太阳能集热器毕业论文

本科毕业设计(论文)题 目：太阳能空气集热器的集热面结构优化研究学 院： 机电工程学院 专 业： 热能与动力工程 姓 名： 任利芳 同组同学： 邓云妹 指导教师： 杨启容 老师 2011 年 6 月 2 日青岛大学本科毕业论文（设计）太阳能空气集热器的集热面结构优化研究The Optimization Research ofCollection Surface s Structure of Solar Air Collector摘 要太阳能空气集热器是利用所吸收的太阳辐射能来加热空气的一种集热设备。对集热性能的研究有利于太阳能技术在日常生活及生产建筑中的推广应用，可以缓解不可再生能源逐渐枯竭的严峻形势。本文首先综述了太阳能空气集热器的研究现状，在此基础上建立了基于三维条件下的流体流动和热量传递的稳态数学模型，并对其进行了三维翅化的集热性能研究。以青岛地区为基础，利用Fluent软件进行数值模拟，得到了所选模型在不同的空气进口速度、板翅间距条件下的温度和气流速度的分布图。经过比较分析得出，集热板与空气之间的换热效果随着进口速度的增大而逐渐减弱；随着集热板翅间距的增大而逐渐增强。翅高度的增加也会导致换热效果减弱。研究结果对太阳能空气集热器的设计和发展有一定的指导意义。关键词：太阳能； 空气集热器；数值模拟；三维翅化AbstractThe solar air collector is one kind of equipment which absorbs solar radiant energy for heating air. The study of collection properties are useful for the using of solar technology in daily life and production building, while the dangerous situation which caused by over used non-renewable energy can be remitted. The paper summarizes the current research status of solar air collectors firstly, which dose contribution to the foundation of steady-state mathematical model .Air flowing and heat transfer can be described in mathematical model. The optimization design of the using of fins on absorber plate is also presented in the paper. The performance of solar air collector which uses half cylinder as fins is introduced in detail. Based on Qingdao region, numerical simulation is carried out using Fluent software. Then temperature and airflow velocity distribution maps under different inlet velocity and fin spacing circumstances are obtained. Through comparing and analysis, some conclusions have been got. The heat transfer effect between absorber plate and air flowing becomes lower with the increasing of inlet velocity, also with the enlargement of fin height. In addition to this, when the fin spacing becomes larger, the heat transfer effect becomes more strengthen. The results of the study of solar air collector design and development has certain directive significance.Keywords: solar energy ; air collectors; numerical modeling; three dimensional fin目 录第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景和意义 1 1.1.1 能源危机 1 1.1.2 太阳能的利用 2 1.1.3 平板太阳能空气集热器简介 41.2 