新型折流板式雙風(fēng)道空氣集熱器數(shù)值模擬

王亮，滿意，2，*

（1．山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2．可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

太陽能空氣集熱器不僅可以在冬天加熱室外空氣，為室內(nèi)進(jìn)行送風(fēng)供暖，還可以在夏天遮擋部分外墻墻壁，降低墻體吸收的太陽輻射［1］?？諝饧療崞骺膳c冬季供暖系統(tǒng)結(jié)合起來，以空氣為介質(zhì)，對(duì)于系統(tǒng)無腐蝕、結(jié)垢和承壓等要求，如有泄露也不致影響整個(gè)供暖系統(tǒng)的使用［2］。

眾多學(xué)者針對(duì)集熱器的高效熱利用進(jìn)行了大量的研究，通過改變吸熱板的形狀、流道進(jìn)出口以及采用穿孔型吸熱板等，提高集熱器的集熱效率［3－5］；利用加入擾流板增強(qiáng)空氣與吸熱板之間的擾流，增強(qiáng)空氣的換熱能力以提高集熱器的熱利用率［6－9］；通過加入雙層玻璃、將傳統(tǒng)平板式改進(jìn)為熱管式、板管式，提高集熱器的瞬時(shí)集熱效率［10－12］；將單層流道改變?yōu)殡p層流道、蛇形雙流道，可以增加空氣流量、改善空氣旋渦，提高空氣集熱器的熱利用效率［13－14］。

文章將折流板、雙層風(fēng)道結(jié)合起來，并將雙風(fēng)道改變?yōu)?風(fēng)道（上、下層各有2個(gè)風(fēng)道），上層流道通入新風(fēng)，下層流道流入回風(fēng)。改變進(jìn)出口的流量，不僅可以實(shí)現(xiàn)不同的出口溫度，還可以做到有效節(jié)約能源。通過計(jì)算建立的數(shù)值傳熱模型的結(jié)果，分析了不同流量的空氣在相同的進(jìn)口溫度條件下對(duì)集熱器集熱效率的影響，比較出最佳工況的選擇。

1 新型折流板式雙風(fēng)道空氣集熱器模型構(gòu)建

1．1 模型尺寸

如圖1所示，新型集熱器共分4個(gè)進(jìn)口與4個(gè)出口，上層進(jìn)、出口的尺寸均為100 mm×20 mm，下層進(jìn)、出口的尺寸均為100 mm×10 mm。上、下層空氣流道高度分別為50、30 mm。上、下層流道左右側(cè)折流板各為12、2個(gè)，設(shè)置不同形式的流道出于以下2點(diǎn)考慮：（1）可以最大程度節(jié)省折流板的板材；（2）下層流道的回風(fēng)折回吸熱板的高溫區(qū)與低溫區(qū)，可以最大程度利用吸熱板上的熱量，有利于提高集熱器的熱利用率。集熱器部件尺寸及參數(shù)見表1。

圖1 新型太陽能空氣集熱器模型圖

表1 集熱器部件尺寸與材質(zhì)表／mm

1．2 模型假設(shè)與控制方程

1．2．1 模型的假設(shè)

（1）PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱很小，可忽略不計(jì)；

（2）保溫層的保溫效果很好，底部與四周均無散熱；

（3）折流板導(dǎo)熱性能良好；

（4）忽略集熱器側(cè)面與背部的散熱損失；

（5）忽略PC蓋板與天空之間的輻射換熱；

（6）風(fēng)道中空氣的流動(dòng)視為常物性流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

PC蓋板的發(fā)射率很低，因此在模擬中忽略PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱，只考慮PC蓋板與外界空氣間的對(duì)流換熱，而忽略其與天空及周圍環(huán)境間的輻射換熱。當(dāng)空氣集熱器的上層蓋板發(fā)射率較大，或空氣集熱器用于天空及周圍環(huán)境的等效輻射溫度與蓋板之間溫差較大的地點(diǎn)時(shí)，必須對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

1．2．2 控制方程與網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行模擬計(jì)算的過程中，模型的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程［15］，通用形式由式（1）表示為

式中：ρ為密度，kg／m3；u、v分別為 x、y方向的速度，m／s；當(dāng) φ為速度 u、v（m／s）時(shí)，式（1）表示動(dòng)量方程；當(dāng)φ為溫度T（K）時(shí)，式（1）表示能量方程；Iφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)。

在模擬計(jì)算的過程中，空氣在風(fēng)道中的流動(dòng)為紊流，所以控制方程還包括K方程和ε方程［15］，其中 K、ε方程分別由式（2）、（3）表示為

