蛇形雙流道平板式太陽能空氣集熱器的設計與試驗

李曉琳，莊衛(wèi)東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319）

蛇形雙流道平板式太陽能空氣集熱器的設計與試驗

李曉琳，莊衛(wèi)東

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319）

平板式太陽能空氣集熱器是太陽能利用的一種重要方式。通過對傳統(tǒng)平板式太陽能空氣集熱器的流道進行改進，從而設計出一種新型平板式太陽能空氣集熱器，其流道形式為蛇形上、下雙流道式。針對大慶市的地理位置與氣候條件，制作出兩個模型，對其進行性能測試。通過Fluent軟件進行模擬，將模擬所得結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，對比結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明，蛇形雙流道平板式太陽能空氣集熱器的集熱效率比傳統(tǒng)集熱器集熱效率高21.74%。

空氣集熱；雙流道；Fluent軟件；溫度場

能源問題已經(jīng)不僅僅是某一個國家的問題，而是整個世界、整個人類社會所要面對和所要解決的問題[1]。地球上最根本能源是太陽能，太陽每年輻射到地球表面能量為50×1 018 kJ，相當于目前全世界能量消費的1.3萬倍，取之不盡、用之不竭，是綠色無污染的清潔能源[2]。太陽能綜合利用已經(jīng)應用于熱發(fā)電、苦咸水淡化等領(lǐng)域[3-4]。因此發(fā)展太陽能是節(jié)約能源的有效途徑之一。

與太陽能熱水器相比，太陽能空氣集熱器更有許多突出的優(yōu)點：耐寒抗凍；空氣不會腐蝕管路和集熱板；空氣比水反應快，受到陽光照射很快就會得到熱空氣；制造簡單且造價低[5-6]。太陽能空氣集熱器是一種利用空氣為工作介質(zhì)的集熱裝置，適用于建筑采暖、除濕、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域[7]。傳統(tǒng)的空氣集熱器內(nèi)部存在流動死區(qū)，空氣與吸熱板換熱不均勻，集熱器效率較低[8]。EI-Sebaii等研究了選擇性吸收涂層對空氣集熱器熱性能的影響。Mukesh等[9]對流道填充床層的空氣集熱器進行了實驗測試和分析。Yeh等對雙流道空氣集熱器進行理論和實驗研究，發(fā)現(xiàn)當上下流道空氣流量相同時集熱器的集熱效率最高[10]。Yeh Ho-Ming等[11]的研究表明在集熱器中增加空氣流回流流道能有效提高集熱器性能與流體出口溫度。陳思等[12]對大慶市平板式太陽能空氣集熱器做了應用研究。在集熱器空氣流道側(cè)增加金屬隔板將空氣流道分割成蛇形，能增加空氣流在集熱器中流程，同時金屬隔板可作為肋片增強傳熱，最終達到提高集熱器集熱性能和空氣出口溫度的效果。

1 試驗方案

設計出一種蛇形上、下雙流道太陽能平板式空氣集熱器，空氣流道內(nèi)設有導流隔板，其作用：（1）增加空氣在集熱器內(nèi)的流程，也增加了空氣的受熱時間，從而提高了集熱效率；（2）增大了集熱器的集熱面積。夏佰林[13]對流道轉(zhuǎn)彎數(shù)量N與蛇形流道集熱器集熱性能之間的關(guān)系進行了研究，其計算方法如下：

圖1 試驗實物圖Fig.1Object map of test

代入平板空氣集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到熱遷移因子FR，及其轉(zhuǎn)彎數(shù)量N。利用該方法，帶入集熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得出熱遷移因子FR為0.79，轉(zhuǎn)彎數(shù)量為11。

圖2 集熱器俯視圖Fig.2The top view of collector

圖3 集熱器部分縱截面圖Fig.3The collector of longitudinal section

2 試驗設計

2.1 試驗裝置的設計

制作兩個平板式太陽能空氣集熱器如圖1所示，幾何尺寸為：2 000 mm×1 000 mm×220 mm。采用玻璃纖維棉作為集熱器內(nèi)兩側(cè)和底部的保溫材料，厚度為30 mm。在上、下部位各開直徑為180 mm的口作為出入口。傳統(tǒng)空氣集熱器（模型a）：其結(jié)構(gòu)如圖2，流道結(jié)構(gòu)如圖3。

