全玻璃真空太阳集热管空晒状态下流动换热特性的数值模拟分析刘佰红;高文峰;刘滔;林文贤;邢秀兰;胡小芳【摘要】利用FLUENT对处于空晒状态下具有不同半球发射比(ε=0.04,0.06,0.08和0.10)的全玻璃真空太阳集热管管内流体的流动状态、温度分布及换热性能进行了数值模拟分析.结果表明:①空晒状态下,真空管的内管壁面温差可以达到60 K,而外管壁面温差不到10 K;②位于内管半径3/4处,管内空气流动速度达到最大值;③内管壁面温度随半球发射比的增大而降低,而外管壁面温度随半球发射比的增大而升高;④管内空气循环流量的最大值出现在管口处,表明散热损失主要出现在此处.【期刊名称】《云南师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】6页(P6-11)【关键词】数值模拟;半球发射比;循环流量;空晒性能【作者】刘佰红;高文峰;刘滔;林文贤;邢秀兰;胡小芳【作者单位】云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092;云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092;云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092;云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092;云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092;云南师范大学太阳能研究所,教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室,云南昆明650092【正文语种】中文【中图分类】TK513全玻璃真空太阳集热管是太阳能热利用的核心部件之一，具有结构简单、性价比高、运行温度范围广等优点，在太阳能低、中、高热利用领域都有着广泛的应用[1-2].不同厂家生产的真空管，由于生产工艺控制参数的不同，会导致真空管的热性能参数存在较大差异.空晒性能参数是热性能参数中的一个重要参数[3]，从测试结果看，空晒性能参数大多在200 K·m2·kW-1到300 K·m2·kW-1之间.为了分析影响真空管空晒性能参数的主要因素以及了解空晒状态下真空管内部流动换热的状况，本文采用数值模拟方法对全玻璃真空太阳集热管进行研究，找出影响空晒性能的主要参数及其对空晒性能的影响，为优化真空管的生产工艺提供一定参考.目前对于真空管性能方面的研究主要采用理论与实验相结合的方法.殷志强等人[4]通过理论研究和实验相结合的方式，推导得出了全玻璃真空太阳集热管光-热性能的几个影响因素：热损系数、闷晒太阳曝辐量和空晒性能参数，并提出了更为合理真空管空晒热性能评价标准.Shahi等人[5]通过数值模拟的方法，分析了不同倾角、朝向等因素下真空管内部流动换热状态和温度分布情况.刘佰红等人[6]利用FLUENT对处于不同发射率、真空度下的真空管的空晒热性能进行了数值模拟，结果表明：发射率越小，夹层真空压强越低，真空管的热性能越好.本文将基于这一研究成果对真空管空晒状态下的管内流动及换热作进一步的讨论分析.Morrison等人[7]利用PIV(Particle Image Velocimetry)与数值模拟相结合的方法对真空管太阳能热水器管内流动状态进行了研究，发现水箱温度分层直接影响着水在真空管内部流动换热的性能.Gui等人[8]通过实验研究了温度及真空夹层压强对全玻璃真空集热管选择性吸收涂层等效发射比的影响.吴家庆[9]通过分析和比较全玻璃真空管的辐射热损和导热热损，发现真空度为10-3 Pa时，其辐射热损将比导热热损大2～3个数量级.Budihardjo等人[10]利用FLUENT模拟和实验相结合的方法对影响真空管太阳能热水器管内水循环流量的因素进行分析，得出主要的影响因素为太阳辐射强度、水箱温度、集热器倾角和管长与直径的比值.