课题研究现状 61.2.1 国外太阳能空气集热器研究现状 61.2.2 国内太阳能空气集热器研究现状 7 1.2.3 现有研究存在的问题 91.3 本课题的研究内容与方法 9第二章 翅表面采光能力数学模型的建立 112.1 集热板翅表面结构采光能力的物理模型 112.1.1 物理模型的建立 112.1.2 模型假设 122.2 参数的确定 122.2.1 环境参数的确定 122.2.2 负荷计算 12第三章 流场模拟 153.1 网格划分 153.2 数学模型 153.3 参数设置 163.4 数值模拟 193.5 结果分析 21 3.5.1 翅片间距对集热器内部流场的影响 213.5.2 进口速度对集热器内部流场的影响 243.6 本章小结 27结论 28参考文献 29致谢 31第一章 绪 论1.1 课题研究背景和意义1.1.1 能源危机自古以来，能源一直是国民经济的基本支柱，是人类赖以生存的要素之一，是21世纪高速发展的内在动力。然而，由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源的枯竭，同时新的能源生产供应体系又未能建立，从而在交通运输、金融业、工商业以及人们的生活生产等方面造成一系列问题。如近几年来美国东部大停电、希腊大停电、全球石油价格飙升、围绕利用核能的种种争端，一次次给世界拉响能源警报1。科学研究显示，以矿物能源为代表的不可再生能源提供世界能源的90%，据统计，其中煤炭占28%、石油超过40%。调查结果表明，1996年全球原油产量已接近34亿t。科学计算结果已探明其储量为1400亿t，到2038年全世界将面临石油耗尽的局面。全球可采煤炭储量为10316.1亿t，按目前的开采水平可供200年使用，世界天然气储量为152亿m3，按现在的开采水平可开采65年。届时，石油资源将会开采殆尽，其价格升到很高，不适于大众化普及应用的时候，如果新的能源体系仍未建立，能源危机将席卷全球，尤其是如欧美极大依赖于石油资源的发达国家受害较重。最严重的状态，莫过于工业大幅度萎缩，或甚至因为抢占剩余的石油资源而引发战争。为了避免上述窘境，目前美国、加拿大、日本、欧盟等都在积极开发如太阳能、风能、海洋能( 包括潮汐能和波浪能 )等可再生新能源，或者将注意力转向海底可燃冰 (水合天然气) 等新的化石能源2。同时，氢气、甲醇等燃料作为汽油、柴油的替代品，也受到了广泛关注。与世界的平均水平相比，我国的能源形势更加严峻。在以煤炭为主力能源的中国，不会出现能源以油、气为主的时代，我国一直以来并在可以预见的将来都将以煤炭为主要能源。当中国经济飞速增长时，能源紧张随之困扰着国人。我国大庆、辽河、胜利等东部主要油田已进入中晚期，理想的西部新区接替东部油田尚在计划当中，新增可采储量不足。根据1980年能源资源的调查估计，全世界煤炭资源地质总储量13600 Gt(G=109，即千兆、十亿)，实际储量为1960 Gt,经济可采储量为898.7 Gt。大约90%的地质储量和60%的技术可采储量集中在美国、前苏联、中国和澳大利亚等四个国家。我国的煤炭资源虽然储量相当丰富，产量极大，但由于开采技术落后以及乱开采现象较严重，导致煤炭利用率较低。因此，煤炭资源的前途也不容乐观。1此外，资料还表明，中国国土面积为96000002，适宜于进行石油勘探的沉积盆地总面积为55000002。虽然石油资源储藏量看似很丰富，但由于开采技术的限制以及人口多耗能量大等各种因素影响，1993年我国从石油出口国变为石油进口国，石油的净进口量占消费比大幅度上升，2000年石油进口已超过30%，2020年预计将达60%以上3。在全球能源短缺，油价飞涨的情况下，这显然不是长久之计。改革开放以来，我国建筑能耗的总量逐渐上升，在能源总量中所占的比重已从20世纪70年代末的10%，上升到2007年的27.6%。随着城市化进程的加快和人民生活质量的提高，建筑能耗将超越工业、交通、农业等行业成为能耗的首位，能耗比例未来将上升至35%左右4。如此庞大的比重，使得建筑耗能已然成为我国经济发展的软肋，建筑能耗问题成为亟待解决的社会问题。世界经济的现代化严重依赖于能源供应，很大程度上得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。 然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭，可以说能源危机迫在眉睫了。因此，大力发展可再生能源，用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因，与之相连的是世界经济可获得持续的发展。在这种世界经济中，高科技术和生态可以承载的区域性经济形式将得以发展5。1.1.2 太阳能的利用（1） 太阳能的优点太阳是一个巨大、久远、无尽的能源，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75*1026W）的22分之一，但已高达1.731017W，换句话说，太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万t煤，是目前世界主要能源探明储量的一万倍6，相对于常规能源的有限性太阳能具有储量的“无限性”，可以说是取之不尽，用之不竭，加之太阳能能源清洁无污染，在能源紧缺的今天，它理所当然的成为了人们眼中的“黄金能源”。