太阳能空气集热器强化传热技术的发展现状.pdf

太阳能空气集热器强化传热技术的发展现状颜一鸣1,赵一鸣1,2*(1.山东建筑大学热能工程学院,山东 济南 250101;2.广东海悟科技有限公司,广东 东莞 523000)摘要:综述了太阳能空气集热器强化传热的研究现状。首先介绍了 3 种太阳能空气集热器的基本流道结构及其优缺点。之后基于 3 种基本的流道结构,介绍了 4 种太阳能空气集热器的主要强化传热类型(折流板型、扰流器型、波纹板型与多孔填充床型),并详细介绍了这 4 种强化传热类型的发展脉络。最后指出了太阳能空气集热器内强化传热研究的发展趋势。关键词:太阳能空气集热器;强化传热;集热效率DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.010D e v e l o p m e n t s t a t u s o f e n h a n c e d h e a t t r a n s f e r t e c h n o l o g y f o r s o l a r a i r h e a t e r sYAN Yiming1,ZHAO Yiming1,2*(1.School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Guangdong Haiwu Technology Co.Ltd.,Dongguan 523000,China)A b s t r a c t:The current researches of the enhanced heat transfer technology in solar air heaters are summarized.Firstly,the basic flow channel structures of three types in solar air heaters and their advantages are introduced.Subsequently,based on three basic flow channel structures,the four types of the enhanced heat transfer structures for SAHs(baffle type,spoiler type,corrugated plate type,and porous packed bed type)are introduced and detailed.Finally,the development trend of the four types of the enhanced heat transfer structures for SAHs is summarized and pointed out.K e y w o r d s:solar air heaters;heat transfer enhancement;collection efficiency0 引言由于太阳能具有储量大、分布广、清洁无污染的优点,太阳能热利用技术成为国内外能源领域长期研究的热点 1。由于太阳能空气集热器(solar air heater,SAH)具有结构简单、成本低廉、维护方便的优点 2,因而被越来越多地应用到农产品加热与干燥 3、建筑采暖 4和海水淡化 5等产业中。早在 1877 年就已经发明出了 SAH,其工作原理为:冷空气通过风机或者自然对流,经入口进入 SAH 内部,在其流道内流动的同时与吸收太阳辐射的集热板之间进行对流换热,最后通过出口将被加热的空气排出 6。其基本结构是:顶部设置一层或者多层透明盖46区域供热 2023.4 期1保温层;2透明盖板;3集热板;4空气夹层。图1 S A H流道类型板,在透明盖板下设置涂有吸收太阳辐射材料的金属集热板,四周与底部为框架与保温材料。与太阳能热水器相比,由于 SAH 的工作介质由水(防冻液)变为空气,使得流体的导热能力急剧减小,故而集热板温度较高,热损较大 7。如何提高空气与集热板对流换热的能力成为 SAH 改进的重点。国内外的诸多学者已对 SAH 的强化传热结构进行了许多研究,其中包括对集热板形状(如波纹、V 型集热板)的改进,对集热板面积(如双风道结构)、集热板类型(如多孔介质、金属网等)的改进,以及增设提高空气湍流程度的障碍物(如折流板、圆柱阵列)等。虽然这方面的研究较多,但对相关研究总结却很少。本文首先对 SAH 强化传热结构进行了分类,之后分别介绍了 SAH 强化传热的原理及效果,最后指出了 SAH 的发展方向。1 流道结构的优化在所有的强化传热结构中,流道结构的改进是最直接的方式。