真空管空氣集熱器陣列風量分布的數(shù)值模擬

1 概述

許多學者對熱水集熱器(文中的集熱器均指太陽能集熱器)流量分布和熱特性進行了研究，Jones等人

研究了熱水集熱器內(nèi)等溫流動分布，建立了系統(tǒng)離散水動力模型，對不同參數(shù)下熱水集熱器的流量分布進行了數(shù)值計算，并對模型準確性進行了實驗驗證。Shen

研究了熱水集熱器分流集管、匯流集管中沿程阻力對流動分布的影響，得到了解析解。別玉等人

建立了太陽能熱水系統(tǒng)能量守恒模型，提出使熱水集熱器內(nèi)部流量分布更加均勻的改進措施和算法，并對計算結(jié)果進行了誤差分析。楊浩等人

分析了熱水集熱器集管流量不均勻問題，建立了描述系統(tǒng)流量分布、流動壓力分布的數(shù)學模型，通過數(shù)值模擬得到了太陽能熱水系統(tǒng)流量分布的變化規(guī)律。

在真空管空氣集熱器的研究中，于瑞

對相變蓄熱型真空管空氣集熱器的風機、風管進行常溫狀態(tài)下阻力計算，未考慮溫度影響。石月明

設(shè)計了內(nèi)插式真空管空氣集熱器實驗平臺，對集熱器的流動阻力損失、步進式升溫規(guī)律、集熱效率等進行了測量，確定了最佳內(nèi)插管尺寸。Zhang等人

對帶和不帶熱罩的同軸直流式真空管空氣集熱器的抽熱性能進行了實驗評價和對比分析。王志峰等人

對真空管空氣集熱器的熱延遲常數(shù)、時間常數(shù)等進行了分析，提出了一種適用于有固定支架的集熱器熱性能的實驗測試方法。

由以上分析可知，與熱水集熱器相比，對真空管空氣集熱器的阻力特性研究比較欠缺。當真空管空氣集熱系統(tǒng)在流量分配差異較大時，除了易導致集熱器阻力不平衡，使系統(tǒng)阻力設(shè)計和選型復雜外，還易導致系統(tǒng)某一支路風量比較小，造成局部高溫，甚至損壞設(shè)備。本文以真空管空氣集熱器陣列為研究對象，采用控制變量法，數(shù)值模擬研究進風量、干管內(nèi)直徑、各列集熱器串聯(lián)數(shù)量、太陽輻照度、進風溫度對各列集熱器風量分布的影響。

水利工程概（估）算編制規(guī)定涉及的專業(yè)及內(nèi)容較多，不可能考慮到概（估）算編制過程遇到的所有情況，提出上述問題及思考，目的是希望盡快發(fā)布新的“編規(guī)”，新“編規(guī)”應盡量地覆蓋到各類水利工程，盡可能全面、完善、準確、清楚，最大限度地滿足概（估）算和工程量清單計價的需要，達到指導項目決策和投資控制的作用。

（3）漳河水利經(jīng)濟管理創(chuàng)新情況。一是實行崗位競爭，完善用人機制。各企業(yè)在人事管理中，對重要崗位和關(guān)鍵崗位實行崗位競爭，激發(fā)了廣大職工堅持加強自身學習，不斷提高自身技能和水平，從而成為實現(xiàn)自我價值的內(nèi)在動力。二是實行分配改革，完善激勵機制。各生產(chǎn)經(jīng)營單位實行效益工資，職工收入分配總額與生產(chǎn)經(jīng)營單位主營業(yè)務(wù)收入、利潤、資本保值增值率、資產(chǎn)負債率、收入變現(xiàn)率、上交款項等經(jīng)濟指標掛鉤，根據(jù)經(jīng)濟指標完成情況確定，收入分配總額隨各項指標增減率浮動。

