冲缝吸热板渗透型太阳能空气集热器性能研究

摘 要

摘要：介绍了冲缝吸热板渗透型太阳能空气集热器的结构，建立了传热数学模型。采用Matlab程序对传热数学模型进行求解，模拟研究了结构参数、运行参数对集热器热性能的影响。集热器
摘要：介绍了冲缝吸热板渗透型太阳能空气集热器的结构，建立了传热数学模型。采用Matlab程序对传热数学模型进行求解，模拟研究了结构参数、运行参数对集热器热性能的影响。集热器出口空气温度的实测结果与模拟结果的平均偏差为0.99K，证明传热数学模型准确可靠。集热量随吸热板外表面发射率增大而降低，随集热器出口空气流量、太阳辐射强度的增大而升高，随环境温度的增大先降低后升高。集热器出口空气温度随吸热板外表面发射率、集热器出口空气流量的增大而降低，随太阳辐射强度、环境温度的增大而升高。
关键词：冲缝吸热板；渗透型太阳能空气集热器；Matlab程序；集热量
Study on Performance of Unglazed Transpired Solar Air Collector with Slit-like Perfolration Absorber
LI Xianli，REN Shengfeng，LIN Guozhen，LV Jian，CHANG Ru，YOU Shijun
Abstract：The structure of an unglazed solar air collector with slit-like perforation absorber is introduced.and its heat transfer mathematieal model is built.The mathematical model is solved by Matlab program，and the influence of the structural parameters and operational parameters on the collector Performance is simulated.The mean deviation between the simulated and measured values of the outlet air temperature is 0.99K，which shows that the model is accurate.The collected heat decreases with increasing of the absorber sud-ace emissivity，it increases with increasing of the outlet air flow and solar radiation intensity，and it first decreases and then increases with the ambient temperature rise.The outlet air temperature decreases with increasing of the absorber surface emissivity and the outlet air flow，and it increases with increasing of solar radiation intensity and ambient temperature.
Key words：slit-like perforation absorber；transpired type solar air collector； Matlab programming；collected heat
   太阳能空气集热器以空气作为传热介质，将收集到的太阳辐射能输送到功能端。与太阳能热水集热器比较，具有启动快、结构简单、造价低、系统紧凑的优势，不易出现腐蚀、泄漏、甚至冻结等问题。但由于空气的热导率、密度和比热容远小于水，因此集热效率较低。目前，已有许多学者对如何提高太阳能空气集热器的集热效率进行了大量研究[1～5]。渗透型太阳能空气集热器[1]，采用无盖板结构，由框架、吸热板、背板组成，吸热板与背板之间形成一道空气层，吸热板上开有规则的圆形孔，背板上部设置出风口，采用冲击射流(即待加热的空气穿过吸热板上的孔时形成射流)原理延长了空气与集热器吸热板的接触时间，增强了接触程度，提高了吸热板的表面传热系数，增强了传热效果。在圆形孔吸热板的基础上，笔者提出了采用冲缝吸热板的渗透型太阳能空气集热器。本文对冲缝吸热板渗透型太阳能空气集热器(以下简称集热器)的性能进行研究。
1 集热器结构及传热数学模型
1.1 集热器结构
    集热器外形见图1。背板采用绝热性能良好的绝热材料，降低集热器的热损失。框架的作用为保护和固定吸热板、背板，并应具有一定的绝热性能。因此，背板与框架可以结合成一体，使集热器结构更为简单，便于拆卸与安装。
    集热器的工作原理见图2。在风机的作用下，外界空气被吸入到吸热板与背板形成的空气流道中，与流道内空气混合。空气在穿过吸热板时被加热，在通道内流动时继续吸收吸热板的热量，并与背板发生换热，最后经风机流出。
 

