平板集热器冬季高流速运行数值模拟研究.pdf

云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,4 4(1):9-1 2 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 4-0 0 3平板集热器冬季高流速运行数值模拟研究*方浩1,李葱2,杜涛3,马进伟*1(1.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥,2 3 0 6 0 1;2.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥2 3 0 0 5 1;3.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥2 3 0 0 0 9)摘要:针对平板集热器(F P S C)冬季热水收集温度不足等问题提出高流速运行方案,以期提高系统的集热性能以及全年利用率.通过C F D技术数值模拟F P S C系统在不同流速工况下(0.0 20.1 5k g/s)各组件温度的变化情况,计算系统的集热效率,结合温度云图对比高流速运行的优势.结果显示,高流速运行能够减少集热损失,具有更佳的集热性能.关键词:平板集热器;循环流速;数值模拟;效率;性能中图分类号:T K 5 1 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 4)0 1-0 0 0 9-0 4 平板集热器(f l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r,F P-S C)能够将太阳能转换为热能,减少其他形式能源的消耗1,在“双碳”目标实现的进程中起到积极的促进作用;同时,集热器平板式的构造具有美观轻巧、空间占地小且易与建筑相结合等特点,在日常生活中得到广泛的应用2;因此学者们对F P S C系统展开大量的研究工作3-6.目前,实际应用中的F P S C模块多为稳定性高的管板式结构7,但系统在冬季运行时常出现集热能力不足,达不到预期水温的现象,从而降低了系统的全年实用性.因此,对F P S C运行 工况进行优化,提高系统整体的集热性能是一项值得开展的研究工作.本文从循环流速的角度出发,数值模拟了系统冬季高流速运行策略的可行性,为F P S C系统全年的更高效运行提供思路.1 F P S C系统与模型1.1 系统结构F P S C系统结构示意如图1所示,主要包含支架台、水箱、测量装置和集热器本体等设备;其中,F P S C内部主要由铜管和吸热板等换热部件构成,表面的玻璃盖板与吸热板间留有空气保温夹层,7根长1.9m的竖排铜管通过焊接技术与吸热板粘接,竖排管的两端与集管汇合.图1 F P S C系统结构示意F i g.1 S c h e m a t i cs t r u c t u r eo fF P S Cs y s t e m1.2 模型构建结合F P S C实物,通过AN S Y S操作界面中的S C DM工具建立同尺寸的集热器空间模型,随后利用A n s y sM e s h i n g工具对模型进行网格划分,对局部区域的网格进行形状、加密处理以提升*收稿日期:2 0 2 3-1 0-2 4基金项目:安徽省教育厅高校科学研究基金资助项目(Y J S 2 0 2 1 0 5 0 3).作者简介:方浩(1 9 9 4-),男,安徽池州人,博士研究生,主要从事能源岩土与低碳节能方面研究.通信作者:马进伟.E-m a i l:m a j wm a i l.u s t c.e d u.c n.模拟质量.考虑到网格数对模拟质量的影响,将网格数独立性无关验证设定在同等工况条件下展开.通过多次模拟,当网格数量从1.31 06个增加至1.71 06个,集热效率仅变化0.0 5%,由此综合考虑计算耗时、精度以及规模等因素后,网格数量取为1.5 51 06个.2 模拟求解2.1 控制方程C F D技术基于流体控制方程,利用离散化和数值求解的方法,对流体的流动、传热等过程进行数值模拟.F P S C内部水流动过程的控制方程包括连续性方程、动量方程以及能量方程8.其中,连续性方程能描述工质在时间和空间上的变化;动量方程可表示流体的速度和压力等对流动的影响;能量方程则计算流体的热量传递以及温度变化的过程.2.2 设定边界F P S C模型边界条件的设置中,玻璃盖板与环境间同时存在辐射和对流两种热传导方式,因此将玻璃盖板设置为M i x e d混合边界,同时集热器入口选为质量流速入口,出口则为压力出口边界,吸热板设为耦合边界,集热器四周设定为对流换热壁面,循环工质的选定以及各项材料的密度和导热系数等数值均在F L U E NT求解器对应的界面中进行选择.2.3 离散方程集热器模型选取压力基(双精度)进行计算,同时利用S I MP L I C算法处理速度与压力基的耦合,动量及能量离散方程调用二阶迎风差分格式以提高计算精度,压力离散方程采用B o d yF o r c eW e i g h t e d作为计算方案.2.4 辐射模型F L U E NT可以采用不同的辐射模型,能够使系统在数值模拟过程中的处理速度、计算精度和系统稳定等方面达到最佳匹配,实现更高效地解决不同流动场域内的辐射计算问题.考虑到玻璃盖板的存在,本次模拟采用D O模型与S o l a rR a yT r a c i n g相结合的方式迭代计算辐射传热过程.2.5 紊流模型F P S C换热管道内的水流为中低雷诺数的紊流,而R e a l i z a b l ek-模型9对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流具有较高的适用性,同时增加紊流黏性公式,考虑耗散效应,因此选择R e a l i z a b l ek-紊流模型.2.6 性能评估考虑到系统集热过程中,循环管道内的水同时被加热,但实验结束时沿程管道的热水未能进入水箱被收集利用,而是散热至环境中.