本文基于实际结构尺寸的全玻璃真空太阳集热管构建物理及数值模型，利用FLUENT模拟分析不同参数空晒状态下流体的温度场、速度场、循环流量及空晒性能，探讨真空管空晒状态下流动换热机理及影响因数.空晒状态下，随着真空管空晒温度的升高，真空管的流动换热迅速增大.不同辐射强度，不同环境温度的影响，导致真空管的空晒温度差异很大，殷志强等人[3]通过对真空管的空晒实验研究和理论分析，得出了分析真空管空晒性能参数Y的理论公式：式中：Ac为真空集热管的有效采光面积(m2)；Aa为内管的表面积(m2)；τ为真空集热管罩管玻璃透射比(AM1.5)；α为选择性吸收涂层的太阳吸收比(AM1.5)；G为太阳辐照度(W/m2)；ULT为真空集热管内温度为Tg、环温为Ta时的热损系数(W/(m2·K)).当温度为T时真空管的热损系数[5-6]：σεT(Tg2+Ta2)(Tg+Ta)式中：kg为真空管不锈钢卡子的传导损失和开口端玻璃的传导损失(kg≈0.003 2W/K[4])；K为真空管夹层气体的导热系数(W/(m·K))；εT为内管温度为T时吸收涂层表面的半球发射比.考虑到温度对半球发射比的影响[11]，在模拟过程中设定半球发射比随温度而改变，并采用殷志强等人[4]的理论研究结果，其关系式如下：式中：εT1为内管温度为T1时吸收涂层表面的半球发射比.通过式(1)、(2)和(3)可知，影响真空管空晒性能的主要因素有真空管的几何尺寸参数Ac和Aa以及其制备材料的物性参数太阳透射比τ、太阳吸收比α、半球发射比εT和真空夹层气体的导热系数K.其中真空管的几何尺寸参数Ac和Aa国家标准中已明确给出[3].对于罩管玻璃太阳透射比τ，目前市场上绝大部分厂家采用高硼硅作为真空管生产的原料，其太阳透射比基本相同，约为0.92.对于选择性吸收涂层的太阳吸收比α则是真空管闷晒性能参数的主要影响因素，对空晒性能参数影响并不明显[3，6].对于真空管夹层气体的导热系数K，由真空管夹层的真空度决定[12]，当压强小于0.05 Pa时，真空夹层间气体的导热损失可以忽略不计[8]，目前市场上真空管的真空度大都能满足压强小于0.05 Pa的要求.因此讨论以上各影响参数意义不大.本文将着重分析半球发射比εT对真空管空晒性能的影响.在真空管空晒状态下，为了便于分析管内流体流动的换热状态，本文采用了Budihardjo[13]提出的循环流量来进行讨论：式中：Q为真空管径向(即z方向上)横截面上的循环流量(kg/s)；为z方向上的速度矢量(m/s)；Az为该截面的面积(m2).选择Φ58×1 800 mm的普通全玻璃真空管作为分析对象.利用ICEM构建网格模型.利用FLUENT进行参数设置，根据实验测试结果，建立辐射模型边界条件(辐照强度G=988 W/m2，环境温度Ta=300 K，太阳透射比τ=0.92，太阳吸收比α=0.92，夹层真空度设定为10-2 Pa，辐射时间t=120 min)，真空管南北向放置，倾角45o，地点设置为昆明(E102o N25o)，模拟时间为11月21日13时.为了方便研究，模型假设参照刘佰红等人[6]的理论分析进行设定.为了提高计算准确性，需要进行网格独立性验证.选取了三种数量的网格采用相同的设置进行计算，真空管空晒温度计算结果见表1.对比三种结果差别不大，为了缩短计算周期，将采用网格数为124 777的网格模型进行计算.根据GB/T17049-2005[3]的测试要求和方法，选取了半球发射比分别为0.041、0.054、0.06、0.072、0.083而其他性能参数相近的5支真空管进行实验，记录测试期间的太阳辐照度、环境温度以及真空管内工质温度.同时利用FLUENT在相同条件下对半球发射比分别为0.04、0.05、0.06、0.07、0.08的真空管进行空晒数值模拟.图1为模拟与测试所得的真空管空晒性能参数随半球发射比的变化曲线.从图中可以看出，两种结果的曲线变化一致，半球发射比增大，真空管的空晒性能降低.试验测得的真空管空晒性能参数比模拟结果平均低10 K·m2·kW-1，这是由于模拟过程中材料的物性及边界条件的设置相对理想化，而试验受到环境各方面因素以及管口的保温、测试设备精度的差异等影响，使得试验结果偏低于模拟结果.