沖縫吸熱板滲透型太陽能空氣集熱器性能研究

摘 要

摘要：介紹了沖縫吸熱板滲透型太陽能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)，建立了傳熱數(shù)學(xué)模型。采用Matlab程序?qū)鳠釘?shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，模擬研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱器熱性能的影響。集熱器
摘要：介紹了沖縫吸熱板滲透型太陽能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)，建立了傳熱數(shù)學(xué)模型。采用Matlab程序?qū)鳠釘?shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，模擬研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱器熱性能的影響。集熱器出口空氣溫度的實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的平均偏差為0.99K，證明傳熱數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可靠。集熱量隨吸熱板外表面發(fā)射率增大而降低，隨集熱器出口空氣流量、太陽輻射強(qiáng)度的增大而升高，隨環(huán)境溫度的增大先降低后升高。集熱器出口空氣溫度隨吸熱板外表面發(fā)射率、集熱器出口空氣流量的增大而降低，隨太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度的增大而升高。
關(guān)鍵詞：沖縫吸熱板；滲透型太陽能空氣集熱器；Matlab程序；集熱量
Study on Performance of Unglazed Transpired Solar Air Collector with Slit-like Perfolration Absorber
LI Xianli，REN Shengfeng，LIN Guozhen，LV Jian，CHANG Ru，YOU Shijun
Abstract：The structure of an unglazed solar air collector with slit-like perforation absorber is introduced.and its heat transfer mathematieal model is built.The mathematical model is solved by Matlab program，and the influence of the structural parameters and operational parameters on the collector Performance is simulated.The mean deviation between the simulated and measured values of the outlet air temperature is 0.99K，which shows that the model is accurate.The collected heat decreases with increasing of the absorber sud-ace emissivity，it increases with increasing of the outlet air flow and solar radiation intensity，and it first decreases and then increases with the ambient temperature rise.The outlet air temperature decreases with increasing of the absorber surface emissivity and the outlet air flow，and it increases with increasing of solar radiation intensity and ambient temperature.
Key words：slit-like perforation absorber；transpired type solar air collector； Matlab programming；collected heat
   太陽能空氣集熱器以空氣作為傳熱介質(zhì)，將收集到的太陽輻射能輸送到功能端。與太陽能熱水集熱器比較，具有啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、系統(tǒng)緊湊的優(yōu)勢(shì)，不易出現(xiàn)腐蝕、泄漏、甚至凍結(jié)等問題。但由于空氣的熱導(dǎo)率、密度和比熱容遠(yuǎn)小于水，因此集熱效率較低。目前，已有許多學(xué)者對(duì)如何提高太陽能空氣集熱器的集熱效率進(jìn)行了大量研究[1～5]。滲透型太陽能空氣集熱器[1]，采用無蓋板結(jié)構(gòu)，由框架、吸熱板、背板組成，吸熱板與背板之間形成一道空氣層，吸熱板上開有規(guī)則的圓形孔，背板上部設(shè)置出風(fēng)口，采用沖擊射流(即待加熱的空氣穿過吸熱板上的孔時(shí)形成射流)原理延長了空氣與集熱器吸熱板的接觸時(shí)間，增強(qiáng)了接觸程度，提高了吸熱板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，增強(qiáng)了傳熱效果。在圓形孔吸熱板的基礎(chǔ)上，筆者提出了采用沖縫吸熱板的滲透型太陽能空氣集熱器。本文對(duì)沖縫吸熱板滲透型太陽能空氣集熱器(以下簡稱集熱器)的性能進(jìn)行研究。
1 集熱器結(jié)構(gòu)及傳熱數(shù)學(xué)模型
1.1 集熱器結(jié)構(gòu)
    集熱器外形見圖1。背板采用絕熱性能良好的絕熱材料，降低集熱器的熱損失?？蚣艿淖饔脼楸Ｗo(hù)和固定吸熱板、背板，并應(yīng)具有一定的絕熱性能。因此，背板與框架可以結(jié)合成一體，使集熱器結(jié)構(gòu)更為簡單，便于拆卸與安裝。
    集熱器的工作原理見圖2。在風(fēng)機(jī)的作用下，外界空氣被吸入到吸熱板與背板形成的空氣流道中，與流道內(nèi)空氣混合?？諝庠诖┻^吸熱板時(shí)被加熱，在通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)繼續(xù)吸收吸熱板的熱量，并與背板發(fā)生換熱，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)流出。
 

1.2 傳熱數(shù)學(xué)模型及求解方法
    集熱器模型見圖3，基于有限差分的數(shù)值解法，將集熱器沿x方向分成n個(gè)節(jié)點(diǎn)。

