不同光照角度对直接吸收式集热器内流体传热性能的比较分析

廖圣平

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021； 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

太阳能集热器[1]为现代人类对太阳能的热利用提供了有效的方案，把自然资源很好地转化成可以被人类利用的能量，可以一定程度上减轻地球不可再生能源消耗的负担，为节能减排作出重要贡献。我国地域宽广，太阳能资源十分丰富[2]，很适合太阳能集热器的规模化使用，我国也逐渐形成了全球最大的太阳能资源运用市场。

传统的太阳能集热器是一种热交换器，太阳的照射角度影响着集热器的吸光性能和传热效率。Zhao[3]发现，平面集热器受到的太阳辐射与太阳光对平面的入射角度有关，太阳入射角也可以通过太阳高度角的三角函数表示。一般研究太阳照射角度对集热器的影响的方法均采用测定装置或仪器的测定，如Yi等[4]通过在不同的试验站开展太阳辐射的测定，研究了不同气候、不同纬度条件下太阳照射强度的变化，研究了角度对太阳辐射强度的影响。Zhai[5]等人对集热器的倾角、管道排列间隔、集热器方位角等作出了变量设置，探究了这些不同对真空管集热器排列性能的影响。Yang等人[6]通过数学模型，对太阳光照入射和反射路径进行了研究，对研究槽式聚光的角度以提高槽式太阳能集热效率具有重要作用。Borode等[7]利用碳纳米材料具有优良的导热特性，分别通过对不同纳米流体浓度、温度和流量的对比实验，探究对太阳能集热器集热效率的影响。结果表明，0.3%的碳基纳米流体对平板、真空管、抛物线槽和混合型光伏热太阳能集热器的集热效率分别提高了95.12%、93.43%、74.7%和97.3%。Gan和Qiao[8]分别将多壁碳纳米管、碳纳米粒子和铝纳米粒子分散在乙醇溶液中,制成具有不同介质的纳米流体，发现多壁碳纳米流体的光热吸收特性好于普通碳纳米流体和其他金属纳米流体。曼彻斯特大学的Geim和Novoselov[9]在2004年首次合成了石墨烯这一新型材料，其具有许多优良的性质[10]，其中石墨烯拥有着已知材料中最高的导热系数[11]，这一优势有助于提高纳米流体的传热特性。李天宇等[12]模拟了石墨烯-乙醇纳米流体的导热性能，结果表明石墨烯固体颗粒改善了乙醇基液的导热性能，相同温度下石墨烯-乙醇纳米流体的导热系数随着固体颗粒浓度的增大而增大，其中体积分数为 0.1%的纳米流体导热系数相对于纯乙醇基液的提升约为10%。 如今，有专家学者对集热器照射角度的进行研究，但主要集中在平板式太阳能集热器[13]、真空管太阳能集热器[14]和直接吸收式集热器[15]放置的倾角上，其解决的问题是如何找到面对太阳直接照射和散射的最佳照射角度，使得吸收效率最高，而对于直接吸收式纳米流体的照射吸收没有做出具体的角度改变研究。所以，研究不同照射角度对直接吸收式集热器的光热吸收转化效率的影响，对提高直接吸收式集热器的工作效率具有重要意义。

基于此，本文利用FLUENT软件对简化的直接吸收式集热器进行模拟仿真，构建直接吸收式集热器玻璃管模型，选用石墨烯纳米流体为传热介质，采用软件中的辐射传热模块并调用太阳方位角组件，对集热器进行了不同方位角度的模拟照射，对照射结果进行比较分析，通过温度和流场的变化找出最有利于集热器吸收太阳能的具体方位，提高直接吸收式太阳能集热器的光热转化效率。

1 模型选择

1.1 辐射传热模型

(1)

1.2 浮力驱动流动

当流体受热升温时，局部密度会发生变化，从而引起重力差异造成流体的流动[16]。FLUENT可以对这种由重力差异引起的流动现象进行模拟。

在混合对流过程中，浮力的影响可以表现为格拉晓夫数与雷诺数之比：

(2)

式中：Gr为格拉晓头数；Re为雷诺数；ρ为液体密度，kg/m3;g为重力加速度，m·s-2;h为特征尺度；v为流体流速，m·s-1。

当此数值近似或大于1时，浮力对流体的流动产生较大影响。当数值小于1时，浮力对流体流动的影响可以忽略不计。

在自然对流中，瑞利数可以用来判定浮力引起的流动强度：

(3)

(4)