我们不难推测，一旦能够完善而合理的利用太阳能，它将给人类科学技术和生产发展带来光辉灿烂的前景。存在的普遍性。相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为缺乏常规能源的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。同样在我国，太阳能资源也很丰富。根据中国气象科学研究院的研究，有23以上国土面积，年日照在2000h以上，年平均辐射量超过0.6GJ，各地太阳年辐射量大致在9302330kWh之间7。利用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，在开发利用时几乎不产生任何污染。利用的经济性。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，可以随地取用，而且储量还无限。在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行8。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。（2）太阳能的研究能源的更新观念是和时间概念相关的，最持久的能源自然是太阳能。所以，太阳能是否可以有效并广泛的被利用也成为了目前人们普遍关注的问题之一。太阳能的转化和利用技术也成为解决未来能源问题的重要技术手段。目前，太阳能在转换过程中效率普遍较低，一般而言，40变为低温热能，而10可转变为电能，1则助长植物生长9，这就大大限制了太阳能的广泛利用。所以我们必须根据各地不同气侯和对能量不同的需要，不断提高太阳能利用装置的转换效率，改善现有经济，减少装置成本， 以达到高效、经济、稳定、安全和可靠的理想目标。上世纪70年代，许多国家，尤其是工业发达的国家，加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上兴起了开发利用太阳能的新一轮热潮。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立了太阳能开发银行，促进了太阳能产品的商业化。1974年，日本公布了政府制定的“阳光计划”，投入了大量人力、物力和财力，其中太阳能的研究开发项目有：太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等10。70年代初，国外出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响。一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，极大程度上推动了我国太阳能技术的发展。目前，市面上出现的太阳能产品主要是太阳能热水器和太阳能光伏电池。而太阳能热水器是目前世界上使用最为普遍且效果较为显著的太阳能利用装置。据不完全统计，到1998年底，我国太能热水器的累计使用量已超过1000万平方米，产量和数量均居世界首位，在很大程度上影响着人们的生活水平。太阳能热水器是将太阳辐射能转变为热能，并用来生产热水的一种设施。按照集热器的种类划分，它可以分有平板型和聚光型两种型号，而应用较多的是平板型，因为其结构简单，加工方便，成本不高，效果良好，易进入实用化，故日益普及推广，供工农生产和居民生活的使用。集热器是太阳能热水器的核心部件，它是用来吸收太阳辐射并将辐射能转化为热能的重要装置。按其加热的工质不同，（一般工质为水或空气）分为热水集热器和空气集热器。而空气集热器是利用所吸收的太阳辐射能来加热空气的一种加热设备。其基本结构由太阳能集热板（吸热体）、透明盖板、隔热层和壳体组成。太阳能空气集热器工作时，太阳光透过透明盖板照射在集热板上，集热板吸收阳光并将之转化为热能，板身发热并传给空气以达到加热空气的效果。平板型集热器自出现以来，因其与聚光太阳集热器相比，具有结构简单、固定安装、可以采集太阳直射辐射和散射辐射、成本较低等优点，已被广泛应用于家庭和大型公用太阳能加热系统、建筑物的采暖与空调、制冷与干燥等方面，并已逐步形成新型的太阳能工业，是太阳能低温热利用系统中的关键部件11。然而目前的一个现状是，普通平板型集热器对太阳能的收集、吸收和转换率普遍偏低，不能够满足人们日益升高的使用要求，加之太阳能的开发利用又符合人类可持续发展的原则，所以大力开发太阳能，并不断改进太阳能热利用装置，使其达到更高性能指标，以便在此基础上组构各种型号的家用太阳能热水器和大型太阳热水系统就显得尤为重要。1.1.3 平板太阳能空气集热器简介 由前所述，典型平板太阳能集热器主要由集热板和其它一些保温装置组成。图1-1为一种简化的平板太阳能集热器构造示意图。