在 SAH 中根据集热板摆放位置的变化,形成了 3 种不同的流道形式 8。其中,如图 1(a)所示,型(上风道)是将集热板紧靠在底板上侧,空气流道由顶部的透明盖板与底部的集热板组成。这种结构是目前结构最简单,使用最广泛的形式。其缺点主要在于工作介质(空气)与透明盖板的对流换热系数较大,根据文献 9 的分析,型 SAH 的顶部热量损失占总热量损失的60%以上。为了强化 SAH 的换热能力,降低热量损失,一些学者提出了型(下风道)与型(双风道)SAH。型(下风道)SAH 是将集热板位置升高,使其处于底板与顶部透明盖板之间。SAH 内的空气在集热板的下部流动,同时在集热板与透明盖板之间形成密闭的空气夹层 10,这样可以利用空气夹层减小空气与透明盖板的对流换热系数。型(双风道)将集热板放置在透明盖板与底板中间,在集热板与透明盖板、底板间分别形成 2 个空气流道,通过增加空气与集热板的接触面积来提高集热效率 11。早期对 SAH 流道的研究主要集中在理论分析方面。夏国泉等人 12基于一维热传递假设,建立了型 SAH 的数学模型。研究结果表明,全天集热效率随着工质流速的增加而提高,并随着进口温度的升高而急剧下降。Paker 等人 13研究了型、型和型集热器的集热效率与各种参数的变化关系。OGN等人 14在 Paker 的基础上,考虑到温度对热物性的影响,对型、型和型 SAH 的数学模型进行了修正。林金清等人 15,16分别建立了型和型板式 SAH 的传热模型,并得到了稳态条件下集热效率与空气流量、进口温度和太阳辐射强度之间的关系。在实验方面,班婷等人 17对型 SAH 内的流道结构进行了分析,发现当上下流道空间比为 2 时集热效率最高。Hernndez 等人 18对型和型 SAH 进行了理论计算,结果显示,型 SAH 比型 SAH 极限效率提高6%,但热损系数增加了 0.52 Wm-2K-1。虽然改进后的型和型 SAH 有效地提高了集热效率,但仍受到较低程度的空气湍流56区域供热 2023.4 期限制,阻碍了集热效率的进一步提升。因此,为了增强传热效果,研究人员结合图 1 中的 3种流道结构和其他强化传热方法,提出了许多强化结构的 SAH。2 折流板型S A H顾名思义,折流板是用来改变流体流向的板,其最初是应用于管壳式换热器的设计中 19。通过设置折流板增强换热器内部换热介质的流动速度,从而提升换热器的传热效率。随着强化传热技术在 SAH 中得以应用,折流板强化传热技术也逐渐应用于 SAH 中。图2 型折流板S A H2 0图3 型折流板S A H 2 1目前,最常见的折流板 SAH 主要分为两类。第一类由 Ho-Ming 在 1991 年提出,其先利用翅片将 SAH 流道分为多个平行的流道,之后再通过折流板将流道内空气的流动形式变为蛇形,这样空气可在集热器内沿多条平行的蛇形流道流动 20(如图 2 所示)。第二类由 Romdhane 在 2007 年提出,如图 3 所示,与第一类不同的是,其内部不存在平行的流道,空气在流动过程中会沿着唯一蛇形流道掠过整个 SAH 的外表面 21。对 于型 折 流 板 SAH 的 研 究,Mohammadi 等人 22指出,随着折流板与翅片的间距减小,集热效率逐渐增加。Aissaoui 等人 23通过数值模拟发现,当折流板数量超过7 个时,进一步增加折流板对提高集热效率的影响不大。Kabeel 等人 24对型折流板 SAH进行实验测试,发现空气流量为 0.013 kg/s时,最大温升为 51.9,远高于普通 SAH 的22.7,效率提高超过 25%。关于型折流板 SAH 的研究,目前主要集中在最优的折流板数量、透明盖板的结构优化上。Romdhane 21通过实验测试得到,相比于传统的 SAH,型折流板 SAH 可以提高20%的集热效率。夏柏林等 25,胡建军 26与贾斌广 27分别对型折流板 SAH 进行了研究,并指出最优的结构为双层透明盖板,折流板间距为 60100 mm,并采用下风道模式。根据相关文献介绍,折流板的结构能有效提高 SAH 的集热效率。然而,由于空气在扰流板形成的流道中多次 180转弯,会产生大量涡流,导致压力损失增加。因此,研究人员改变 SAH 的结构,以提高涡流区的对流换热能力并降低压力损失。李峰 28在蛇形SAH 的流道转弯处增加了半圆形导风板,以使气流沿固定轨道均匀散开,改善转弯处的空气流动。结果显示,增加导风板后,集热器输出温度提高了 35。同时,在相同风机功率下,蛇形 SAH 的进口速度从 2 m/s 提高到 2.5 m/s。贾斌广等 29,30对型折流板SAH 内的折流板布置进行了优化。