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.pdf

云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,4 4(1):1-4 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 1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*陈怀*,高文峰,丁祥,刘佰红,李琼(1.云南师范大学 能源与环境科学学院,云南 昆明6 5 0 5 0 0;2.云南省农村能源工程重点实验室,云南 昆明6 5 0 5 0 0)摘要:应用太阳载荷模型,利用F L U E N T软件对九个交叉V型吸热板-底板太阳能空气集热器进行了数值模拟,得到集热器的热效率、出口温度、热损和吸热板温度,并对其进行了对比分析,发现集热器的热效率随着空气流道高度的增大而减小,热损失、吸热板温度和出口温度随着空气流道高度的增大而增大,最大效率为3 4.6 0%,最高出口温度为3 5 5.1 3K.关键词:交叉V型太阳能空气集热器;数值模拟;热效率中图分类号:T K 5 1 5 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 1-0 4 太阳能空气集热器作为太阳能转换的关键部件被广泛地用于作物干燥和空间加热等方面1-5,V型波纹吸热板空气集热器具有结构简单、制作方便、成本低廉以及换热效率较高等优点,是研究和应用较为广泛的一类空气集热器6-1 3.文献6对交叉V型吸热板-底板太阳能空气集热器的吸热板与底板的放置方式进行了模拟研究,并得出最佳的放置方式为吸热板与底板波形垂直放置,即吸热板的波形横向放置,底板纵向放置;在此基础上,对不同V形开口角和空气流道高度的太阳能空气集热器吸热板,本文利用C F D技术建立了集热器的三维数值模拟模型,并在模型中加载太阳载荷模型使得计算更接近实际,对比分析了不同几何参数下集热器在相同流量下的热效率和传热性能.1 集热器物理模型图1为研究的太阳能空气集热器的几何结构图,集热器的长度为2m,宽度为1m.在集热器吸热板V形边长一定的情况下(0.0 2m),V形开口角和空气流道高度分别取6 0、9 0、1 2 0 和0.0 3m、0.0 4m、0.0 5m,对两个参数的三个数值进行交叉组合,最终得到9种组合.(a)空气集热器整体结构 (b)吸热板与底板放置图1 空气集热器几何结构图F i g.1 G e o m e t r i cs t r u c t u r eo f a i rc o l l e c t o r2 数值模拟模型及求解2.1 数值模拟模型考虑到计算的方便及集热器的实际运行状*收稿日期:2 0 2 3-1 2-0 7基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 6 9 0 3 2,1 2 2 6 2 0 3 6).作者简介:陈怀(1 9 8 9-),女,云南保山人,讲师,主要从事太阳能利用及计算流体力学传热学方面研究.通信作者:陈怀.E-m a i l:9 3 2 5 8 5 5 0 2q q.c o m.态,对模型做如下假设1 4:()空气视为不可压缩流体,其密度与压力无关,只与温度有关,且在计算区域内,密度与温度是线性变化的.()黏度系数与导热系数均与温度无关,仅在体积力一项中考虑密度随温度的变化.()忽略黏性耗散热引起的温度变化.为了使模型更接近于实际,在F L U E NT模拟计算中选用了太阳加载模型中的D O模式.太阳载荷模型采用太阳射线追踪模型(s o l a rr a yt r a c i n g),地理位置设置为昆明的地理纬度(北纬2 5,东8区).考虑到集热器的最佳安装倾角范围为当地纬度1 0 1 5,本文集热器的安装倾角采用3 0,正南放置.计算得到倾斜面上接收到的总太阳辐照度为8 0 4.9 7 5W/m2.2.2 边界条件设定集热器的入口空气流量为6 0m3/h,换算为入口速度后用于模拟计算,由于波形流道的几何形状不同,入口速度也不同.环境温度恒定为3 0 0K.空气的入口温度也设为3 0 0K.对流体采用稳态计算,计算模型选择K-模型中的可实现方程.重力加速度沿y的负方向,即g=-9.8m/s2.用于数值模拟的对应边界条件设置如表1所示.表1 用于数值模拟的集热器边界条件T a b l e1 T h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fc o l l e c t o ru s e di nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n边界名称边界条件设置进口速度进口出口压力出口玻璃盖板对流边界、半透明介质吸收率:0.0 6透过率:0.8 7吸热板流固耦合边界、不透明介质吸收率:0.9 4底板绝热、不透明边界边框绝热边界2.3 求解方法计算时应用分离式求解器,选择压力速度耦合的S I MP L E C算法.压力采用P R E S TO!离散方法.动量、能量和湍动能方程选择二阶迎风格式.为了得到更好的收敛效果,可以适当修改松弛因子.3 热性能评价参数集热器的热损一般来自三方面,分别为顶部热损、底部热损和侧面热损,在本文中由于集热器底部和侧面有聚氨酯保温层,能量损失可以忽略,因此集热器的热损主要来自顶部热损,采用文献1 6 的顶部热损系数Ut进行计算.集热器的热效率是规定时间内吸收的有用热能与入射在集热器表面的太阳辐射能之比,其计算同样参考文献1 6.4 计算结果及分析表2为九种空气集热器的模拟结果.从结果可以看出,在吸热板V形开口角相同的情况下,集热器的吸热板温度、出口温度以及顶部热损随着流道高度的增大而增大,而集热器的热效率则随着集热器流道高度的增大而降低.这是因为,在入射能量一定的情况下,到达吸热板的太阳辐射除了加热流道空气外,还一部分通过顶部流失到环境中.随着空气流道高度的增大,空气集热器的吸热板温度和出口温度越高,较高的温度必将导致更多的能量损失.另外,对于低流道的空气集热器来说,由于其流道高度低,当空气进入流道时流速大,空气与吸热板的换热更好,所以低流道的空气集热器效率要高.