真空管空气集热器阵列风量分布的数值模拟

1 概述

许多学者对热水集热器(文中的集热器均指太阳能集热器)流量分布和热特性进行了研究，Jones等人

研究了热水集热器内等温流动分布，建立了系统离散水动力模型，对不同参数下热水集热器的流量分布进行了数值计算，并对模型准确性进行了实验验证。Shen

研究了热水集热器分流集管、汇流集管中沿程阻力对流动分布的影响，得到了解析解。别玉等人

建立了太阳能热水系统能量守恒模型，提出使热水集热器内部流量分布更加均匀的改进措施和算法，并对计算结果进行了误差分析。杨浩等人

分析了热水集热器集管流量不均匀问题，建立了描述系统流量分布、流动压力分布的数学模型，通过数值模拟得到了太阳能热水系统流量分布的变化规律。

在真空管空气集热器的研究中，于瑞

对相变蓄热型真空管空气集热器的风机、风管进行常温状态下阻力计算，未考虑温度影响。石月明

设计了内插式真空管空气集热器实验平台，对集热器的流动阻力损失、步进式升温规律、集热效率等进行了测量，确定了最佳内插管尺寸。Zhang等人

对带和不带热罩的同轴直流式真空管空气集热器的抽热性能进行了实验评价和对比分析。王志峰等人

对真空管空气集热器的热延迟常数、时间常数等进行了分析，提出了一种适用于有固定支架的集热器热性能的实验测试方法。

由以上分析可知，与热水集热器相比，对真空管空气集热器的阻力特性研究比较欠缺。当真空管空气集热系统在流量分配差异较大时，除了易导致集热器阻力不平衡，使系统阻力设计和选型复杂外，还易导致系统某一支路风量比较小，造成局部高温，甚至损坏设备。本文以真空管空气集热器阵列为研究对象，采用控制变量法，数值模拟研究进风量、干管内直径、各列集热器串联数量、太阳辐照度、进风温度对各列集热器风量分布的影响。

水利工程概（估）算编制规定涉及的专业及内容较多，不可能考虑到概（估）算编制过程遇到的所有情况，提出上述问题及思考，目的是希望尽快发布新的“编规”，新“编规”应尽量地覆盖到各类水利工程，尽可能全面、完善、准确、清楚，最大限度地满足概（估）算和工程量清单计价的需要，达到指导项目决策和投资控制的作用。

（3）漳河水利经济管理创新情况。一是实行岗位竞争，完善用人机制。各企业在人事管理中，对重要岗位和关键岗位实行岗位竞争，激发了广大职工坚持加强自身学习，不断提高自身技能和水平，从而成为实现自我价值的内在动力。二是实行分配改革，完善激励机制。各生产经营单位实行效益工资，职工收入分配总额与生产经营单位主营业务收入、利润、资本保值增值率、资产负债率、收入变现率、上交款项等经济指标挂钩，根据经济指标完成情况确定，收入分配总额随各项指标增减率浮动。

2 数学模型与研究对象

① 数学模型

② 研究对象

为获得较高的出口温度，并保证集热器集热效率以及各路径风量较为均衡，真空管空气集热器采用串并联方式(即将若干集热器串联后，再与下一列串联集热器并联)。以3×3为例的集热器阵列见图2。图中红色线条代表干管。

边界条件：初始时刻，分流集管进口处静压为设定初始压力(本文根据集热器进风量、进风温度确定初始压力)，分流集管进口处流速为设定初始流速。初始时刻，分流集管末端不存在流体涡流，流体流速为0。初始时刻，汇流集管的流体流速为0。摩擦阻力系数、局部阻力系数由文献[14]的计算方法获得。由能量方程、连续性方程、边界条件构成真空管空气集热器离散化数学模型，通过Matlab编制程序建立和计算。

根据文献[12]、[13]的研究结果，热水集热器可视为多支管并联管组，根据类比，真空管空气集热器可视为由分流集管、汇流集管、多根集热管组成的并联管组。

真空管空气集热器模型见图1。集热器内的空气流动主要包含5部分：空气在两相邻集热管间的分流集管管段处流动、空气在集热管与分流集管交汇处流动、空气在集热管中流动、空气在集热管与汇流集管交汇处流动、空气在两相邻集热管间的汇流集管管段处流动。将图1中的微元体作为研究对象的能量方程、连续性方程见文献[13]。

单个集热器的面积为4.86 m

，与水平面夹角为35°。分流集管、汇流集管内直径均为110 mm，二者中心线间距为1.88 m。集热管总长1.8 m，集热管数30根，外直径为58 mm，内直径为47 mm。集热器阵列为10列。研究进风量、干管内直径、集热器串联数量、太阳辐照度、进风温度(即环境温度)对各列集热器风量分布的影响。影响因素与取值见表1。

