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双集热管多曲面空气集热器热性能分析

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-10-22

姜理星,陈  超,韩枫涛,李印,杨枫光
北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点试验室

       【摘 要】为了提高太阳能的利用率,自主研发一种双集热管多曲面空气集热器。采用自主搭建试验台,通过测试集热器出口温度,归一化温差-效率,围护结构温度等考察该集热器光热特性,提出了该集热器一维传热稳态模型,并验证了该模型的有效性。结果表明:与同类单管集热器相比,双管集热器空气流量提高了一倍,聚光效率可达90%以上,单位面积集热量增加了16%,集热效率提高了9%,运行效率为44%~52%;通过集热器光热过程建立其一维传热稳态模型,以北京和新疆乌鲁木齐地区实际工程为例,该模型最大温差约为3~4℃,最大误差约为3.9~4.5%,因此证实该模型的有效性。该研究结果将为多曲面空气集热器的优化设计、热工性能评价及其推广提供技术参考。

       【关键词】太阳能;双集热管多曲面空气集热器;光热特性;传热模型;试验分析

       【基金项目】国家自然科学基金资助项目(51578012、51378024);“十三五”国家重点研发计划(课题编号:2016YFC0700206)

       【中图分类号】S625.1           【文献标志码】A

0  引  言 

       随着太阳能广泛应用于热发电、农业除湿、海水淡化等领域,它已成为缓解化石能源紧张的主要途径之一。作为太阳能吸收和在光热转化过程中的关键元件,太阳能集热器在太阳能热利用技术中起着至关重要的作用。

       槽式集热器因结构简单,出口温度高,有利于太阳能建筑一体化实现得到广泛关注。Bendt.P等[1]结合理论分析及试验方法,提出了一种旋转抛物面集热器光学分析的简便方法,与传统光线追迹法比较,该简便算法更为准确、省时间。帅永等[2]对抛物面式太阳能聚能系统的聚光特性进行了模拟研究,采用Monte Carlo法对槽型和碟型两种抛物面的集热器在不同焦距、不同边缘角条件下焦面上的能流密度进行计算,通过比较得出不同类型集热器优化结构参数。韩雪[3]以槽式太阳能集热器为研究对象,采用数值模拟和正交分析研究影响槽式太阳能集热器热效率的主要因素。Ong[5-6]建立了4种平板型空气集热器的数学模型,基于壁面平均温度和气流平均温度,利用构建计算模型对4种集热器的热性能进行了预测。A. Acuna [7]通过复合抛物面聚光器的技术,采用试验得到两种模式下太阳能集热器的特性曲线。李明[8]建立了槽式聚光集热真空管装置的数学模型,理论计算结果与试验结果吻合较好,误差在5.2%以内。

       结合前人研究成果,以自主研发的双集热管多曲面空气集热器为研究对象,从集热器的光学特性入手,运用光学软件分析了其光学原理,采用试验测试的方法考察集热器出口温度、归一化温差—效率和围护结构表面温度等,通过分析其光热特性建立了一维稳态传热数学模型,揭示该多曲面空气集热器传热特性的影响因素,为该集热器的优化设计及工程应用提供性能评价参考。

1  试验台搭建

       1.1  结构设计及聚光原理

       现有研究多为单集热管集热器(图1a)。该集热器存在流量小、集热效率低等问题。基于此,本项目自主研发了一种新型双集热管多曲面空气集热器(图1b),利用Tracepro光学软件对集热器的双管位置优化设计和光线汇聚效果进行模拟,发现该集热器在合适位置排布两根集热管可以增大太阳光线的接收效果,聚光效率可达90%以上。

图1 集热器实物及聚光结构示意图

       基于聚光原理(如图1b),太阳光线透过玻璃盖板射入槽内,或直接被集热管接收,或多次由反射板反射后,汇聚至双集热管表面。双集热管将收集的光能转变为热能,加热内部流经的空气,并将热空气输送至供暖末端。

