微热管阵列平板太阳能集热器的数值模拟与优化研究

1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：123445微热管阵列平板太阳能集热器的数值模拟与优化研究邓月超 赵耀华 王林成 叶三宝（北京工业大学建筑工程学院，北京，100124）（Email：dyc613）摘 要 介绍了一种全新的平板式太阳能集热器，该集热器应用微热管阵列作为集热元件，具有成本低、抗冻、承压、轻巧、不结垢、易与建筑一体化等优点。对其瞬态热性能进行的实验研究表明，该集热器最大瞬态效率达83%，总热损系数为4.767。建立了微热管阵列平板太阳能集热器的CFD模型，对集热器内部流体流动与换热进行数值模拟，并对其最佳流量进行了优化，结果表明，该集热器循环水的最佳流量为0.1-0

2、.2 kg/(m2·s)。关键词 微热管阵列；新型平板太阳能集热器；实验研究；CFD模拟；质量流量0 引言近年来，太阳能集热技术在太阳能热利用领域受到广泛关注，并得到快速发展。但目前应用的各种太阳能集热器在抗冻能力、热效率、工作可靠性、成本及建筑一体化等方面存在缺陷，使其应用受到极大限制。因此，迫切需要研发一种新型、低成本、高效太阳能集热技术，尤其是适合于建筑一体化的平板太阳能集热器。为提高平板式太阳能集热器的性能，国内外学者已进行了大量尝试，提出将热管与平板集热器结合的技术。Bienert和Wolf（1976）1首先将热管应用到太阳能装置中。陆维德等人2对铝丙酮和铝氨重力热管在太阳

3、能热流密度下的传热特性进行了实验研究，结果表明热管集热器具有热容小、起动快、全日效率略高于常规集热器的优点，同时指出热管工质的最佳充装量约为25%。H.M.S. Hussein等3-7从理论和实验两方面研究了重力热管平板太阳能集热器，并对影响集热器性能的各参数进行了优化。E Mathioulakis等8对一种重力环路热管太阳能热水系统进行了研究，结果表明该系统在低温条件下性能优良且制造简单，无移动部件。S. L Abreu等9对一种家用太阳能集热器进行了实验研究，集热器的集热元件为具有直蒸发段和半圆形冷凝段的两相闭式热虹吸管，并重点研究了该热管的热性能。E.Azad10对重力热管太阳能集热器进

4、行了理论分析和实验研究。提出基于-NTU的理论模型，并用该模型对集热器的各参数进行了优化。本文将一种新型的超导热平板换热构件微热管阵列11应用于平板式太阳能集热技术中，并对该集热器进行了数值模拟与实验研究，并对影响集热器热性能的参数进行了优化。1 基于微热管阵列的平板太阳能集热器1.1 微热管阵列技术图1(a)微热管阵列实物图.图1(b) 微热管阵列纵向剖面图微热管阵列（图1）是一种导热能力超强的导热管元件，依靠内部工质流动和相变，使其本身的传热效率比同样材质的最佳导热体高出数千倍。微热管阵列主要由铝合金管壳和少量工质组成，包括蒸发段、冷凝段两部分。蒸发段表面吸热后将热量传给热管蒸发壁面，工质

5、在蒸发段吸热后变成蒸汽，流向冷凝段。冷凝段与水箱紧密接触，蒸汽在冷凝段处被流过该处的水冷凝，经过相变放出潜热后由气态变成液态，传热工质依靠重力从冷凝段回流到蒸发段，如此循环，热量由热管的一端传至另端从而将水加热（图2）。图2 微热管阵列工作原理图每个微热管阵列内部有十多个以上独立运行的微热管，能够解决利用常规圆形热管必然出现的接触面小或者多次接触热阻，极大提高了当量蒸汽的换热面积与整体热管的可靠性。每根微细热管内还有强化传热的微翅构造。这样的结构增大了热管直接受热及吸热面积，由于微细热管的水力直径只有1.0毫米左右，管壁承压能力极高，因而不易发生泄漏。此外，该微热管阵列尺寸可根据实际需要灵活改

6、变，具有目前已产业化的常规热管不可比拟的优良特性。1.2 微热管阵列平板太阳能集热器基于微热管阵列的平板太阳能集热器有两种结构，一种是带选择性吸热涂层的全热管式平板太阳能集热器12，微热管阵列阵列式密排，热管上表面刷涂高吸收率低发射率的涂层材料。另一种是带选择性吸热膜的微热管阵列平板太阳能集热器，微热管阵列上表面与选择性吸热膜紧密接触。本文主要介绍带选择性吸热膜的微热管阵列平板太阳能集热器（图3）。集热器由3.2mm厚的超白玻璃（透光率 92%，吸收率5%）、选择性吸热膜（太阳能吸收率95%，热发射率5%）、微热管阵列、保温层、铝合金外框及热交换器等几部分组成。图3 微热管阵列太阳能集热器结构