透明盖板保温材料集热板水壳体图1-1 典型平板太阳集热器构造示意图平板太阳能空气集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质（空气）传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器，集热器中的工质（空气）与远距离的太阳进行热交换。平板型太阳能空气集热器是太阳能集热器中的一种类型。是由吸热板、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的空气。这样，从集热器一端入口的冷空气，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热空气，带着有用的热能从集热器的另一端出口，供用户使用，即为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板式太阳空气集热器的各种热损失。平板式太阳空气集热器相对于其它形式的集热器具有以下优点：（1）结构简单、灵活精巧、易于维修。（2）形式多变，易于建筑完美融合。（3）寿命长、性能稳定。（4）防冻防垢、融霜化雪。总结起来，平板式太阳能空气集热器运行可靠，成本低廉，热流密度较低，即工质的温度也较低，安全可靠，承压能力强，吸热面积大。故应大力研究，以便广泛使用。尽管随着集热板类型不同而有不同的集热器样式，但其基本工作原理相同，都可简化为图1.1所示的分析模型。按此模型所得出的结论即可用于分析其他形式的太阳能集热器。由图1-1可知，用来收集阳光的集热板是平板太阳集热器的关键部件，其性能优劣对平板太阳集热器的工作特性起着决定作用。基于太阳能集热板在集热器中的作用，它应具有如下特性：（1）热工性能好。即板面的太阳辐射吸收率高，热辐射发射率低，具有良好的传热结构设计。（2）能承受一定的工质压力。（3）与水有良好的相容性。（4）加工工艺简单，经济实效。集热板大都采用金属制作，基本上都采用铜、不锈钢或铜铝复合结构。表面一般采用非选择性涂层，如黑板漆。但目前很多高性能的平板太阳集热板都采用选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、黒铬等。从结构上看，太阳能集热板大致可概括为如图1-2所示的三种基本类型12。 a. 管板式 b. 扁盒式 c. 管翼式（铜管铝翼）图1-2 太阳能集热板的三种基本类型类型a为管板式。吸热板与管子之间以焊接或紧凑配合方式连接。吸热板与管内流体之间传热性能取决于它们之间的热结合状况。类型b为扁盒式。吸热体本身即为通道的一个组成部分，故其传热性能较好，大热容量不大，承压也有一定的限制，对焊接工艺有较高的要求，因此其成本较高，目前较少采用。类型c为管翼式。通道本身带有吸热翅翼，其传热性能好，能承受较高的压力，不漏水，制造工艺也简单。目前国内外生产的平板太阳能集热器的吸热体基本上都采用这种结构形式。本课题就是在现有的管翼式集热板的基础上，通过对金属翼板表面进行三维持结构化，以期进一步提高其性能和效率。1.2 课题研究现状1.2.1 国外太阳能空气集热器研究现状平板型太阳能集热器是历史上出现最早的太阳能集热装置。尽管它在十七世纪后期就已被发明，但直到1960年以后它才被真正深入研究并进入实际应用。最早的太阳能集热板是在二战之后发展起来的。一些缺少常规能源的国家，如日本开始注意开发利用太阳能。 1955年国际太阳能利用会议第一次提出了选择性涂层的概念，并研制出实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展打下了基础13。1973年出现“能源危机后”，世界出形成了研究、开发、利用太阳能的热潮。发展太阳能利用技术和产品以节约常规能源，受到了工业化国家政府的普遍重视。对太阳能热利用技术的研发和产品的产业化，各国都给予了大力的支持和鼓励。 1980年在联合国新能源大会的筹备会上，联合国的专家小组对太阳能热利用的发展前途给予了肯定的评价14。 1996年，在津巴布韦召开的联合国世界太阳能高峰会议发表了哈拉雷太阳能与持续发展宣言，太阳能利用的研究开发在世界范围内形成了又一个热潮。许多国家相继制定了太阳能发展计划。例如美国的“百万屋顶计划”，德国的“1000屋顶计划”，意大利的“全国太阳能屋顶计划”，日本的“七万屋顶计划”和“太阳计划”等15。这些计划的实施，有力地促进了世界各国太阳能利用的发展。在丹麦，Marstal太阳能供热厂为Aeroe岛上1250户居民提供了区域供热。8000平方米的太阳能集热器阵列与2100立方米的储热水箱相联。6、7、8月间可100%由太阳能供热，全年能供给全区热需求的12.5%16；2003年，奥地利等欧洲国家、印度、中国、日本、澳大利亚及美国等21个国家的太阳能发展报告显示出19822001太阳能集热器及热水器的制造及销售都有很大的发展17。欧洲在2004年安装的太阳能集热器面积为1500万，计划到2010要达到1.0亿18。 大面积太阳能热水系统的研究只是近十几年的事。现时情况下其规模只占小型家用太阳能热利用系统的2030%。