       1.2  试验台搭建

       双管集热器热性能试验系统主要由双管集热器、风机、风管、静压箱、数据采集系统等构成,如图2所示。

图2 双管集热器热工性能试验系统构造示意图

       其中,集热器槽体高度为0.6m、开口宽度为0.63 m,超白玻璃板厚度为3 mm;反射板为厚0.7mm的抛光氧化镜铝板,反射率为0.9,铝板表面为镀黑铬选择性吸收层[9];集热管管径均为0.1m;风机置于上游空气进口侧;集热器单元组件长度为2m(试验时采用2个单元组件串联,长4 m)。试验仪器性能参数如表1所示。

表1 试验测试仪器性能参数

       1.3  评价指标

       根据双管集热器的结构特点以及工作原理,参照中国国家标准《GB/T 4271-2007太阳能集热器热性能试验方法》,采用评价指标如下:

       1)集热器出口温度

       空气出口温度反映集热器的送风状况,也反映了为末端提供的供暖(热)品质和太阳能利用率。

       2)基于进口温度的归一化温差-效率曲线

       为了直观反映工质温度、环境温度对集热效率的影响,根据《ASHREA93-2003》,采用最小二乘法,引入集热效率与归一化温差的线性关系(式(1))。

       

       式中,η0为太阳能空气集热器的瞬时效率最大值;a为太阳能空气集热器热损失系数,W/(m2·℃);T*为归一化温差(),(m2·℃)/W;Ta为环境温度,℃。

       3)围护结构表面温度

       通过维护结构表面温度变化可以反应出集热器散失的能量,即热工保温性能的优劣,从而间接评价集热器对于太阳能的有效利用率。维护结构表面温度包括玻璃盖板温度和反射板外保温层温度。

2  实测结果及分析

       2.1  出口温度

       图3为双管与单管集热器出口温度的比较。双管较单管集热器空气出口温度提高了约36%。通过计算表明[12],在晴天 (日累计太阳辐射能量为20 MJ/m-2,正午时太阳辐射强度最高达到920 W/m-2) 时,相同管内空气流速条件下,双管集热器较单管集热器空气流量提高一倍,单位面积瞬时集热量和瞬时集热效率分别提高约16%和9%。

图3 单、双管集热器出口温度对比

       2.2  基于进口温度的归一化温差-效率曲线

       为了直观评价工质温度、环境温度对集热效率的影响,根据式(1)可得到集热器归一化温差-效率曲线,如图4所示。

图4 归一化温差-效率曲线图  (流量为180 m3/h,太阳辐射强度为700 wˑm-2)

       图4为基于不同进口温度的归一化温差-效率曲线(流量180 m3/h、太阳辐射强度700 W/m2)。集热器集热效率随着归一化温差的增大而降低,此时集热器热损失系数为2.62 W∙m2/K;当归一化温差为0时集热效率为57.6%。例如,当集热器运行条件为进口温度20~25℃,环境温度−10~6℃,太阳辐射强度700 W/m2时,此时归一化温差为0.02~0.04 m2∙K/W,集热器运行效率为44%~52%。

       由此得出该双管集热器的空气出口温度可达75 ℃以上,同时该系统在实测期间的平均效率为40%左右,对应的归一化温差在0.04~0.05 m2∙K/W之间。相比文献[11]设计的双管式系统中的水温最高可达65 ℃,与本研究提出的双管空气集热器结果相近。

       2.3  围护结构表面温度

       围护结构表面温度与室外参数关系如图5所示,随着太阳辐射强度和环境温度的上升(下降),玻璃盖板温度和反射板温度也随之上升(下降)。围护结构表面温度的波峰相对太阳辐射强度的延后现象是由于围护结构的蓄热能力导致。

图5 室外气象参数与围护结构温度随时间的变化关系图

       为了更好分析围护结构与室外参数之间的温度关系以及集热器的传热特性,将前期大量的试验数据[12]进行整理,并利用MATLAB软件对玻璃盖板温度Tc、反射板温度Tr进行拟合。