整体来看,V形开口角的角度越大,吸热板温度和出口温度越高,顶部热损也就越大,因此热效率越低.2云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷 表2 空气集热器在入口空气流量为6 0m3/h的模拟结果T a b l e2 T h es i m u l a t i o nr e s u l t so f s o l a ra i rc o l l e c t o r sw i t ht h e i n l e t a i r f l o wr a t ea s6 0m3/h开口角空气流道高度/m吸热板温度/K集热器出口温度/K顶部热损/(W/m2)热效率/%6 0 0.0 33 4 0.7 53 4 4.4 01 7 3.3 33 5.1 40.0 43 4 9.3 73 4 6.0 32 1 9.2 13 1.5 30.0 53 5 5.1 23 4 7.6 22 5 0.8 62 9.6 29 0 0.0 33 5 2.7 83 5 0.2 52 3 7.8 83 4.6 00.0 43 6 2.1 63 5 1.2 82 9 0.6 02 9.3 60.0 53 7 1.9 93 5 2.7 53 4 7.7 42 4.1 41 2 0 0.0 33 6 2.2 53 5 2.6 22 9 1.0 73 1.0 10.0 43 7 3.1 23 5 3.9 03 5 4.3 72 4.7 80.0 53 8 6.9 43 5 5.1 34 3 7.9 61 5.9 75 结语对安装倾角为3 0,正南放置,入口空气流量为6 0m3/h,长2m,宽1m,不同的V形开口角和空气流道高度的九种太阳能空气集热器进行了数值模拟对比分析,得到以下结果:(1)在同一V形开口角下,集热器吸热板温度和出口温度随着空气流道高度的增大而升高,因而热损也增大,集热器热效率降低.(2)在流道高度相同的情况下,V形开口角越大,则集热器的吸热板温度和出口温度越高,造成热损加剧,导致集热器热效率越低.参考文献:1 R A J A R A J E S W A R IK,S R E E K UMA RA.M a t r i xs o l a ra i rh e a t e r s-a r 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 6,5 7:7 0 4-7 1 2.2 S HA RMA A,THA K U RS,DH I MA NP,e ta l.E f f e c to f j e t-i m e m e n ta n ds u r f a c er o u g h n e s so np e r f o r m a n c eo f s o l a r a i rh e a t e r:e x p e r i m e n t a l s t u d ya n d i t so p t i m i z a-t i o nJ.E x p e r tS y s t e m sw i t hA p p l i c a t i o n s,2 0 2 4,2 3 8:1 2 2 2 0 8.3 KHA R G OT R AR,A L AMT,THUK,e t a l.O p t i m i-z a t i o no fd e s i g np a r a m e t e ro fV-s h a p e dp e r f o r a t e db l o c k s i nr e c t a n g u l a rd u c to fs o l a ra i rh e a t e rb yu-s i n gh y b r i dBWM-C O D A St e c h n i q u eJ.S o l a rE n e r-g yM a t e r i a l sa n dS o l a rC e l l s,2 0 2 4,2 6 4:1 1 2 6 2 7.4 KHE R R A F IM A,B E N S E D D I K A,S A I M R,e ta l.P e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no f i n n o v a t i v e s e n s i b l e e n e r g ys t o r a g em a t e r i a l i n t e g r a t i o na sa no b s t a c l ei ns o l a rc o l l e c t o r s f o rd r y i n ga p p l i c a t i o n sJ.J o u r n a lo fE n-e r g yS t o r a g e,2 0 2 3,7 4:1 0 9 3 1 7.5 G AO W,L I N W,L I UT,e t a l.A n a l y t i c a l a n de x p e r i-m e n t a l s t u d i e so nt h e t h e r m a l p e r f o r m a n c eo f c r o s s-c o r r u g a t e da n df l a t-p l a t es o l a ra i rh e a t e r sJ.A p-p l i e dE n e r g y,2 0 0 7,8 4(4):4 2 5-4 4 1.6 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 9.7 E L S HE R B I NGS.M,e t a l.F r e e c o n v e c t i o na c r o s s i n-c l i n e da i r l a y e r sw i t ho n es u r f a c eV-c o r r u g a t e dJ.J o u r n a l o fH e a tT r a n s f e r,1 9 7 8,1 0 0(3):4 1 0-4 2 2.8 E S W A R AMO O R THY M.Ac o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n f l a t a n dVg r o o v e r e c e i v e rp l a t e so f a s o l a r a i rh e a t e r f o rd r y i n ga p p l i c a t i o n sJ.E n e r g yS o u r c e s,P a r tA:R e c o v e r y,U t i l i z a t i o n,a n d E n v i r o n m e n t a lE f f e c t s,2 0 1 5,3 7(1):6 8-7 5.9 F A RHANAA,AHME DHE,MU S S A M A.T h e r-m a l-h y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo faV-g r o o v es o l a ra i rc o l l e c t o rw i t ht r a n s v e r s ew e d g e-s h a p e dr i b sJ.A r a-b i a nJ o u r n a lf o rS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,2 0 2 2,4 7(7):8 9 1 5-8 9 3 0.1 0袁旭东,田玫.V型太阳能空气集热器过程的数值模拟J.