    根據(jù)熱平衡法，建立了節(jié)點(diǎn)i的能量平衡方程。
對(duì)于吸熱板，節(jié)點(diǎn)i的能量平衡方程為：
 
式中α——吸熱板外表面吸收率
    φ——太陽輻射強(qiáng)度，W/m2
    h1——吸熱板外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[6]，W/(m2·K)
    Ta——環(huán)境溫度，K
    Tp,i——節(jié)點(diǎn)i的吸熱板溫度，K
    εp——吸熱板外表面發(fā)射率
    σ——斯忒藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)
    θs——吸熱板與天空之間的角系數(shù)，取0.5
    t——有效天空溫度，K
    θg——吸熱板與大地之間的角系數(shù)，取0.5
    Tg——地表溫度，K
    h2——吸熱板內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    Tf,i——空氣流道內(nèi)節(jié)點(diǎn)i的空氣溫度，K
    h3——吸熱板與背板間輻射傳熱系數(shù)[7]，W/(m2·K)
    Tb,i——節(jié)點(diǎn)i的背板溫度，K
    λp——吸熱板熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    δp——吸熱板厚度，m
    Tp,i-1——節(jié)點(diǎn)i-1的吸熱板溫度，K
    Tp,i+1——節(jié)點(diǎn)i+1的吸熱板溫度，K
    △x——節(jié)點(diǎn)高度，m
對(duì)于吸熱板與背板之間的流體，節(jié)點(diǎn)i的能量平衡方程為：
 
 對(duì)于背板，節(jié)點(diǎn)i的能量平衡方程為：
 
    對(duì)于開孔率為0.1%～5.0%的吸熱板，在沖擊射流工況下，吸熱板內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h2按照Kutscher模型計(jì)算[9]。
   模型的邊界條件為：
    x=0：Tf=Ta，qf=0
    x=L：Tf=Tout，qf=q
式中Tf——流道內(nèi)空氣溫度，K
    qf——流道內(nèi)空氣流量，m3/s
    L——吸熱板戈方向的長度，m
    Lout——集熱器出口空氣溫度，K
    根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，采用Matlab程序，對(duì)模型進(jìn)行求解，模擬研究結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱器熱性能的影響。為了簡化計(jì)算，進(jìn)行了如下設(shè)定：傳熱過程是穩(wěn)態(tài)的?？蚣芗氨嘲迮c環(huán)境的傳熱損失忽略不計(jì)。吸熱板外表面各處的空氣吸入速度相同。由于空氣溫度變化不大，物性參數(shù)為常量。
2 模型的驗(yàn)證
    搭建集熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在測試日，測試集熱器出口空氣溫度，與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的精度。
    吸熱板選用1mm厚的鋼板，寬×高為600mm×1500mm，外表面覆蓋吸收性涂層，吸收率為0.96，發(fā)射率為0.78。吸熱板上開設(shè)24行5列沖縫，沖縫長×寬為80mm×1mm。為了防止雨水沖擊和有效改善氣流組織，沖縫的開口朝下。框架及背板選用絕熱性能較好的無機(jī)玻璃鋼材料，在20～120℃范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯變形。
    采用TRT-2型總輻射表測量太陽輻射強(qiáng)度，測量范圍為0～2000W/m2。總輻射表設(shè)置在集熱器旁，感應(yīng)面平行于x方向，位于0.5L處。采用T型熱電偶測量環(huán)境溫度、集熱器出口空氣溫度。采用ZRQF型智能風(fēng)速計(jì)測量集熱器出口空氣流速，測量范圍為0.05～30.00m/s，測量相對(duì)誤差范圍為±3%。采用KANOMAX KA22型熱線風(fēng)速儀測量室外風(fēng)速，測量范圍為0～4.99m/s，測量相對(duì)誤差范圍為±2%。
    選取2009年10月初天氣晴好的一天作為測試日，測試時(shí)間為9：00—15：00。測試日太陽輻射強(qiáng)度、室外風(fēng)速的實(shí)測結(jié)果見圖4。環(huán)境溫度的實(shí)測結(jié)果與集熱器出口空氣溫度的模擬、實(shí)測結(jié)果見圖5。
    由圖4、5可知，太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度隨時(shí)間先升高后降低，分別在12：30左右、14：00左右，達(dá)到最大值。隨著太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度的升高，集熱器出口空氣溫度升高，在14：00左右達(dá)到最大，實(shí)測結(jié)果為301.01K，模擬結(jié)果為300.12K。