瑞典和德国已进行大面积屋顶集热模块的研制。它是作为建筑的一个构件和建筑结合，以实现太阳能热利用系统和建筑的一体化，从而降低成本，提高建筑的整体性和美观性。国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%。德国的Schuco International 公司2009年研发出一种新型集热器，他们把铜管做成扁平状，然后焊接在铝质吸热板上，这样就增大了铜管与吸热板的接触面积，不但提高了让效率，而且降低了材料成本19。1.2.2 国内太阳能空气集热器研究现状我国最早的太阳能热水淋浴室在1958年建成。70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大的影响。1975年，在河南安阳召开的“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”进一步推动了我国太阳能事业的展。1986年北京市太阳能研究所研制出一种太阳能空气集热器并通过了技术鉴定。它的研制主要应用于太阳能干燥和除湿的广泛应用20。毛润治对三种空气流冲刷盖板的太阳能空气集热器的热性能与空气流量率的关系进行了试验研究, 通过对试验数据的处理和分析, 获得了一些对测试和使用空气集热器有用的结论21。张彦峰和俞颐秦对平板型太阳能集热器中的自然时流现象进行了理论分析, 提出水平、倾斜及垂直三种放置方式的太阳能集热器空气夹层最佳间距的确定问题，特别是对目前很少涉及的垂直放置平板型太阳能集热器的最佳空气层间距进行了深入探讨22 。陈则韶和葛新石文讨论了对流热损小的太阳能平板集热器空气夹层间距的选取问题，用瞬态卡计法分析了对流换热密度随空气夹层间距的变化, 确定的合理的间距为4-6cm23。林金清等人通过实验和数值模拟法研究了两种常见的太阳能空气集热器，对I型太阳能空气集热器, 集热效率随空气流量和表面盖板透过率的增加而增大, 随入口空气温度和入射太阳辐照度的增大而减小24；对型集热效率随空气流量的增大而增大, 随入口空气温度的升高而急剧下降, 随入射强度的增加, 集热效率从零迅速增大到最大值而后逐渐略有减小25。(a) 型(b) 型(a) 型 图1-3 太阳能空气集热器的类型l 型太阳能空气集热（图1）由表面透过盖板和底面吸热板组成。l 型太阳能空气集热（图1）由表面吸热板和底板及其所构成的空气流道组成。l 型太阳能空气集热（图1）由表面透过盖板、底面吸热板以及插入在空气流道中的透过隔板及其所构成的空气流道组成。张立平设计了用于冬季建筑采暖的蜂窝平板型太阳能空气集热器，并对这种空气集热器进行建筑采暖开展了理论和试验研究26，同时他还介绍了一种新颖透明隔热材料(TIM) 的蜂窝,将该种TIM蜂窝应用于太阳能空气集热器，并利用Fluent 软件对集热器内部流场进行了数值模拟，证明可以翅化可以起到较好的集热效果27。但为了提高效率，降低成本，为了满足特定的使用要求，人们必须继续研究开发新型的热性能优异的平板集热器。根据传热工质种类的不同，平板型太阳能集热器可分为空气集热器和液体集热器两大类。目前大量使用的是液体集热器；根据吸热板芯使用材料的不同，平板集热器可分为钢板铁管、全铜、全铝、铜铝复合、不锈钢、塑料及其它非金属集热器等。目前，国内外普遍使用的平板集热器是全铜集热器和铜铝复合集热器。铜翅和铜管的结合，国外一般采用高频焊，国内以往采用介质焊。1995年我国也开发成功全铜高频焊集热器。八十年代中期我国从加拿大引进铜铝复合生产线，后经过消化吸收，国内现在已建成十几条铜铝复合生产线28。为了提高对太阳能的吸收，减少集热器的热损失，提高集热器的整体效率，人们对用于太阳能集热器的关键部件太阳能集热条（俗称板芯），特别是板芯所用的选择性太阳能吸收涂层等持续进行了多年的研究，已取得了相当好的成果。现在国内已能生产高性能的TiNO系列选择性光热吸收涂层。另外，为了克服普通平板太阳能集热器的缺点，应用热管的平板式太阳能集热器和热水器的研究开发，也取得了很好的结果。目前，平板集热器太阳能系统一般采用回流排空技术，在北方地区可解决集热器过冬防冻问题，无集热器冻坏的后顾之忧，并且可以解决夏季集热器过热问题，这一特点对太阳能采暖非常有利。1.2.3 现有研究存在的问题平板集热器发展至今天，虽然从热效率各方面都有了进步，但仍不能满足人们的使用要求，真空玻璃管集热器虽然效率较高，但成本和工艺难度也随之上升，且寿命也缩短；平板集热器在各方面似乎也都有了改进，但几年来也没有什么新突破。若是能在成本增加不大，工艺复杂度不高等情况下，结合二者的优点对平板集热器再加以改进，取长补短，进一步提高普通平板集热器的工作性能，成为众多工作者和研究人员共同女里的目标了。在太阳能空气集热器研究领域，一直以来人们所做的努力都是集中在改变集热板材质、加工工艺和表面涂层等方面，而事实上金属集热板自身表面结构的改变也是能有效的提高其传热性能和集热效率的途径之一。如物体表面的翅片结构以及一些制冷设备中通用的冷却管即为改变金属表面结构来增加散热效果的，这是因为翅片结构的强化传热作用。