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作者：張毅

  平板型太陽能集熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，在新型墻材與綠色建筑一體化應(yīng)用研究中逐漸成為新熱點。為提高集熱器的熱性能，研究人員通過理論與模擬分析，在提高集熱器熱效率、改進透明蓋板．設(shè)置透明隔熱板、采用納米流體、研究換熱工質(zhì)流動等方面進行了努力探索。

  吸熱板是太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)化的核心部件，兼具介質(zhì)流動及傳熱的雙重功效。傳統(tǒng)吸熱板與導(dǎo)熱管之間存在接觸熱阻大、流道排布不合理等問題，往往導(dǎo)致壁面熱流密度不均勻、工質(zhì)流量失衡，最終造成集熱器光熱轉(zhuǎn)換及傳熱性能差的后果。采用新型吸熱板芯基材、提高流道直接接觸傳熱面積、增大工質(zhì)傳熱效率，提高吸熱片與工質(zhì)、工質(zhì)與工質(zhì)的傳熱性能，是解決上述問題的關(guān)鍵。

  本文以全流道吸熱板平板型太陽能集熱器為研究對象，進行了瞬時效率試驗，借助CFD技術(shù)分析了全流道吸熱板內(nèi)傳熱介質(zhì)的流動與傳熱特性，為今后開發(fā)與優(yōu)化全流道集熱器提供指導(dǎo)和參考。

1全流道吸熱板平板太陽能集熱器

本文所研究的全流道吸熱板平板型太陽能集熱器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。集熱器主要由透明蓋板、全流道吸熱板、隔熱層、箱體4部分組成。全流道吸熱板是由上下兩塊波紋形狀的換熱板片焊接而成，換熱板片的上波峰與下波谷組合成排管，上波谷與下波峰之間通過焊點形成橫向微通道流道（圖2）。

  全流道吸熱板平板型太陽能集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)：外形尺寸為2 420 mmx860 mmx70 mm;玻璃蓋板透射率丁≥0.94；涂層吸收率a≥0.94；吸熱板厚度8=0.5 mm;排管間距/=23.7 mm;排管通道高度R=7 mm;微流道高度H=l mm。

2試驗研究

2.1測試系統(tǒng)

根據(jù)國家標準“太陽能集熱器熱性能試驗方法”（GB/T4271-2007）的要求搭建試驗臺。試驗測試系統(tǒng)如圖3所示。集熱器采用二次換熱，以丙二醇水溶液作為循環(huán)工質(zhì)，通過循環(huán)泵實現(xiàn)強制循環(huán)。試驗中的測試數(shù)據(jù)包括集熱器進口溫度、出口溫度、環(huán)境溫度、循環(huán)工質(zhì)流量、太陽輻照度和環(huán)境風(fēng)速。

2.2試驗結(jié)果

太陽能集熱器集熱性能試驗在2014年10月14日09:00～15:00進行。當日天氣晴朗，無云，微風(fēng)。測試結(jié)果如圖4所示。

  試驗結(jié)果表明：當太陽輻射強度穩(wěn)定增大時，全流道集熱器介質(zhì)進口溫度、出口溫度、水箱溫度均呈現(xiàn)線性增加；隨著時間的推移，太陽輻射強度逐漸減小，進、出口處的工質(zhì)依然保持一定的溫差，并逐漸縮小。這說明該集熱器集熱能力強、保溫性能好，可快速將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，傳遞給工質(zhì)。

2.3數(shù)據(jù)處理

集熱器進口溫度的歸一化溫差丁、集熱效率研由下式計算：

式中：T為集熱器進口溫度，℃：Ta為環(huán)境溫度，℃；，為太陽輻射強度，W／m2。Tf為集熱器出口溫度，℃；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；A為集熱器采光面積，m2。

在測試數(shù)據(jù)中選取監(jiān)測工況穩(wěn)定、太陽輻射強度大于700 W／ffl2、環(huán)境風(fēng)速小于4 m/s、集熱器最高進口溫度不超過70℃的時間段(10:15 -12:00)的測試數(shù)據(jù)進行處理。所選測試數(shù)據(jù)列于表1，擬合的瞬時效率曲線如圖5所示。

