基于微通道的太陽能集熱器及其性能模擬

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(湘潭大學(xué) 材料與光電物理學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

基于微通道的太陽能集熱器及其性能模擬

蔣志杰，潘勇，李旭軍

(湘潭大學(xué) 材料與光電物理學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

針對傳統(tǒng)的平板型太陽能集熱器集熱效率較低的問題，本文設(shè)計了一款微通道集熱器，采用數(shù)值模擬方法研究了微通道集熱器的工作狀況，并分析了傳統(tǒng)平板型集熱器的管中心距在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下對集熱器的效率影響。仿真結(jié)果表明：相同條件下，平板型集熱器的管間距越小，集熱效率越高；微通道集熱器的平均集熱效率比最佳管間距的平板型集熱器高9.3%，比常用的兩種平板型集熱器分別高20.6%、30.6%。該結(jié)果有利于優(yōu)化平板型集熱器的設(shè)計參數(shù)，為微通道集熱器的實際應(yīng)用提供了依據(jù)。

微通道；平板型太陽能集熱器；集熱效率;穩(wěn)態(tài)傳熱；性能仿真

太陽能是一種安全、清潔無污染的可再生能源，利用太陽能熱水器制造生活熱水是減少建筑能耗、緩解能源與環(huán)境危機的一條重要途徑[1-2]。傳統(tǒng)的平板型太陽能集熱器具有價格低廉，運行可靠，承壓能力強，吸熱面積大，熱流密度較低等諸多優(yōu)點，是太陽能與建筑一體結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一[3]，其基本結(jié)構(gòu)形式可分為管板式、管翼式、蛇管式和扁盒式，其中管翼式成本相對較低、集熱效率較高的特點，但其集熱效率較真空管太陽能集熱器還是要低很多，只有真空管集熱器的50%～60%，如何更大程度地提升平板集熱器的效率已成為太陽能集熱器研究的一個熱點。微通道具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積輕巧、換熱高效等特點[4]，本文基于微通道這些優(yōu)點設(shè)計了一個微通道集熱器，并采用Matlab軟件在計算機上建立模型對微通道集熱器和傳統(tǒng)的管翼式集熱器進行仿真[5]，比較了微通道集熱器與傳統(tǒng)平板集熱器的效率，評價了微通道集熱器工作性能，為實際生產(chǎn)提供了借鑒作用。

1 微通道集熱器結(jié)構(gòu)

微通道集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1，其基本組成部分如下：

(1)吸熱板，微通道集熱器內(nèi)吸收太陽輻射能并向工質(zhì)傳遞熱量的部件，采用1.5 mm×12.5 mm的矩形微通道扁管(該結(jié)構(gòu)中，流體與吸熱板接觸面較大，換熱均勻，其結(jié)構(gòu)如圖2)作為微通道換熱器的流管，再將所有微通道流管的兩端分別與集流管相連，形成一個緊湊的微通道板，在其上表面電鍍一層黑鉻作為微通道集熱器吸熱板。

(2)透明蓋板：平板型集熱器中覆蓋吸熱板、由透明(或半透明) 材料組成的板狀部件。它的功能主要是透過太陽輻射，使其投射在吸熱板上；保護吸熱板，使其不受灰塵及雨雪的侵蝕；形成溫室效應(yīng)，阻止吸熱板在溫度升高后通過對流和輻射向周圍環(huán)境散熱。

(3)集管：分入口管和出口管，與吸熱板各微通道流管組成流體循環(huán)系統(tǒng)，將吸熱板吸收的熱量供給需要加熱的流體。

(4)隔熱層：集熱器中抑制吸熱板向周圍環(huán)境散熱的部件。

(5)外殼：平板型集熱器中保護及固定吸熱板、透明蓋板和隔熱層的部件。

圖1 微通道集熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 微通道扁管結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)模型及條件

2.1 系統(tǒng)模型

(1)熱損數(shù)學(xué)模型

平板型集熱器熱損計算公式[6]