實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果平均偏差σabs的計(jì)算式為：
 
式中σabs——實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的平均偏差，K
    m——實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)
    Tout,s,j——第j個(gè)集熱器出口空氣溫度實(shí)測結(jié)果，K
    Tout,j——第j個(gè)集熱器出口空氣溫度模擬結(jié)果，K
    由上式計(jì)算得到σabs為0.99K，這主要是由于測試條件為動(dòng)態(tài)，集熱器內(nèi)部出現(xiàn)延遲造成的。另外，數(shù)學(xué)模型的簡化，測試儀器自身和人為讀數(shù)的誤差，也導(dǎo)致這一結(jié)果的出現(xiàn)。但總體來說，實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，因此數(shù)學(xué)模型可以作為理論研究的基礎(chǔ)。
3 模擬結(jié)果分析
    ① 目標(biāo)函數(shù)
    集熱器集熱量Φ的計(jì)算式為：
    Φ=ρqcp(Tout-Ta)
式中Φ——集熱器的集熱量，W
    集熱量是衡量集熱器性能的重要指標(biāo)，集熱器出口空氣溫度反映了集熱器的送風(fēng)狀況，因此將這兩項(xiàng)作為目標(biāo)函數(shù)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱器熱性能的影響。基礎(chǔ)參數(shù)為：εp=0.78，q=0.025m3/s，φ=400W/m2，Ta=278K，室外風(fēng)速為0.3m/s。
    ② εp的影響
    保持其他參數(shù)不變，集熱量、集熱器出口空氣溫度隨εp的變化見圖6。由圖6可知，隨著εp增大，吸熱板對(duì)環(huán)境的輻射傳熱增強(qiáng)，熱損失增大，集熱量降低。由于吸熱板溫度降低，與空氣的對(duì)流傳熱減弱，因此集熱器出口空氣溫度降低。集熱量與集熱器出口空氣溫度降低的趨勢(shì)逐漸減緩，這是由于隨著吸熱板溫度的降低，熱損失的增長率也大大降低。

    ③ q的影響
保持其他參數(shù)不變，集熱量、集熱器出口空氣溫度隨q的變化見圖7。由圖7可知，隨著q的增大，集熱器出口空氣溫度降低，這是由于q的增大易導(dǎo)致空氣穿過吸熱板的時(shí)間和在集熱器內(nèi)部流動(dòng)的時(shí)間縮短，影響了換熱效果。然而，集熱量一方面取決于集熱器出口空氣溫度與環(huán)境溫度之差，另一方面取決于q。由圖7可知，當(dāng)q增大時(shí)，集熱器出口空氣溫度降低幅度較小，此時(shí)q成為影響集熱量的決定因素。因此隨q的增大，集熱量逐漸升高。但在集熱器出口空氣溫度逐漸減小的影響下，集熱量的增長速率是逐漸減緩的。
 

    ④ φ的影響
保持其他參數(shù)不變，集熱量、集熱器出口空氣溫度隨φ的變化見圖8。由圖8可知，隨著φ的增大，吸熱板溫度升高，與流道內(nèi)空氣的溫差加大，對(duì)流傳熱增強(qiáng)，集熱器出口空氣溫度升高，集熱量也隨之升高。
 

   ⑤ Ta的影響
   保持其他參數(shù)不變，集熱量、集熱器出口空氣溫度隨Ta的變化見圖9。由圖9可知，Ta增大，即集熱器進(jìn)口空氣溫度增大，則集熱器出口空氣溫度相應(yīng)升高。

   初期隨著Ta增大，進(jìn)入流道的空氣溫度升高，吸熱板與流道內(nèi)空氣的換熱溫差減小，此時(shí)Ta對(duì)集熱量的影響起主導(dǎo)作用，因此集熱量隨Ta的增大而降低。隨后乃繼續(xù)增大，吸熱板的輻射熱損失減小，吸熱板與流道內(nèi)空氣的換熱溫差增大，對(duì)流傳熱溫差增大，對(duì)流傳熱增強(qiáng)，集熱量隨之升高。
4 結(jié)論
   ① 建立了沖縫吸熱板滲透型太陽能空氣集熱器傳熱數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。集熱器出口空氣溫度的實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果的平均偏差為0.99K，說明數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可靠，可以作為理論研究的基礎(chǔ)。
   ② 以集熱量、集熱器出口空氣溫度作為目標(biāo)函數(shù)，模擬研究結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)對(duì)集熱器熱性能的影響。
   在給定的參數(shù)變化范圍內(nèi)，集熱量隨吸熱板外表面發(fā)射率增大而降低，隨集熱器出口空氣流量、太陽輻射強(qiáng)度的增大而升高，隨環(huán)境溫度的增大先降低后升高。集熱器出口空氣溫度隨吸熱板外表面發(fā)射率、集熱器出口空氣流量的增大而降低，隨太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度的增大而升高。
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(本文作者：李憲莉1 任繩鳳1 林國真2 呂建1 常茹1 由世俊3 1.天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系 天津 300384；2.天津水與燃?xì)庑畔⒓夹g(shù)開發(fā)有限公司 天津 300070；3.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072)