擬合得到的全流道集熱器瞬時效率方程：

  對比“平板型太陽能集熱器技術(shù)條件”(GBT6424-2007)規(guī)定的“效率曲線截距不少于0.72,熱損失系數(shù)不超過6.0 W/(m：．cC)”的要求，該全流道集熱器的瞬時效率截距提高0.14、熱損失系數(shù)降低1.82 W/(n2℃)。全流道集熱器獨特的板芯設(shè)計是其高效吸收并轉(zhuǎn)化光能、傳輸熱能的重要條件，從根本上改善吸熱片與工質(zhì)、工質(zhì)與工質(zhì)之間對流換熱效率。

3數(shù)值模擬

3.1物理模型描述

以1:1比例建立微通道吸熱板模型，長800mm、寬2 370 mm，排管通道高度R分別取6，7，8mm，壁厚為0.5 mm。Tet/Hybrid網(wǎng)格劃分inter-val size,值取3.5，網(wǎng)格劃分及模型如表2和圖6所示。

3.2控制方程

  以三維直角坐標為參照系，控制方程如下。

連續(xù)性微分方程：

式中：ux，uy，uz為x，y，z方向的速度分量，m/s。

  動量方程：

式中：u為粘性系數(shù)，kg/(m-s);p為流體密度，kg/m3;p為流體內(nèi)部壓力，Pa。

能量方程：

式中：71為流體溫度，℃：Cn為流體的比熱容．J/( kg．℃);A為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m．℃)。

模擬定義流體為不可壓縮流體，忽略源項，采用RNG K-ε湍流模型方程：

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生率：G．，為浮力引起的湍動能產(chǎn)生率：吼，吼分別為湍流動能和耗散率的普朗特數(shù)，(Jk=l.0，o,s=1.3；C．。，C，C3。均為經(jīng)驗常數(shù)，C．。=1.44，Ch =1.92，C3。=1.20。

3.3邊界條件及物性參數(shù)

  利用CFD技術(shù)對全流道吸熱板進行模擬。

  邊界條件的設(shè)置：介質(zhì)進口溫度為315.75K；介質(zhì)進口質(zhì)量流量為0.085 3 kg/s;介質(zhì)出口自由出流壓力為101 325 Pa;吸熱板壁面邊界條件為610.13 W/m-;絕熱邊界為零。

  換熱工質(zhì)丙二醇的物理參數(shù)：密度p=1 060kg/m3；比熱容C。=3 380 J/(kg - K)；導(dǎo)熱系數(shù)A=0.35 W/(m- K)；動力粘度u=0.001  Pa．s。

  吸熱板基材不銹鋼的物理屬性：密度p=7，750 kg/m3;比熱容Cl，=502.48 J/(kg - K)；導(dǎo)熱系數(shù)A=26.8 W/(m - K)。

4模擬結(jié)果分析與討論

4.1全流道吸熱板流體速度分布

圖7為排管通道高度R=7 mm的全流道吸熱板芯中央截面速度矢量圖。

  由圖7可知，微通道連接排管形成全流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使全流道吸熱板流體直接接觸傳熱面積增大，約為800 mmx2 230 mm．而傳熱介質(zhì)在全流道內(nèi)整體流速較小，無流動盲區(qū)。同時，整板長度、寬度與夾層高度之比遠大于130。

圖8為排管通道高度R為6，7，8 mm時，全流道吸熱板分流集管內(nèi)介質(zhì)流速隨距離變化的曲線。

  在進口流量均為0.085 3 kg/s時，隨著尺由6 mm增加到8 mm．進口流速由6.4 m/s減小到2.5 m/s，減幅達61%，因此全流道吸熱板流道截面型式直接關(guān)系到板芯進口流速的分配。由圖8可知，無論排管截面型式如何變化，隨距離的延伸，介質(zhì)在分流集管內(nèi)向各排管分流時的流速均快速呈現(xiàn)由高降低，而后流速趨于平穩(wěn)基本不變，直至最后階段。流動阻力決定流量分布，靠近排管入口的流量較大而后平穩(wěn)，是因為板芯內(nèi)微通道的存在增加了介質(zhì)流動空間，影響了介質(zhì)流動阻力分布，使介質(zhì)在排管間擾動，快速地改變排管流量分配不均勻帶來的差異。

