新型折流板式雙風(fēng)道空氣集熱器數(shù)值模擬

王亮，滿意，2，*

（1．山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟南250101；2．可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點實驗室，山東 濟南250101）

0 引言

太陽能空氣集熱器不僅可以在冬天加熱室外空氣，為室內(nèi)進行送風(fēng)供暖，還可以在夏天遮擋部分外墻墻壁，降低墻體吸收的太陽輻射［1］。空氣集熱器可與冬季供暖系統(tǒng)結(jié)合起來，以空氣為介質(zhì)，對于系統(tǒng)無腐蝕、結(jié)垢和承壓等要求，如有泄露也不致影響整個供暖系統(tǒng)的使用［2］。

眾多學(xué)者針對集熱器的高效熱利用進行了大量的研究，通過改變吸熱板的形狀、流道進出口以及采用穿孔型吸熱板等，提高集熱器的集熱效率［3－5］；利用加入擾流板增強空氣與吸熱板之間的擾流，增強空氣的換熱能力以提高集熱器的熱利用率［6－9］；通過加入雙層玻璃、將傳統(tǒng)平板式改進為熱管式、板管式，提高集熱器的瞬時集熱效率［10－12］；將單層流道改變?yōu)殡p層流道、蛇形雙流道，可以增加空氣流量、改善空氣旋渦，提高空氣集熱器的熱利用效率［13－14］。

文章將折流板、雙層風(fēng)道結(jié)合起來，并將雙風(fēng)道改變?yōu)?風(fēng)道（上、下層各有2個風(fēng)道），上層流道通入新風(fēng)，下層流道流入回風(fēng)。改變進出口的流量，不僅可以實現(xiàn)不同的出口溫度，還可以做到有效節(jié)約能源。通過計算建立的數(shù)值傳熱模型的結(jié)果，分析了不同流量的空氣在相同的進口溫度條件下對集熱器集熱效率的影響，比較出最佳工況的選擇。

1 新型折流板式雙風(fēng)道空氣集熱器模型構(gòu)建

1．1 模型尺寸

如圖1所示，新型集熱器共分4個進口與4個出口，上層進、出口的尺寸均為100 mm×20 mm，下層進、出口的尺寸均為100 mm×10 mm。上、下層空氣流道高度分別為50、30 mm。上、下層流道左右側(cè)折流板各為12、2個，設(shè)置不同形式的流道出于以下2點考慮：（1）可以最大程度節(jié)省折流板的板材；（2）下層流道的回風(fēng)折回吸熱板的高溫區(qū)與低溫區(qū)，可以最大程度利用吸熱板上的熱量，有利于提高集熱器的熱利用率。集熱器部件尺寸及參數(shù)見表1。

圖1 新型太陽能空氣集熱器模型圖

表1 集熱器部件尺寸與材質(zhì)表／mm

1．2 模型假設(shè)與控制方程

1．2．1 模型的假設(shè)

（1）PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱很小，可忽略不計；

（2）保溫層的保溫效果很好，底部與四周均無散熱；

（3）折流板導(dǎo)熱性能良好；

（4）忽略集熱器側(cè)面與背部的散熱損失；

（5）忽略PC蓋板與天空之間的輻射換熱；

（6）風(fēng)道中空氣的流動視為常物性流體的穩(wěn)態(tài)流動。

PC蓋板的發(fā)射率很低，因此在模擬中忽略PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱，只考慮PC蓋板與外界空氣間的對流換熱，而忽略其與天空及周圍環(huán)境間的輻射換熱。當(dāng)空氣集熱器的上層蓋板發(fā)射率較大，或空氣集熱器用于天空及周圍環(huán)境的等效輻射溫度與蓋板之間溫差較大的地點時，必須對模型的計算結(jié)果進行修正。

1．2．2 控制方程與網(wǎng)格劃分

在進行模擬計算的過程中，模型的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程［15］，通用形式由式（1）表示為

式中：ρ為密度，kg／m3；u、v分別為 x、y方向的速度，m／s；當(dāng) φ為速度 u、v（m／s）時，式（1）表示動量方程；當(dāng)φ為溫度T（K）時，式（1）表示能量方程；Iφ為擴散系數(shù)；Sφ為源項。

