真空管太陽能集熱系統(tǒng)溫度場、速度場模擬

摘 要

摘要：采用三維數(shù)學(xué)及物理模型對真空管太陽能集熱系統(tǒng)的溫度場、速度場進(jìn)行了模擬。集熱系統(tǒng)內(nèi)流體由上升的熱流體和下降的冷流體組成，接近蓄熱水箱的真空管存在冷熱流體混合的
摘要：采用三維數(shù)學(xué)及物理模型對真空管太陽能集熱系統(tǒng)的溫度場、速度場進(jìn)行了模擬。集熱系統(tǒng)內(nèi)流體由上升的熱流體和下降的冷流體組成，接近蓄熱水箱的真空管存在冷熱流體混合的回流區(qū)。蓄熱水箱內(nèi)呈現(xiàn)明顯的溫度分層，水箱上部的流體被來自真空管的熱射流加熱，下部存在一個滯留區(qū)，只能通過導(dǎo)熱傳熱。
關(guān)鍵詞：真空管；太陽能集熱系統(tǒng)；速度場；溫度場；模擬
Simulation of Temperature Field and Velocity Field of Vaccum Tube Solar Collector
GUO Chao，QIN Chaokui，LV Zhaojian
Abstract：The temperattire field and velocity field of vacuum tube solar collector are simulated by three-dimensional mathematical and physical models.The fluid in the collector is composed of rising hot fluid and descending cold fluid，and a return zone where the hot fluid and cold fluid are mixed exists in the vacuum tube near heat storage water tank.The significant temperature stratification occurs in the heat storage water tank.The fluid in the upper part of the heat storage water tank is heated by hot jet from the vacuum tube，and a retention zone exists in the lower part where heat is only transferred by conduction.
Key words：vacuum tube；solar collector；velocity field；temperature field； simulation
1 概述
    在我國，太陽能集熱系統(tǒng)作為熱源或輔助熱源的應(yīng)用越來越多[1～9]。真空管集熱系統(tǒng)(以下簡稱集熱系統(tǒng))由于其具有成本低、熱損失小等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用廣泛的太陽能利用裝置之一。為了更加直觀地了解集熱系統(tǒng)的溫度場、速度場分布特點(diǎn)，有必要采用Fluent軟件進(jìn)行相關(guān)模擬研究，揭示集熱系統(tǒng)傳熱機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)以集熱系統(tǒng)作為熱源或輔助熱源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文采用三維數(shù)學(xué)及物理模型對集熱系統(tǒng)的溫度場、速度場進(jìn)行模擬研究。
2 模型的創(chuàng)建和網(wǎng)格化
    ① 集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)
    集熱系統(tǒng)由真空管、蓄熱水箱等部件組成。核心元件為真空管，它由兩根同軸的高硼硅特硬玻璃管組成，內(nèi)玻璃管外壁采用磁控濺射真空鍍膜工藝鍍膜，該鍍膜對太陽光能選擇性吸收，具有較高的吸收率和較低的發(fā)射率。內(nèi)外玻璃管的夾層抽成真空，真空度是保證集熱系統(tǒng)質(zhì)量和使用壽命的重要指標(biāo)。蓄熱水箱位于集熱系統(tǒng)頂端，由內(nèi)膽、聚氨酯保溫層和外殼組成。真空管將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，由于冷水比熱水密度大，在集熱系統(tǒng)內(nèi)形成冷水自上而下，熱水自下而上的自然循環(huán)，使蓄熱水箱中水的溫度逐步升高。本文研究的集熱系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 集熱系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)
真空管
外玻璃管外徑/mm
58
外玻璃管壁厚/mm
2
內(nèi)玻璃管外徑/mm
48
內(nèi)玻璃管壁厚/mm
2
玻璃管長度/mm
1800
數(shù)量/支
14
管間距/mm
75
蓄熱水箱
內(nèi)膽內(nèi)徑/mm
380
保溫層厚度/mm
50
蓄熱水箱長度/mm
1150
    ② Fluent模型
    考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制和CFD技術(shù)的局限性，為了不失一般性，對模型進(jìn)行簡化[10]。
   a. 由于集熱系統(tǒng)是由多支真空管等間距并列布置，而且間距較小，因此模型可以簡化為長度為75mm的蓄熱水箱與單支真空管相連。
   b. 考慮到Fluent的某些局限性，去掉真空管外管，把單根真空管所吸收的太陽輻射熱轉(zhuǎn)換為內(nèi)管上半部分的內(nèi)熱源。內(nèi)熱源的單位體積熱流量q的計(jì)算式為：
 
