图。

图4 不同集热器进口流体温度下集热器内部温度场分布

从图4的集热器内部温度场中可以看出:流体在集热器内部沿程流动方向上，载热工质空气温度逐渐升高;从图5可以看出:随进口流体温度的升高，集热器的集热效率有下降的趋势;主要原因是进口空气温度越高，载热工质空气与吸热板之间的传热温差越小，从而降低集热器内部吸热板与载热流体间的对流换热系数，造成集热器集热性能下降。

图5 集热效率与进口流体温度的关系曲线

在集热器进口空气流速为4 m/s，进口温度为288 K情况下，通过改变太阳辐照强度分别进行模拟。太阳辐照强度分别为500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2;图6是四种不同太阳辐射强度下集热器内部温度场分布图。

图6 不同太阳辐射强度下集热器内部温度场分布

从图6的集热器内部温度场中可以看出:当太阳辐射强度增大时，集热器吸收转换的太阳辐射量增加，集热器吸热板温度升高;在吸热板温度升高的同时，集热器吸收转换的太阳辐射量减弱。从图7中可以看出:集热器的集热效率随太阳辐射强度的波动很小，说明整体式太阳能空气集热器的集热效率与其自身内部结构，及运行参数有关，受太阳辐射强度影响不大。

图7 集热效率与太阳辐射强度间的关系曲线

2.3 数值模拟结果

从图8的集热器内部温度场分布可以看出:在太阳辐射强度、进口空气温度一样的条件下，流道内的空气温度随集热器进口空气速度的增加而降低;从图9的集热器内部温度场分布图可以看出:在太阳辐射强度、空气进口速度一样的条件下，集热器出口的空气温度随进口空气温度的升高而增大。

图8 不同集热器进口流体流速下集热器温度场分布

图9 不同集热器进口流体温度下集热器温度场分布

3 结论

通过CFD软件对整体式太阳能空气集热器进行数值模拟计算，分别模拟了集热器进口流体流量、流体温度、太阳辐射强度对集热器集热效率的影响。模拟的数值结果，经过处理后得到了多条关系曲线。研究结果表明:整体式太阳能空气集热器的集热效率在流体流速较小时，通过提高进口流体流速可以明显提高集热器的集热性能;随进口空气温度的升高，集热器出口流体温度随之升高，但由于环境热损增大，导致集热器集热性能降低;随太阳辐射度的波动很小，受太阳辐射强度的影响不大。

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