太阳能平板集热器管内流动不均匀性的数值研究

张 轩，王承君，李伟伟，张立栋

(1.神木职业技术学院，陕西 榆林 719300；2.中国水电建设集团锡林郭勒风电开发有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000；3.华能巢湖发电有限责任公司，安徽 巢湖 238015；4.东北电力大学油页岩综合利用教育部工程研究中心，吉林 吉林 132012)

随着全球能源和环境问题的日益严重，清洁和可再生能源的利用引起了广泛的关注。太阳能由于其清洁和可再生性而逐渐被人们接受[1-3]。同时，太阳能也在重工业领域得到了推广，因为它可以减少碳排放。 太阳能用于工业、商业和家庭应用[4]。 只有生活热水约占美国家庭总能耗的14%。 太阳能利用有三种方法，如光热、光电和光化学转换。 其中，直接将太阳辐射转化为热能的光热方法在各个行业中应用尤为广泛，如太阳能热水器，特别是平板式太阳能热水器[5]。

与真空管集热器相比，太阳能平板集热系统在国内和商业领域都得到了广泛的应用，技术相对成熟[6]。平板集热器由吸收器(通常由铜或铝制成)和玻璃组成，由空气层隔开。吸收塔的底部和侧面是绝缘的。太阳能平板集热器介质套管形式[7]，使这种能量得到更充分的利用。 其中，利用太阳能对平板进行加热，再将热量转移到连接到板的管子中流动的水(热水可用于各种目的)[8]。 虽然平板集热器产生的温度较低，但具有设计简单、维护成本低等优点， 最大太阳能以最低的成本提供。Alireza等[9]通过实验得出了太阳能集热器的传热方式是混合对流模式，具有自由对流。 Yasin等[10]使用计算流体力学等商业软件模拟层流和热场，通过对流线，等温线，局部和平均Nusselt数的控制，得出波纹支挡结构下，流动和热场的形状和传热速率的影响大于平面支挡结构。

平板太阳能集热器的流量分布取决于立管中的能量损失与歧管中的能量损失之间的关系。水通过吸收器分离的通道循环，为了获得均匀的流动分布，需要控制立管中的能量损失[11]，如果发生不均匀的流动，就会引起一些问题。具有立管和集箱布置的平板太阳能集热器的热性能受吸收器内流动分布的强烈影响。支管内的不均匀流动不仅降低了效率，而且导致支管某些部分的水沸腾等严重问题，沸腾可能由于蒸发和冷凝而引起流动振荡。同时，与均匀分布相比，不均匀的流动分布也增加了整个收集器的压降[12]。Fan等[13]对一个12.5 m2和16个平行连接水平翅片的太阳能集热器板进行了实验研究。通过测量吸收管背面的温度，计算和研究了联箱壁内的流体流动，研究了不同工况下太阳能集热器的流动分布和温度分布。 Ansary[14]研究采用计算流体力学软件模拟研究抛物线槽集热器，并计算了集热器的传导和对流热损失，研究太阳能集热器绝缘对热损失的影响，为后续研究提供依据。

本文研究了不同进口体积流量下的联箱和支管流速及流速不均匀性。研究结果对平板太阳能集热器进口的选择和布置有一定的指导意义。

1 物理模型数值方案

1.1 物理模型及网格划分

研究对象为太阳能板集热器[15]，其结构如图1所示。 该平板集热器由14根支管及两个联箱组成， 管道内径和外径分别为0.016 m和0.016 4 m，管道长度1.70 m。流形的内径和外径分别为0.025 m和0.025 4 m。集热器的宽度和长度分别为1.795 m和1.75 m。从水平面倾斜30°，太阳能集热器面积吸收为3.142 m2。

图1 平板集热器结构及管道形式[15]

模拟采用计算流体力学软件Fluent进行计算分析，模型采用Realizablek-ε湍流模型[15]，二阶精度，速度入口及压力出口。 网格划分采用组合网格，支管采用结构化网格，入口流量分配管和出口收集管采用非结构化网格，为适应流场变化，支管与联箱连接处采用局部加密网格，如图2所示。 考虑计算精度，从网格无关性要求可以确定网格数量是154万。

图2 联箱与支管连接处局部网格加密图

边界条件是出口的体积流量和出口的压力。所有实体表面设置为墙壁。管壁分为两部分：上部有恒定热流边界条件，下部有绝热壁面边界条件。 所有壁面都具有恒定的热流边界条件。联箱的体积流量值在1～9 L/min。层流为1～2.5 L/min，湍流为3～9 L/min。本文以入口流量为 3L/min下的原模型进行不同网格数量计算，并对出口速度进行无关性验证，得到结果如表1所示。

表1 不同网格数量的出口速度误差

1.2 方案设置

为了分析管内流体的不均匀性，在原始模型的基础上构建了如图3所示的三种不同的方案：

图3 平板集热器出入口方案

A方案下，流动沿下联箱入口管流动并分配流量，进入支管，在从出口联箱汇集并从出口流出，流入方向与流出方向一致。

B、C两种方案的下联箱管的支管7与支管8之间截断。B方案结构的入口位置与A方案相同，出口为下联箱出口，入口流动方向与出口流动方向一致。

C方案下，结构与B方案的结构一致，但入口位置该为入口管靠近支管8的端面，入口流动方向与出口相反。

以速度不均匀幅度比较作为评价指标[16]，分析不同形状管道内速度变化趋势

(1)