图6 玻璃盖板温度拟合效果

       根据实测分析,Tc的主要影响因素为To、I。基于试验数据拟合如图6所示,经验公式如(3)所示,

       Tc=1.257To+0.01645I-4.021(P=0.86)  (2)

图7 反射板温度拟合效果图

       同理,对反射板温度Tr进行拟合,结果如图7所示,经验公式如(3)所示,

       Tr=1.57To+0.02618I-11.1(P=0.78)(3)

3 传热模型建立

       根据试验结果及聚光原理:太阳光透过玻璃盖板,一部分被盖板吸收和反射;另一部分透过盖板直接照射在集热管和反射板上,照射在反射板上的太阳光线或经反射后汇聚至集热管,或通过保温层散失到外界环境(如图8a所示)。

图8 微元段选取及传热过程分析

       为方便分析集热器内部传热过程,将双集热管等效为单集热管,基于传热学理论,选取集热器某微元段进行传热过程分析,如图8b所示。

       3.1 传热过程假设

       根据集热器传热过程分析,为了建立一维稳态传热模型,本研究进行如下合理假设: 

       1)集热器为稳态传热模型; 

       2)集热管微元段表面接收的太阳辐射量均匀;

       3)流体流动为沿轴向的一维流动;

       4)忽略集热筛网和玻璃盖板的热阻;

       5)忽略集热器的结构制作误差;

       6)微元段表面温度均匀一致,且为漫射灰表面;

       7)反射板及包裹层视为厚度一致的各向同性材料。

       3.2 传热模型建立

       1)传热过程能量平衡过程分析

       (1)玻璃盖板的能量平衡方程

       qc+qrad,r-c+qrad,g-c+qconv,air-c=qconv,c-o+qrad,c-sky (4)

       式中,qc——玻璃盖板接受的太阳能;qconv,c-o——盖板和外界空气的对流换热量;qrad,c-sky——盖板和外界的辐射换热量;qconv,air-c——盖板和腔内空气的对流换热量;qrad,g-c——玻璃盖板与吸收管的辐射换热量;qrad,r-c——玻璃盖板与反射板的辐射换热量。

       (2)腔内空气的能量平衡方程

       qconv,r-air+qconv,g-air=qconv,air-c (5)

       式中,qconv,air-g——集热管与腔内空气的对流换热量;qconv,air-r——反射板与腔内空气的对流换热量;qconv,air-c——盖板与腔内空气的对流换热量。

       (3)集热管的能量平衡方程

       qg=qconv,g-air+qf+qrad,g-r+qrad,g-c(6)

       式中,qg——集热管接受到的太阳能;qconv,air-g——空气与集热管的对流换热量;qrad,c-g——盖板与集热管的辐射换热量;qrad,r-g——反射板与集热管的辐射换热量;qf——流体带走的热量。

       (4)反射板的能量平衡方程

       qrad,g-r=qrad,r-c+qcond,r2-r1+qconv,r-air  (7)

       式中,qrad,g-r——集热管与反射板的辐射换热量;qrad,r-c——反射板与盖板的辐射换热量;qconv,r-air——反射板与腔内空气的对流换热量;qcond,r2-r1——反射板内的导热量。

       基于能量守恒,将式(1)~式(4)相加化简得, 

       qc+qg=qconv,c-o+qrad,c-sky+qf+qcond,r2-r1  (8)

       2)热工参数及模型建立

       由式(8)可知,根据能量守恒(如图8所示),集热器获得的能量为盖板和集热管吸收的太阳能;失去的能量为工质流体带走的热量,盖板外表面和保温层外表面因对流和辐射换热散失到外界的热量。因此,集热管的数目及位置都不影响微元段传热过程分析及模型建立。

       (1)玻璃盖板吸收的能量采用式(9)计算,

       qccIDdx               (9)

       式中,αc——玻璃盖板吸收系数,0.1;I——太阳辐射强度,W/m2;D——玻璃盖板宽度,0.63m。

       (2)集热管吸收的能量采用式(10)计算,

       qg=ταgηIDdx   (10)