(5)

式中：β为热膨胀系数；T为热力学温度，K；L为特征长度；ρ为流体密度，kg·m-3;μ为动力黏度，Pa·s；α为热扩散率，m2/s；k为导致系数，W/(m·K)；cp为比热容，J/(kg·K)。

1.3 流体特性

太阳能集热器的流体中加入具有吸光导热性能的纳米颗粒可以有效提高集热器的光热转化效率。SiO2、Al2O3、Cu、碳基材料等纳米颗粒的添加都会对流体的传热特性造成一定影响。据文献报道[17-18]，纳米颗粒的添加，会使流体的强化传热效果比未添加时有所提高，换热系数受颗粒添加量和颗粒尺寸等结构参数影响。

与普通的传热介质相比，纳米流体的优点突出：根据麦克斯韦理论，流体的热传导能力会因为固体颗粒的加入得到明显的提升，液体中的颗粒含量越大，所得的纳米流体的导热性能也越好；纳米颗粒使基液的表面张力减小，改善基液的润湿性能，能极大地提升工质流体的对流传热与沸腾换热能力，改良基液的蒸发特性；当纳米颗粒分散在基液中，体系的光学性能将发生改变，纳米流体对某些特定波段内的光吸收率将大大增加，这种变化会使纳米流体呈现出优于普通工质流体的辐射特性。

基于石墨烯具有已知材料中最高导热系数的热物性优势，本文选用石墨烯纳米颗粒为流体基质，为使计算简化，将石墨烯纳米流体视为单相流体，物理参数为视为常数的导热系数、黏度和比热容。纳米流体参数值采用文献实验值。

1.4 参数设定

直接吸收式太阳能集热器照射原理与能量转换流程如图1所示。仿真将集热器管路简化成圆柱状、由内外层玻璃夹中间真空的模型，管长120 mm，直径30 mm。网格采用四面体和六面体混合体网格形式划分，网格尺寸为2 mm，网格数为17 880，如图2所示。

图1 集热器照射原理与能量转换流程图

图2 简化模型网格划分

材料流体选择石墨烯纳米流体(导热系数0.175 W/(m·K)，比热容4 154 J/(kg·K)，动力黏度0.009 47 Pa·s)；定义新材料为玻璃和真空，玻璃密度2 200 kg/m3，比热容830 J/(kg·K)，热导率1.15 W/(m·K)；真空密度0.1 kg/m3，比热容870 J/(kg·K)，热导率0.01 W/(m·K)。

2 结果分析

2.1 从上方和下方照射对流体性能的影响

为了体现从上方和下方照射流体运动的差异，从上方照射时重力加速度g取正值，反之取负值。计算结果通过温度云图可以很直观地呈现，如图3分别为从上方和下方照射的xy截面温度分布云图，从图3分析得出，热量集中汇聚在内玻璃层，真空层温度由靠近内玻璃的侧向外玻璃侧递减，外玻璃温度接近外界温度，没有形成明显的温度梯度变化。管内流体区域温度沿着太阳光照射方向递减较快，较大的温升区域主要集中在靠近上方位置，下方流体温度掺混效果不是很明显。

图3 上方照射xy截面温度分布云图和下方照射xy截面温度分布云图

当从下方进行照射时，玻璃和真空区域温度几乎没有发生变化，而流体区域的温度分布却发生了较大的变化。主要体现在流体总体温度呈均匀分布，没有明显的温度梯度变化，说明在吸收光热后流体发生了掺混，使热量分布更加均匀。对仿真结果取了多个xy截面发现，各个xy截面温度分布情况和图3(b)近乎一致，由于图3的xy截面是圆管中心区域，认为其具有一定代表性。

为了更加直观地说明两个不同照射条件下流体区域温度分布的变化趋势，对圆管xy截面温度进行了线性分析。取两个空间点(0.035 21,0.072 39,0.073 99)和(0.063 65,0.070 69,0.073 75)构成线段位置，对线上的温度进行折线分析。分析发现，从上方照射时，流体区域的温度由下部位置沿着x轴方向向上部位置递增，温度变化呈现较为光滑的上坡状，说明温度不具有均匀分布的特点，如图4(a)所示。而从下方照射时，如图4(b)所示，流体区域温度曲线较为平坦，没有明显坡度变化，体现了温度均衡性，可以看出壁面和流体的换热效果较好。