7、图1.3 微热管阵列平板太阳能集热器瞬时效率测试为评价微热管阵列平板太阳能集热器的热性能，对其瞬态效率进行测试（图4）。集热器朝南安装，采光面与水平面倾角45°，总辐射表与集热器采光口平行，在离集热器进出口约150mm处分别布置热电阻（Pt100）测量进出口水温。在太阳辐射强度大于800w/m2的准稳态条件下，调节集热器入口水温，分别测量了集热器在入口水温为16°C，26°C， 36°C，46°C情况下的各参数。集热器瞬态效率计算公式如下：(1)式中mw冷却水质量流量，kg/s； Cw水的比热容，J/kgK；Two集热器出口平均水温，；Twi集

8、热器入口平均水温，；I采光面积范围内太阳总辐射强度，w/m2；A集热器采光面积，m2。图4 微热管阵列平板太阳能集热器瞬态效率实验系统图2 数值模拟以微热管阵列平板太阳能集热器为研究对象，建立集热器的CFD模型。模拟过程中考虑太阳辐射作用；吸热膜、玻璃盖板之间的对流和辐射换热作用；循环水与管壁之间的对流换热以及管壁与保温层之间的热传导等换热作用。微热管阵列的当量导热系数大于100000 W/mK，在模拟过程中，取微热管阵列的导热系数为100000 W/mK。模拟采用与实验条件一致的结构及气象参数。表1为集热器各部分物性参数。表1物性参数表Table1 List of thermo physic

9、al properties物性参数空气层水保温层热交换器铝合金边框玻璃盖板密度(kg/m3)Boussinesq998.230271926002500比热容(J/kgK)1006.4341821380871904.3840导热系数(W/mK)0.02420.60.04202.4112.50.762.1 数学模型2.1.1 基本控制方程集热器内部流体的流动与换热包括热交换器内水的强迫对流流动与换热和集热器上部封闭空腔内空气的自然对流流动与换热。封闭空腔内空气的自然对流符合Boussinesq假设，计算域内流体流动及传热满足以下基本控制方程。 连续性方程：(2)动量方程：(3)能量方程：(4)式中

10、，速度，m/s；密度，kg/m3；压力，Pa；重力加速度，m/s2；应力张量，N/m2；定压比热容，J/kgK；密度，K；导热系数，W/mK；体积热源的源项，W。2.1.2 湍流模型由于标准k-e两方程模型应用多，计算量合适，且有较多的数据积累和相当的精度，因此选用标准k-e两方程湍流模型。2.1.3 辐射模型采用太阳加载模型的射线跟踪算法与DO辐射模型模拟进入集热器内部的太阳辐射所引起的照射热流的影响以及集热器内部表面之间的辐射换热作用。DO模型求解空间坐标系下的辐射强度的输运方程，对于光谱辐射强度，其辐射传播方程为：(5)式中，位置向量；方向向量；散射方向；辐射波长；光谱吸收系数；散射系数

11、；折射系数；由PLANCK定律确定的黑体辐射强度；相位函数；空间立体角。2.2 边界条件边界条件的设置主要考虑以下几方面：（1）玻璃盖板与周围空气的换热按第三类边界条件设置，根据集热器既考虑自然对流又考虑辐射影响的对流换热系数公式13，计算玻璃盖板上表面对流换热系数；（2）太阳辐照值根据实验所测得的直射辐射值与散射辐射值确定；（3）水流入口设置为质量入口边界条件，水流出口为自由出流；（4）假设集热器底部与侧壁面不参与太阳辐射及热辐射，即底部与侧壁面对太阳辐射的吸收率为0，热辐射的发射率也为0。2.3 数值方法应用FLUENT前处理软件Gambit对计算区域生成网格。采用有限容积法对通用控制方程

12、进行离散，压力插值方案选择 Body Force Weighted 格式；压力速度耦合方程采用SIMPLE 算法；动量、能量、湍流方程选择二阶迎风格式，辐射方程选择一阶迎风格式，并选用合适的亚松弛因子。3 模拟结果与实验结果的对比分析根据实验结果，以集热效率为纵坐标，(TwiTa)/I为横坐标，利用最小二乘法进行曲线拟合，得到瞬时效率的一次曲线，其截距为FR()e，斜率为-FRUL。其中，Ta为环境温度，FR为集热器热迁移因子，UL为总热损系数，()e为有效透射率吸收率乘积。拟合的瞬时效率方程如下：可见，集热器瞬态效率曲线截距为83.06%，斜率为-4.767，相对应的国家标准分别为0.68和