表面翅化作为强化传热的重要技术手段已有许多年的历史，多用于工业和民用的才暖和冷却设备以及一些电子设备的散热上。其目的都是想在不增大设备体积的情况下增加热量吸收量，以提高集热效率。本课题就是研究利用表面翅化结构来热吸收量，从而达到“强化集热”的效果。表面翅化作为强化传热的重要技术手段已有许多年的历史，多用于工业和民用的采暖和冷却设备以及一些电子设备的散热上，其目的都是想在不增大设备体积的情况下增加热量吸收量，以提高集热效率。1.3 本课题的研究内容与方法本课题是对太阳能空气集热板的铝翼进行三维翅表面结构化的探索及其数值模拟和理论的研究。对集热板翅化后形成粗糙的结构表面，利用集热板表面翅化来增大热量的接收面积以增加热量吸收量，从而达到“强化集热”的效果。当阻隔住物体与外环境的对流传热且热源来自于外界是，翅化表面也可通过增大吸热面积以及对热辐射的连续反射吸收作用，减少辐射的对流损失，从而增加吸热量，进一步升高集热板的表面温度。研究通过翅化后的表面结构对集热板效率、温度场、流场以及雷诺数和阻力的影响，并建立数学模型，为太阳能集热板的优化设计提供一定的技术参考和理论依据。本课题研究的主要内容有：1） 建立太阳能空气集热器三维翅化的数学模型。2） 通过分析确定集热器的各个参数（太阳光照强度及气流参数均以青岛地区为准）。3） 利用Gambit对模型进行网格划分，并用Fluent 软件对集热器内部的流场进行数值模拟，通过比较具有不同形式集热板的集热器内部的温度以及速度，分析并证明此设计可以起到较好的集热效果。4） 分析并得出结论。第二章 模型的建立2.1 集热板翅表面结构的物理模型2.1.1 物理模型的建立鉴于前面所述的平板型空气集热器的诸多优点及其被广泛使用的特点，本课题选用普通平板型太阳能空气集热器，所采用的集热器外围高度为70 ，盖板采用普通平板玻璃（国标：GB4781），盖板厚度为0.9；集热器的尺寸为 2m* 1m，吸热面采用厚度为0.03的铝板，其上镀有8*10-6的光谱选择性涂层黑镍；吸热面与覆盖玻璃间的距离为3；框架采用铝制材料，而四周用于隔热的材料选用聚氨酯泡沫（国标*10800），其导热系数为=0.022 W(mK)，密度为 3060m3 29；集热板采用半圆柱板面进行翅化，其中基准模型的吸热面上翅片半径R=10，翅片间距为l=10，翅与侧面的间距为15。室外引入的空气横向掠过集热板，物理模型如下图2-1所示，空气从一端进去，另一端引出。 Gs玻璃盖板 空气入口 集热板图2-1 空气流通示意图而集热器内部优化结构示意图如图2-2所示： 图2-2 太阳能空气集热器优化结构示意图材料的物理特性如表2.130，31所示：表2.1 材料的特性参数 材料性能玻璃集热板对太阳能穿透比=0.9自身发射率tr =0.94p =0.094对太阳能吸收比s=0.93 2.1.2 模型假设针对本课题的研究，对模型做如下简化和假设：（1） 换热为稳态，并且太阳辐射强度、室外空气温度均为定值；（2） 风道内空气流动为湍流流动；（3） 风道内空气为不可压缩的牛顿流体；（4） 在本计算模型中，集热板设定为水平放置，而太阳光线假设均由垂直入射到集热器上；如图2.3所示。haE图2-3 理想太阳辐射示意图（5） 不考虑集热器的各种损失 ，即假设集热器四周保温材料与外界环境的热交换量为0，也就相当于集热器四周材料都是绝缘的；（6） 集热器内部材料的特性与温度无关；（7） 风道内空气为强制对流换热，只考虑重力。shuxumoxing2.2 参数的确定2.2.1 环境参数的确定本课题是以青岛地区冬季气象条件为依据，室外空气平均温度为8，室外平均风速为3ms，大气压力为101325Pa，空气密度为1.288m3，太阳辐射强度平均值约为700Wm2。2.2.2 负荷计算首先计算各面与面之间的角系数。简化图如图2-4所示： 图2-4 角系数计算简化图其中、为假象面，角系数按照公式2-1计算 X1.2= ( l1+ l2- l3）2 l1 （2-1）式中，l1=1、l2=d=1.57、l3=3；其它计算于此公式类似，且有l4=d=1.57经计算所得角系数汇于表2.232 ，如下所示。表2.2 各面之间的角系数集热平板1左侧面2右侧面4顶 板3集热平板1X1.1 =0X1.2=0.1673X1.4 =0.1673X1.3=0.6654左侧面2X2.1 =0.1065X2.2=0X2.4 =0.1503X2.3=0.7432右侧面4X4.1 =0.1065X4.2 =0.1503X4.4=0X4.3 =0.7432顶 板3X3.1 =0.2218X3.2 =0.3891X3.4 =0.3891X3.3=0 空气流与玻璃盖板之间的对流换热系数按公式2-2计算，即 hp- g = 5.8+3.7v （2-2）其中v代表空气入口速度，当v取3ms时，得二者间对流换热系数为 hp- g = 5.8+3.73 = 16.9 W（m2K）集热器的集热板上有效的热流密度根据公式2-3计算，即 qcl = Gss +Gs s（X4.1+ X2.1） （2-3）式中：玻璃对太阳能的穿透比；Gs单位时间内包括散射辐射在内的投入太阳能辐射能量的总和，Wm2；s 吸热面对太阳能的吸收比； s投入太阳能辐射中被反射能量的百分数；所以集热器的有效热流密度为 qcl = 0.9 7000.93+0.97000.07(0.1065+0.1065)=595.29 Wm2所谓集热器的效率就是下列比值： = （2-4）计算得此集热器的集热效率为 =85.04%第三章 流场模拟本章针对青岛地区的气候特征，对太阳能空气集热器进行优化设计的模拟。