在模擬計算的過程中，空氣在風(fēng)道中的流動為紊流，所以控制方程還包括K方程和ε方程［15］，其中 K、ε方程分別由式（2）、（3）表示為

式中：K為紊動能，J；t為時間，s；ui、uj為速度，m／s；系數(shù)，kg／（m·s）；ε為紊動能耗散率，%。αSμeff＝Cε2＝1．91～1．92。

計算模型采用Realizable K－ε模型，相較于標(biāo)準(zhǔn)的K－ε模型，其為湍流黏性增加了1個公式，為耗散率增加了新的傳輸方程，而且對于平板的發(fā)散比率有更精確的預(yù)測［16］。

Realizable K－ε模型方程由式（4）、（5）表示為

式中：μ為分子黏性系數(shù)，Pa·s；σK、σε分別為湍動能K和耗散率的湍流普朗特數(shù)；PK為由平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能，J；Pb為由浮力影響所產(chǎn)生的湍動能，J；YM為可壓縮湍動脈動膨脹對總的耗散率的影響；Sk、Sε分別為源項。

輻射傳熱DO模型方程由式（6）［17］表示為

式中：λ為輻射波長，μm；αλ為光譜吸收系數(shù)；Ibλ為黑體輻射強度，W／（m2·μm）。

依據(jù)以上所描述的數(shù)學(xué)傳熱模型，運用GAMBIT軟件建模并且對模型進行網(wǎng)格劃分，采用分塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對吸熱板附近壁面以及進、出口端進行加密，經(jīng)過網(wǎng)格獨立性無關(guān)驗證，模型計算網(wǎng)格選取60萬。

1．2．3 物性參數(shù)以及邊界條件設(shè)定

太陽能空氣集熱器風(fēng)道內(nèi)部空氣流動速度較低，所以按不可壓縮流體處理，其物性參數(shù)采用Boussinesq假設(shè)，空氣密度為 1．225 kg／m3。

氣象參數(shù)模擬條件采用標(biāo)準(zhǔn)氣象年TMY數(shù)據(jù)，時間設(shè)定為2018年1月20日12∶00，地點為北緯36°4′，東經(jīng)117°，時區(qū)為東八區(qū)。上、下層流道內(nèi)的空氣總體沿z軸負方向流動；空氣進口溫度按照地域條件不同而設(shè)定為相同初始溫度。利用Fluent軟件所提供的太陽計算器計算得到太陽輻射方向向量分量x、y、z分別為－0．8309881、0．54829、0．09400442。邊界

條件設(shè)定見表2。

表2 邊界條件設(shè)定表

1．2．4 求解方法

模擬計算過程采用三維雙精度壓力基進行求解。由于考慮到模型中的湍流黏度以及湍流耗散等因素，所以選用Relizable的K－ε模型。為了保證數(shù)值模擬結(jié)果精確，輻射模型選擇DO模型。差分格式采用二階精度差分格式，殘差參數(shù)采用二階迎風(fēng)差分格式進行計算。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

以上、下層流道風(fēng)速與進口風(fēng)速相同，上層空氣設(shè)置為新風(fēng)，進口溫度為273 K；下層空氣設(shè)置為回風(fēng)，進口溫度為291 K作為入口邊界條件。按照進口流量的不同，共分為4種不同工況進行數(shù)值模擬計算。

2．1 進口風(fēng)速（0．5 m／s）

以上、下層進口風(fēng)速為0．5 m／s，上層流量均為3．43 m3／h，下層進口流量均為 1．83 m3／h作為速度進口邊界條件，設(shè)定此工況為工況1。模擬計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，由于折流板的折流以及傳熱作用，上、下層空氣與吸熱板以及折流板的換熱充分，溫度死區(qū)出現(xiàn)的區(qū)域較小。由圖2（c）可知，由于離心力的作用，空氣流徑會偏離折流板前端。空氣在吸熱板上流動，帶走的熱量逐漸減少，造成單位體積的空氣溫升逐漸下降；上層流道中的空氣為新風(fēng)，在吸熱板上流動時，由于吸收吸熱板熱量導(dǎo)致吸熱板溫度降低，所以下層流道中通過回風(fēng)可以更好地彌補出口溫度，保證上、下層流道中空氣的出口溫度相差不大，從而達到節(jié)能的目的。經(jīng)過計算得到上層空氣左、右出口溫度分別為 341．71、350．74 K，下層空氣左、右出口溫度分別為 365．65、372．18 K。

2．2 進口風(fēng)速（1 m／s）

將上、下層進口風(fēng)速調(diào)整到1 m／s，上層流道流量均為6．87 m3／h，下層流道流量均為3．66m3／h作為進口邊界條件，設(shè)定此工況為工況2。模擬計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 工況1流道溫度、速度分布圖