13、-6.0 14，可见微热管阵列集热器具有优良的集热能力和保温性能。采用CFD技术模拟集热器内部流体的流动与换热，根据模拟结果，拟合的集热器瞬时效率方程如下：根据集热器实验测试与数值模拟的结果（图5），两者的误差范围为1.7%-7.4%，数值模拟结果与实验结果基本一致。因此，本文采用的CFD模型能够应用于集热器性能的研究，可指导该太阳能集热器结构的改进和优化设计。4 微热管阵列平板太阳能集热器内循环水质量流量的优化研究在太阳直射辐射强度为800W/m2，直射方向与集热器垂直，室外风速3.5m/s，环境温度为20的条件下，模拟不同循环水质量流量条件下的集热效率，得到微热管阵列平板太阳能集热器的瞬态

14、效率曲线（图6），以及瞬态效率曲线的截距FR()e与斜率FRUL值（表2）。可见，微热管阵列平板太阳能集热器瞬态效率曲线的截距与斜率均随流量增加而增加，当流量增加到一定值后，截距与斜率的增加很小，可认为基本不变。图7为入口水温293K，不同流量情况下距集热器出口100mm处的截面水管内温度分布，如图所示，随着流量增加，水管内部水流速度的增加将导致对流换热作用增加，水侧热阻减小，从而增强换热，提高集热效率，而进一步增加流量，水侧热阻变化不大，即进一步增加流量对提高换热作用的影响相当有限。根据计算结果，该集热器的最佳流量为0.1-0.2 kg/(m2·s)。 图5 集热器数值模拟与实验瞬

15、态效率曲线 图6 不同质量流量条件下集热器瞬态效率曲线表2不同质量流量条件下集热器瞬态效率曲线的截距与斜率值流量/ kg/(m2·s)0.0280.0500.0750.1000.1250.1500.2000.250FR()e0.75850.78380.79650.80290.80680.81050.81420.8167FRUL4.13324.26054.33164.36584.37894.40784.43344.4360图7 水管截面温度云图：(a)0.028 kg/(m2·s),(b) 0.050 kg/(m2·s),(c) 0.075 kg/(m2·

16、s),(d) 0.100 kg/(m2·s),(e) 0.125 kg/(m2·s),(f) 0.150 kg/(m2·s),(g) 0.200 kg/(m2·s) ,(h) 0.250 kg/(m2·s)。5 结 语新型平板太阳能集热器采用微热管阵列作为集热元件，具有换热效率高、结构强度好、可靠性高、抗冻性能好等优点。本文从实验及数值模拟对该集热器进行研究，得到以下结论：（1）对该集热器进行的热性能测试表明其最大瞬态效率为83.06%，热损系数为4.767。（2）建立了微热管阵列平板太阳能集热器的CFD模型，并对其进行数值模拟。模拟结果表明，

17、该集热器的最大瞬态效率为81.68%，热损系数为4.41，模拟结果与实验结果吻合较好，从而验证了该CFD模型的合理性，可用于指导该太阳能集热器结构的改进和优化设计。（3）通过CFD模拟研究了质量流量对新型热管平板太阳能集热器的影响。结果表明，该集热器的最佳流量为0.1-0.2 kg/(m2·s)。参考文献1 B, B.W. and W.D. A., Heat pipe applied to flat-plate solar collectors. Final Report COO/2604-76/1, 1976.2 陆维德等, 重力热管平板集热器的热性能研究J. 太阳能学报, 198

18、3. 4(2): 148155.3 Hussein, H.M.S. and M.A. Mohamad, optimization of a wickless heat pipe flat plate solar collector J Energy Conversion &Management, 1999. 40: 19491961.4 Nada, S.A., H.H. El-Ghetany and H.M. S., Performance of a two-phase closed thermosyphon solar collector with a shell and tube

19、heat exchangerJ. Applied Thermal Engineering, 2004. 24: 19591968.5 Hussein, H.M.S., H.H. El-Ghetany and S.A. Nada., Performance of wickless heat pipe flat plate solar collectors having different pipes cross sections geometries and filling ratiosJ. Energy Conversion &Management, 2006. 47: 1539154

20、9.6 Hussein, H.M.S., theoretical and experimental investigation of wickless heat pipes flat plate solar collector with cross flow heat exchangerJ. Energy Conversion and Management, 2007. 48: 12661272.7 Hussein, H.M.S., M.A. Mohamad and A.S. El-Asfouri., Transient investigation of a thermosyphon flat-plate solar collectorJ. Applied Thermal Engineering, 1999. 19: 78