通过改进的结构,将空气在型折流板 SAH 内转向时的转弯角度由 180降低为 90,使用计算流体力学模拟和实验分析的方法对改进后的结构进行评估,结果显示,相较于传统的蛇形SAH,改进的结构提高了 2%3%的集热效率,并且降低了 60%70%的压力损失。这项研究为优化 SAH 的设计提供了有力证据,表明改进折流板布置可以显著提升集热效率66区域供热 2023.4 期并降低能量损失。3 扰流器型S A H研究人员还探索了其他方法来增强 SAH内部的对流传热,包括利用不规则形状的结构,如凹坑、肋、槽、小翼、扭曲带和圆柱阵列等,以提高空气流动的湍流程度 31。此种改进结构的研究主要集中在国外,研究的主要方式是以工水力效率为指标,利用数值模拟(CFD)来确定折流板 SAH 的最优结构,如公式(1)所示。TH E P=N u/N u0f/f01/3(1)式中:TH E P热工水力效率;N u0未改进的 SAH 的努赛尔特数;N u改进后的 SAH 的努赛尔特数;f0未改进的 SAH 的摩擦系数;f改进后的 SAH 的摩擦系数。Bhushan 等人 32通过对 SAH 强化传热的研究,提 出 了 一 种 凹 板 SAH。Hwang 等人 33,34实验研究了集热板上的凹凸结构对集热器的影响,得到传热能力由大到小依次为:双面凸胞,双面凹坑-凸胞,单面凸胞,单面凹坑,单面凹坑-凸胞,双面凹坑。Mesut 等人 35对带有锥形结构的 SAH 进行了实验分析,在空气流量为 0.04 kg/s、0.08 kg/s 和 0.10 kg/s的条件下,锥形结构与传统平板结构的 SAH的集热效率分别为 63.2%与 57.2%,71.5%与 61.7%,74.6%与 64.0%。与平板结构相比,带有锥形吸波板的 SAH 的集热效率有了明显的提高。当前关于扰流器型 SAH 的研究还在进行中,研究人员已经进行了大量实验和模拟分析。表 1 总结了相关研究的结果。然而,对于扰流器型 SAH 研究目前仅停留在热力学模型与 CFD 模拟阶段。实际的工业生产中,如何在保留强化传热能力的同时进一步简化集热器内部结构,减少改进结构的生产成本,还有待于进一步研究。4 波纹板型S A H改变 SAH 内部集热板的形状可以增加吸热面积,并增强空气的湍流程度,如图 4 所示。因此,改进集热板的几何形状也是 SAH改进的方向之一 41。李水莲等人 42提出了一种新型的正弦波纹集热板结构,并通过数值模拟研究了不同进出口方式对空气流动和传热性能的影响,结果表明,在流道与波纹平行的情况下,集热板与空气之间的传热充分,从而减少了热损失。程友良等人 43通过 CFD模拟将正弦波纹吸热板与传统平板和三角波纹吸热板进行对比研究,结果表明,正弦波纹板结构具有最大的太阳能利用效率,并且压力损失小于三角波纹吸热板结构;在此基础上,对正弦波纹板的结构进行了优化分析,发现当正弦波振幅为 10 mm 时效率最佳 44。Manjunath 等人 45在前人研究的基础上,分析了波纹的纵横比和波长对 SAH 热工性能的影响,结果显示,在无量纲波长为 1、波纹纵横比为 1.5 时,效 率 提 升 幅 度 最 大,可 达12.5%。尽管波纹板可以有效提高空气的湍流程度,但由于波纹结构增加了玻璃的热损失,因此波纹板结构对集热效率的提高有限,一般能提高 10%左右 44。表1 相关学者对扰流器型S A H的研究作者扰流器形状雷诺数(Re)范围结果Singh 等人 36带间隙的 V 形下肋3 000Re15 000THEP=1.93Kumar 等人 37三角形截面扰流器0Re18 000THEP=1.33Patel 等人 38多个离散 V 型扰流器3 000Re12 000THEP=1.55Zina 等人 39三角肋3 800Re18 000THEP=1.70Koolnapadol 等人 40矩形翼5 290Re2 270THEP=1.9576区域供热 2023.4 期图4 太阳能空气集热器中的波纹板4 45 填充多孔介质S A H多孔介质是一种由固体物质组成骨架并存在大量微小空隙的物质。由于其具有传热面积大与当量导热系数大的特点,被广泛应用于各种强化传热结构中。填充式 SAH 是在 1955 年由 Bliss 提出的概念。随后的研究中,许多学者开始采用多孔介质材料,如泡沫金属(图 5)和金属丝网(图 6)等,来提高空气的对流换热系数 45。图5 泡沫金属4 5图6 金属丝网4 7黄月明等人 46使用了 4 种多孔骨架中的辐射传输模型(忽略多孔骨架内部辐射模型、Rosseland 模型、均匀内热源模型和 Beer 定律模型)来预测 SAH 中多孔骨架的温度、空气温度和吸热器的热效率,结果表明,SAH 的效率取决于多孔骨架的导热系数、孔隙率和孔隙直径等参数;当 SAH 内部的热源均匀分布时,吸热器的效率最高。