式中q——內(nèi)熱源的單位體積熱流量，W/m3
    τ-——玻璃管的透光率，取0.93
    α——玻璃管的吸收率，取0.95
    I——太陽輻射強(qiáng)度，W/m2
    δ——內(nèi)玻璃管的壁厚，m
    內(nèi)玻璃管的輻射熱損失及長度方向熱損失轉(zhuǎn)化為第三類邊界條件。去掉蓄熱水箱的保溫層，蓄熱水箱的熱損失轉(zhuǎn)化為第三類邊界條件。
    在建立模型時(shí)，進(jìn)行以下設(shè)定：除流體密度和黏度外，其余物性參數(shù)為常量；蓄熱水箱長度方向熱損失忽略不計(jì)，兩端作為絕熱邊界；模擬計(jì)算時(shí)，環(huán)境溫度取模擬時(shí)間內(nèi)的環(huán)境平均溫度。按照以上簡化和設(shè)定生成幾何模型后，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖1)。

    水的密度和黏度隨溫度變化的表達(dá)式為[11]：
 
式中ρ——水的密度，kg/m3
   T——水的溫度，K
   μ——水的黏度，Pa·s
3 控制方程的建立
    模型內(nèi)的傳熱依靠水的密度差進(jìn)行，即以浮力作為驅(qū)動力的自然對流，因此應(yīng)采用瑞利數(shù)Ra判斷浮力驅(qū)動的對流流態(tài)[12]。
當(dāng)Ra≤108時(shí)，浮力驅(qū)動的對流為層流；由層流向湍流轉(zhuǎn)變時(shí)，108＜Ra≤1010；當(dāng)Ra＞1010時(shí)，浮力驅(qū)動的對流為湍流。取蓄熱水箱的長度作為特征長度，經(jīng)計(jì)算可得Ra在1011左右，達(dá)到了湍流范圍。因此采用k-ε模型，其三維通用控制方程為[13]：
 
式中φ——通用變量，可以代表求解變量
    t——時(shí)間，s
    υ——水的速度矢量
    Γ——廣義擴(kuò)散系數(shù)
    S——廣義源項(xiàng)
    在各個控制方程中，通用變量φ和廣義擴(kuò)散系數(shù)Γ分別代表的量見表2。
 

表中vx、vy、vz——水的速度矢量v在x、y、z軸方向的速度分量，m/s
    μt——湍動黏度，為空間坐標(biāo)的函數(shù)，取決于流態(tài)，而不是物性參數(shù)
    k——湍動能，J
    σk、σε、σT——系數(shù)，取值分別為1.0、1.3、0.9～1.O
    ε——湍流耗散率
    Pr——湍動普朗特?cái)?shù)
    邊界條件：內(nèi)玻璃管傳熱系數(shù)取0.85W/(m2·K)[11]，蓄熱水箱傳熱系數(shù)取0.8W/(m2·K)[11]，計(jì)算環(huán)境溫度取模擬時(shí)間內(nèi)環(huán)境平均溫度。
    初始條件：模擬計(jì)算時(shí)間為2010年5月31日12：00—13：00。初始時(shí)刻蓄熱水箱的溫度取12：00蓄熱水箱的平均溫度(37.45℃)。太陽平均輻射強(qiáng)度為784W/m2，由式(1)計(jì)算得，q=220.6kW/m3，為計(jì)算方便q取220kW/m3。模擬計(jì)算時(shí)間內(nèi)，環(huán)境平均溫度為26.33℃。
4 Fluent求解器選擇
    Fluent導(dǎo)入Gambit建立3維網(wǎng)格后，采用分離式求解器、非穩(wěn)態(tài)流動。選用Fluent默認(rèn)的參考壓力(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力)，并考慮重力。流態(tài)按湍流對待，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，模型的所有系數(shù)采用默認(rèn)值。速度壓力耦合方式采用SIMPLEC，欠松弛因子和離散格式等采用默認(rèn)值。
5 模擬結(jié)果及分析
    中心面的溫度、速度分布分別見圖2、3，圖2中數(shù)值單位為℃。