1.2 传热数学模型及求解方法
    集热器模型见图3，基于有限差分的数值解法，将集热器沿x方向分成n个节点。

    根据热平衡法，建立了节点i的能量平衡方程。
对于吸热板，节点i的能量平衡方程为：
 
式中α——吸热板外表面吸收率
    φ——太阳辐射强度，W/m2
    h1——吸热板外表面传热系数[6]，W/(m2·K)
    Ta——环境温度，K
    Tp,i——节点i的吸热板温度，K
    εp——吸热板外表面发射率
    σ——斯忒藩-玻耳兹曼常量，5.67×10-8W/(m2·K4)
    θs——吸热板与天空之间的角系数，取0.5
    t——有效天空温度，K
    θg——吸热板与大地之间的角系数，取0.5
    Tg——地表温度，K
    h2——吸热板内表面传热系数，W/(m2·K)
    Tf,i——空气流道内节点i的空气温度，K
    h3——吸热板与背板间辐射传热系数[7]，W/(m2·K)
    Tb,i——节点i的背板温度，K
    λp——吸热板热导率，W/(m·K)
    δp——吸热板厚度，m
    Tp,i-1——节点i-1的吸热板温度，K
    Tp,i+1——节点i+1的吸热板温度，K
    △x——节点高度，m
对于吸热板与背板之间的流体，节点i的能量平衡方程为：
 
 对于背板，节点i的能量平衡方程为：
 
    对于开孔率为0.1%～5.0%的吸热板，在冲击射流工况下，吸热板内表面传热系数h2按照Kutscher模型计算[9]。
   模型的边界条件为：
    x=0：Tf=Ta，qf=0
    x=L：Tf=Tout，qf=q
式中Tf——流道内空气温度，K
    qf——流道内空气流量，m3/s
    L——吸热板戈方向的长度，m
    Lout——集热器出口空气温度，K
    根据以上数学模型，采用Matlab程序，对模型进行求解，模拟研究结构参数、运行参数对集热器热性能的影响。为了简化计算，进行了如下设定：传热过程是稳态的。框架及背板与环境的传热损失忽略不计。吸热板外表面各处的空气吸入速度相同。由于空气温度变化不大，物性参数为常量。
2 模型的验证
    搭建集热器实验台，在测试日，测试集热器出口空气温度，与模拟结果进行比较，验证模型的精度。
    吸热板选用1mm厚的钢板，宽×高为600mm×1500mm，外表面覆盖吸收性涂层，吸收率为0.96，发射率为0.78。吸热板上开设24行5列冲缝，冲缝长×宽为80mm×1mm。为了防止雨水冲击和有效改善气流组织，冲缝的开口朝下。框架及背板选用绝热性能较好的无机玻璃钢材料，在20～120℃范围内不会发生明显变形。
    采用TRT-2型总辐射表测量太阳辐射强度，测量范围为0～2000W/m2。总辐射表设置在集热器旁，感应面平行于x方向，位于0.5L处。采用T型热电偶测量环境温度、集热器出口空气温度。采用ZRQF型智能风速计测量集热器出口空气流速，测量范围为0.05～30.00m/s，测量相对误差范围为±3%。采用KANOMAX KA22型热线风速仪测量室外风速，测量范围为0～4.99m/s，测量相对误差范围为±2%。
    选取2009年10月初天气晴好的一天作为测试日，测试时间为9：00—15：00。测试日太阳辐射强度、室外风速的实测结果见图4。环境温度的实测结果与集热器出口空气温度的模拟、实测结果见图5。
    由图4、5可知，太阳辐射强度、环境温度随时间先升高后降低，分别在12：30左右、14：00左右，达到最大值。随着太阳辐射强度、环境温度的升高，集热器出口空气温度升高，在14：00左右达到最大，实测结果为301.01K，模拟结果为300.12K。

实测结果与模拟结果平均偏差σabs的计算式为：
 
式中σabs——实测结果与模拟结果的平均偏差，K
    m——实测数据点
    Tout,s,j——第j个集热器出口空气温度实测结果，K
    Tout,j——第j个集热器出口空气温度模拟结果，K
    由上式计算得到σabs为0.99K，这主要是由于测试条件为动态，集热器内部出现延迟造成的。另外，数学模型的简化，测试仪器自身和人为读数的误差，也导致这一结果的出现。但总体来说，实测结果与模拟结果吻合较好，因此数学模型可以作为理论研究的基础。
3 模拟结果分析
    ① 目标函数
    集热器集热量Φ的计算式为：
    Φ=ρqcp(Tout-Ta)
式中Φ——集热器的集热量，W
    集热量是衡量集热器性能的重要指标，集热器出口空气温度反映了集热器的送风状况，因此将这两项作为目标函数，研究结构参数、运行参数对集热器热性能的影响。基础参数为：εp=0.78，q=0.025m3/s，φ=400W/m2，Ta=278K，室外风速为0.3m/s。
    ② εp的影响
    保持其他参数不变，集热量、集热器出口空气温度随εp的变化见图6。由图6可知，随着εp增大，吸热板对环境的辐射传热增强，热损失增大，集热量降低。由于吸热板温度降低，与空气的对流传热减弱，因此集热器出口空气温度降低。集热量与集热器出口空气温度降低的趋势逐渐减缓，这是由于随着吸热板温度的降低，热损失的增长率也大大降低。

