蛇形双流道平板式太阳能空气集热器的设计与试验

李晓琳，庄卫东

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

蛇形双流道平板式太阳能空气集热器的设计与试验

李晓琳，庄卫东

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

平板式太阳能空气集热器是太阳能利用的一种重要方式。通过对传统平板式太阳能空气集热器的流道进行改进，从而设计出一种新型平板式太阳能空气集热器，其流道形式为蛇形上、下双流道式。针对大庆市的地理位置与气候条件，制作出两个模型，对其进行性能测试。通过Fluent软件进行模拟，将模拟所得结果与实验结果进行对比，对比结果基本吻合。结果表明，蛇形双流道平板式太阳能空气集热器的集热效率比传统集热器集热效率高21.74%。

空气集热；双流道；Fluent软件；温度场

能源问题已经不仅仅是某一个国家的问题，而是整个世界、整个人类社会所要面对和所要解决的问题[1]。地球上最根本能源是太阳能，太阳每年辐射到地球表面能量为50×1 018 kJ，相当于目前全世界能量消费的1.3万倍，取之不尽、用之不竭，是绿色无污染的清洁能源[2]。太阳能综合利用已经应用于热发电、苦咸水淡化等领域[3-4]。因此发展太阳能是节约能源的有效途径之一。

与太阳能热水器相比，太阳能空气集热器更有许多突出的优点：耐寒抗冻；空气不会腐蚀管路和集热板；空气比水反应快，受到阳光照射很快就会得到热空气；制造简单且造价低[5-6]。太阳能空气集热器是一种利用空气为工作介质的集热装置，适用于建筑采暖、除湿、农产品干燥等领域[7]。传统的空气集热器内部存在流动死区，空气与吸热板换热不均匀，集热器效率较低[8]。EI-Sebaii等研究了选择性吸收涂层对空气集热器热性能的影响。Mukesh等[9]对流道填充床层的空气集热器进行了实验测试和分析。Yeh等对双流道空气集热器进行理论和实验研究，发现当上下流道空气流量相同时集热器的集热效率最高[10]。Yeh Ho-Ming等[11]的研究表明在集热器中增加空气流回流流道能有效提高集热器性能与流体出口温度。陈思等[12]对大庆市平板式太阳能空气集热器做了应用研究。在集热器空气流道侧增加金属隔板将空气流道分割成蛇形，能增加空气流在集热器中流程，同时金属隔板可作为肋片增强传热，最终达到提高集热器集热性能和空气出口温度的效果。

1 试验方案

设计出一种蛇形上、下双流道太阳能平板式空气集热器，空气流道内设有导流隔板，其作用：（1）增加空气在集热器内的流程，也增加了空气的受热时间，从而提高了集热效率；（2）增大了集热器的集热面积。夏佰林[13]对流道转弯数量N与蛇形流道集热器集热性能之间的关系进行了研究，其计算方法如下：

图1 试验实物图Fig.1Object map of test

代入平板空气集热器结构参数，得到热迁移因子FR，及其转弯数量N。利用该方法，带入集热器的结构参数，计算得出热迁移因子FR为0.79，转弯数量为11。

图2 集热器俯视图Fig.2The top view of collector

图3 集热器部分纵截面图Fig.3The collector of longitudinal section

2 试验设计

2.1 试验装置的设计

制作两个平板式太阳能空气集热器如图1所示，几何尺寸为：2 000 mm×1 000 mm×220 mm。采用玻璃纤维棉作为集热器内两侧和底部的保温材料，厚度为30 mm。在上、下部位各开直径为180 mm的口作为出入口。传统空气集热器（模型a）：其结构如图2，流道结构如图3。

蛇形双流道空气集热器（模型b）：其结构如图4，采用双流道形式如图5，上流道长2 000 mm，宽940 mm，高120 mm；下流道长2 000 mm，宽940 mm，高60 mm。

图4 集热器俯视图Fig.4The top view of collector

图5 集热器部分纵截面图Fig.5The collector of longitudinal section

2.2 实验装置介绍

实验系统主要由PWM调速器（1）、风机（2）、太阳能电池板（3）、蓄电池（4）、太阳能充电控制器（5）、出风管（6）、太阳能空气集热器（7）和进风管（8）组成，其连接方式如图6所示。

图6 实验装置布置示意图Flg.6Schematic of experimental device

其工作原理：太阳辐射能透过盖板射集热板上转换为热能，冷空气从入口流入，通过内腔吸收热能后从出口处流入室内。

2.3 测试试验

测试时间：2015年12月。测试地点：黑龙江省大庆市。地理位置在北纬45°46′至46°55′，东经124° 19′至125°12′之间。大庆市年日照时数为2 726小时，年太阳总辐射量491.4 kJ·cm-2。测试条件：测试时间10：00～14：00，每隔20 min进行一次测量，选择日照晴好的全天。集热器朝南与地面成67°夹角倾斜放置；温度测量仪（量程宽达-20～50℃）3个，分别放置在集热器进、出口以及集热器旁；日照仪（量程宽达11ux～50 000 lux，精度：±4%rdg±0.5%f.s）与太阳能辐射强度仪放置集热器高度的中间位置，与集热器保持平行；空气流量数据的采集是通过测量进风口的风速计算出来的。控制为风度3 m·s-1，空气阻力由公式（3）计算可得：上流道空气阻力为0.512 N；下流道空气阻力为0.256 N。