总体看来，模拟结果与试验结果吻合较好，运用FLUENT模拟分析真空管的热性能是合理和准确的.5.1 半球发射比对真空管温度分布的影响图2所示为真空管轴向截面上的等温线图.4个真空管内部温度分布呈现一致，位于真空管中部(Z=0 m)温度沿Z轴方向上变化很小，水平方向上变化较为均匀.位于底部和管口附近的温度变化较大，且中部温度相对较高，这是由于真空管空晒状态下，管口散热损失大，而底部受密度差引起的热浮力作用，从而呈现出管底温度低中部温度高的现象.对比不同发射率真空管轴向温度分布情况，可以看出发射率低的真空管内整体温度相对较高.靠近右侧(太阳辐射面)内管壁面的温度较高.图3所示为z=0 m即管长1/2处，不同半球发射比下x轴向上的温度分布情况.由此图可以看出x=-23.5 mm处(接收太阳辐射壁面的背面)，温度最低.随着x值的增大温度逐渐升高.当x=23.5 mm时(太阳辐射面)温度达到最高.不同半球发射比下，x轴向上的温度变化趋势相同，半球发射比越低，x轴向上的整体温度越高.温度变化在x轴向上大致可分为3个均为线性关系的区间；位于-0.023 5 m<x<-0.013 2 m的区间，x轴向上的温度梯度为dT/dx≈1 500(K/m),位于-0.013 2 m< x < 0.013 2 m的区间，x轴向上的温度梯度为dT/dx≈600(K/m)，位于0.013 2 m < x < 0.023 5 m的区间，x轴向上的温度梯度为dT/dx≈2 300(K/m).图4和图5分别为z=0 m，即管长1/2处，不同半球发射比下内外、管壁面温度随角度φ(与正南朝向的夹角)的变化.可以看出内管壁面温度随半球发射比的增大而降低，而外管壁面温度随半球发射比的增大而升高.这是由于半球发射比增大，内管壁面辐射损失增加，辐射到外管壁面的能量增多，使得外管壁面温度升高.半球发射比对内管壁面温度影响较大.当半球发射比从0.04增大到0.10时，内管壁面最高温度从590 K下降到502 K，下降了近90 K，而外管壁面温度则变化很小，相差不到2K.在不同半球发射比下，内、外管壁面温度随角度φ变化都呈现中间高两边低的波形，壁面最高温度出现在φ=π/6(当地时间15∶00的太阳方位角，根据Beckman[14]方位角理论推导可得)位置处，对比图4、图5可以得出内管壁面温度分布不均匀性可以达到60 K，而外管壁面温度分布不均匀性不到10 K.图6所示为ε=0.06时，真空管轴向截面的速度迹线云图，其中右图为管口处局部放大示意图.速度云图显示，靠近内管两侧壁面处，工质流速较高，达到0.18 m/s，位于真空管轴心附近流速较低，小于0.02 m/s.图中带箭头的线表示质点的流动轨迹，可以看出位于真空管右半部分的工质向上流动，左半部分的工质向下流动，这是由于右侧为太阳辐射的一侧，靠近右侧壁面处工质被加热，密度降低而上浮，左侧为太阳辐射壁面的背面，壁面温度相对较低，工质被冷却，密度增大而下降.同时，在管口轴心位置出现2个涡流，这是由于靠近加热壁面上浮的气体，遇管口壁面改变流动方向，流向冷却壁面一侧，被冷却而下降，在两侧相反气流的带动下形成了涡流.5.2 半球发射比对真空管循环流量的影响图7所示为管长1/2处，不同半球发射比下，工质流速(速度取z轴的正方向为正)随x轴向位置的变化关系.位于-0.023 5 m<x<0 m处，工质流体沿真空管轴向向下流动；位于0 m<x<0.023 5 m处，工质流体沿真空管轴向向上流动.位于内管半径3/4处，速度出现了最小值和最大值分别为-0.184 m/s、0.205 m/s.由半球发射比引起的管内工质流体流速最大差别为0.029 m/s.图8所示为不同管长横截面工质的循环流量，从图中可以看出循环流量在管长0 m-0.5 m区间增长迅速，约为7×10-5 kg/s，在管长0.5 m-1.7 m区间循环流量增加缓慢，增量不到1.5×10-5 kg/s.在接近管口处达到最大值.当半球发射比为0.04时，循环流量接近9×10-5 kg/s，说明空晒状态下，管口处的热量损失最大.