首先对所建的物理模型进行合理简化和网格划分，并进行初步的；然后选择恰当的数学模型；最后使用Fluent软件计算并输出。3.1 网格划分集热器内部流场的模拟主要使用Fluent 软件，首先用Gambit2.2.30对集热器模型内部进行网格划分，所有的模拟计算均采用FLUENT 56的处理方式，采用三角形非均分结构网格，网格尺度为0.01。另外，在特殊壁面出加密网格，以提高整体网格质量，从而利于计算收敛。 在Gambit中进行完网格划分后，需要进行初步的边界条件的设定。设置如下：l 集热器中吸热面类型为WALL，名称为 xiremian；l 玻璃盖板类型为WALL，名称为 gaiban；l 空气入口截面的类型为VELOCITY_INLET（速度进口），名称为 sudurukou；l 空气出口截面的类型为PRESSURE_OUTLET(压力出口)，名称为 chukou。以Mesh文件输出后，调入Fluent软件中，进行详细的设计。3.2 数学模型集热器内部空气的流动属于热压驱动的湍流流动，在数值计算之前必须建立起合适的数学模型，才能合理求解。当空气横向外掠半圆柱集热板时，其流动区域的雷诺数Re估算公式3-1为 Re= （3-1）对于非圆形截面槽道，应采用当量直径作为特征长度进行计算，即D= （3-2）其中Ac为通道的流通截面积，；L为湿周长度，即通道壁与流体接触面的长度。在空气入口速度u=3ms 时，计算所得到的雷诺数不是很高，所以选用工程实践中普遍使用的标注k模型33进行湍流计算，增强壁面函数法进行模拟。k模型对于求解湍流流动的对流换热问题有效，在与壁面相邻的粘性支层中，湍流雷诺数较低，所以采用壁面函数法来处理。控制方程是从流体力学的基本方程出发，包括连续性方程、动量方程、能量方程和标准k方程等。（1）标准k-模型控制方程的通用形式： （3-3）（2）通用控制方程 （3-4） 式中， 为xi方向的平均速度分量，ms，湍流参数（k，m2s2和，m2s3）或平均温度，；G为扩散系数；S为变量的的源项，Nm3。（3）连续性方程 （3-5） 式中，为xi方向的平均速度分量，m/s。 （3）动量方程 （3-6）式中，为空气密度，m3；P为压力，Pa；t和为紊流和层流粘滞系数。（4）能量方程 （3-7）式中，G为广义扩散系数，由分子扩散造成。3.3 参数设置 由于在Gambit中生成网格模型之后已对不同的边界条件和区域进行了初步的标记，所以进入Fluent之后，需通过Boundary Conditions 对话框来进一步设置边界条件。（1） 进口边界在Fluent软件中，在Boundary conditions 中选定 sudurukou后点Set进入Velocity Inlet对话框，如图3-1所示： 图3-1 Velocity Inlet 对话框将Velocity Magnitude设定为v = 3 ms， 回流温度用默认值300K。（2） 出口边界在Boundary conditions 中选定 chukou后点Set进入Pressure Outlet对话框，如图3-2所示： 图3-2 Pressure Outlet对话框出口边界条件采用压力出口，其中压力为当地大气压力，选定constant，即P=101325Pa。（3） 集热板壁面边界之后再选定xireban 后进入Wall对话框，如图3-3所示： 图3-3 Wall 对话框 光照透过玻璃直接照射到涂有选择性涂层黑镍的集热板上时，对于集热器内部集热板边界条件采用定热流，所以在Thermal conditions中选定Heat Flux 并设置Heat Flux值为 595.29 Wm2。（4） 玻璃盖板壁面边界确定集热板后，再选gaiban 后由Set再次进入Wall 对话框，如图3-4所示： 图3-4 Wall 对话框对于玻璃盖板壁面，采用第三类边界条件，即定对流传热表面传热系数。在对话框的Thermal conditions下选定Convection并设置Heat transfer Coefficient值为16.9 W（m2K）。而回流温度仍选用默认值300K。（5）绝热壁面边界除去集热面和盖板，其它面均可视为绝热面。边界条件采用定热流，取值为0 Wm2。3.4 数值模拟在已知边界条件下，由Fluent下的Solve-Initialize- Initialize进入Solution Initialization对话框，如图3-5所示： 图3-5 Solution Initialization 对话框在此对话框的下拉菜单中选择sudurukou ，然后单击Init确定。