式中：C—为空气阻力系数；ρ—为空气密度；S—物体迎风面积；V—为物体与空气的相对运动速度。举例一次试验数据记录如表1所示。

表1 一次试验数据记录Table 1Results of compared experiment data

从表1中可以看出，模型a在正午12点40分温度达到14.7℃，10时为最低温度9.2℃；模型b在正午12点40分温度达到33.4℃，10时为最低温度18.6℃。两种空气集热器温度相差9.4～18.7℃。并且在相同条件下，模型b相对于模型a预热快，散热慢，保温性强。

2.4 影响因素分析

计算集热器的热效率，即集热器有效吸收的能量与透射到集热器盖板表面的太阳辐射量之比，其计算式为：

式中：Tr、Tc—集热器进、出口空气温度；Ap—集热板的采光面积；m—空气的质量流量，m=ρVD2π/4，ρ—空气的密度；V—出口空气流速；D—出口管径，取D= 180 mm；IβT—倾斜面太阳总辐射强度，W·m-2。

计算中采用的集热器进、出口温度和太阳辐射强度，均为试验时间段内的平均值，其中将平均太阳辐射强度、进口空气温度即环境的平均温度，以及集热器热效率的计算结果汇总到表2。

表2 集热器数据采集表Table 2Collector data collection table

3 Fluent模拟与试验数据对比分析

应用Gambit软件分别对模型a和模型b进行建模并划分网格，如图7～8所示，为建立的三维模型图。下方开口为空气入口，上方为空气出口。设置边界条件，并导入Fluent模拟软件做温度流场分析。

图7 模型a三维模型图及网格划分Fig.7Model a 3D figure and mesh generation

图8 模型b三维模型图及网格划分Fig.8Model b 3D figure and mesh generation

通过Fluent模拟软件，模拟模型a、b的温度场、速度场如图9～10所示。由图9（a）可知，冷空气从进气口进入，只有一部分空气被集热板加热，其传热方式是由中心向四周传热，温度由中心向四周逐渐降低，进入的冷空气在集热器内未能等到充分加热便从出口流出，导致集热效率差，模拟出的出口温度为14℃。因空气流道的特定，空气在集热器内的走向呈蛇形，由图10（a）可知，冷空气从进气口进入，在集热器内得到充分加热，随着流程的增加，空气的温度也逐渐上升，模拟出的出口温度为33℃，集热效率为63.66%，与试验结果基本吻合，试验具有可靠性。风速为3 m/s时，由图9（b）可知，集热器内部存在2个涡流区，从而导致集热器的集热效率；由图10（b）可知，集热器内部未存在涡流区，同时空气受集热器墙体壁面的影响小，能够反映出主体的流动性。

综上所述，模型b的集热效果高于模型a的。由于是蛇形双流道，增加了空气在集热器内的流程，使得空气在集热器内能够得到充分的加热，从而提升了集热器的集热效率。所以模型b有广泛的应用价值。

4 试验验证

利用上述1.3测试试验的方法，对蛇形上、下双流道平板式太阳能空气集热器进行试验验证，如图11所示。采集数据，通过集热效率公式计算得出集热效率为62.73%，与模拟结果基本吻合。

图9 模型a温度场和空气流速矢量图Fig.9Model a Surface temperature field and flow velocity vector

图10 模型b温度场和空气流速矢量图Fig.10Model b Surface temperature field and flow velocity vector

图11 集热器装置实物图Fig.11The real figure collector device

5 结论

太阳能空气集热器是利用太阳辐射热加热空气，将获得加热的空气得以利用的一种装置。为使集热器提高集热效率、减少热量损失，国内外对平板型太阳能空气集热器内部流道的研究较为广泛，而平板式太阳能空气集热器内部流道由于结构变换多样，研究也具有很强的针对性。设计出了蛇形双流道平板式太阳能空气集热器，并对其进行理论、试验、模拟的对比研究，得出结论如下：

（1）由于是蛇形双流道，增加了空气在集热器内的流程，使得空气在集热器内能够得到充分的加热，从而提升了集热器的集热效率，其比传统集热器集热效率高21.74%，且集热效率达到了62.73%，所以该集热器有广泛的应用价值；

（2）通过Fluent模拟软件，对集热器的内部流场进行分析，分析发现涡流区会导致集热器的热损失增大，从而影响集热器的集热效率。

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Design and Experiment of Flat Plate Solar Air Collector With Double Serpentine Flow Passages

Li Xiaolin，Zhuang Weidong
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Plate type solar air collector was an important way of solar energy utilization.A new type of flat plate solar air collector was designed through improving the flow channels of traditional flat-plate solar air collector，which the flow channel was double serpentine upper and lower flow.Experimental investigation on characteristics of solar air collectors after two models were made and collected the datum according to the geographical location and climate conditions of Daqing.It was simulated by Fluent software，compared with the experimental results，the simulation results showed that the serpentine double flow collection efficiency of flat plate solar air collector thermal efficiency was 21.74%，which was higher than the conventional collector.

solar air collector；double flow；fluent software；temperature field

S2

A

1002-2090（2017）04-0094-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.04.021

2016-04-23

国家重点研发计划子课题（2016YFD020060802）。

李晓琳（1992-），女，黑龙江八一农垦大学工程学院2014级硕士研究生。

庄卫东，男，教授，硕士研究生导师，E-mail：81nd@163.com。