式中：K為紊動(dòng)能，J；t為時(shí)間，s；ui、uj為速度，m／s；系數(shù)，kg／（m·s）；ε為紊動(dòng)能耗散率，%。αSμeff＝Cε2＝1．91～1．92。

計(jì)算模型采用Realizable K－ε模型，相較于標(biāo)準(zhǔn)的K－ε模型，其為湍流黏性增加了1個(gè)公式，為耗散率增加了新的傳輸方程，而且對(duì)于平板的發(fā)散比率有更精確的預(yù)測(cè)［16］。

Realizable K－ε模型方程由式（4）、（5）表示為

式中：μ為分子黏性系數(shù)，Pa·s；σK、σε分別為湍動(dòng)能K和耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)；PK為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；Pb為由浮力影響所產(chǎn)生的湍動(dòng)能，J；YM為可壓縮湍動(dòng)脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；Sk、Sε分別為源項(xiàng)。

輻射傳熱DO模型方程由式（6）［17］表示為

式中：λ為輻射波長(zhǎng)，μm；αλ為光譜吸收系數(shù)；Ibλ為黑體輻射強(qiáng)度，W／（m2·μm）。

依據(jù)以上所描述的數(shù)學(xué)傳熱模型，運(yùn)用GAMBIT軟件建模并且對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用分塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對(duì)吸熱板附近壁面以及進(jìn)、出口端進(jìn)行加密，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性無關(guān)驗(yàn)證，模型計(jì)算網(wǎng)格選取60萬。

1．2．3 物性參數(shù)以及邊界條件設(shè)定

太陽能空氣集熱器風(fēng)道內(nèi)部空氣流動(dòng)速度較低，所以按不可壓縮流體處理，其物性參數(shù)采用Boussinesq假設(shè)，空氣密度為 1．225 kg／m3。

氣象參數(shù)模擬條件采用標(biāo)準(zhǔn)氣象年TMY數(shù)據(jù)，時(shí)間設(shè)定為2018年1月20日12∶00，地點(diǎn)為北緯36°4′，東經(jīng)117°，時(shí)區(qū)為東八區(qū)。上、下層流道內(nèi)的空氣總體沿z軸負(fù)方向流動(dòng)；空氣進(jìn)口溫度按照地域條件不同而設(shè)定為相同初始溫度。利用Fluent軟件所提供的太陽計(jì)算器計(jì)算得到太陽輻射方向向量分量x、y、z分別為－0．8309881、0．54829、0．09400442。邊界

條件設(shè)定見表2。

表2 邊界條件設(shè)定表

1．2．4 求解方法

模擬計(jì)算過程采用三維雙精度壓力基進(jìn)行求解。由于考慮到模型中的湍流黏度以及湍流耗散等因素，所以選用Relizable的K－ε模型。為了保證數(shù)值模擬結(jié)果精確，輻射模型選擇DO模型。差分格式采用二階精度差分格式，殘差參數(shù)采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行計(jì)算。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

以上、下層流道風(fēng)速與進(jìn)口風(fēng)速相同，上層空氣設(shè)置為新風(fēng)，進(jìn)口溫度為273 K；下層空氣設(shè)置為回風(fēng)，進(jìn)口溫度為291 K作為入口邊界條件。按照進(jìn)口流量的不同，共分為4種不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

2．1 進(jìn)口風(fēng)速（0．5 m／s）

以上、下層進(jìn)口風(fēng)速為0．5 m／s，上層流量均為3．43 m3／h，下層進(jìn)口流量均為 1．83 m3／h作為速度進(jìn)口邊界條件，設(shè)定此工況為工況1。模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，由于折流板的折流以及傳熱作用，上、下層空氣與吸熱板以及折流板的換熱充分，溫度死區(qū)出現(xiàn)的區(qū)域較小。由圖2（c）可知，由于離心力的作用，空氣流徑會(huì)偏離折流板前端。空氣在吸熱板上流動(dòng)，帶走的熱量逐漸減少，造成單位體積的空氣溫升逐漸下降；上層流道中的空氣為新風(fēng)，在吸熱板上流動(dòng)時(shí)，由于吸收吸熱板熱量導(dǎo)致吸熱板溫度降低，所以下層流道中通過回風(fēng)可以更好地彌補(bǔ)出口溫度，保證上、下層流道中空氣的出口溫度相差不大，從而達(dá)到節(jié)能的目的。經(jīng)過計(jì)算得到上層空氣左、右出口溫度分別為 341．71、350．74 K，下層空氣左、右出口溫度分別為 365．65、372．18 K。

2．2 進(jìn)口風(fēng)速（1 m／s）

將上、下層進(jìn)口風(fēng)速調(diào)整到1 m／s，上層流道流量均為6．87 m3／h，下層流道流量均為3．66m3／h作為進(jìn)口邊界條件，設(shè)定此工況為工況2。模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 工況1流道溫度、速度分布圖

