不同透明盖板整体式太阳能空气集热器性能研究

董福生，胡明辅，黄小春，熊 伟

(昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500)

0 引言

现今，太阳能空气集热器的研究日益完善，在太阳能低温利用系统中，建筑采暖、通风、干燥等领域运用较多的是平板型集热器，主要研究发展任务演变为提高集热器效率和可靠性的同时，简化设备装置［1－2］。

大量研究表明空气集热器的热性能与空气的质量流率、流道几何尺寸、集热板表面对流状况和结构参数都密切相关［3］。有的学者对Ⅰ型太阳能空气集热器的传热性能进行了研究，在一维假设的基础上建立了数学模型，并求解出了准静态条件下空气集热器沿程温度分布、出口温度、集热效率的近似解［4］。有的学者通过对不同形式的集热板和流道进行研究，进而分析对提高集热器效率的影响［5－8］。有的学者通过对不同盖板形式的集热器进行试验研究，比较不同形式盖板的集热器性能优劣［9］。有些学者通过对不同形式的集热器进行数学建模，分析各种不同形式时，集热器的效率和优化方式［10］。

而以往常用的是拼装式空气集热器(图1 (a))，其只有将标准集热单元拼装成阵列才可以运用，在拼装过程中就容易出现衔接、密封、保温等一系列问题，而且在其内部存在流体流动滞留区，内部温度分布不够均匀，吸热板存在局部高温等问题，在一定程度上降低了集热器的效率。

本文所研究的新型整体式太阳能空气集热器(图1(b))［10］，集热器流道高度ef=0.12 m，流道长度L=6 m，集热器宽度w=0.94 m，集热板处于流道高度0.05 m位置。太阳辐射透过盖板，投射到集热板上使得集热板发热，让工质(空气)均匀流过集热板，减少了集热器内部流体流动的漩涡，能使空气与吸热板充分换热，解决了拼装式集热器存在的一些问题，提高了集热器效率。并对该种整体式太阳能空气集热器不同盖板(PC阳光板、钢化玻璃)形式时进行数学建模并求解，通过数值解与实验值的对比，验证了所建立数学模型的正确性。为该种形式的空气集热器设计与计算提供一定参考。

图1 拼装式与整体式空气集热器简图

图2 整体式空气集热器与盖板导热物理模型

1 物理数学模型

整体式空气集热器的物理模型(图2(a))所示，集热器由透明盖板、处于流道中部的百叶窗型布置的集热板、保温层及壳体组成，空气以一定速度由入口进入并在流道中与集热板进行换热，温度升高后从出口流出。图2(b)表示玻璃盖板的导热模型，图1(c)为PC阳光板盖板的导热模型，其按纯中空进行简化。

本文建模时进行了如下假设［11－12］:

(1)通过盖板和隔热材料的热流是一维的;

(2)空气密度变化不大，视为不可压缩流体;

(3)在温度变化不大的前提下，所有物性均为常数;

(4)集热器无泄漏。

基于以上假设，可得到整体式太阳能空气集热器的稳态数学模型。沿集热器流道方向n等分，如图1所示，式(1)为对盖板单元i列的能量平衡方程，式(2)为对集热板单元i列的能量平衡方程，式(3)为对背板内表面单元i列的平衡方程，式(4)为对工质空气单元i列的平衡方程。

取工质定性温度

盖板由于内外表面温度差引起的热流在与空气的对流换热中被带走。

玻璃盖板时

PC盖板

取盖板定性温度

以上各式联立式(6)或式(7)，并代入集热器入口温度初值Tfi，即可求解出不同盖板单元i的内外表面温度和平均温度、集热板单元i平均温度、保温背板内表面单元i平均温度和我们所关心得到的空气单元i出口温度。由于涉及到的方程组为非线性方程组，不可避免要涉及迭代计算，本文借助MATLAB编程进行求解［13］。

2 集热器传热系数的确定

整体式太阳能空气集热器集热器瞬时效率计算。

盖板外侧与环境辐射换热系数

盖板外侧与环境对流换热系数

流道内空气对流换热系数

其中，Nu按紊流(Re≥2100)时计算

保温层热损失系数

集热板辐射换热系数

PC中空板中自然对流传热系数(由于b1与b3较小，式中的温度差采用集热板内外表面温度差估算)

3 计算结果

3.1 已知参数数据

在试验时，对于温度点的采集采用如下办法，在入口处两位置放两个温度探头，取平均值作为试验的入口速度，然后每隔一米放置一个温度探头，测量该处空气温度，在集热器出口同样布置两个温度探头，取平均值作为集热器出口温度。首先采用钢化玻璃作为集热器盖板进行实验，完成实验后将玻璃盖板换为PC中空阳光板，再次进行实验。

