太陽能烤房的平板型空氣集熱器流道優(yōu)化模擬分析

珠海興業(yè)新能源科技有限公司 ■ 馬世歌譚軍毅華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 ■ 張賓

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太陽能烤房的平板型
空氣集熱器流道優(yōu)化模擬分析

珠海興業(yè)新能源科技有限公司 ■ 馬世歌*譚軍毅華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 ■ 張賓

摘 要：針對太陽能烤房的平板型空氣集熱器出口空氣溫度如何提高的問題，本文對烤房頂部平板型空氣集熱器進(jìn)行流道模擬分析，通過改變太陽能烤房頂部平板型空氣集熱器內(nèi)折流板數(shù)量、尺寸及外形，進(jìn)行Fluent模擬計(jì)算分析，得出集熱效率較高的集熱器內(nèi)部設(shè)計(jì)方案，當(dāng)太陽能空氣集熱器供熱量不足以供給烤房使用時(shí)，空氣源熱泵作為輔助熱源，保證烤房不間斷工作。

關(guān)鍵詞：太陽能烤房；CFD模擬；空氣集熱器；折流板；空氣源熱泵

0 引言

當(dāng)前環(huán)境污染和能源危機(jī)是制約我國乃至人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大瓶頸，而推廣可再生能源是解決問題的關(guān)鍵之一[1]。太陽能空氣集熱裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝維護(hù)方便，無泄漏、堵塞、防凍等問題，因此被廣泛用于輔助供暖、制取生活熱水、農(nóng)副產(chǎn)品干燥[2]等領(lǐng)域。我國是太陽能資源比較豐富的國家，全國總面積2/3以上的地區(qū)年日照時(shí)數(shù)超過2200 h，年輻射總量超過5×103MJ/m2。全年照射到我國的太陽能是全年的煤、石油、天然氣、柴草等全部常規(guī)燃料所提供能量的2000多倍[3]。平板空氣集熱器成本低、承壓高，但熱效率較低，其因結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)廉和安裝方便而在全世界獲得廣泛應(yīng)用，在我國南方也占主導(dǎo)地位。平板型集熱器不論是外觀上還是整體上都能同環(huán)境協(xié)調(diào)，易與建筑形成一體，因此更易被人們接受。

目前，需要烘烤所涉及的物品種類繁多、數(shù)量巨大，占全國能耗的10%～12%，傳統(tǒng)的燃煤(其他燃料)烘烤能耗大、污染嚴(yán)重。若采用太陽能作為烤房主要能源來源，將極大降低烤房對傳統(tǒng)能源的依賴性，從而減少對大氣的污染。

由于太陽能供熱的瞬時(shí)性和不穩(wěn)定性，常需空氣源熱泵做輔助熱源。當(dāng)空氣源熱泵作為輔助能源運(yùn)行時(shí)，每臺空氣源熱泵的冷凝器冷凝功率是一定的。空氣經(jīng)過冷凝器的流量與溫升即為冷凝器的冷凝功率，可提高冷凝器側(cè)空氣進(jìn)口溫度。出口溫度恒定時(shí)，通過冷凝器的空氣流量就可增大，即整體上可提高空氣源熱泵的利用效率。

本文中的平板型空氣集熱器主要應(yīng)用于烤房中，且烤房配有空氣源熱泵作為輔助能源。通過平板型空氣集熱器流道優(yōu)化模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，并得出性能較好的空氣集熱器方案。

1 太陽能烤房的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

太陽能烤房的結(jié)構(gòu)主要有：空氣源熱泵、空氣集熱器及烤房箱體。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，烤房工作原理如圖2所示。于底板及四周均進(jìn)行高效絕熱，計(jì)算時(shí)忽略兩者向外界的散熱損失；2)忽略進(jìn)出口截面的熱量散失；3)實(shí)際采用的折流板為玻璃材質(zhì)，計(jì)算時(shí)忽略折流板對吸熱板的遮擋，同時(shí)不考慮折流板與底板和四周的輻射換熱；4)假定底板發(fā)射的長波輻射不能穿越玻璃蓋板直接與環(huán)境進(jìn)行輻射換熱；5)忽略測量裝置對流場的影響[4]。

3.1 建模及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Fluent自帶軟件ICEM按實(shí)際尺寸對集熱器進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對流域進(jìn)行劃分。

當(dāng)平板型空氣集熱器出口溫度可滿足烤房溫度需要時(shí)，無須啟動空氣源熱泵，即圖2中虛線框中空氣循環(huán)即可；當(dāng)平板型空氣集熱器出口溫度不能滿足烤房溫度需要時(shí)，空氣源熱泵啟動，平板型空氣集熱器出口空氣進(jìn)入熱泵冷凝器中，加熱空氣至烤房所需溫度，即圖2中整個(gè)循環(huán)。

2 平板型太陽能空氣集熱器集熱性能的影響因素分析

平板型太陽能空氣集熱器集熱性能的外部影響因素主要為：空氣流量、太陽輻射、空氣入口溫度等運(yùn)行參數(shù)。集熱器本身的影響因素主要是透明蓋板和吸熱板的情況。目前，國內(nèi)外多數(shù)針對平板型太陽能空氣集熱器所做的相關(guān)優(yōu)化研究均是從以上幾個(gè)方面進(jìn)行的。