（2）奉新县城处于生态特色发展区和环城游憩带，当地历史文化资源丰富，附近有重点建设的九岭山国家公园，横向包括沪昆和昌景黄客运专线，交通便利，吸引游客，适合发展全域生态旅游。

3 模拟结果及分析

① 进风量

ABB矢志与全中国的客户一起共创数字化未来，扎根中国，在中国的基础设施发展中扮演了重要角色，同时一直致力于科技创新领域的推广和投资。ABB集团首席执行官史毕福表示，“今天，我们运用领先的ABB Ability™数字化解决方案和服务，帮助能源、工业、交通与基础设施领域的客户充分发掘大数据的优势来提升生产力，增强创新力，提升核心竞争力。自去年在中国发布ABB Ability™以来，我们的数字化业务已实现双位增长，完美契合中国十三五计划和中国制造2025中谋划的重点产业。”

干管内直径为200 mm，各列集热器串联数量为3台，太阳辐照度为800 W/m

，进风温度为10 ℃。不同进风量下各列风量比例(与进风量之比)见图3。由图3可知，不同进风量下，1～10列风量比例均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。进风量对各列风量分布的影响不明显。

② 干管内直径

选用New Focus公司的可调谐激光器作为激光光源,该激光器具有优越的光学特性,1 520 nm～1 570 nm 连续可调,可以满足对平面环形微腔传输特性的测试。如图8所示,将激光器与可调谐激光控制器配合使用,作为系统输入光源,设定扫描范围为1 520 nm～1 570 nm,为提高测试精度,将扫描步长设置为0.1 nm/s。

干管内直径为200 mm，进风量为0.4 kg/s，各列集热器串联数量为3台，进风温度为10 ℃。不同太阳辐照度下各列风量见图6。由图6可知，不同太阳辐照度下，1～10列风量均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。太阳辐照度对各列风量分布的影响不明显。

该方案也是目前的主流控制方式，具体的实际案例非常多，如海口Ⅰ（2×600 t/d）、株洲（2×500t/d）、哈尔滨（2×600t/d）、海口Ⅱ （2×600t/d）、珠海 （2×600 t/d）、芜湖 （2×600 t/d）、石家庄（1×825 t/d）、宁波（3×750 t/d） 等项目。以上项目均已长期投入运行。

④ 太阳辐照度

干管内直径为200 mm，进风量为0.4 kg/s，太阳辐照度为800 W/m

，进风温度为10 ℃。不同各列集热器串联数量下各列风量见图5。由图5可知，不同各列集热器串联数量下，1～10列风量均先减小后增大，趋势随各列集热器串联数量的增大而减弱。各列集热器串联数量越少，各列集热器之间的风量不平衡情况越明显。

③ 各列集热器串联数量

进风量为0.4 kg/s，各列集热器串联数量为3台，太阳辐照度为800 W/m

，进风温度为10 ℃。不同干管内直径下各列风量见图4。由图4可知，不同干管内直径下，1～10列风量均先减小后增大，趋势随干管内直径的增大而减弱。干管内直径越小，各列集热器之间的风量不平衡情况越明显。

⑤ 进风温度

干管内直径为200 mm，进风量为0.4 kg/s，各列集热器串联数量为3台，太阳辐照度为800 W/m

。不同进风温度下各列风量见图7。由图7可知，不同进风温度下，1～10列风量均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。进风温度对各列风量分布的影响不明显。

1.1 一般资料 选取2017年3月～5月在广东三九脑科医院住院的脑瘫儿童家长42名。诊断标准：住院儿童必须符合中国脑性瘫痪康复指南脑瘫诊断标准[3]；纳入标准：符合诊断标准的脑瘫儿童家长；且未曾接受过相关心理干预和辅导。排除标准：因视力、手部残疾等因素限制不能完成问卷填写的家长。

4 结论

① 不同进风量下，各列风量比例均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。

② 不同干管内直径下，各列风量均先减小后增大，趋势随干管内直径的增大而减弱。干管内直径越小，各列集热器之间的风量不平衡情况越明显。

③ 不同各列集热器串联数量下，各列风量均先减小后增大，趋势随各列集热器串联数量的增大而减弱。各列集热器串联数量越少，各列集热器之间的风量不平衡情况越明显。

④ 不同太阳辐照度下，各列风量均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。

⑤ 不同进风温度下，各列风量均先减小后增大，不仅变化趋势相似，而且数值也接近。

⑥ 进风量、太阳辐照度、进风温度对各列风量分布的影响不明显。

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