图4 从上方照射时线上温度分布曲线和从下方照射时线上流体温度分布曲线

在研究流体的对流换热特性时，常常会引入流场分析。通过流线的分布和走向可以对传热特性做出进一步的说明和判断。现截取了两种不同照射方式XY截面的温度分布云图分别与流线图和速度矢量图进行叠加，如图5、图6所示。

分析可知，太阳光从上方照射圆管时，流线在贴近内壁面处较为密集，在管道下方形成涡流，流体速度方向朝上，流场朝着上方运动；当从下方照射时，管内的流场线变得更加均匀，运动轨迹相比从于上方照射出现更少的弯曲回旋，使得流体可以更快地到达管道上部分区域。由速度矢量图可以看出，到达上部的流体又重新向下方运动，使得在内管内形成回旋运动。分析可知，流体的密度变化会导致流体内部产生浮升力，使得流场发生相应的变化，从流场的流线疏密程度可以看出从下方照射时，流体受密度影响较大，在浮力驱动效应的作用下，会更快地于上方液体进行掺混，使得对流换热效果优于前者。

图5 上方照射流线图和上方照射速度矢量图

图6 下方照射流线图和下方照射速度矢量图

2.2 不同角度照射对流体性能的影响

在发现下方和上方照射流体温度分布差异以后，对这两种照射情况的不同角度也做了相应的研究，发现浮力驱动流动理论在不同角度的热负荷下也是成立的，通过比较不同角度照射下同一截面的平均温度，可以说明典型角度(0°、15°、30°)度照射下流体的吸热效果，图7为不同角度下照射上方所呈现的xy截面温度分布。

从图7可以看出，0°和15°照射时流体温度分布相差不大，比30°照射时相对均匀，可能受到流体密度的影响所致。若将照射位置调整到圆管底部，则温度分布如图8所示。

图7 不同角度照射上方xy截面温度分布

图8 不同角度照射上方xy截面温度分布

从图7和图8可以较为直观地看出分别从圆管上方和底部照射时，不同入射角度对流体温度分布的影响，从整体上看，在不同角度照射下，底部照射时流体的温度分布都比较均匀，而从上方照射时，流体温度梯度较为明显，热量掺混不均，为了更好地对比出两种照射条件下的吸热情况，对比分析了从底部和上方不同角度照射下xy截面的平均温度，如图9所示。

图9 相同时间内不同照射角度xy截面流体平均温度

如图9所示，在相同照射时间内，上方照射的情况下，0°、15°、30°角入射时截面的流体平均温度先升高后下降，在15°照射时截面平均温度达到最高为299.526 K；下方照射情况下，0°、15°、30°角入射时截面的流体平均温度呈现逐渐降低的变化趋势，当0°入射(即底部垂直入射)时，截面流体平均温度最高为301.534 K，虽然流体温度未达到实际应用水平值，但模拟实验在相同时间的温度场变化仍可以预测高温变化趋势。总体看来，在不同角度照射下，下方照射时的截面流体平均温度高于上方照射，可以进一步说明下方照射时流体的光热吸收效果比上方照射时好。

3 结 论

从圆管上方照射时，热量集中汇聚在内玻璃层，真空层温度由靠近内玻璃的侧向外玻璃侧递减，外玻璃温度接近外界温度，没有形成明显的温度梯度变化。管内流体区域温度沿着太阳光照射方向递减较快，较大的温升区域主要集中在靠近上方位置，下方流体温度掺混效果不是很明显；当从底部进行照射时，玻璃和真空区域温度几乎没有发生变化，而流体区域的温度分布却发生了较大的变化。主要体现在流体总体温度呈均匀分布，没有明显的温度梯度变化，说明在吸收光热后流体发生了掺混，使热量分布更加均匀，可以产生更好的传热效果。

发现浮力驱动流动理论在不同角度的热负荷下也是成立的，从上方照射时，不同角度照射流体平均温差小于0.5 K，比下方照射时(0.914 K)变化小，15°角照射时截面流体平均温度达到最高299.526 K；从底部照射时，当0°入射(即底部垂直入射)时截面流体平均温度最高301.534 K并随着照射角度的增大流体温度逐渐下降。下方不同入射角度导致的流体平均温度301.100 K大于从上方照射299.322 K。

总体看来，在不同角度照射下，下方照射时的截面流体平均温度高于从上方照射，可以进一步说明下方照射时流体的光热吸收效果比上方照射时好，该对比结果有助于对直接吸收式集热器进行结构改进从而提高集热效率，模拟结果可以在后期太阳能集热器集热实验中进行验证。