蛇形雙流道空氣集熱器（模型b）：其結(jié)構(gòu)如圖4，采用雙流道形式如圖5，上流道長2 000 mm，寬940 mm，高120 mm；下流道長2 000 mm，寬940 mm，高60 mm。

圖4 集熱器俯視圖Fig.4The top view of collector

圖5 集熱器部分縱截面圖Fig.5The collector of longitudinal section

2.2 實驗裝置介紹

實驗系統(tǒng)主要由PWM調(diào)速器（1）、風機（2）、太陽能電池板（3）、蓄電池（4）、太陽能充電控制器（5）、出風管（6）、太陽能空氣集熱器（7）和進風管（8）組成，其連接方式如圖6所示。

圖6 實驗裝置布置示意圖Flg.6Schematic of experimental device

其工作原理：太陽輻射能透過蓋板射集熱板上轉(zhuǎn)換為熱能，冷空氣從入口流入，通過內(nèi)腔吸收熱能后從出口處流入室內(nèi)。

2.3 測試試驗

測試時間：2015年12月。測試地點：黑龍江省大慶市。地理位置在北緯45°46′至46°55′，東經(jīng)124° 19′至125°12′之間。大慶市年日照時數(shù)為2 726小時，年太陽總輻射量491.4 kJ·cm-2。測試條件：測試時間10：00～14：00，每隔20 min進行一次測量，選擇日照晴好的全天。集熱器朝南與地面成67°夾角傾斜放置；溫度測量儀（量程寬達-20～50℃）3個，分別放置在集熱器進、出口以及集熱器旁；日照儀（量程寬達11ux～50 000 lux，精度：±4%rdg±0.5%f.s）與太陽能輻射強度儀放置集熱器高度的中間位置，與集熱器保持平行；空氣流量數(shù)據(jù)的采集是通過測量進風口的風速計算出來的?？刂茷轱L度3 m·s-1，空氣阻力由公式（3）計算可得：上流道空氣阻力為0.512 N；下流道空氣阻力為0.256 N。

式中：C—為空氣阻力系數(shù)；ρ—為空氣密度；S—物體迎風面積；V—為物體與空氣的相對運動速度。舉例一次試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 一次試驗數(shù)據(jù)記錄Table 1Results of compared experiment data

從表1中可以看出，模型a在正午12點40分溫度達到14.7℃，10時為最低溫度9.2℃；模型b在正午12點40分溫度達到33.4℃，10時為最低溫度18.6℃。兩種空氣集熱器溫度相差9.4～18.7℃。并且在相同條件下，模型b相對于模型a預熱快，散熱慢，保溫性強。

2.4 影響因素分析

計算集熱器的熱效率，即集熱器有效吸收的能量與透射到集熱器蓋板表面的太陽輻射量之比，其計算式為：

式中：Tr、Tc—集熱器進、出口空氣溫度；Ap—集熱板的采光面積；m—空氣的質(zhì)量流量，m=ρVD2π/4，ρ—空氣的密度；V—出口空氣流速；D—出口管徑，取D= 180 mm；IβT—傾斜面太陽總輻射強度，W·m-2。

計算中采用的集熱器進、出口溫度和太陽輻射強度，均為試驗時間段內(nèi)的平均值，其中將平均太陽輻射強度、進口空氣溫度即環(huán)境的平均溫度，以及集熱器熱效率的計算結(jié)果匯總到表2。

表2 集熱器數(shù)據(jù)采集表Table 2Collector data collection table

3 Fluent模擬與試驗數(shù)據(jù)對比分析

應用Gambit軟件分別對模型a和模型b進行建模并劃分網(wǎng)格，如圖7～8所示，為建立的三維模型圖。下方開口為空氣入口，上方為空氣出口。設置邊界條件，并導入Fluent模擬軟件做溫度流場分析。

