太阳能烤房的平板型空气集热器流道优化模拟分析

2015-12-25珠海兴业新能源科技有限公司马世歌谭军毅华南理工大学机械与汽车工程学院张宾

太阳能 2015年8期

珠海兴业新能源科技有限公司 ■ 马世歌谭军毅华南理工大学机械与汽车工程学院 ■ 张宾

太阳能烤房的平板型
空气集热器流道优化模拟分析

珠海兴业新能源科技有限公司 ■ 马世歌*谭军毅华南理工大学机械与汽车工程学院 ■ 张宾

摘要：针对太阳能烤房的平板型空气集热器出口空气温度如何提高的问题，本文对烤房顶部平板型空气集热器进行流道模拟分析，通过改变太阳能烤房顶部平板型空气集热器内折流板数量、尺寸及外形，进行Fluent模拟计算分析，得出集热效率较高的集热器内部设计方案，当太阳能空气集热器供热量不足以供给烤房使用时，空气源热泵作为辅助热源，保证烤房不间断工作。

关键词：太阳能烤房；CFD模拟；空气集热器；折流板；空气源热泵

0 引言

当前环境污染和能源危机是制约我国乃至人类社会可持续发展的两大瓶颈，而推广可再生能源是解决问题的关键之一[1]。太阳能空气集热装置结构简单可靠，安装维护方便，无泄漏、堵塞、防冻等问题，因此被广泛用于辅助供暖、制取生活热水、农副产品干燥[2]等领域。我国是太阳能资源比较丰富的国家，全国总面积2/3以上的地区年日照时数超过2200 h，年辐射总量超过5×103MJ/m2。全年照射到我国的太阳能是全年的煤、石油、天然气、柴草等全部常规燃料所提供能量的2000多倍[3]。平板空气集热器成本低、承压高，但热效率较低，其因结构简单、价廉和安装方便而在全世界获得广泛应用，在我国南方也占主导地位。平板型集热器不论是外观上还是整体上都能同环境协调，易与建筑形成一体，因此更易被人们接受。

目前，需要烘烤所涉及的物品种类繁多、数量巨大，占全国能耗的10%～12%，传统的燃煤(其他燃料)烘烤能耗大、污染严重。若采用太阳能作为烤房主要能源来源，将极大降低烤房对传统能源的依赖性，从而减少对大气的污染。

由于太阳能供热的瞬时性和不稳定性，常需空气源热泵做辅助热源。当空气源热泵作为辅助能源运行时，每台空气源热泵的冷凝器冷凝功率是一定的。空气经过冷凝器的流量与温升即为冷凝器的冷凝功率，可提高冷凝器侧空气进口温度。出口温度恒定时，通过冷凝器的空气流量就可增大，即整体上可提高空气源热泵的利用效率。

本文中的平板型空气集热器主要应用于烤房中，且烤房配有空气源热泵作为辅助能源。通过平板型空气集热器流道优化模拟结果与实验结果进行对比，并得出性能较好的空气集热器方案。

1 太阳能烤房的基本结构与工作原理

太阳能烤房的结构主要有：空气源热泵、空气集热器及烤房箱体。其基本结构如图1所示，烤房工作原理如图2所示。于底板及四周均进行高效绝热，计算时忽略两者向外界的散热损失；2)忽略进出口截面的热量散失；3)实际采用的折流板为玻璃材质，计算时忽略折流板对吸热板的遮挡，同时不考虑折流板与底板和四周的辐射换热；4)假定底板发射的长波辐射不能穿越玻璃盖板直接与环境进行辐射换热；5)忽略测量装置对流场的影响[4]。

3.1 建模及网格划分

运用Fluent自带软件ICEM按实际尺寸对集热器进行建模并进行网格划分，如图3所示。采用结构化网格对流域进行划分。

当平板型空气集热器出口温度可满足烤房温度需要时，无须启动空气源热泵，即图2中虚线框中空气循环即可；当平板型空气集热器出口温度不能满足烤房温度需要时，空气源热泵启动，平板型空气集热器出口空气进入热泵冷凝器中，加热空气至烤房所需温度，即图2中整个循环。

2 平板型太阳能空气集热器集热性能的影响因素分析

平板型太阳能空气集热器集热性能的外部影响因素主要为：空气流量、太阳辐射、空气入口温度等运行参数。集热器本身的影响因素主要是透明盖板和吸热板的情况。目前，国内外多数针对平板型太阳能空气集热器所做的相关优化研究均是从以上几个方面进行的。

除了以上因素外，空气集热器内空气腔的折流板的形状、尺寸、数量等也对集热器的效率起到至关重要的作用。本文主要分析空气集热器内空气腔的折流板设计参数对空气温升的作用。

3 计算模型

由实际装置抽象得到的计算模型假定：1)由

图1　太阳能烤房结构示意图

图2　太阳能烤房工作原理图

3.2 湍流模型、边界条件及物性参数

集热器内部流动为近似矩形管道流，在所研究的处理气量范围内，由于折流板的存在，流动中伴随着因强烈分离而带来的扰动，加之浮力流的影响，判定其内部流动状态为湍流，后面计算结果也表明按湍流处理与实际测量结果符合较好。湍流模型选取标准k-e模型，此模型本身具有稳定性、经济性和较高的计算精度。

本文中，主要对2 m×2 m的空气集热器进行模拟分析，空气集热器主要尺寸为：长2000 mm；宽2000 mm；厚54 mm；折流板长1538 mm、高54 mm；阻流口尺寸长550 mm×宽32 mm；进出口直径150 mm；玻璃盖板及蓝膜厚度简化为4 mm；进出口风道高简化为100 mm。

图3　各种方案的三视图

CFD模拟计算主要边界条件为：进口风速7 m/s；玻璃盖板比热容966 J/(kg•K)；进口温度50 ℃；玻璃导热系数0.3 W/(m•K)；辐照度700 W/m2；边框与环境换热系数2.8 W/(m2•K)；环境温度26 ℃；背板与环境换热系数0.023 W/(m2•K)；玻璃与环境换热系数11.4 (W/m2•K)；风道与环境换热系数2.8 W/(m2•K)。