真空管太阳能集热系统温度场、速度场模拟_工程实践

摘要

摘要：采用三维数学及物理模型对真空管太阳能集热系统的温度场、速度场进行了模拟。集热系统内流体由上升的热流体和下降的冷流体组成，接近蓄热水箱的真空管存在冷热流体混合的

摘要：采用三维数学及物理模型对真空管太阳能集热系统的温度场、速度场进行了模拟。集热系统内流体由上升的热流体和下降的冷流体组成，接近蓄热水箱的真空管存在冷热流体混合的回流区。蓄热水箱内呈现明显的温度分层，水箱上部的流体被来自真空管的热射流加热，下部存在一个滞留区，只能通过导热传热。

关键词：真空管；太阳能集热系统；速度场；温度场；模拟

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

在我国，太阳能集热系统作为热源或辅助热源的应用越来越多^[1～9]。真空管集热系统(以下简称集热系统)由于其具有成本低、热损失小等优点，成为应用广泛的太阳能利用装置之一。为了更加直观地了解集热系统的温度场、速度场分布特点，有必要采用Fluent软件进行相关模拟研究，揭示集热系统传热机理，进而指导以集热系统作为热源或辅助热源的系统设计。本文采用三维数学及物理模型对集热系统的温度场、速度场进行模拟研究。

2 模型的创建和网格化

① 集热系统结构及技术参数

集热系统由真空管、蓄热水箱等部件组成。核心元件为真空管，它由两根同轴的高硼硅特硬玻璃管组成，内玻璃管外壁采用磁控溅射真空镀膜工艺镀膜，该镀膜对太阳光能选择性吸收，具有较高的吸收率和较低的发射率。内外玻璃管的夹层抽成真空，真空度是保证集热系统质量和使用寿命的重要指标。蓄热水箱位于集热系统顶端，由内胆、聚氨酯保温层和外壳组成。真空管将吸收的太阳能转换成热能，由于冷水比热水密度大，在集热系统内形成冷水自上而下，热水自下而上的自然循环，使蓄热水箱中水的温度逐步升高。本文研究的集热系统技术参数见表1。

表1 集热系统的技术参数

真空管
外玻璃管外径/mm	58
外玻璃管壁厚/mm	2
内玻璃管外径/mm	48
内玻璃管壁厚/mm	2
玻璃管长度/mm	1800
数量/支	14
管间距/mm	75
蓄热水箱
内胆内径/mm	380
保温层厚度/mm	50
蓄热水箱长度/mm	1150

② Fluent模型

考虑到计算机内存的限制和CFD技术的局限性，为了不失一般性，对模型进行简化^[10]。

a. 由于集热系统是由多支真空管等间距并列布置，而且间距较小，因此模型可以简化为长度为75mm的蓄热水箱与单支真空管相连。

b. 考虑到Fluent的某些局限性，去掉真空管外管，把单根真空管所吸收的太阳辐射热转换为内管上半部分的内热源。内热源的单位体积热流量q的计算式为：

式中q——内热源的单位体积热流量，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——太阳辐射强度，W/m²

δ——内玻璃管的壁厚，m

内玻璃管的辐射热损失及长度方向热损失转化为第三类边界条件。去掉蓄热水箱的保温层，蓄热水箱的热损失转化为第三类边界条件。

在建立模型时，进行以下设定：除流体密度和黏度外，其余物性参数为常量；蓄热水箱长度方向热损失忽略不计，两端作为绝热边界；模拟计算时，环境温度取模拟时间内的环境平均温度。按照以上简化和设定生成几何模型后，对几何模型进行网格划分(见图1)。

水的密度和黏度随温度变化的表达式为^[11]：

式中ρ——水的密度，kg/m³

T——水的温度，K

μ——水的黏度，Pa·s

3 控制方程的建立

模型内的传热依靠水的密度差进行，即以浮力作为驱动力的自然对流，因此应采用瑞利数Ra判断浮力驱动的对流流态^[12]。

当Ra≤10⁸时，浮力驱动的对流为层流；由层流向湍流转变时，10⁸＜Ra≤10¹⁰；当Ra＞10¹⁰时，浮力驱动的对流为湍流。取蓄热水箱的长度作为特征长度，经计算可得Ra在10¹¹左右，达到了湍流范围。因此采用k-ε模型，其三维通用控制方程为^[13]：

式中φ——通用变量，可以代表求解变量

t——时间，s

υ——水的速度矢量

Γ——广义扩散系数

S——广义源项

在各个控制方程中，通用变量φ和广义扩散系数Γ分别代表的量见表2。

表中v_x、v_y、v_z——水的速度矢量v在x、y、z轴方向的速度分量，m/s

μ_t——湍动黏度，为空间坐标的函数，取决于流态，而不是物性参数

k——湍动能，J

σ_k、σ_ε、σ_T——系数，取值分别为1.0、1.3、0.9～1.O

ε——湍流耗散率

P_r——湍动普朗特数

边界条件：内玻璃管传热系数取0.85W/(m²·K)^[11]，蓄热水箱传热系数取0.8W/(m²·K)^[11]，计算环境温度取模拟时间内环境平均温度。

初始条件：模拟计算时间为2010年5月31日12：00—13：00。初始时刻蓄热水箱的温度取12：00蓄热水箱的平均温度(37.45℃)。太阳平均辐射强度为784W/m²，由式(1)计算得，q=220.6kW/m³，为计算方便q取220kW/m³。模拟计算时间内，环境平均温度为26.33℃。

4 Fluent求解器选择

Fluent导入Gambit建立3维网格后，采用分离式求解器、非稳态流动。选用Fluent默认的参考压力(标准大气压力)，并考虑重力。流态按湍流对待，选择标准k-ε湍流模型，模型的所有系数采用默认值。速度压力耦合方式采用SIMPLEC，欠松弛因子和离散格式等采用默认值。

5 模拟结果及分析

中心面的温度、速度分布分别见图2、3，图2中数值单位为℃。

由图2、3可知，在密度差引起的浮力和惯性力的作用下，集热系统内存在下降的冷流体和上升的热流体。真空管内热流体沿管壁向上流动，热流体形成射流向蓄热水箱顶部流动。在蓄热水箱中存在着明显的温度分层，在蓄热水箱底部存在一个滞留区，该区的水流速慢，热扰动很小，主要依靠导热传热。

真空管(长度为1800mm)与蓄热水箱连接处以及距蓄热水箱450、900、1350mm处的真空管截面速度分布分别见图4～7，图中数值单位均为m/s。由图4～7可知，沿着远离蓄热水箱方向，真空管内冷热流体的速度先增大后减小，在距蓄热水箱450mm处速度最大。说明在距蓄热水箱450mm这段真空管内存在冷热流体的回流混合，造成热损失，降低了集热系统的效率，采用引流挡板可以在一定程度上解决该问题^[11]。

6 结论

集热系统内流体由上升的热流体和下降的冷流体组成，接近蓄热水箱的真空管存在冷热流体混合的回流区。蓄热水箱内呈现明显的温度分层，水箱上部的流体被来自真空管的热射流加热，下部存在一个滞留区，只能通过导热传热。

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(本文作者：郭超秦朝葵吕赵键同济大学机械工程学院上海 201804)