鉴于此部分热水为系统所转换热能的一部分,所以该能量在光热效率的计算中是占有比例的.因此,全天热效率分为系统热效率与水箱(净)热效率两部分1 0.3 模拟结果与分析由于需要模拟系统的冬季运行,因此将环境温度设定为2 8 5.1 5K.分析图2中数据可知,同等环境参数下随着水流速的逐渐增大,吸热板、玻璃盖板及换热管道的平均温度均出现下降,表明有更多的热能被转换吸收,这有利于系统集热性能的提升.不仅如此,当流速从0.0 2k g/s增大至0.0 5k g/s,吸热板、玻璃盖板、换热管道的平均温度变化较为明显,而当流速超过0.0 5k g/s时,F P S C各组件的平均温度受流速因素影响而产生的温度差异逐渐缩小.图2 F P S C不同组件温度数值模拟结果F i g.2 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tc o m p o n e n t s t e m p e r a t u r eo fF P S C不仅如此,提高系统的循环流速,虽然各组件的温度逐渐降低,但降低的幅度明显减小甚至接01云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷 近,表明系统的集热能力已接近饱和,因此流速并不是越大越好,最大流速值选择0.1 5k g/s是较为合理的.图3 不同流速工况F P S C系统水温及效率变化趋势F i g.3 V a r i a t i o no fw a t e r t e m p e r a t u r ea n de f f i c i e n c yo fF P S Cs y s t e mu n d e rd i f f e r e n t f l o wr a t e图3描述了不同流速工况下F P S C系统出口水温以及瞬时集热效率的变化趋势.由图可知,随着流速增大,F P S C系统出口水流平均温度逐渐降低,从最高的2 9 0.7 4K下降至最低的2 8 2.5 4K,进出口水流温差从最初的2 8 2.7 4K减少到仅有的2 7 4.5 4K,可见提高系统的循环流速将会导致水流温升出现下降.另一方面,瞬时集热效率随流速的增大逐渐升高,即与出口水温呈负相关,从6 7.1 3%提升至7 2.8 4%,但提升趋势逐渐减缓.其中,流速从0.0 2k g/s增加至0.0 5k g/s期间集热效率提高明显,但出口水温在此阶段也大幅降低,因此实际设计F P S C系统时需平衡集热效率和水流温升.图4为0.0 5k g/s、0.1 0k g/s和0.1 5k g/s三种流速下换热管道的温度分布云图.不难发现,流速为0.0 5k g/s、0.1 0k g/s和0.1 5k g/s时换热管道对应的最高温度分别为3 1 5K、2 9 7K和2 8 5K,增大循环流速可使工质单位时间内能够吸收更多的热量,从而降低铜管温度,提高集热效率与工作性能.(a)0.0 5k g/s (b)0.1 0k g/s (c)0.1 5k g/s图4 不同流速工况下换热管道温度分布云图F i g.4 T e m p e r a t u r en e p h o g r a mo f c o p p e r t u b eu n d e rd i f f e r e n t f l o wr a t e4 结语通过开展F P S C系统冬季数值模拟研究可得到以下结论:(1)增大循环流速,系统的集热效率逐渐提高,但上升的趋势逐渐减缓,表明集热能力接近饱和,因此流速值的选取需兼顾系统效率与整体性能.(2)相比于低流速工况,F P S C系统的冬季高流速运行具有更高的集热性能,将减少集热损失,提高热水收集温度,能量收益与热能品质更佳.(3)高流速运行方案的提出为改善F P S C系统的全年利用率与实用性提供参考思路,能够更加高效充分的利用太阳能资源,缩短投资回收期并降低化石能源消耗.11 第1期 桂玉环,等:平板集热器冬季高流速运行数值模拟研究参考文献:1 P AN D E YK M,CHAUR A S I YA R.Ar e v i e wo na-n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n to fs o l a rf l a tp l a t ec o l l e c t o rJ.R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l e E n e r g y R e v i e w s,2 0 1 7,6 7(1):6 4 1-6 5 0.2 马进伟,李葱,方浩,等.太阳能集热器空气/水双循环换热特性模拟研究J.安徽建筑大学学报,2 0 2 2,3 0(1):4 0-4 5.3 李国柱,王帅,黄凯良,等.太阳能集热器种类与集热性能提 升 技 术 研 究 进 展 J.科 技 导 报,2 0 2 2,4 0(2 4):5 0-6 3.4 AHME DSF,KHA L I D M,VAKA M,e ta l.R e c e n tp r o g r e s s i ns o l a rw a t e rh e a t e r sa n ds o l a rc o l l e c t o r s:ac o m p r e h e n s i v er e v i e wJ.T h e r m a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gP r o g r e s s,2 0 2 1,1 0(8):1 0 0 9 8 1.5 E VAN G E L I S T IL,R O B E R T ODLV,A S D R U B A-L IF.L a t e s ta d v a n c e so ns o l a rt h e r m a lc o l l e c t o r s:ac o m p r e h e n s i v er e v i e wJ.R e n e w a b l ea n dS u s t a i n-a b l eE n e r g yR e v i e w s,2 0 1 9,1 1 4(1 0):1 0 9 3 1 8.6 李啸宇,唐润生.