式中λ——速度不均匀度；

i——支管的数目；

vi——第i根支管的速度/m·s-1；

vp——各个支管算数平均值/m·s-1。

本文将1 L/min，3 L/min，5 L/min，7 L/min，9 L/min等5种不同入口流量进行数值计算，分析管道内工质流速的不均匀程度。

2 计算结果与分析

2.1 不同进出口方案的集热器内流速对比

平板集热器采用家庭自来水水压，其流速较低，设计时多考虑成本，对流动以及换热效果考虑较低。在低流量下，流动特性的分布两极分化情况明显。在入口流量为3 L/min的情况下，A方案的靠近出口侧支管速度明显较高，将支管按照Z轴正方向编号，1，2，3号支管的速度较高，且流量明显较为集中，在其他区域，流速明显较低，造成该现象的主要原因是流动方向导致在主流入口管的末端才进行转向。在相同工况B方案，流动速度分布的差异性明显降低，且存在的高流速区域主要由两部分，其原因是将工质流程增加，并在中间汇集，存在两个由于流向改变导致的局部流动加强，但差异较A方案明显降低。C方案相同工况下，因为入口位置改变导致的在主要流程不变的情况下，入口管的流动方向改变，在14号支管附近的流速较高。但总体上流速差异与B差异不大，明显优于A方案。

在A方案下，中心线的速度沿轴有明显的上升趋势。 随着流量的增加，它逐渐上升，当体积流量上升到 7 L/min时，速度增长率增加。在B方案下，在x=0.9 m之前是入口管道，趋势与A沿x轴的趋势相反。由于流程的变化，出口端x=0.9 m为出口支管后，趋势与入口明显相反，随着工况变化，中心线速度的增加趋势明显大于A方案。

图4 不同体积流量下的联箱速度对比

2.2 不同进出口方案的支管内流速对比

B方案的体积流量为3 L/min联箱和支管中的流线分布如图5所示，由于支管内流动，工质沿支管轴线流动，垂直于集箱，进入联箱后，后部的流动共同汇入主流。流入联箱另一侧后，工质从收集集箱流向1～7号支管，将部分工作介质与主流分离，并沿支管右壁向下流动。

图5 联箱和支管中的速度流线分布

对不同方案支管内的速度进行研究(如图6所示)，以支管中心面的平均速度为研究对象，A方案下，各支管存在明显的不均，且差距较大，除局部流动速度较高，其余部分流动速度明显较低，随着换热的加强局部降低，但依旧差距较大。

B方案下，中间管道的速度分布明显优于A方案，但总体趋势依然为1～4管的速度较高，但与其他区域的速度变化差距减小，体积流量较低的管道数量明显下降，且在随工况增加，支管内的速度变化趋势更加明显，其主要原因为进出口位置的改变导致局部的管内速度影响下降。

对比图6的三种方案流线速度图可以看出，当管道结构发生变化时在支管7与支管8之间形成了速度突变，体积流量越高，速度变化越大。

图6 不同体积流量下的支管内平均速度对比

如图7所示，当体积流量为5 L/min时，可以清楚地看出，不同方案流速由低到高的顺序是A方案，C方案，B方案。三种方案都是从1号支管开始逐渐降低，A方案到6号支管之后开始保持稳定流速，管内速度达到0.025 m/s。由于管道结构变化，B和C方案则在7号支管后流速开始增大，且B方案的流量分增加率高于C方案，之后逐渐降低。然而，C方案在11号支管后，管内工质流速逐渐趋于稳定达到0.75 m/s。

图7 相同体积流量下三种方案不同支管速度对比

2.3 速度不均匀度

对速度不均匀性定量分析支管中线的平均速度，如图8所示。从图可以看出，A方案的速度不均匀性最大，但当传热较低时，管内工质流动的不均匀性随体积流量不同的影响较小，体积流量为1 L/min时，达到最大值0.45，之后逐渐降低，从3 L/min开始后达到平稳，不均匀度为0.35。B与C方案的不均匀度相差不大，都在0.25以下，但B方案的不均匀性略大于C方案，而且B方案随着体积流量的增加呈下降趋势，当体积流量增大到9 L/min时，不均匀度达到0.15以下。然而，C工况基本稳定在0.22附近，不随着体积流量的增加而发生变化。因此，综合考虑C方案流场合理，支管流速不均匀，综合效果最好。

图8 不同体积流量下三种方案速度不均匀度对比

3 结论

不同流量换热器支管内部流量的研究。 通过比较换热器中不同位置的支管流速分布，得出以下结论：

(1)流量较低的换热器分支的流动特性分布明显极化，但随着进口管道从中间的变化或位置的变化，流动效果显著改善。同时，随着工况的增加，支管中的速度变化趋势更加明显。主要原因是由于工艺的变化引起的局部结构的影响减小；

(2)随着进水管从中间的变化或进水管位置的变化，支管中的线速不均匀程度逐渐减小，A的不均匀性最大，且支管中心段平均速度较大；B的不均匀性略有减小，速度变化明显，流量较低的管道数量减少；C的不均匀性值相比之下是最低的，主流汇入较早，该位置压力较高，效果最好。