2 數(shù)學模型與研究對象

① 數(shù)學模型

② 研究對象

為獲得較高的出口溫度，并保證集熱器集熱效率以及各路徑風量較為均衡，真空管空氣集熱器采用串并聯(lián)方式(即將若干集熱器串聯(lián)后，再與下一列串聯(lián)集熱器并聯(lián))。以3×3為例的集熱器陣列見圖2。圖中紅色線條代表干管。

邊界條件：初始時刻，分流集管進口處靜壓為設(shè)定初始壓力(本文根據(jù)集熱器進風量、進風溫度確定初始壓力)，分流集管進口處流速為設(shè)定初始流速。初始時刻，分流集管末端不存在流體渦流，流體流速為0。初始時刻，匯流集管的流體流速為0。摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)由文獻[14]的計算方法獲得。由能量方程、連續(xù)性方程、邊界條件構(gòu)成真空管空氣集熱器離散化數(shù)學模型，通過Matlab編制程序建立和計算。

根據(jù)文獻[12]、[13]的研究結(jié)果，熱水集熱器可視為多支管并聯(lián)管組，根據(jù)類比，真空管空氣集熱器可視為由分流集管、匯流集管、多根集熱管組成的并聯(lián)管組。

真空管空氣集熱器模型見圖1。集熱器內(nèi)的空氣流動主要包含5部分：空氣在兩相鄰集熱管間的分流集管管段處流動、空氣在集熱管與分流集管交匯處流動、空氣在集熱管中流動、空氣在集熱管與匯流集管交匯處流動、空氣在兩相鄰集熱管間的匯流集管管段處流動。將圖1中的微元體作為研究對象的能量方程、連續(xù)性方程見文獻[13]。

單個集熱器的面積為4.86 m

，與水平面夾角為35°。分流集管、匯流集管內(nèi)直徑均為110 mm，二者中心線間距為1.88 m。集熱管總長1.8 m，集熱管數(shù)30根，外直徑為58 mm，內(nèi)直徑為47 mm。集熱器陣列為10列。研究進風量、干管內(nèi)直徑、集熱器串聯(lián)數(shù)量、太陽輻照度、進風溫度(即環(huán)境溫度)對各列集熱器風量分布的影響。影響因素與取值見表1。

（2）奉新縣城處于生態(tài)特色發(fā)展區(qū)和環(huán)城游憩帶，當?shù)貧v史文化資源豐富，附近有重點建設(shè)的九嶺山國家公園，橫向包括滬昆和昌景黃客運專線，交通便利，吸引游客，適合發(fā)展全域生態(tài)旅游。

3 模擬結(jié)果及分析

① 進風量

ABB矢志與全中國的客戶一起共創(chuàng)數(shù)字化未來，扎根中國，在中國的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展中扮演了重要角色，同時一直致力于科技創(chuàng)新領(lǐng)域的推廣和投資。ABB集團首席執(zhí)行官史畢福表示，“今天，我們運用領(lǐng)先的ABB Ability?數(shù)字化解決方案和服務(wù)，幫助能源、工業(yè)、交通與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的客戶充分發(fā)掘大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢來提升生產(chǎn)力，增強創(chuàng)新力，提升核心競爭力。自去年在中國發(fā)布ABB Ability?以來，我們的數(shù)字化業(yè)務(wù)已實現(xiàn)雙位增長，完美契合中國十三五計劃和中國制造2025中謀劃的重點產(chǎn)業(yè)?！?/p>

干管內(nèi)直徑為200 mm，各列集熱器串聯(lián)數(shù)量為3臺，太陽輻照度為800 W/m

，進風溫度為10 ℃。不同進風量下各列風量比例(與進風量之比)見圖3。由圖3可知，不同進風量下，1～10列風量比例均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。進風量對各列風量分布的影響不明顯。