為進一步細致觀察傳熱介質(zhì)的流動情況，如圖7所示沿進出口對角線方向取A．B，C3塊區(qū)域進行局部放大顯示，進行模塊化分析（圖9）。

  對比A，B，C區(qū)的流動矢量圖可知：在入口A區(qū)，介質(zhì)流動處于一種快速發(fā)散狀態(tài)，在流道內(nèi)流體縱向流速變小，橫向流速變大，由縱向逐漸向橫向傾斜，在靠近微通道介質(zhì)下游排管一側(cè)出現(xiàn)明顯擾動：在中央B區(qū)，板芯流道內(nèi)介質(zhì)流動趨勢相同，區(qū)域流束斷面達到峰值，各排管間流量均衡，流體流速最低，處于一種流動平衡狀態(tài)，此時可認為進口橫向輸送推力對介質(zhì)流速的影響已消失；在出口C區(qū)，流體受到輸送推力、壁面幾何結(jié)構(gòu)及出口導(dǎo)向作用，排管內(nèi)流量增加，流體縱向流速變化縮小而處于一種匯集狀態(tài)。對A，B，C區(qū)的介質(zhì)流動模擬分析，充分驗證了在強制對流條件下介質(zhì)在分流集管中的流動變化趨勢，并揭示了在全流道吸熱板內(nèi)介質(zhì)的基本流動過程。

4.2全流道吸熱板流體溫度分布

圖10為排管通道高度R分別為6.7，8 mm全流道板芯截面流體溫度分布等值線圖。

  對比不同排管通道高度下介質(zhì)在全流道吸熱板長寬界面上的溫度分布可知，溫度分布等值線均可劃分為3個區(qū)，即擴散區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、收縮區(qū)，這顯然與流體的流動狀態(tài)有直接關(guān)系。在進口擴散區(qū)溫度最低，升溫速率最慢：穩(wěn)定區(qū)存在均勻?qū)�熱傳熱，增加板芯傳熱效率；收縮區(qū)流體處于匯集狀態(tài)，溫度相對較高。全流道板芯壁面整體上熱流密度分布均勻、熱阻小，不存在流動死區(qū)而導(dǎo)致的局部高溫。對全流道吸熱板而言，增大穩(wěn)定區(qū)，減少擴散區(qū)和收縮區(qū)是提高其導(dǎo)熱傳熱效率的有效方法，即通過合理改變截面尺寸形狀或者運行參數(shù)來改善傳熱性能。

  由模擬結(jié)果可知，在太陽輻射強度、進口溫度、進口流量、吸熱板芯尺寸構(gòu)造與實際工況基本相符的條件下，流體出口溫度為320℃，與實驗測得結(jié)果320.5℃非常吻合。該模擬模型可用來研究全流道吸熱板內(nèi)介質(zhì)的流動與傳熱。

5結(jié)論

  通過對全流道吸熱板平板太陽能集熱器進行試驗研究與模擬分析，得出以下結(jié)論。

  試驗結(jié)果表明，全流道集熱器集熱能力強、保溫性能好，最高瞬時熱效率可達86.1%、熱損失系數(shù)僅為4.179 W/( m2.℃)，與相關(guān)國家標準規(guī)定的要求相比，最高瞬時熱效率提高了

14.1%，總熱損系數(shù)降低了1.82 W／(m2.℃)；

  全流道吸熱板的結(jié)構(gòu)增大了介質(zhì)直接接觸傳熱面積，影響介質(zhì)流動阻力分布，產(chǎn)生橫向?qū)Я髯饔茫�改變排管流量分配不均勻帶來的差異，全流道�?nèi)介質(zhì)流速較小，無流動盲區(qū)。

按照介質(zhì)流動狀態(tài)，可將溫度分布劃為擴散、穩(wěn)定、收縮3個區(qū)。對全流道吸熱板而言，增大穩(wěn)定區(qū)，減少擴散區(qū)和收縮區(qū)是提高其導(dǎo)熱傳熱性能的有效方法。

6摘要：以全流道式平板型太陽能集熱器為研究對象，首先進行了集熱性能試驗測試，在此基礎(chǔ)上，利用CFD技術(shù)對不同排管管徑全流道n熱板內(nèi)傳熱介質(zhì)的流動與傳熱進行模擬。試驗結(jié)果表明，全流道集熱器集熱性能好、保溫性能優(yōu)，最高瞬時集熱效率可達86.1%．熱損失系數(shù)僅為4.179W／(m2．℃)；與有關(guān)國家標準比較，最高瞬時集熱效率高14.1%，熱損失系數(shù)低1.82W／(m2．℃)。模擬結(jié)果表明：全流道板芯在增大流體傳熱接觸面積的同時產(chǎn)生了橫向?qū)Я髯饔�，使各排管問流體流量分布更為均衡；傘流道板芯熱阻小，壁面E熱流分布均勻，有效地增大了板芯的對流換熱。