Rajarajeswari 等人 47利用 CFD 软件模拟了具有多孔丝网的 SAH的热性能,结果表明,多孔丝网可以提高集热效率 20%以上。Dhiman 等人 48设计了一种回流式多孔金属丝网 SAH,并研究了其回流循环比、通道深度比、质量流量对集热效率的影响,结果表明,当质量流量为 0.025 kg/s、循环比为 1 和通道深度比为 3 时,集热效率最高,达到 80.08%。Zheng 等人 49将波纹金属作为填充材料与 SAH 结合,并进行了实验分析,结果表明,随着波纹的增加,集热器的热效率增加;进出口环境温差在 2.9549.87 的范围内,集热效率在 47%66%之间,净效 率 为 0.51%7.31%。AL-NIMR 等人 50通过在集热器吸收板的内侧插入多孔基板来改善常规集热器的热性能,结果表明,多孔基板提高了集热板与流体之间的对流换热系数,使 Nu 数提高了 25 倍,SAH 的效率提高了 3%32%。翟桂珍等人 51在文献 50 的基础上,运用数值分析的方法求解多孔基板结构对 SAH 热性能的影响。得到了在流道高度为 20 mm 的 SAH 中,最佳的多孔基板结构是高度 5 mm、孔隙率 0.95。相关研究指出,填充多孔金属材料可以使 Nu 提高 10 倍以上,极限效率达到 80%52。此外,相比于其他强化传热方式,多孔填充床还具有一定的储能效果,可以降低 SAH 在工作过程中出风温度的波动。6 结语通过对 SAH 强化传热结构的研究,可以发现强化传热结构能够有效提高其集热效率。总体来说,强化传热技术的应用对于推动太阳能利用和减少温室气体排放具有重要86区域供热 2023.4 期意义。通过文献总结得到以下结论:(1)目前,对 SAH 的改进研究大多还处于实验室阶段,尤其在扰流器式 SAH 的改进方面,研究人员主要集中在热力学模型和CFD 模拟方面。实际的应用还需要进一步的实验验证和工程实施。(2)通过对目前常用的强化手段进行总结可以发现,流道结构的改进是强化传热的基础。在 SAH 内设置多孔介质是提高 SAH集热效率最有效的方式。改进后的集热器的集热效率往往能够达到 80%以上。(3)目前在 SAH 内所采用的强化传热技术(折流板、扰流器、波纹板、填充床)必然会增加空气在流动过程中的压力损失,进而增加运行过程中的风机能耗。因此,在研究强化传热的同时,减少强化传热结构造成的压力损失并有效平衡强化传热量与风机能耗量的关系,逐渐成为 SAH 强化传热技术的研究重点。(4)随着 SAH 强化传热技术的不断发展,单一改变 SAH 的某一种结构已无法满足对太阳能高效利用的需求。因此,研究人员开始将多种改进形式进行组合,以实现其传热效率的进一步提升。参考文献 1SAXEMA A,TIRTH V,AGARWAL N.A Review of recent patents on solar air heaters J.Recent Patents on Engineering,2015,9(1):2-20.2张大鹏,王春敏,贾斌广.太阳墙扰流板的结构优化 J.煤气与热力,2018,38(12):29-35.3贾斌广,陈茹,王达.太阳能空气干燥装置的发展现状 J.中国果菜,2019,39(10):12-20.4张大鹏,刘芳,贾斌广.扰流板式太阳墙内部流动传热分析 J.可再生能源,2018,36(10):1455-1461.5周雷文.温室型太阳能海水淡化装置产水量影响因素及其应用研究 D.舟山:浙江海洋学院,2014.6贾斌广,李晓,张大鹏,等.太阳墙新风装置的性能模拟 J.煤气与热力,2018,38(11):25-30.7MOON M A,PARK M J,KIM K Y.Evaluation of heat transfer performances of various rib shapes J.International Journal of Heat&Mass Transfer,2014,71(1):275-284.8夏国泉,魏琪.型太阳能空气集热器传热性能分析 J.江苏大学学报(自然科学版),2003(4):41-44.9AMMARI H D.A mathematical model of thermal performance of a solar air heater with slats J.Renewable Energy,2003,28(10):1597-1615.10林金清,苏亚欣.太阳能空气集热器型的数学模型和数值计算 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