式中QLC——平板集熱器總熱損系數(shù)；

Ua、Ub、Ut——邊壁和底部熱損系數(shù);

tp——吸熱板溫度/℃；

ta——環(huán)境溫度/℃。

由于吸熱板底部及四周都包有保溫材料，因此底部和邊壁熱損較少，只需考慮頂部熱損，根據(jù)Klein經(jīng)驗公式[7]，頂部熱損失系數(shù)Ut

式中 n——蓋板數(shù)目；

C——集熱器傾角影響系數(shù)，常數(shù)；

hw——風(fēng)與蓋板的對流換熱系數(shù)；

εg——玻璃發(fā)射率；

εp——吸熱板發(fā)射率；

f——常數(shù),f=f(εg,hw,n)

(2)板溫計算數(shù)學(xué)模型

吸熱板平均溫度計算公式[8]

式中 Tf,i——入口水溫/℃；

Qu——集熱器有效能量收益；

Ac——集熱器面積/m2；

UL——熱損系數(shù)/W·m-2·℃-1；

FR——熱量轉(zhuǎn)移因子；

F′——效率因子；

Rp-f——吸熱板與流管間的換熱熱阻。

其中，F(xiàn)R、F′、Qu和Rp-f的計算公式由文獻[7]給出。

(3)水側(cè)換熱模型

Qu=mwcpw(to-ti)

式中mw——水的質(zhì)量流量/kg·s-1；

Cpw——水的比熱容；

to——出口水溫/℃；

ti——入口水溫/℃。

2.2 條件設(shè)置

本文采用循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)為研究對象，與直流式太陽能熱水系統(tǒng)[7-10]相比，水與集熱器之間的換熱動態(tài)特性會加強，換熱效率會有所提升，同時能有效減少水垢產(chǎn)生。將產(chǎn)水溫度設(shè)定為55℃，可用于盥洗、沐浴和洗滌用，完全可以滿足用戶對水溫的要求[11]。初始冷水溫度為17℃，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于55℃時，循環(huán)泵工作，使冷水流過集熱器，與吸熱板進行循環(huán)換熱；當(dāng)水溫達到55℃時，循環(huán)泵停機，太陽能熱水機組停止工作。設(shè)定太陽輻射強度為800 W/m2，太陽輻射透過玻璃蓋板垂直射到金屬集熱板上使集熱板溫度上升，集熱板將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，與流管進行穩(wěn)態(tài)傳熱，由管道中的水將熱量帶走。由于水箱內(nèi)儲水量較大，太陽能熱水器加熱水的各時間點，可視為一個穩(wěn)態(tài)換熱過程。建立一水平放置的平板集熱器模型，長度為2 m，寬度為1 m，流管數(shù)隨管間距變化。吸熱板厚度1 mm，流管和吸熱板材質(zhì)，微通道集熱器為鋁，傳統(tǒng)集熱器為銅。蓋板到吸熱板距離40 mm，底部和邊壁絕熱，環(huán)境溫度為17℃。玻璃板物性參數(shù)：吸收率0.12，透過率0.92，發(fā)射率0.85，密度2 220 kg/m3，比熱容830 J/(kg·℃)。吸熱板和排管物性參數(shù)：吸收率0.96，發(fā)射率0.17，密度8 978 kg/m3，比熱容381 J/(kg·℃)。為便于對比分析，設(shè)置了管徑為15 mm，管間距分別為50 mm、100 mm、125 mm的傳統(tǒng)平板型集熱器，做對比仿真分析，其中50 mm管間距為管翼式平板集熱器最佳管間距[12]，100 mm、125 mm管間距為市面銷售的平板熱水器較常見的，下文中分別以W50 mm、W100 mm、W125 mm對這三種熱水器做區(qū)分，各集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 各集熱器的仿真參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

在穩(wěn)態(tài)條件下，比較了微通道集熱器和不同管間距傳統(tǒng)集熱器的平均板溫、熱流損失，仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖6、圖7。微通道、W50、W100、W125四種類型集熱器分別由a、b、c、d表示。圖3、圖4顯示了各集熱器在不同入口水溫條件下吸熱板的平均溫度和吸熱板的熱損系數(shù)，用于評價工作性能。圖6、圖7顯示了各集熱器相同的環(huán)境條件下板溫和瞬時集熱效率隨時間變化趨勢。