圖7 模型a三維模型圖及網(wǎng)格劃分Fig.7Model a 3D figure and mesh generation

圖8 模型b三維模型圖及網(wǎng)格劃分Fig.8Model b 3D figure and mesh generation

通過Fluent模擬軟件，模擬模型a、b的溫度場、速度場如圖9～10所示。由圖9（a）可知，冷空氣從進氣口進入，只有一部分空氣被集熱板加熱，其傳熱方式是由中心向四周傳熱，溫度由中心向四周逐漸降低，進入的冷空氣在集熱器內(nèi)未能等到充分加熱便從出口流出，導致集熱效率差，模擬出的出口溫度為14℃。因空氣流道的特定，空氣在集熱器內(nèi)的走向呈蛇形，由圖10（a）可知，冷空氣從進氣口進入，在集熱器內(nèi)得到充分加熱，隨著流程的增加，空氣的溫度也逐漸上升，模擬出的出口溫度為33℃，集熱效率為63.66%，與試驗結(jié)果基本吻合，試驗具有可靠性。風速為3 m/s時，由圖9（b）可知，集熱器內(nèi)部存在2個渦流區(qū)，從而導致集熱器的集熱效率；由圖10（b）可知，集熱器內(nèi)部未存在渦流區(qū)，同時空氣受集熱器墻體壁面的影響小，能夠反映出主體的流動性。

綜上所述，模型b的集熱效果高于模型a的。由于是蛇形雙流道，增加了空氣在集熱器內(nèi)的流程，使得空氣在集熱器內(nèi)能夠得到充分的加熱，從而提升了集熱器的集熱效率。所以模型b有廣泛的應用價值。

4 試驗驗證

利用上述1.3測試試驗的方法，對蛇形上、下雙流道平板式太陽能空氣集熱器進行試驗驗證，如圖11所示。采集數(shù)據(jù)，通過集熱效率公式計算得出集熱效率為62.73%，與模擬結(jié)果基本吻合。

圖9 模型a溫度場和空氣流速矢量圖Fig.9Model a Surface temperature field and flow velocity vector

圖10 模型b溫度場和空氣流速矢量圖Fig.10Model b Surface temperature field and flow velocity vector

圖11 集熱器裝置實物圖Fig.11The real figure collector device

5 結(jié)論

太陽能空氣集熱器是利用太陽輻射熱加熱空氣，將獲得加熱的空氣得以利用的一種裝置。為使集熱器提高集熱效率、減少熱量損失，國內(nèi)外對平板型太陽能空氣集熱器內(nèi)部流道的研究較為廣泛，而平板式太陽能空氣集熱器內(nèi)部流道由于結(jié)構(gòu)變換多樣，研究也具有很強的針對性。設計出了蛇形雙流道平板式太陽能空氣集熱器，并對其進行理論、試驗、模擬的對比研究，得出結(jié)論如下：

（1）由于是蛇形雙流道，增加了空氣在集熱器內(nèi)的流程，使得空氣在集熱器內(nèi)能夠得到充分的加熱，從而提升了集熱器的集熱效率，其比傳統(tǒng)集熱器集熱效率高21.74%，且集熱效率達到了62.73%，所以該集熱器有廣泛的應用價值；

（2）通過Fluent模擬軟件，對集熱器的內(nèi)部流場進行分析，分析發(fā)現(xiàn)渦流區(qū)會導致集熱器的熱損失增大，從而影響集熱器的集熱效率。

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Design and Experiment of Flat Plate Solar Air Collector With Double Serpentine Flow Passages

Li Xiaolin，Zhuang Weidong
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Plate type solar air collector was an important way of solar energy utilization.A new type of flat plate solar air collector was designed through improving the flow channels of traditional flat-plate solar air collector，which the flow channel was double serpentine upper and lower flow.Experimental investigation on characteristics of solar air collectors after two models were made and collected the datum according to the geographical location and climate conditions of Daqing.It was simulated by Fluent software，compared with the experimental results，the simulation results showed that the serpentine double flow collection efficiency of flat plate solar air collector thermal efficiency was 21.74%，which was higher than the conventional collector.

solar air collector；double flow；fluent software；temperature field

S2

A

1002-2090（2017）04-0094-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.04.021

2016-04-23

國家重點研發(fā)計劃子課題（2016YFD020060802）。

李曉琳（1992-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院2014級碩士研究生。

莊衛(wèi)東，男，教授，碩士研究生導師，E-mail：81nd@163.com。