新型平板热管式太阳能集热器的数值模拟研究 邓月超

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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：113196新型平板热管式太阳能集热器的数值模拟研究邓月超1，赵耀华2，刁彦华3（北京工业大学建筑工程学院，北京100124）(Tel:010-67391608-801,Email:yhzhao29@126.com)摘要本文以新型热管平板太阳能集热器为研究对象，建立了太阳能集热器的CFD模型，利用CFD技术研究新型热管平板太阳能集热器内部流体流动与换热，分析了不同空气夹层间距对新型热管平板太阳能集热器自然对流热损失及最大瞬时效率和热损系数的影响，同时提出

2、了新型太阳能集热器结构优化的方式。关键词平板微热管阵列，热管平板太阳能集热器，自然对流热损失，最佳间距0前言能源危机与环境污染正引起全球关注，大力发展可再生能源已成为人类可持续发展和生存延续的首要问题。目前各种可再生能源得到广泛利用，其中太阳能以其独有的优势成为人们重视的焦点。近年来，太阳能集热器在太阳能热利用领域受到广泛关注，并得到了快速发展。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、成本以及建筑一体化等方面存在着这样或那样的缺陷，使得应用上受到较大的限制。因此，迫切需要研发低成

3、本新型高效太阳能集热技术。赵耀华[1]教授发明了一种新型超导热平板换热构件－平板微热管阵列，并提出将其用于平板式太阳能集热。新型平板热管内部设置多个独立运行的微通道，并形成独立运行的微热管阵列，能够解决利用常规圆形热管必然出现的多次接触热阻的问题，极大提高了当量蒸汽的换热面积与整体热管的可靠性。由此设计的新型平板集热器基本克服了现有太阳能集热器的所有缺点[2]。集热器内部自然对流换热对热管平板太阳能集热器的热效率影响较大，而集热器内部的换热过程复杂，受集热器结构参数、流体物性、太阳辐射强度等多种因素

4、影响。利用CFD技术研究集热器内部流体流动与换热对于强化太阳能集热器中的换热过程，提高集热器的热效率，进而指导太阳能集热器的优化设计具有重要意义。本文以新型热管平板式太阳能集热器为研究对象，建立了太阳能集热器的CFD模型，利用CFD技术研究集热器内部自然对流换热，分析了不同空气夹层间距对新型热管平板太阳能集热器的影响，探讨了太阳能集热器结构改进和优化的可能性。1新型热管平板太阳能集热器的物理数学模型1.1物理模型根据新型热管平板太阳能集热器的实际结构建立模型，集热器长1000mm，宽1000mm，沿

5、长度方向布置20根热管，每根热管尺寸为1000mm×26mm×3mm，热管间距24mm。水管直径24.5mm，底部保温层厚度40mm，吸热板厚0.4mm。吸热板的太阳能吸收率为95%，超白玻璃盖板太阳能吸收率为5%，太阳能透过率为92%。新型平板热管太阳能集热器CFD模型如图1所示，新型热管平板太阳能集热器的物性参数列于表1。图1新型热管平板太阳能集热器CFD模型表1新型热管平板太阳能集热器物性参数空气层水吸热板保温层微平板热管水管铝合金边框玻璃盖板导热硅胶密度（kg/m3）Boussinesq99

6、8.227193027192719260025002300比热容(J/kg·K)1006.4341828711380871871904.38401500导热系数(W/m·K)0.02420.65060.045×105202.4112.50.7621.2数学模型1.2.1基本控制方程集热器内部流体的流动和换热包括热交换器内水的强迫对流流动与换热和集热器上部封闭腔体内空气的自然对流流动与换热。假设封闭腔体内空气的自然对流符合Boussinesq假设，空气除密度以外的热物性与温度无关。在不可压缩稳态情况下

7、，计算域内流体流动及传热满足如下基本控制方程。连续性方程：(1)动量方程：(2)能量方程：(3)式中，为速度，为密度，为压力，为重力加速度，为应力张量，为定压比热容，为密度，为导热系数，为体积热源的源项。1.2.2湍流模型热交换器内水的流动属于湍流流动，封闭腔体内空气的自然对流流动属于层流流动。由于标准模型应用多，计算量合适，有较多的数据积累和相当的精度[3]，因此本文的湍流模型采用标准模型。在标准模型中，和是两个基本的未知量，与之相对应的输运方程为[4]：(4)(5)式中：－由于平均速度梯度引起的

8、湍动能的产生项；－由于浮力引起的湍动能的产生项；－可压湍流中脉动扩张的贡献；－经验常数；－由湍动能和耗散率对应的Prandtl数；－用户根据计算工况定义的源项。1.2.3太阳加载模型太阳加载模型的射线跟踪算法用于预测入射太阳辐射所引起的直接照射热流，该算法将太阳辐射处理成具有太阳位置向量和照射参数的一条射线，并将其用于用户指定的壁面，入口和出口边界上，通过进行面与面之间的遮蔽分析来确定在所有边界面元和内部壁面上被遮挡的部分，然后计算入射太阳辐射在边界面元上所产生的热流