华中科技大学学报(自然科学版),2 0 0 1,2 9(1 0):8 6-8 9.1 1E B R AH I M MOM I NA M,S A I N I JS,S O L ANK ISC.H e a t t r a n s f e ra n df r i c t i o ni ns o l a ra i rh e a t e rd u c t3 第1期 陈怀,等: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w i t hV-s h a p e dr i br o u g h n e s so na b s o r b e rp l a t eJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH e a ta n d M a s sT r a n s f e r,2 0 0 2,4 5(1 6):3 3 8 3-3 3 9 6.1 2P R OMVON G EP,S KU L L ON GS.H e a tt r a n s f e r i ns o l a r r e c e i v e r h e a t e x c h a n g e r w i t h c o m b i n e dp u n c h e d-V-r i b sa n dc h a m f e r-V-g r o o v e sJ.I n t e r n a-t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n d M a s sT r a n s f e r,2 0 1 9,1 4 3:1 1 8 4 8 6.1 3E L-S E B A I IA A,A B OU L-E N E I N S,R AMA D ANM RI,e t a l.I n v e s t i g a t i o no f t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f-d o u b l ep a s s-f l a ta n d V-c o r r u g a t e d p l a t es o l a ra i rh e a t e r sJ.E n e r g y,2 0 1 1,3 6(2):1 0 7 6-1 0 8 6.1 4杨世铭,陶文铨.传热学J.4版.北京:高等教育出版社,2 0 0 6.1 5KUMA RS,S A I N IRP.C F Db a s e dp e r f o r m a n c ea-n a l y s i so f a s o l a r a i rh e a t e r d u c t p r o v i d e dw i t ha r t i f i-c i a l r o u g h n e s sJ.R e n e w a b l eE n e r g y,2 0 0 9,3 4(5):1 2 8 5-1 2 9 1.1 6张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟M.2版.西安:西北工业大学出版社,2 0 0 7.N u m e r i c a l S i m u l a t i o nS t u d yo nT h e r m a lP e r f o r m a n c eo fC r o s s-V-g r o o v eS o l a rA i rC o l l e c t o r sC H E NH u a i*,G A O W e n f e n g,D I N GX i a n g,L I UB a i h o n g,L IQ i o n g(1.S c h o o l o fE n e r g ya n dE n v i r o n m e n tS c i e n c e,Y u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 5 0 0,C h i n a;2.K e yL a b o r a t o r yo fR u r a lE n e r g yE n g i n e e r i n go fY u n n a n,K u n m i n g6 5 0 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do ns o l a r l o a dm o d e l,t h i sp a p e ru s e dF L U E NTt oc o n d u c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fn i n ec r o s s-V-g r o o v es o l a ra i r c o l l e c t o r s.O nt h eb a s i so f t h e r e s e a r c h,s e v e r a l r e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d:t h et h e r m a l e f f i c i e n c y,o u t l e t t e m p e r a t u r e,h e a t l o s sa n dt e m p e r a t u r eo f a b s o r b e rp l a t e.I t i s c o n c l u d e dt h a tt h e t h e r m a l e f f i c i e n c yo f t h ea i rc o l l e c t o rd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h eh e i g h to f t h ea i rc h a n n e l,a n dt h eh e a t l o s s,t h e t e m p e r a t u r eo f a b s o r b e rp l a t ea n do u t l e t t e m p e r a t u r e i n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f t h eh e i g h t o f t h e a i r c h a n n e l.T h em a x i m u me f f i c i e n c y i s 3 4.6 0%,a n d t h eh i g h e s t o u t l e t t e m p e r a t u r ei s3 5 5.1 3K.K e y w o r d s:C r o s s-V-g r o o v es o l a ra i rc o l l e c t o r;N u m e r i c a l s i m u l a t i o n;T h e r m a l e f f i c i e n c y4云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