圖3 工況2流道溫度分布圖

由圖3可知，由于流道內(nèi)空氣流量的增加，空氣與集熱器的吸熱板換熱較工況1更加充分，空氣流道的溫度死區(qū)較工況1有所減少；而且由于流量的增加，出口溫度較工況1有所降低。經(jīng)過模擬計算得到上層空氣左、右出口溫度分別為 320．04、325．49 K；下層空氣左、右出口溫度分別為326．25、331．24 K。

2．3 進口風(fēng)速（1．5和2 m／s）

將上、下層的進口風(fēng)速逐漸調(diào)整，均為1．5 m／s，上層流道流量均為10．3 m3／h，下層流道流量均為5．49 m3／h，工況3的模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，進口流量的增大，上、下層流道內(nèi)的空氣與吸熱板換熱較上述2種工況更為充分；上、下層流道出口的空氣溫度有所降低，這是由于上層新風(fēng)量有所增加，上層新風(fēng)在吸熱板上帶走的熱量增加，下層流道內(nèi)的空氣吸收的熱量減小。經(jīng)過計算之后的上層空氣左、右出口溫度分別為312．06、314．75 K；下層空氣左、右出口溫度分別為311．92、315．44 K。

調(diào)整工況4上、下層進口速率均為2 m／s，上層流 道 流 量 為 13．73 m3／h，下 層 流 道 流 量 為7．32 m3／h。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況4流道溫度、速度分布圖

由圖5（c）、（d）可知，進口流量的增大，空氣流層的旋渦段有所減少。經(jīng)過模擬計算，得到上層左、右出口溫度分別為 307．44、309．3 K；下層左、右出口溫度分別為304．47、307．23 K。由于上層新風(fēng)量的持續(xù)增加，導(dǎo)致上層空氣在吸熱板上帶走的熱量逐漸上升，下層空氣帶走的熱量減小，上、下層的溫差逐漸增大。

2．4 集熱器瞬時集熱效率

空氣集熱器的瞬時集熱效率可由式（7）［18］表示為

式中：QU為空氣所獲得的能量，W；A為集熱器采光面積，m2；I為單位面積集熱器上吸收的輻射量，W／m2；m為空氣的質(zhì)量流量，kg／s；cf為空氣定壓比熱容，J／kg·K；ti為空氣的進口溫度，K；te為空氣的出口溫度，K。

將計算得到的集熱器效率數(shù)據(jù)匯總，見表3。由表3可知，新型折流板集熱器的瞬時集熱效率接近60%，這是由于上、下層折流板的作用，空氣在流道內(nèi)作蛇形流動，空氣與吸熱板換熱充分，從而大大降低了流道內(nèi)的溫度死區(qū)，并且達到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 計算結(jié)果數(shù)據(jù)表

由表3可知，隨著流道內(nèi)的流量增加，集熱器的瞬時集熱效率逐漸上升，上升的幅度緩慢下降，出口溫度有所降低。當(dāng)流量繼續(xù)增大到一定階段后，流量對集熱器的瞬時集熱效率影響降低。

集熱器上、下層流道中出現(xiàn)氣流渦旋，造成空氣齡偏大。可以通過增加折流板長度或者設(shè)置穿孔型折流板來改進。

針對北方農(nóng)村的供暖需求，采用空氣集熱器送風(fēng)模式進行供暖。考慮到室內(nèi)送風(fēng)流量以及室內(nèi)送風(fēng)溫度不應(yīng)低于313 K，對于此集熱器應(yīng)采用工況2較為合理。

3 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）隨著進口流量的增大，集熱器的出口溫度逐漸下降，當(dāng)上、下層流道進口流量從 3．43、1．83 m3／h變化到 13．73、7．32 m3／h，集熱器的出口溫度從 341．71、350．74、365．65、372．18 K變化到307．44、309．3、304．47、307．23 K。

（2）當(dāng)上、下層流道流量增大時，集熱器的瞬時集熱效率逐漸上升，上升的幅度逐漸降低，工況1集熱效率最低，為39．14%，工況4集熱效率最高，為59．73%。

（3）新型折流板集熱器比傳統(tǒng)的平板集熱器的集熱效率高近20%，空氣與吸熱板換熱充分，減少能源的浪費，可以通過增加折流板長度或者穿孔型折流板來改善空氣流道層。