       式中,τ——玻璃盖板透过率,0.91;αg——集热管吸收系数,0.94;η——聚光效率,0.9。

       (3)玻璃盖板与外界环境的对流换热能量采用式(11)计算,

       qconv,c-o=h(Tc-To)Ddx          (11)

       式中,Tc—玻璃盖板温度,℃;To—环境温度,℃;h—玻璃盖板与外界空气的对流换热系数,h=5.7+3.8vw[14] ,vw取北京全年平均风速2.3m/s ,得h=14.44W/(m2·℃);

       (4)玻璃盖板与外界环境的辐射换热能量采用式(12)计算,

       qrad,sky-c=σεb(Tc4-Tsky4)Ddx       (12)

       式中,εb—玻璃盖板发射率,0.08;σ—黑体辐射常数,5.67×10-8W/(m2·K4);Tsky—天空辐射温度,℃。 

       有效天空温度Tsky 可由文献[13]计算,但为为了简化计算,采用试验数据一次线性拟合,如图9所示,经验公式如(13)所示,

图9 有效天空温度拟合效果图

       Tsky=0.3302To-1.5347         (13)

       (5)流体带走的能量采用式(14)计算,

       qf=cpρπr2v(dΔt/dx)dx         (14)

       式中,cp—空气的比热容,取1.005kJ/(kg·℃);ρ—空气的密度,取1.093kg/m3;r—集热管半径,0.05m;v—流体流速,m/s;Δt—流体进出口温差即Tout-Tin,℃。

       (6)保温层散失的能量采用式(15)计算,

       qcond,r2-r1=kS(Tr-To)dx       (15)

       式中,k—保温层导热系数,取0.034kJ/(m2·℃);S—反射板弧长,0.99m;Tr—反射板温度,℃。

       将式(2)~(3)、式(9)~(15)代入式(6),即得集热器进出口温差简化计算式(16)。当已知太阳辐射I、集热器长度L、环境温度To、流体流速v、进口温度Tin时,即可由式(16)计算出集热器的出口温度Tout。

     

       3.3  模型验证及误差分析

       1)模型验证

       为验证模型准确性,分别在乌鲁木齐(E87.68°,N43.77°),北京昌平(E116.23°,N40.22°)搭建多曲面空气集热器试验台(图10)。每组集热器长16米,共4组,采用并联方式连接接,工质空气流速为2.4m/s。 

图10 集热器试验台实物图

       将太阳辐射强度、环境温度、进口温度的实测数据代入计算模型中,得到模拟出口温度,并与实测结果对比,发现北京地区实测值与模拟值的最大温差为3℃左右,最大误差为4.5%;新疆地区的最大误差4℃左右,最大误差为3.9%,模拟结果与实测结果具有较高的重合性,因此传热模型是合理的(如图11所示)。

图11 试验与模型计算结果对比

       2)误差分析

       计算模型式(16)的误差产生原因如下:集热器挡板热量的流失,例如对于4米的集热器而言,其两侧挡板热量损失约占总能量损失的7.5%左右。由于集热器各个构件链接部分存在缝隙导致有渗透风侵入,从而使集热器内部的热量损失。由于制作工艺使得双集热管并没有设置在最佳位置,从而导致光线的汇聚效果不能达到预期,使得集热器接收的太阳能效率降低。

4  结论

       1)与同类型的单管集热器相比,聚光效率可达90%以上,空气流量提高了一倍、单位面积集热量增加了16%,集热效率提高了9%,集热器运行效率为44%~52%。

       2)对双集热管多曲面空气集热器的传热过程进行了分析,对各个构件建立了能量平衡方程,建立了它的一维传热数学模型,结合在北京、新疆试验台的大量试验数据对模型进行验证,结果表明北京地区最大温差3℃左右,最大误差为4.5%;新疆地区最大误差4℃左右,最大误差为3.9%,验证了模型的合理性。

       通过集热器传热模型对出口温度进行预测,为集热器的结构优化及其在不同地区的建筑节能中应用提供技术参考。

参考文献

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       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。