    由圖2、3可知，在密度差引起的浮力和慣性力的作用下，集熱系統(tǒng)內(nèi)存在下降的冷流體和上升的熱流體。真空管內(nèi)熱流體沿管壁向上流動，熱流體形成射流向蓄熱水箱頂部流動。在蓄熱水箱中存在著明顯的溫度分層，在蓄熱水箱底部存在一個滯留區(qū)，該區(qū)的水流速慢，熱擾動很小，主要依靠導(dǎo)熱傳熱。

    真空管(長度為1800mm)與蓄熱水箱連接處以及距蓄熱水箱450、900、1350mm處的真空管截面速度分布分別見圖4～7，圖中數(shù)值單位均為m/s。由圖4～7可知，沿著遠(yuǎn)離蓄熱水箱方向，真空管內(nèi)冷熱流體的速度先增大后減小，在距蓄熱水箱450mm處速度最大。說明在距蓄熱水箱450mm這段真空管內(nèi)存在冷熱流體的回流混合，造成熱損失，降低了集熱系統(tǒng)的效率，采用引流擋板可以在一定程度上解決該問題[11]。
6 結(jié)論
   集熱系統(tǒng)內(nèi)流體由上升的熱流體和下降的冷流體組成，接近蓄熱水箱的真空管存在冷熱流體混合的回流區(qū)。蓄熱水箱內(nèi)呈現(xiàn)明顯的溫度分層，水箱上部的流體被來自真空管的熱射流加熱，下部存在一個滯留區(qū)，只能通過導(dǎo)熱傳熱。
參考文獻(xiàn)：
[1] 林聰，王久臣，周長吉.沼氣技術(shù)理論與工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：153-155.
[2] GUPTA R A，RAI S N，TIWARI G N.An improved solar assisted biogas plant(fixed dome type)：A transient analysis[J].Energy Conversion and Management，1988，28(1)：53-57.
[3] 孫秀麗.太陽能輔助加熱沼氣系統(tǒng)的研究(碩士學(xué)位論文)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009：209-211.
[4] 馬永濤，鄭宗和，葛昕，等.西藏地區(qū)太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的性能分析[J].煤氣與熱力，2007，27(1)：69-70.
[5] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太陽能輔助地源熱泵供熱運(yùn)行特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：39-42.
[6] 鄭宗和，高金水，葛昕.太陽能熱泵供暖系統(tǒng)在西藏地區(qū)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2006，26(12)：52-54.
[7] 黃濤，趙軍.太陽能熱泵供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤氣與熱力，2007，27(8)：71-72.
[8] 鐵燕，羅會龍.熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在建筑節(jié)能的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2009，29(4)：A17-A19.
[9] 朱志朋，翁文兵.空氣源熱泵輔助太陽能毛細(xì)管輻射供暖系統(tǒng)[J].煤氣與熱力，2010，30(1)：A07-A09.
[10] 鐘建立，付麗霞，雷進(jìn)波.全玻璃太陽能真空集熱管流場和溫度場的可視化研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2005，31(3)：351-354.
[11] 艾寧，樊建華，李育敏.全玻璃真空管型太陽熱水器內(nèi)流場的CFD模擬[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(10)：1195-1199.
[12] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：268-269.
[13] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)，2004：121-123.
 
(本文作者：郭超 秦朝葵 呂趙鍵 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海 201804)