圖3 工況2流道溫度分布圖

由圖3可知，由于流道內(nèi)空氣流量的增加，空氣與集熱器的吸熱板換熱較工況1更加充分，空氣流道的溫度死區(qū)較工況1有所減少；而且由于流量的增加，出口溫度較工況1有所降低。經(jīng)過模擬計(jì)算得到上層空氣左、右出口溫度分別為 320．04、325．49 K；下層空氣左、右出口溫度分別為326．25、331．24 K。

2．3 進(jìn)口風(fēng)速（1．5和2 m／s）

將上、下層的進(jìn)口風(fēng)速逐漸調(diào)整，均為1．5 m／s，上層流道流量均為10．3 m3／h，下層流道流量均為5．49 m3／h，工況3的模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，進(jìn)口流量的增大，上、下層流道內(nèi)的空氣與吸熱板換熱較上述2種工況更為充分；上、下層流道出口的空氣溫度有所降低，這是由于上層新風(fēng)量有所增加，上層新風(fēng)在吸熱板上帶走的熱量增加，下層流道內(nèi)的空氣吸收的熱量減小。經(jīng)過計(jì)算之后的上層空氣左、右出口溫度分別為312．06、314．75 K；下層空氣左、右出口溫度分別為311．92、315．44 K。

調(diào)整工況4上、下層進(jìn)口速率均為2 m／s，上層流 道 流 量 為 13．73 m3／h，下 層 流 道 流 量 為7．32 m3／h。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況4流道溫度、速度分布圖

由圖5（c）、（d）可知，進(jìn)口流量的增大，空氣流層的旋渦段有所減少。經(jīng)過模擬計(jì)算，得到上層左、右出口溫度分別為 307．44、309．3 K；下層左、右出口溫度分別為304．47、307．23 K。由于上層新風(fēng)量的持續(xù)增加，導(dǎo)致上層空氣在吸熱板上帶走的熱量逐漸上升，下層空氣帶走的熱量減小，上、下層的溫差逐漸增大。

2．4 集熱器瞬時(shí)集熱效率

空氣集熱器的瞬時(shí)集熱效率可由式（7）［18］表示為

式中：QU為空氣所獲得的能量，W；A為集熱器采光面積，m2；I為單位面積集熱器上吸收的輻射量，W／m2；m為空氣的質(zhì)量流量，kg／s；cf為空氣定壓比熱容，J／kg·K；ti為空氣的進(jìn)口溫度，K；te為空氣的出口溫度，K。

將計(jì)算得到的集熱器效率數(shù)據(jù)匯總，見表3。由表3可知，新型折流板集熱器的瞬時(shí)集熱效率接近60%，這是由于上、下層折流板的作用，空氣在流道內(nèi)作蛇形流動(dòng)，空氣與吸熱板換熱充分，從而大大降低了流道內(nèi)的溫度死區(qū)，并且達(dá)到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

由表3可知，隨著流道內(nèi)的流量增加，集熱器的瞬時(shí)集熱效率逐漸上升，上升的幅度緩慢下降，出口溫度有所降低。當(dāng)流量繼續(xù)增大到一定階段后，流量對(duì)集熱器的瞬時(shí)集熱效率影響降低。

集熱器上、下層流道中出現(xiàn)氣流渦旋，造成空氣齡偏大?？梢酝ㄟ^增加折流板長(zhǎng)度或者設(shè)置穿孔型折流板來改進(jìn)。

針對(duì)北方農(nóng)村的供暖需求，采用空氣集熱器送風(fēng)模式進(jìn)行供暖?？紤]到室內(nèi)送風(fēng)流量以及室內(nèi)送風(fēng)溫度不應(yīng)低于313 K，對(duì)于此集熱器應(yīng)采用工況2較為合理。

3 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）隨著進(jìn)口流量的增大，集熱器的出口溫度逐漸下降，當(dāng)上、下層流道進(jìn)口流量從 3．43、1．83 m3／h變化到 13．73、7．32 m3／h，集熱器的出口溫度從 341．71、350．74、365．65、372．18 K變化到307．44、309．3、304．47、307．23 K。

（2）當(dāng)上、下層流道流量增大時(shí)，集熱器的瞬時(shí)集熱效率逐漸上升，上升的幅度逐漸降低，工況1集熱效率最低，為39．14%，工況4集熱效率最高，為59．73%。

（3）新型折流板集熱器比傳統(tǒng)的平板集熱器的集熱效率高近20%，空氣與吸熱板換熱充分，減少能源的浪費(fèi)，可以通過增加折流板長(zhǎng)度或者穿孔型折流板來改善空氣流道層。