太阳能双效集热器流道结构优化数值模拟研究①

马进伟， 杜 涛， 方 浩， 刘 爽， 陈茜茜， 李 葱

(1.安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601；2.合肥中南光电有限公司,安徽 合肥 231600；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

优化集热器内部流道结构能够有效提高集热性能和效率，国内外学者们对此进行了广泛研究。Singh等[1-5]提出在吸热板背部安装几何形状不同的流阻结构，通过数值模拟、实验测试论证等方式研究空气集热过程，分析流阻结构对集热效率的影响；王林军等[6-8]则对平板型双流道的空气集热器开展模拟和实验，利用增加的流道长度强化空气与吸热板间的换热，集热效率最高可以达到67.9%。童维维等[9-10]利用Fluent软件对光电/光热多功能模块进行数值模拟，结合数据分析了流道尺寸、入口流量等影响集热效率的多种因素。Ma等[11]提出一种新型双效平板集热器，并将集热器与建筑相结合，对系统的冬季采暖模式展开理论与实验研究。结合上述，目前有关空气集热的研究已较多，而有关水集热、空气-水复合集热模式的模拟研究还少有涉及。提出一种翅片[12-14]-挡板式流道结构，构造简单。利用CFD数值模拟翅片-挡板式双效集热器在不同集热模式下的传热特性，通过温度分布云图对比分析增设挡板结构对集热性能的影响，优化空气/水双工质循环高效换热结构，进一步提升集热器的综合性能。

1 双效集热器构造

双效集热器主要由玻璃盖板、吸热板、铜管、保温层构成，模型长1900 mm，宽1000 mm，高75 mm。玻璃盖板的厚度为5 mm，与吸热板之间有15mm的空气夹层，吸热板的下表面焊接8根外径11 mm的铜管，两端与直径22 mm的水管干管相连。空气进出口设置在集热器上下两端，呈直线型。35 mm的空气流道内布置翅片-挡板式阻流结构。翅片为粘附在吸热板上，距离换热铜管两侧55 mm处15(高)×0.4(厚)mm的铝片，挡板对称分布在翅片的两侧，总宽度为60mm，高度与翅片平齐，具有整体结构简单，对称性高的特点。集热器边框以及底部均采用玻璃纤维进行保温，保温层厚度分别为3 mm、15 mm。图1为翅片-挡板式双效集热器的结构。

1.空气入口 2.水入口 3.空气出口 4.水出口 5.保温层 6.翅片 7.挡板 8.玻璃盖板 9.换热铜管 10.空气层 11.空气流道 12.吸热板

2 建立模型

2.1 控制方程和计算模型

建立集热器数学模型满足以下假设：①集热器换热过程是常物性流体的稳态流动；②集热器的辐射散热忽略不计；③吸热板接收的太阳辐照能等效为内热源，加热水和空气；④吸热板温度关于铜管对称分布。

模拟中工质的稳态流动有如下控制方程：

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

经计算，空气、水流动为低雷诺数的湍流，Realizable k-ε模型[15]对流体的旋转流动、流动分离以及复杂二次流解释更为合理，因此选择Realizable k-ε计算模型，其表达式如下：

Pκ+Pb-ρε-YM+Sκ

(4)

式中：ρ为流体密度；κ为流体紊动能；μj为流体竖直方向上的速度分量；μ为分子粘性系数；μL为混合长度为L的分子粘性系数；ε为流体紊动能耗散率；σk为流体湍动能κ的湍流普朗特数；σε为紊动能耗散率ε的湍流普朗特数；Pκ为平均速度梯度的湍动能；Pb为由浮力产生的湍动能；YM为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的影响参数；Sκ、Sε均为源项；υ为流体运动粘性系数；C1ε、C2ε、C3ε均为常数，C1ε=1.41～1.45，C2ε=1.91～1.92，C3ε=0.07～0.09。

