关于全流道式平板型太阳能集热器的试验研究与模拟分析方法

  作者：郑晓敏

  平板型太阳能集热器具有结构简单、成本低、运行稳定等优势，在新型墙材与绿色建筑一体化应用研究中逐渐成为新热点。为提高集热器的热性能，研究人员通过理论与模拟分析，在提高集热器热效率、改进透明盖板．设置透明隔热板、采用纳米流体、研究换热工质流动等方面进行了努力探索。

    吸热板是太阳能集热器光热转化的核心部件，兼具介质流动及传热的双重功效。传统吸热板与导热管之间存在接触热阻大、流道排布不合理等问题，往往导致壁面热流密度不均匀、工质流量失衡，最终造成集热器光热转换及传热性能差的后果。采用新型吸热板芯基材、提高流道直接接触传热面积、增大工质传热效率，提高吸热片与工质、工质与工质的传热性能，是解决上述问题的关键。

    本文以全流道吸热板平板型太阳能集热器为研究对象，进行了瞬时效率试验，借助CFD技术分析了全流道吸热板内传热介质的流动与传热特性，为今后开发与优化全流道集热器提供指导和参考。

1全流道吸热板平板太阳能集热器

本文所研究的全流道吸热板平板型太阳能集热器的基本结构如图1所示。集热器主要由透明盖板、全流道吸热板、隔热层、箱体4部分组成。全流道吸热板是由上下两块波纹形状的换热板片焊接而成，换热板片的上波峰与下波谷组合成排管，上波谷与下波峰之间通过焊点形成横向微通道流道（图2）。

    全流道吸热板平板型太阳能集热器结构参数：外形尺寸为2 420 mmx860 mmx70 mm;玻璃盖板透射率丁≥0.94；涂层吸收率a≥0.94；吸热板厚度8=0.5 mm;排管间距/=23.7 mm;排管通道高度R=7 mm;微流道高度H=l mm。

2试验研究

2.1测试系统

根据国家标准“太阳能集热器热性能试验方法”（GB/T4271-2007）的要求搭建试验台。试验测试系统如图3所示。集热器采用二次换热，以丙二醇水溶液作为循环工质，通过循环泵实现强制循环。试验中的测试数据包括集热器进口温度、出口温度、环境温度、循环工质流量、太阳辐照度和环境风速。

2.2试验结果

太阳能集热器集热性能试验在2014年10月14日09:00～15:00进行。当日天气晴朗，无云，微风。测试结果如图4所示。

    试验结果表明：当太阳辐射强度稳定增大时，全流道集热器介质进口温度、出口温度、水箱温度均呈现线性增加；随着时间的推移，太阳辐射强度逐渐减小，进、出口处的工质依然保持一定的温差，并逐渐缩小。这说明该集热器集热能力强、保温性能好，可快速将太阳能转化为热能，传递给工质。

2.3数据处理

集热器进口温度的归一化温差丁、集热效率研由下式计算：

式中：T为集热器进口温度，℃：Ta为环境温度，℃；，为太阳辐射强度，W／m2。Tf为集热器出口温度，℃；m为工质质量流量，kg/h；A为集热器采光面积，m2。

在测试数据中选取监测工况稳定、太阳辐射强度大于700 W／ffl2、环境风速小于4 m/s、集热器最高进口温度不超过70℃的时间段(10:15 -12:00)的测试数据进行处理。所选测试数据列于表1，拟合的瞬时效率曲线如图5所示。

拟合得到的全流道集热器瞬时效率方程：

    对比“平板型太阳能集热器技术条件”(GBT6424-2007)规定的“效率曲线截距不少于0.72,热损失系数不超过6.0 W/(m：．cC)”的要求，该全流道集热器的瞬时效率截距提高0.14、热损失系数降低1.82 W/(n2℃)。全流道集热器独特的板芯设计是其高效吸收并转化光能、传输热能的重要条件，从根本上改善吸热片与工质、工质与工质之间对流换热效率。

3数值模拟

3.1物理模型描述

以1:1比例建立微通道吸热板模型，长800mm、宽2 370 mm，排管通道高度R分别取6，7，8mm，壁厚为0.5 mm。Tet/Hybrid网格划分inter-val size,值取3.5，网格划分及模型如表2和图6所示。

3.2控制方程

    以三维直角坐标为参照系，控制方程如下。

连续性微分方程：

式中：ux，uy，uz为x，y，z方向的速度分量，m/s。

  动量方程：

式中：u为粘性系数，kg/(m-s);p为流体密度，kg/m3;p为流体内部压力，Pa。

能量方程：

式中：71为流体温度，℃：Cn为流体的比热容．J/( kg．℃);A为流体导热系数，W/(m．℃)。

模拟定义流体为不可压缩流体，忽略源项，采用RNG 湍流模型方程：

式中：Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生率：G．，为浮力引起的湍动能产生率：吼，吼分别为湍流动能和耗散率的普朗特数，(Jk=l.0，o,s=1.3；C．。，C，C3。均为经验常数，C．。=1.44，Ch =1.92，C3。=1.20。

3.3边界条件及物性参数

    利用CFD技术对全流道吸热板进行模拟。

    边界条件的设置：介质进口温度为315.75K；介质进口质量流量为0.085 3 kg/s;介质出口自由出流压力为101 325 Pa;吸热板壁面边界条件为610.13 W/m-;绝热边界为零。