(1)取玻璃盖板透射率αap=0.83，发射率εa= 0.92，热导率λ=1.1 W/(m·℃)，玻璃厚度b= 5 mm;取PC阳光板透射率αap=0.88，发射率εa= 0.86，PC材料层热导率(取用原材料聚碳酸酯的热导率)λ=0.2 W/(m·℃)，PC阳光板厚度b1= b3=1 mm，b2=3 mm;空气导热率λ1=0.026 W/ (m·℃)。分别进行不同盖板形式时集热器的理论计算。

(2)选取的太阳辐照度试验值与对应的各测点温度值见图3。

图3 玻璃盖板与PC盖板段点温度比较

3.2 计算结果

经对比，除试验数值中在刚开始因为空气进口流场不均匀造成温升较少外。两种盖板形式空气集热器的计算结果与试验结果基本吻合，证明所建立的数学模型是合理的。

4 集热性能分析

从图4(a)、(b)可以看出，在同一入口温度，同一太阳辐照度的影响下，随着工质流速的增加，集热效率都升高，且升高速率在不断减小;出口温度则随速度的增加不断减小。若将出口温度曲线跟效率曲线的交点定位最佳工况点，两种盖板形式下的集热器的最佳流速相差不大。

从图4(c)中可以看出使用玻璃盖板的集热器温升较使用PC阳光板为盖板的集热器温升少。从图4(d)中可以看出，随着流道高度的增加，出口温度逐渐减小，集热效率先增加，后平缓，并逐渐出现下降的趋势。说明流道高度存在一个最佳值。

图4(e)、(f)为经过优化后的整体式太阳能空气集热器在不同太阳辐照度下，两种盖板形式的出口温度和集热效率对比图，从图中可以看出，使用PC阳光板为盖板的空气集热器效率更高，可达到58.5%，比用玻璃盖板的集热器提高了5%，温度相比提高3℃。从图4(e)、(f)中也可看出，集热器效率受太阳辐照度影响不大，出口温度随辐照度的增加而增加。

图4 不同条件下两种盖板形式的空气集热器性能

为了使盖板单元格的平均温度较为准确，将物理模型分为24个单元格，任取一个单元，本文选了第12个单元格进行比较盖板的内外表面温度差，如图5所示。可以看出，各盖板的内外表面温度差随辐照度的增加都呈上升趋势，而PC盖板的上升较玻璃盖板是更明显的，辐照度越大温差越大，其保温效果更加明显;这说明PC盖板有较好的保温效果，有助于提高集热器效率。

5 结论

图5 不同辐照度下两种盖板的内外表面温度差对比

(1)整体式太阳能空气集热器的出口温度Tfo随入口速度v的增加而减小，集热效率η随入口速度的增加而增大，当增大到一定值后，增加不明显，最终会趋于一定值。因此存在一个最佳流量。对本结构形式下的集热器，空气工质流速度采用1～1.2 m/s较好。

(2)整体式太阳能空气集热器的出口温度Tfo随流道高度的增加而减小，集热效率η刚开始随流道高度增加而增大较快，达到一定值之后，高度增加，效率出现下降趋势。因此存在一个最佳流道高度。对本结构形式下的集热器，空气流道高度采用0.06～0.08 m较好。

(3)整体式太阳能空气集热器的集热效率受太阳辐照度的影响不大，出口温度随辐照度的增加而增加。

(4)集热器通过PC盖板损失的集热器热量比钢化玻璃盖板损失热量更小。

(5)分析比较发现PC阳光板为盖板的整体式太阳能空气集热器性能比采用钢化玻璃为盖板的要好，效率高出5%，出口温度提高3℃以上。

符号说明:

cp——定压比热/J·kg－1·℃－1

h——传热系数/W·m－2·℃－1

I——太阳辐射力/W·m－2

ef——流道深度/m

w——吸热板宽度/m

L——吸热板长度/m

v——工质流速/m·s－1

αap——盖板可见光透射率

mf——工质流量/kg·s－1

λ——盖板的导热率/W·m－1·℃－1

b——材料厚度/m

g——重力加速度

β——气体膨胀系数

ν——空气运动粘度/m2·s－1

τb——吸热板的可见光的吸收率

角标

e——环境

f——工质

a——盖板

b——吸热板

c——背板内表面

1——盖板内表面

2——盖板外表面

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