采用DO模型模拟玻璃盖板与吸热板间的辐射换热，其方程为：

(5)

2.2 求解方法

利用GAMBIT对集热器建模并进行网格划分，采用局部结构性网格，对出口、吸热板壁面进行加密处理，经过网格无关性验证，当网格数达到220万时，模拟趋于稳定，因此模型的网格总数为220万。

模拟计算过程采用三维双精度压力基求解以及DO辐射模型中的solar计算器进行计算，在空气集热模式下，选择SIMPLIC算法处理速度与压力基的耦合，空气-水复合集热模式下选择COUPLED算法，离散方程选择二阶迎风差分格式。

2.3 边界条件及材料参数

气象参数采用标准TMY数据，时间设定在7月21日13:00，地点合肥市(N31.83°，E117.25°)。空气采用Boussinesq假设，可以减少计算量加快模拟收敛。模拟过程中，工质流体采用速度入口、压力出口的边界条件，玻璃盖板设置为混合边界，保温层、边框设置为绝热边界，吸热板与空气存在流固耦合传热现象，设置为耦合边界，进行热量传递计算。集热器材料的物性参数如表1所示。

表1 材料参数

2.4 集热性能评价

单位时间内集热工质的有效得热量与集热器所接太阳辐照能的比值定义为瞬时集热效率：

(6)

综合集热效率用于评价空气-水复合集热的性能：

ηc=ηa+ηw

(7)

式(7)中：ηc为综合效率；ηa为空气集热效率；ηw为水集热效率。

3 模拟过程与结果分析

3.1 空气集热过程模拟

图2为空气集热模式下翅片式和翅片-挡板式集热器吸热板温度分布云图。两种流道结构均设定相同的初始参数，空气入口质量流量为0.012 kg/s，进口温度300K。结果显示，翅片式集热器的空气出口平均温度为361.85 K，瞬时集热效率为53.13%；翅片-挡板式集热器的空气出口平均温度为364.47 K，瞬时集热效率为55.39%，相比翅片式提高2.26%。

a 翅片式

由温度分布云图可见，两者的吸热板温度呈U型分布，且温度分层明显，翅片式、翅片-挡板式集热器吸热板的平均温度分别为373.82 K、371.31 K。显然翅片-挡板式集热器的吸热板温度更低，水平方向温度分布更加均匀，这是因为翅片-挡板式流道结构对空气的扰流作用增大，强化了空气与集热板间的对流换热过程，使得空气出口温度进一步升高。

两者玻璃盖板的温度分布对比如图3所示。不难看出，增加挡板结构使得玻璃盖板的温度场波动幅度减小。数据显示：翅片式集热器玻璃盖板的最高温度达到314 K左右，集热损失为193.18 W/m2；加设挡板后，玻璃盖板的最高温度降低，集热损失为185.97 W/m2，相比翅片式减少7.21 W/m2，表明有更多的热量被空气吸收，因此翅片-挡板式集热器具有更高的的空气集热效率。

a 翅片式

3.2 水集热过程模拟

图4反映了水集热模式下翅片式和翅片-挡板式集热器吸热板的温度分布。初始参数中，水流量为0.036 kg/s，入口水温300 K。模拟显示：翅片式集热器水流出口平均温度为307.48 K，瞬时集热效率为73.37%，吸热板最高温度达到326 K，平均温度为317.1 K，平均辐射散热量为38.37 W；翅片-挡板式集热器水流出口平均温度为307.52 K，瞬时集热效率为73.76%，吸热板最高温度达到325 K，平均温度为316.65 K，平均辐射散热量为22.7 W。结合铜管横截面温度分布，增设挡板后，铜管间热损失减小，出口水温提高，因此水集热效率较翅片式稍有提高。