太阳能热水器安装倾角的优化J.云南师范大学学报(自然科学版),2 0 1 7,3 7(4):1 0-1 6.7 杨鲁伟,李明,王富强,等.平板太阳能集热器热损系数及稳定性研究J.太阳能学报,2 0 2 2,4 3(2):2 6 8-2 7 5.8 陈怀,高文峰,刘滔,等.四种交叉V型吸热板-底板太阳能空气集热器热性能的数值模拟对比分析J.云南师范大学学报(自然科学版),2 0 1 4,3 4(4):1 2-1 9.9 方浩.太阳能光电-光热系统效率提升与应用优化的模拟及实验研究D.合肥:安徽建筑大学,2 0 2 3.1 0方浩,马进伟,陈茜茜,等.平板太阳能集热器冬季运行策略优选实验与集热性能对比研究J.太阳能学报,2 0 2 3,4 4(1 1):1 7 4-1 8 1.N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fH i g hM a s sF l o wR a t eO p e r a t i o no fF l a tP l a t eS o l a rC o l l e c t o r i nW i n t e rF A N GH a o1,L IC o n g2,D UT a o3,M AJ i n w e i*1(1.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,A n h u i J i a n z h uU n i v e r s i t y,H e f e i 2 3 0 6 0 1,C h i n a;2.A n h u iA r c h i t e c t u r a lD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC o.,L t d.,H e f e i 2 3 0 0 5 1,C h i n a;3.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:A no p e r a t i o ns c h e m ew i t hah i g hm a s s f l o wr a t ew a sp r o p o s e dt oa d d r e s s t h ep r o b l e mo f i n-s u f f i c i e n th o tw a t e r t e m p e r a t u r e i nt h ew i n t e ro f t h ef l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r(F P S C)t oi m p r o v et h eh e a t i n gp e r f o r m a n c e a sw e l l a s t h e a n n u a l u t i l i z a t i o nr a t eo f t h e s y s t e m.U s i n gC F Dt e c h n o l o g y t os i m-u l a t e t h e t e m p e r a t u r ec h a n g e so f e a c hc o m p o n e n to f t h eF P S Cs y s t e mu n d e rd i f f e r e n t f l o wc o n d i t i o n s(0.0 20.1 5k g/s),c a l c u l a t e t h e t h e r m a l e f f i c i e n c yo f t h es y s t e m,a n dc o m p a r e t h ea d v a n t a g e so fh i g hm a s s f l o wr a t eo p e r a t i o nt h r o u g ht h et e m p e r a t u r en e p h o g r a m.T h er e s u l ts h o w st h a tt h eh i g h m a s sf l o wr a t eo p e r a t i o nc a nr e d u c et h eh e a tl o s st h a nt h a to ft h el o w m a s sf l o wr a t ea n da c h i e v eb e t t e rt h e r m a l p e r f o r m a n c e.K e y w o r d s:F l a tp l a t es o l a rc o l l e c t o r;C i r c u l a t i n gf l o wr a t e;N u m e r i c a ls i m u l a t i o n;E f f i c i e n c y;P e r f o r m-a n c e21云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