    换热工质丙二醇的物理参数：密度p=1 060kg/m3；比热容C。=3 380 J/(kg - K)；导热系数A=0.35 W/(m- K)；动力粘度u=0.001  Pa．s。

    吸热板基材不锈钢的物理属性：密度p=7，750 kg/m3;比热容Cl，=502.48 J/(kg - K)；导热系数A=26.8 W/(m - K)。

4模拟结果分析与讨论

4.1全流道吸热板流体速度分布

图7为排管通道高度R=7 mm的全流道吸热板芯中央截面速度矢量图。

    由图7可知，微通道连接排管形成全流道的结构设计，使全流道吸热板流体直接接触传热面积增大，约为800 mmx2 230 mm．而传热介质在全流道内整体流速较小，无流动盲区。同时，整板长度、宽度与夹层高度之比远大于130。

图8为排管通道高度R为6，7，8 mm时，全流道吸热板分流集管内介质流速随距离变化的曲线。

    在进口流量均为0.085 3 kg/s时，随着尺由6 mm增加到8 mm．进口流速由6.4 m/s减小到2.5 m/s，减幅达61%，因此全流道吸热板流道截面型式直接关系到板芯进口流速的分配。由图8可知，无论排管截面型式如何变化，随距离的延伸，介质在分流集管内向各排管分流时的流速均快速呈现由高降低，而后流速趋于平稳基本不变，直至最后阶段。流动阻力决定流量分布，靠近排管入口的流量较大而后平稳，是因为板芯内微通道的存在增加了介质流动空间，影响了介质流动阻力分布，使介质在排管间扰动，快速地改变排管流量分配不均匀带来的差异。

为进一步细致观察传热介质的流动情况，如图7所示沿进出口对角线方向取A．B，C3块区域进行局部放大显示，进行模块化分析（图9）。

    对比A，B，C区的流动矢量图可知：在入口A区，介质流动处于一种快速发散状态，在流道内流体纵向流速变小，横向流速变大，由纵向逐渐向横向倾斜，在靠近微通道介质下游排管一侧出现明显扰动：在中央B区，板芯流道内介质流动趋势相同，区域流束断面达到峰值，各排管间流量均衡，流体流速最低，处于一种流动平衡状态，此时可认为进口横向输送推力对介质流速的影响已消失；在出口C区，流体受到输送推力、壁面几何结构及出口导向作用，排管内流量增加，流体纵向流速变化缩小而处于一种汇集状态。对A，B，C区的介质流动模拟分析，充分验证了在强制对流条件下介质在分流集管中的流动变化趋势，并揭示了在全流道吸热板内介质的基本流动过程。

4.2全流道吸热板流体温度分布

图10为排管通道高度R分别为6.7，8 mm全流道板芯截面流体温度分布等值线图。

    对比不同排管通道高度下介质在全流道吸热板长宽界面上的温度分布可知，温度分布等值线均可划分为3个区，即扩散区、稳定区、收缩区，这显然与流体的流动状态有直接关系。在进口扩散区温度最低，升温速率最慢：稳定区存在均匀导热传热，增加板芯传热效率；收缩区流体处于汇集状态，温度相对较高。全流道板芯壁面整体上热流密度分布均匀、热阻小，不存在流动死区而导致的局部高温。对全流道吸热板而言，增大稳定区，减少扩散区和收缩区是提高其导热传热效率的有效方法，即通过合理改变截面尺寸形状或者运行参数来改善传热性能。

    由模拟结果可知，在太阳辐射强度、进口温度、进口流量、吸热板芯尺寸构造与实际工况基本相符的条件下，流体出口温度为320℃，与实验测得结果320.5℃非常吻合。该模拟模型可用来研究全流道吸热板内介质的流动与传热。

5结论

    通过对全流道吸热板平板太阳能集热器进行试验研究与模拟分析，得出以下结论。

    试验结果表明，全流道集热器集热能力强、保温性能好，最高瞬时热效率可达86.1%、热损失系数仅为4.179 W/( m2.℃)，与相关国家标准规定的要求相比，最高瞬时热效率提高了

14.1%，总热损系数降低了1.82 W／(m2.℃)；

    全流道吸热板的结构增大了介质直接接触传热面积，影响介质流动阻力分布，产生横向导流作用，改变排管流量分配不均匀带来的差异，全流道内介质流速较小，无流动盲区。

按照介质流动状态，可将温度分布划为扩散、稳定、收缩3个区。对全流道吸热板而言，增大稳定区，减少扩散区和收缩区是提高其导热传热性能的有效方法。

6摘要：以全流道式平板型太阳能集热器为研究对象，首先进行了集热性能试验测试，在此基础上，利用CFD技术对不同排管管径全流道n热板内传热介质的流动与传热进行模拟。试验结果表明，全流道集热器集热性能好、保温性能优，最高瞬时集热效率可达86.1%．热损失系数仅为4.179W／(m2．℃)；与有关国家标准比较，最高瞬时集热效率高14.1%，热损失系数低1.82W／(m2．℃)。模拟结果表明：全流道板芯在增大流体传热接触面积的同时产生了横向导流作用，使各排管问流体流量分布更为均衡；伞流道板芯热阻小，壁面E热流分布均匀，有效地增大了板芯的对流换热。