a 翅片式

图5为水集热模式下玻璃盖板温度的模拟结果。分析数据可知，翅片式集热器的玻璃盖板总热损系数为4.51 W/(m2·K)，热损失为49.26 W/m2；翅片-挡板式的玻璃盖板总热损系数为4.16 W/(m2·K)，热损失为48.38 W/m2，热损系数和热损失大小较翅片式集热器均有小幅度下降。通过温度云图可见，两种流道结构的玻璃盖板温度分布基本一致，平均温度、最高温度没有明显的差别。结合上述，增设挡板结构将不影响水集热过程和集热水效率。

a 翅片式

3.3 空气-水复合集热过程模拟

空气-水复合集热模式下，初始参数设定为：空气入口流量0.012 kg/s，水流入口流量0.036 kg/s，空气和水的入口温度均为300 K。翅片式和翅片-挡板式双效集热器吸热板温度模拟结果如图6所示。结果显示：集热器空气出口平均温度为311.72 K，水流出口平均温度为306.27 K，玻璃盖板热损失为42.68 W/m2，空气集热效率为9.98%，水集热效率为67.33%。翅片-挡板式集热器空气出口平均温度为313.03K，水流出口平均温度为306.22K，玻璃盖板热损失为30.58 W/m2，空气集热效率为11.19%，集热水效率为66.79%。对比可知，复合集热模式下翅片-挡板式结构增强了空气换热效果，吸热板向水的传热减少使得空气集热效率上升，集热水效率稍有下降，但增设挡板结构后集热器的综合效率进一步得到提高。

a 翅片式

3.4 流道进出口结构优化

结合上文，增设挡板能够有效提升空气集热效率，为进一步探究空气进出口位置对集热效率的影响，基于翅片-挡板式集热器改变空气流动方向，将空气流道的进出口分别设置在集热器边框两侧，呈对角分布，通过模拟结果与直线型空气流动方式进行对比，优化空气流道进出口结构。

空气集热模式下，对角型流道各项参数的设定与直线型流道的模拟参数完全一致。集热器的玻璃盖板吸热板、温度分布如图7所示。由图可知，玻璃盖板的最高温度为314 K，吸热板的最高温度达到398 K，平均温度为370.3 K。模拟表明，吸热板的平均辐射散热量为121.9 W，集热器的总热损系数为9.27W/(m2·K)，热损失为178.58W/m2。经计算，集热器的空气平均出口温度为360.64 K，瞬时集热效率为52.10%，相比直线型空气流道集热效率下降2.29%，表明直线型空气流动方式有更佳的换热效果。

a.吸热板

由于改变空气流动方向对单独的水集热过程没有太大影响，因此还需要模拟对角型空气流道集热器的空气-水复合集热过程，模拟的初始参数与直线型空气流道的双效模式工况保持一致。

空气-水复合集热过程的模拟结果显示，吸热板的最高温度为324 K，平均温度为314.68 K，平均辐射散热量为21.28 W，玻璃盖板的热损失为53.27 W/m2。集热器的空气出口温度为309.91 K，空气集热效率为8.51%，水出口温度为305.93 K，集热水效率为63.68%。对比可知，相同的初始参数下直线型空气流道的空气集热效率更高，综合性能更为优异。

4 结 论

1)空气集热模式下，翅片-挡板式结构有一定的扰流作用，吸热板温度降低，玻璃盖板热损失减少，空气集热效率达到55.39%，相对翅片式集热器提高2.26%。

2)水集热模式下，两种集热器对应的水流出口温差很小，集热效率接近，表明增设的挡板结构对水集热过程没有明显影响，各项性能参数基本保持不变。

3)空气-水复合集热模式下，挡板结构能够在保证水温的前提下，提高空气出口温度，综合效率更高。

4)模拟工况下，相比于对角型空气流动，直线型空气流动表现出更佳集热性能。

5)翅片-挡板式双效集热器的流道结构简单，易于加工，可增强空气与吸热板间的对流换热，提升集热效率，为集热器流道结构的优化提供了选择方案和理论依据。