微热管阵列平板太阳能集热器的数值模拟与优化研究

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：123445微热管阵列平板太阳能集热器的数值模拟与优化研究邓月超赵耀华王林成叶三宝（北京工业大学建筑工程学院，北京，100124）（Email：dyc613@163.com）摘要介绍了一种全新的平板式太阳能集热器，该集热器应用微热管阵列作为集热元件，具有成本低、抗冻、承压、轻巧、不结垢、易与建筑一体化等优点。对其瞬态热性能进行的实验研究表明，该集热器最大瞬态效率达83%，总热损系数为4.767。建立了微热管阵列平板太阳能集热器的CFD模型，对集热器内部流体流动与换热进行数值模拟，并对其最佳流量进行了优化，结果表明，该集热器循环水的最佳流量为0.1

2、-0.2kg/(m2·s)。关键词微热管阵列；新型平板太阳能集热器；实验研究；CFD模拟；质量流量0引言近年来，太阳能集热技术在太阳能热利用领域受到广泛关注，并得到快速发展。但目前应用的各种太阳能集热器在抗冻能力、热效率、工作可靠性、成本及建筑一体化等方面存在缺陷，使其应用受到极大限制。因此，迫切需要研发一种新型、低成本、高效太阳能集热技术，尤其是适合于建筑一体化的平板太阳能集热器。为提高平板式太阳能集热器的性能，国内外学者已进行了大量尝试，提出将热管与平板集热器结合的技术。Bienert和Wolf（1976）[1]首先将热管应用到太阳能装置中。陆维德等人[2]对铝－丙酮和铝－氨重力热管在太

3、阳能热流密度下的传热特性进行了实验研究，结果表明热管集热器具有热容小、起动快、全日效率略高于常规集热器的优点，同时指出热管工质的最佳充装量约为25%。H.M.S.Hussein等[3-7]从理论和实验两方面研究了重力热管平板太阳能集热器，并对影响集热器性能的各参数进行了优化。EMathioulakis等[8]对一种重力环路热管太阳能热水系统进行了研究，结果表明该系统在低温条件下性能优良且制造简单，无移动部件。S.LAbreu等[9]对一种家用太阳能集热器进行了实验研究，集热器的集热元件为具有直蒸发段和半圆形冷凝段的两相闭式热虹吸管，并重点研究了该热管的热性能。E.Azad[10]对重力热管太

4、阳能集热器进行了理论分析和实验研究。提出基于ε-NTU的理论模型，并用该模型对集热器的各参数进行了优化。本文将一种新型的超导热平板换热构件－微热管阵列[11]应用于平板式太阳能集热技术中，并对该集热器进行了数值模拟与实验研究，并对影响集热器热性能的参数进行了优化。1基于微热管阵列的平板太阳能集热器1.1微热管阵列技术图1(a)微热管阵列实物图.图1(b)微热管阵列纵向剖面图微热管阵列（图1）是一种导热能力超强的导热管元件，依靠内部工质流动和相变，使其本身的传热效率比同样材质的最佳导热体高出数千倍。微热管阵列主要由铝合金管壳和少量工质组成，包括蒸发段、冷凝段两部分。蒸发段表面吸热后将热量传给热

5、管蒸发壁面，工质在蒸发段吸热后变成蒸汽，流向冷凝段。冷凝段与水箱紧密接触，蒸汽在冷凝段处被流过该处的水冷凝，经过相变放出潜热后由气态变成液态，传热工质依靠重力从冷凝段回流到蒸发段，如此循环，热量由热管的一端传至另—端从而将水加热（图2）。图2微热管阵列工作原理图每个微热管阵列内部有十多个以上独立运行的微热管，能够解决利用常规圆形热管必然出现的接触面小或者多次接触热阻，极大提高了当量蒸汽的换热面积与整体热管的可靠性。每根微细热管内还有强化传热的微翅构造。这样的结构增大了热管直接受热及吸热面积，由于微细热管的水力直径只有1.0毫米左右，管壁承压能力极高，因而不易发生泄漏。此外，该微热管阵列尺寸可

6、根据实际需要灵活改变，具有目前已产业化的常规热管不可比拟的优良特性。1.2微热管阵列平板太阳能集热器基于微热管阵列的平板太阳能集热器有两种结构，一种是带选择性吸热涂层的全热管式平板太阳能集热器[12]，微热管阵列阵列式密排，热管上表面刷涂高吸收率低发射率的涂层材料。另一种是带选择性吸热膜的微热管阵列平板太阳能集热器，微热管阵列上表面与选择性吸热膜紧密接触。本文主要介绍带选择性吸热膜的微热管阵列平板太阳能集热器（图3）。集热器由3.2mm厚的超白玻璃（透光率92%，吸收率5%）、选择性吸热膜（太阳能吸收率95%，热发射率5%）、微热管阵列、保温层、铝合金外框及热交换器等几部分组成。图3微热管阵

7、列太阳能集热器结构图1.3微热管阵列平板太阳能集热器瞬时效率测试为评价微热管阵列平板太阳能集热器的热性能，对其瞬态效率进行测试（图4）。集热器朝南安装，采光面与水平面倾角45°，总辐射表与集热器采光口平行，在离集热器进出口约150mm处分别布置热电阻（Pt100）测量进出口水温。在太阳辐射强度大于800w/m2的准稳态条件下，调节集热器入口水温，分别测量了集热器在入口水温为16°C，26°C，36°C，46°