之后再由Fluent下的Solve-Iterate 进入Iterate对话框，如图3-6所示：图3-6 Interat对话框在对话框中的Number of iterations输入200，点击Iterate对过程进行迭代。在迭代100次后，得到收敛结果如图3.7所示，结果显示残差值在逐渐减小（所有残差值都小于0.001）。 图3-7迭代得到的收敛图（1）速度分布图。进口速度分布云图如图3-8所示： 图3-8 速度分布云图从图中可以看出，在进口处，气流速度相对比较大，随着集热板长度的增加，气流速度越来越稳定。但在靠近集热板底部的边界，速度变化率很小，几乎为0,同时还有小的回流，从而对集热效率有一定的影响。速度随集热板长度变化图如图3-9所示： 图3-9 速度随集热板长度变化图速度随集热板长度的分布图显示出，随着集热板长度的增加，气流速度的变化还是相对稳定的。（2）温度分布图出口温度分布云图如图3-10所示： 图3-10 温度分布云图温度随集热板长度变化很明显，随着集热板长度的增加，集热器内集热温度越来越高，且变化很快，初步证明次设计对集热效率非常有效。温度随集热板长度变化图如图3-11所示： 图3-11温度随集热板长度变化图3.5结果分析3.5.1 翅片间距对集热器内部流场的影响将板翅间间距改为l=20mm时，集热器的模型除了间距和半圆柱板的数量外，其它均不变，根据公式2-1及图2-4可计算出各面之间的角系数，其中l1=2、l2=、l3=4、l4= l2=、l5=，则将此时各面之间的角系数进行汇总，如表3.5所示：表3.5 各面之间的角系数集热平板1左侧面2右侧面4顶 板3集热平板1X1.1 =0X1.2=0.102X1.4 =0.102X1.3=0.796左侧面2X2.1 =0.130X2.2=0X2.4 =0.130X2.3=0.767右侧面4X4.1 =0.130X4.2 =0.130X4。4 =0X4。3=0.767顶 板3X3.1 =0.398X3.2 =0.301X3.4=0.301X3.3=0则集热器的集热板上有效的热流密度根据公式2-3计算，得 qcl = 0.97000.93+0.97000.07(0.130+0.130)=597.366 Wm2在Fluent 中对模型进行设置，只改变Wall对话框中的Heat Flux值，其它均不变，将Heat Flux 值改为597.366 Wm2。界面如图3-12 图3-12 Wall 对话框之后进行迭代，同样输入200次，所得收敛结果如图3-13所示： 图3-13迭代收敛图（1）模拟所得的温度分布对比图如图3-14所示： 图3-14 温度分布对比图从间距l=10mm与l=20mm 所得出的温度分布图3-14中可以得出，随着集热板上板翅间间距的增大，流体温度将逐渐降低，即集热器的集热效率将下降。从二者温度分布对比图中可以看出，所选的板翅间距为10mm对集热效率有益。（2）模拟所得的速度分布对比图如图3-15所示：图3.15 速度分布对比图由速度分布对比图可知，板翅间距为l=10mm较l=20mm的流体速度分布较稳定，间距越大时，速度会非常不稳定且有下降的趋势。所以，相比之下，翅片间距l=10mm对集热器有益。3.5.2 进口速度对集热器内部流场的影响在其它条件均不变的条件下，只改变空气进口速度和玻璃盖板的传热系数。在Fluent软件中，选择Define-Boundary conditions 中选定 sudurukou后点Set进入Velocity Inlet对话框，如图3-16： 图3.16 Velocity Inlet 对话框将Velocity Magnitude 设置为 5ms，点击确定即可。之后再在Define-Boundary conditions 中选定 gaiban后点Set进入Wall对话框，如图3-17所示： 图3-17 Wall对话框在对话框的Thermal conditions下选定Convection并设置Heat transfer Coefficient值为24.3W（m2K）。而回流温度仍选用默认值300K。之后进行迭代，收敛结果如图3-18所示： 图3.18 迭代收敛图结果显示，收敛较好，可以选用。（1）模拟所得的温度分布对比图如图3-19： 图3-19 温度分布对比图由图示可以看出，随着空气进口速度的增大，集热器工质温度会略显下降。所以，入口速度越小，集热效率也越高。相比之下，初选速度3 ms对集热效率有益。（2）模拟所得速度分布对比图如图图3-20所示： 图3-20 速度分布对比图由图3-20可以看出，进口速度为3ms 和进口速度为5ms时，速度分布稳定性相差不大，相比之下，进口速度为3ms时集热器内部工质速度波动较小，工质较稳定。3.6 本章小结通过数值模拟以及对结果的具体分析可以得到以下结论：（1）在相同的物理模型下，进口速度为5ms时的太阳能空气集热器内工质的温度比进口速度为3ms时集热温度略低。所以说，集热器内集热温度会随着进口空气速度的增大而逐渐降低，但下降幅度不大。（2）在相同的物理模型下，板翅间距为l=20mm的太阳能空气集热器内工质的温度明显比间距为l=10mm的集热温度低。所以说，集热器内集热温度会会