    ③ q的影响
保持其他参数不变，集热量、集热器出口空气温度随q的变化见图7。由图7可知，随着q的增大，集热器出口空气温度降低，这是由于q的增大易导致空气穿过吸热板的时间和在集热器内部流动的时间缩短，影响了换热效果。然而，集热量一方面取决于集热器出口空气温度与环境温度之差，另一方面取决于q。由图7可知，当q增大时，集热器出口空气温度降低幅度较小，此时q成为影响集热量的决定因素。因此随q的增大，集热量逐渐升高。但在集热器出口空气温度逐渐减小的影响下，集热量的增长速率是逐渐减缓的。
 

    ④ φ的影响
保持其他参数不变，集热量、集热器出口空气温度随φ的变化见图8。由图8可知，随着φ的增大，吸热板温度升高，与流道内空气的温差加大，对流传热增强，集热器出口空气温度升高，集热量也随之升高。
 

   ⑤ Ta的影响
   保持其他参数不变，集热量、集热器出口空气温度随Ta的变化见图9。由图9可知，Ta增大，即集热器进口空气温度增大，则集热器出口空气温度相应升高。

   初期随着Ta增大，进入流道的空气温度升高，吸热板与流道内空气的换热温差减小，此时Ta对集热量的影响起主导作用，因此集热量随Ta的增大而降低。随后乃继续增大，吸热板的辐射热损失减小，吸热板与流道内空气的换热温差增大，对流传热温差增大，对流传热增强，集热量随之升高。
4 结论
   ① 建立了冲缝吸热板渗透型太阳能空气集热器传热数学模型，采用实验方法，对模型进行了验证。集热器出口空气温度的实测结果与模拟结果的平均偏差为0.99K，说明数学模型准确可靠，可以作为理论研究的基础。
   ② 以集热量、集热器出口空气温度作为目标函数，模拟研究结构参数、运行参数对集热器热性能的影响。
   在给定的参数变化范围内，集热量随吸热板外表面发射率增大而降低，随集热器出口空气流量、太阳辐射强度的增大而升高，随环境温度的增大先降低后升高。集热器出口空气温度随吸热板外表面发射率、集热器出口空气流量的增大而降低，随太阳辐射强度、环境温度的增大而升高。
参考文献：
[1] 王崇杰，管振忠，薛一冰，等.渗透型太阳能空气集热器集热效率研究[J].太阳能学报，2008，29(1)：35-39.
[2] TONUI J K，TRIPANAGN0STOP0ULOS Y.Improved PV/T solar collectors with heat extraction by forced or natural air circulation[J].Renewable Energy，2007(4)：623-637.
[3] GAO W，LIN W，LIU T，et al.Analytical and experimental studies on the thermal performance of cross-corrugated and fiat-plate solar air heaters[J].Apply Energy，2007，84(4)：425-441.
[4] VERMA S K，PRASAD B N.Investigation for the optimal thermo-hydraulic performance of artificially roughened solar air heaters[J].Renewable Energy，2000(1)：19-36.
[5] 张红，张立平，戴剑侠.太阳墙式空气集热器的供暖试验研究[J].煤气与热力，2007，27(8)：84-86.
[6] ONG K S，CHOW C C.Performance of a solar chimnev[J].Solar Energy，2003(1)：1-17.
[7] 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社，2007：73-76.
[8] LEON M A，KUMAR S.Mathematical modeling and thermal performance analysis of unglazed transpired solar collectors[J].Solar Energy，2007(1)：62-75.
[9] KUTSCHER C F.Heat exchanger effectiveness and pressure drop for air flow through perforated plates，with and without crosswind[J].ASME Journal of Heat Transfer，1994(2)：391-399.
 
(本文作者：李宪莉1 任绳凤1 林国真2 吕建1 常茹1 由世俊3 1.天津城市建设学院 能源与机械工程系 天津 300384；2.天津水与燃气信息技术开发有限公司 天津 300070；3.天津大学 环境科学与工程学院 天津 300072)