除了以上因素外，空氣集熱器內(nèi)空氣腔的折流板的形狀、尺寸、數(shù)量等也對集熱器的效率起到至關(guān)重要的作用。本文主要分析空氣集熱器內(nèi)空氣腔的折流板設(shè)計(jì)參數(shù)對空氣溫升的作用。

3 計(jì)算模型

由實(shí)際裝置抽象得到的計(jì)算模型假定：1)由

圖1　太陽能烤房結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　太陽能烤房工作原理圖

3.2 湍流模型、邊界條件及物性參數(shù)

集熱器內(nèi)部流動為近似矩形管道流，在所研究的處理氣量范圍內(nèi)，由于折流板的存在，流動中伴隨著因強(qiáng)烈分離而帶來的擾動，加之浮力流的影響，判定其內(nèi)部流動狀態(tài)為湍流，后面計(jì)算結(jié)果也表明按湍流處理與實(shí)際測量結(jié)果符合較好。湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，此模型本身具有穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和較高的計(jì)算精度。

本文中，主要對2 m×2 m的空氣集熱器進(jìn)行模擬分析，空氣集熱器主要尺寸為：長2000 mm；寬2000 mm；厚54 mm；折流板長1538 mm、高54 mm；阻流口尺寸長550 mm×寬32 mm；進(jìn)出口直徑150 mm；玻璃蓋板及藍(lán)膜厚度簡化為4 mm；進(jìn)出口風(fēng)道高簡化為100 mm。

圖3　各種方案的三視圖

CFD模擬計(jì)算主要邊界條件為：進(jìn)口風(fēng)速7 m/s；玻璃蓋板比熱容966 J/(kg?K)；進(jìn)口溫度50 ℃；玻璃導(dǎo)熱系數(shù)0.3 W/(m?K)；輻照度700 W/m2；邊框與環(huán)境換熱系數(shù)2.8 W/(m2?K)；環(huán)境溫度26 ℃；背板與環(huán)境換熱系數(shù)0.023 W/(m2?K)；玻璃與環(huán)境換熱系數(shù)11.4 (W/m2?K)；風(fēng)道與環(huán)境換熱系數(shù)2.8 W/(m2?K)。

4 平板型空氣集熱器性能的CFD理論模擬

4.1 模擬方案

此模擬計(jì)算分4種方案，其三視圖如圖3所示。

4.2 4種方案的進(jìn)出口溫差分析

分別對4種方案進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，邊界條件為上文所述，其溫度云圖如圖4所示。

圖4　各種方案模擬計(jì)算出的溫度云圖

從圖4可知，方案1、2的進(jìn)出口溫差不大，約1 ℃，方案不可?。环桨?、4的進(jìn)出口溫差約為6 ℃，但是方案3的局部溫度較高，達(dá)到100 ℃，對空氣集熱器的空氣腔有危害作用，大幅降低了空氣集熱器的使用壽命。因此，從溫度方面來講，方案4可行。

4.3 4種方案的進(jìn)出口速度分析

分別對4種方案進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，邊界條件為上文所述。各種方案模擬計(jì)算出的速度云圖如圖5所示。

圖5　各種方案模擬計(jì)算出的速度云圖

由圖5可知，方案1、2、4的速度湍流區(qū)域面積較小，方案3的速度渦流區(qū)域面積較大，易造成大量空氣停滯在空氣腔內(nèi)，使集熱器空氣腔內(nèi)局部溫度過高，影響集熱器壽命，所以方案3不可行。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際試驗(yàn)中，選擇太陽能輻照度約為700 W/m2、環(huán)境溫度約為25 ℃、進(jìn)口溫度為50 ℃、進(jìn)口速度控制在7 m/s左右，在某天下午對4個(gè)方案中涉及集熱器進(jìn)行近1 h的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　各方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，方案4的空氣出口溫度較高，方案1的空氣出口溫度較低，各方案的空氣進(jìn)出口溫差依次為1、5、13、14 ℃，得到結(jié)果基本符合Fluent軟件模擬結(jié)果。

6 結(jié)論

本文對空氣源熱泵烤房頂部空氣集熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)說明及原理分析，并對空氣集熱器建立了4種模型，采用CFD模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論：

1)空氣源熱泵烤房頂部布置空氣集熱器，使得空氣源熱泵與空氣集熱器得到完美耦合，既充分利用了可再生能源，增加能源利用率，又可有效降低空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用。

2)空氣集熱器的4種方案模擬結(jié)果，從溫度和速度兩方面考慮，對4種方案進(jìn)行分析對比，方案4使空氣得到大的溫升范圍，渦流區(qū)域面積不大，局部最高溫度不大于70℃，因此方案4可行。即空氣集熱器內(nèi)空氣流向應(yīng)成S型分布，此種方法既可增大空氣溫升，還可降低空氣湍流區(qū)域面積。

3)方案4空氣集熱器空氣出口溫度約為65 ℃，可滿足烤房需要。即當(dāng)太陽輻照在700 W/m2時(shí)，無需啟動空氣源熱泵；當(dāng)太陽能輻照度較低時(shí)，如夜晚，需要啟動空氣源熱泵給烤房提供滿足所需空氣。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：國家125科技支撐項(xiàng)目(2012BAA10B02)；珠海市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)(不含新能源汽車)項(xiàng)目(2012D1801990049)通信作者：馬世歌(1988—)，女，研發(fā)工程師，主要從事太陽能光熱利用方面的研究。mashige88@126.com

收稿日期：2014-11-17