② 干管內(nèi)直徑

選用New Focus公司的可調(diào)諧激光器作為激光光源,該激光器具有優(yōu)越的光學特性,1 520 nm～1 570 nm 連續(xù)可調(diào),可以滿足對平面環(huán)形微腔傳輸特性的測試。如圖8所示,將激光器與可調(diào)諧激光控制器配合使用,作為系統(tǒng)輸入光源,設(shè)定掃描范圍為1 520 nm～1 570 nm,為提高測試精度,將掃描步長設(shè)置為0.1 nm/s。

干管內(nèi)直徑為200 mm，進風量為0.4 kg/s，各列集熱器串聯(lián)數(shù)量為3臺，進風溫度為10 ℃。不同太陽輻照度下各列風量見圖6。由圖6可知，不同太陽輻照度下，1～10列風量均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。太陽輻照度對各列風量分布的影響不明顯。

該方案也是目前的主流控制方式，具體的實際案例非常多，如海口Ⅰ（2×600 t/d）、株洲（2×500t/d）、哈爾濱（2×600t/d）、?？冖?（2×600t/d）、珠海 （2×600 t/d）、蕪湖 （2×600 t/d）、石家莊（1×825 t/d）、寧波（3×750 t/d） 等項目。以上項目均已長期投入運行。

④ 太陽輻照度

干管內(nèi)直徑為200 mm，進風量為0.4 kg/s，太陽輻照度為800 W/m

，進風溫度為10 ℃。不同各列集熱器串聯(lián)數(shù)量下各列風量見圖5。由圖5可知，不同各列集熱器串聯(lián)數(shù)量下，1～10列風量均先減小后增大，趨勢隨各列集熱器串聯(lián)數(shù)量的增大而減弱。各列集熱器串聯(lián)數(shù)量越少，各列集熱器之間的風量不平衡情況越明顯。

③ 各列集熱器串聯(lián)數(shù)量

進風量為0.4 kg/s，各列集熱器串聯(lián)數(shù)量為3臺，太陽輻照度為800 W/m

，進風溫度為10 ℃。不同干管內(nèi)直徑下各列風量見圖4。由圖4可知，不同干管內(nèi)直徑下，1～10列風量均先減小后增大，趨勢隨干管內(nèi)直徑的增大而減弱。干管內(nèi)直徑越小，各列集熱器之間的風量不平衡情況越明顯。

⑤ 進風溫度

干管內(nèi)直徑為200 mm，進風量為0.4 kg/s，各列集熱器串聯(lián)數(shù)量為3臺，太陽輻照度為800 W/m

。不同進風溫度下各列風量見圖7。由圖7可知，不同進風溫度下，1～10列風量均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。進風溫度對各列風量分布的影響不明顯。

1.1 一般資料 選取2017年3月～5月在廣東三九腦科醫(yī)院住院的腦癱兒童家長42名。診斷標準：住院兒童必須符合中國腦性癱瘓康復指南腦癱診斷標準[3]；納入標準：符合診斷標準的腦癱兒童家長；且未曾接受過相關(guān)心理干預和輔導。排除標準：因視力、手部殘疾等因素限制不能完成問卷填寫的家長。

4 結(jié)論

① 不同進風量下，各列風量比例均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。

② 不同干管內(nèi)直徑下，各列風量均先減小后增大，趨勢隨干管內(nèi)直徑的增大而減弱。干管內(nèi)直徑越小，各列集熱器之間的風量不平衡情況越明顯。

③ 不同各列集熱器串聯(lián)數(shù)量下，各列風量均先減小后增大，趨勢隨各列集熱器串聯(lián)數(shù)量的增大而減弱。各列集熱器串聯(lián)數(shù)量越少，各列集熱器之間的風量不平衡情況越明顯。

④ 不同太陽輻照度下，各列風量均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。

⑤ 不同進風溫度下，各列風量均先減小后增大，不僅變化趨勢相似，而且數(shù)值也接近。

⑥ 進風量、太陽輻照度、進風溫度對各列風量分布的影響不明顯。

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