圖3 板溫隨入口水溫變化關(guān)系

圖4 熱損系數(shù)隨入口水溫變化關(guān)系

圖5 集熱器熱流分析

由圖3和圖4可知，平板型集熱器吸熱板平均溫度和熱損隨著入口水溫的升高而升高，在相同的入口水溫下，微通道集熱器的平均板溫和熱損系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)平板集熱器；在傳統(tǒng)平板集熱器中，平均板溫和熱損系數(shù)隨著管中心距增大而增大。集熱器的集熱板吸收太陽輻射，通過管翼把熱量傳遞給管中流體使其升溫，如圖5所示。傳統(tǒng)平板集熱器中，管中心距小的集熱器較管中心距大的吸熱板管翼吸收的太陽輻射量少，除去向管中流體傳遞的熱量,管本身所剩余的熱量較少，相應(yīng)吸熱板溫度也較管中心距大的集熱器低。而微通道集熱器流管管翼最大長度只有0.5 mm，因此相對傳統(tǒng)平板型集熱器來說，吸熱板溫度更低。集熱板溫度對平板集熱器的熱損有重要的影響，集熱板溫度越低，熱損越?。晃鼰岚鍦囟仍礁?， 集熱器熱損越大。

圖6 水溫隨時間變化關(guān)系

圖7 瞬時集熱效率隨時間變化關(guān)系

圖6和圖7是在相同的環(huán)境條件下將100 L水加熱到55℃水溫和瞬時集熱效率[13]隨時間變化的趨勢，由圖可以看出，傳統(tǒng)平板型集熱器中，管中心距越小，熱損越低，加熱所用的時間越短，瞬時集熱效率越高。將水加熱到設(shè)定溫度微通道集熱器所用的時間明顯要短，而加熱過程中的瞬時集熱效率明顯要高；從表2的仿真結(jié)果可以看出微通道集熱器在設(shè)定的環(huán)境條件下，平均集熱效率最高，比最佳管間距的傳統(tǒng)平板集熱器要高出9.3%比市場常見的兩種集熱器分別高20.6%、30.6%。

表2 各集熱器的平均集熱效率

4 結(jié)論

本文針對目前平板型集熱器集熱效率較低的現(xiàn)狀，設(shè)計了一款微通道集熱器，運用Matlab軟件仿真計算了微通道集熱器和管翼式平板集熱器的平均板溫、熱損、瞬時效率以及水溫隨時間變化的過程。討論分析了穩(wěn)態(tài)條件下微通道集熱器性能以及管中心距對管翼式集熱器效率的影響。經(jīng)過對仿真結(jié)果的分析可以得出以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)平板型集熱器在管徑相同的情況下，管中心距越小，吸熱板平均溫度越低，熱損越小，集熱效率越高。

(2)微通道集熱器的吸熱板的平均溫度明顯低于管翼式平板集熱器，熱損明顯小于管翼式集熱器；在加熱同等體積水的時候，微通道集熱器所花的時間要短，瞬時集熱效率要高，其平均集熱效率比最佳管間距的平板式集熱器高9.3%，此仿真結(jié)果證明微通道集熱器的集熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)平板式集熱器。

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PerformanceSimulationofMicro-channelCollector

JIANG Zhi-jie, PAN Yong, LI Xu-jun

(Faculty of Materials & Optoelectric Physics, Xiangtan University, Xiangtan 411105,China)

Concerned with low collector efficiency of traditional flat-plate solar collector, we designed a micro-channel heat collector. Using numerical simulation, we studied the working conditions of micro-channel collector, and analyzed the impact of the flow tube center distance on the instantaneous collector efficiency of traditional flat-plate solar collectors under steady-state heat transfer condition. The results show that: under the same conditions, the smaller the flow tube center distance of the traditional flat-plate solar collector is, the higher the efficiency will be；The collector efficiency of micro-channel heat collector is 9.3% higher than the traditional flat-plate collector with the best tube center distance，and it is 20.6%, 30.6% higher than the commonly used two flat-plate collectors. These can be used for optimizing design parameters of flat plate solar collectors, and provide a basis for the micro-channel heat collector production.

micro-channel collector; flat-plate solar collector; collection efficiency; steady-state heat transfer; performance simulation

2014-02-17修訂稿日期2014-05-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(11372267)

蔣志杰(1987～)，男，碩士研究生，主要從事太陽能熱水器性能研究。

TK512

A

1002-6339 (2014) 05-0423-04