真空管太陽能集熱系統溫度場、速度場模擬

摘 要

摘要：采用三維數學及物理模型對真空管太陽能集熱系統的溫度場、速度場進行了模擬。集熱系統內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：采用三維數學及物理模型對真空管太陽能集熱系統的溫度場、速度場進行了模擬。集熱系統內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。蓄熱水箱內呈現明顯的溫度分層，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，只能通過導熱傳熱。
關鍵詞：真空管；太陽能集熱系統；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，太陽能集熱系統作為熱源或輔助熱源的應用越來越多[1～9]。真空管集熱系統(以下簡稱集熱系統)由于其具有成本低、熱損失小等優點，成為應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的溫度場、速度場分布特點，有必要采用Fluent軟件進行相關模擬研究，揭示集熱系統傳熱機理，進而指導以集熱系統作為熱源或輔助熱源的系統設計。本文采用三維數學及物理模型對集熱系統的溫度場、速度場進行模擬研究。
2 模型的創建和網格化
    ① 集熱系統結構及技術參數
    集熱系統由真空管、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射率。內外玻璃管的夾層抽成真空，真空度是保證集熱系統質量和使用壽命的重要指標。蓄熱水箱位于集熱系統頂端，由內膽、聚氨酯保溫層和外殼組成。真空管將吸收的太陽能轉換成熱能，由于冷水比熱水密度大，在集熱系統內形成冷水自上而下，熱水自下而上的自然循環，使蓄熱水箱中水的溫度逐步升高。本文研究的集熱系統技術參數見表1。
表1 集熱系統的技術參數
真空管
外玻璃管外徑/mm
58
外玻璃管壁厚/mm
2
內玻璃管外徑/mm
48
內玻璃管壁厚/mm
2
玻璃管長度/mm
1800
數量/支
14
管間距/mm
75
蓄熱水箱
內膽內徑/mm
380
保溫層厚度/mm
50
蓄熱水箱長度/mm
1150
    ② Fluent模型
    考慮到計算機內存的限制和CFD技術的局限性，為了不失一般性，對模型進行簡化[10]。
   a. 由于集熱系統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換為內管上半部分的內熱源。內熱源的單位體積熱流量q的計算式為：
 
式中q——內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——太陽輻射強度，W/m2
    δ——內玻璃管的壁厚，m
    內玻璃管的輻射熱損失及長度方向熱損失轉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化為第三類邊界條件。
    在建立模型時，進行以下設定：除流體密度和黏度外，其余物性參數為常量；蓄熱水箱長度方向熱損失忽略不計，兩端作為絕熱邊界；模擬計算時，環境溫度取模擬時間內的環境平均溫度。按照以上簡化和設定生成幾何模型后，對幾何模型進行網格劃分(見圖1)。

    水的密度和黏度隨溫度變化的表達式為[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
    模型內的傳熱依靠水的密度差進行，即以浮力作為驅動力的自然對流，因此應采用瑞利數Ra判斷浮力驅動的對流流態[12]。
當Ra≤108時，浮力驅動的對流為層流；由層流向湍流轉變時，108＜Ra≤1010；當Ra＞1010時，浮力驅動的對流為湍流。取蓄熱水箱的長度作為特征長度，經計算可得Ra在1011左右，達到了湍流范圍。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——時間，s
    υ——水的速度矢量
    Γ——廣義擴散系數
    S——廣義源項
    在各個控制方程中，通用變量φ和廣義擴散系數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，為空間坐標的函數，取決于流態，而不是物性參數
    k——湍動能，J
    σk、σε、σT——系數，取值分別為1.0、1.3、0.9～1.O
    ε——湍流耗散率
    Pr——湍動普朗特數
    邊界條件：內玻璃管傳熱系數取0.85W/(m2·K)[11]，蓄熱水箱傳熱系數取0.8W/(m2·K)[11]，計算環境溫度取模擬時間內環境平均溫度。
    初始條件：模擬計算時間為2010年5月31日12：00—13：00。初始時刻蓄熱水箱的溫度取12：00蓄熱水箱的平均溫度(37.45℃)。太陽平均輻射強度為784W/m2，由式(1)計算得，q=220.6kW/m3，為計算方便q取220kW/m3。模擬計算時間內，環境平均溫度為26.33℃。
4 Fluent求解器選擇
    Fluent導入Gambit建立3維網格后，采用分離式求解器、非穩態流動。選用Fluent默認的參考壓力(標準大氣壓力)，并考慮重力。流態按湍流對待，選擇標準k-ε湍流模型，模型的所有系數采用默認值。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值。
5 模擬結果及分析
    中心面的溫度、速度分布分別見圖2、3，圖2中數值單位為℃。

    由圖2、3可知，在密度差引起的浮力和慣性力的作用下，集熱系統內存在下降的冷流體和上升的熱流體。真空管內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，該區的水流速慢，熱擾動很小，主要依靠導熱傳熱。

    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，圖中數值單位均為m/s。由圖4～7可知，沿著遠離蓄熱水箱方向，真空管內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這段真空管內存在冷熱流體的回流混合，造成熱損失，降低了集熱系統的效率，采用引流擋板可以在一定程度上解決該問題[11]。
6 結論
   集熱系統內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。蓄熱水箱內呈現明顯的溫度分層，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，只能通過導熱傳熱。
參考文獻：
[1] 林聰，王久臣，周長吉.沼氣技術理論與工程[M].北京：化學工業出版社，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的研究(碩士學位論文)[D].上海：同濟大學，2009：209-211.
[4] 馬永濤，鄭宗和，葛昕，等.西藏地區太陽能熱泵供暖系統的性能分析[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在西藏地區的應用[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的實驗研究[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在建筑節能的應用[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管輻射供暖系統[J].煤氣與熱力，2010，30(1)：A07-A09.
[10] 鐘建立，付麗霞，雷進波.全玻璃太陽能真空集熱管流場和溫度場的可視化研究[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，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流場的CFD模擬[J].北京航空航天大學學報，2008，34(10)：1195-1199.
[12] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2007：268-269.
[13] 王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學，2004：121-123.
 
(本文作者：郭超 秦朝葵 呂趙鍵 同濟大學 機械工程學院 上海 201804)