循环流量随着半球发射比的增加而减小，半球发射比从0.04增大到0.10，循环流量降低了1.15×10-5 kg/s.通过对影响全玻璃真空集热管空晒性能的一些参数进行理论分析，确定了其主要的影响因素为半球发射比.分别对半球发射比ε为0.04、0.06、0.08、0.10时管内流体的温度场、速度场、循环流量及空晒性能进行数值仿真，并且讨论了不同真空度对真空管空晒性能的影响，通过分析得出：空晒状态下，真空管内管壁面温度分布不均匀性可以达到60 K，而外管壁面温度分布不均匀性不到10 K；空晒状态下，由真空管半球发射比引起的内外管壁面温度变化相反，内管壁面温度随半球发射比的增大而降低，而外管壁面温度随半球发射比的增大而升高；位于内管半径3/4处，管内流体流动速度达到最大值；管口处的循环流量最大，热损失最大.【相关文献】[1] YIN Z.Development of solar thermal systems in China[J].Solar Energy Materials & Solar Cells,2005,86(3):427-442.[2] 孙守建.中高温直通式真空太阳集热管的研制与应用[J].太阳能,2009 (Z1):47-54.[3] GB/T 17049-2005,全玻璃真空太阳集热管[S].[4] 殷志强,唐轩.全玻璃真空太阳集热管光-热性能[J].太阳能学报,2001,22(1):1-5.[5] SHAHI M,MAHMOUDI A H,TALEBI F.Numerical simulation of steady natural convection heat transfer in a 3-dimensional single-ended tube subjected to ananofluid[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2010,37(10):1535-1545.[6] 刘佰红,高文峰,刘滔,等.全玻璃真空太阳集热管空晒性能的数值模拟分析[J].云南师范大学学报:自然科学版,2015,35(4):5-11.[7] MORRISON G L,BUDIHARDJO I,BEHNIA M.Measurement and simulation of flow rate ina water-in-glass evacuated tube solar water heater[J].Solar Energy,2005,78(2):257-267.[8] GUI Y,XUE Z,ZHOU X,YIN Z.Determination of emittance of selective absorbing surfaces[J].Solar Energy,1998,64(4-6):241-243.[9] 吴家庆,全玻璃真空集热管的热损[J].太阳能学报,1995,16(1):59-67.[10]BUDIHARDJO I,MORRISON G L,BEHNIA M.Natural circulation flow through water-in-glass evacuated tube solar collectors[J].Solar Energy,2007,81(12):1460-1472.[11]史月艳,那鸿悦.太阳光谱选择性吸收膜系设计、制备及测评[M]．北京：清华大学出版社，2009.[12]吴家庆，陶祖岩，王凤春,等．玻璃真空集热管的真空获得与真空寿命[J]．清华大学学报，1982，2(3)：142-148．[13]BUDIHARDJO I.Evacuated Tubular Solar Water Heaters[D].Sydney,Australia：University of New South Wales,2005.[14]DUFFIE J A,BECKMAN W.Solar Engineering of Thermal Processes[M].3rd ed.New Jersey:Wiley,2006.。
