集热板上设有带间隙的多重V形肋片的太阳能空气集热器通道的传热与流动特性数值研究

发布时间：2020-10-02 08:35

　　太阳能具有普遍、巨大、长久、无害等优点,太阳能的应用也得到了广泛的重视。太阳能集热器是把太阳能转换成热能的装置,广泛应用在空间加热、农作物的干燥、工业生产等方面。对于传统的平板式太阳能空气集热器,空气流过矩形通道的过程中,在壁面处形成很厚的粘性层流底层,导致吸热板与空气之间的换热系数很低,热损失大。为了提高集热器的换热效率,减少热损失,需要对集热器的结构进行改善。大量研究表明,在吸热板上设置人工粗糙元可以有效地改善集热器的换热情况。本文采用的人工粗糙元为带有间隙的多重V形肋片,采用CFD数值模拟软件对带有间隙的多重V形肋片的太阳能空气集热器的传热及流动特性进行了研究。首先对三维物理模型进行了网格无关性检验、湍流模型的选择及有效性分析。然后计算了在不同的廊数下,间隙位置(d1/(w/2),d1/(w/2))、相对肋宽比(W/w)、肋片厚度S、肋片节距P、肋片高度e、肋片倾角α对集热器的平均Nu数、摩擦阻力因子和热性能因子的影响。计算结果表明,间隙位置为dl/(w/2)=0.33,d2/(w/2)=0.33时,集热器的壁面平均Nu数、摩擦阻力因子和热性能因子均取得最大值。集热器的热性能因子随着W/w的增大先增大后减小,当W/w=6时,热性能因子,7最大,W/w=5时次之,W/w=1时最小。在Re=6000时,随着肋厚S的增大,集热器的热性能因子逐渐减小,在Re=9000-18000时,随着S的增大,集热器的热性能因子逐渐增大。肋片高度e=1mm、2m m和6mm时,热性能因子随着节距的增大而减小,e=4mm时,热性能因子随着节距的增大先减小后增大。随着肋高的增大,热性能因子先增大后减小,当e=2mm时,热性能因子最大。随着倾角α的增大,热性能因子逐渐减小,a=30。的最大,a=45。的次之,a=75。的最小。在Re=9000-18000范围内,带间隙的肋片的热性能因子比连续形肋片的热性能因子大。对流动特性的分析得出,带有间隙的V形肋片与连续的V形肋片相比,间隙的存在可以提高间隙背风面处的Nu数。但从间隙处流出的流体会破坏旋涡的流动,使旋涡提前消失,这一点不利于换热。因此,应综合考虑间隙对集热器换热的影响。随着节距的减小或肋高的增大,流体在整个通道中下降上升的次数增多,主流的冷流体和加热面附近的热流体换热次数增多,冷热流体掺混的更均匀,集热器的强化换热效果更显著。倾角越大,旋涡旋转直径越大,在相邻肋片区域流动的流体中受旋涡扰动的比例越大,流体掠过肋片进入相邻肋片区域后,流动方向改变的越大,但倾角越大,在相邻肋片间流动的流体速度越小,湍流度越小,综合考虑,得到a=45°时,集热器的换热效果最好。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK513.1
【部分图文】：

平板集热器,结构示意图,透明盖板,吸热板

图１．１平板集热器的结构示意图逡逑

不同形状,俯视图,吸热板

￣、隔热层＼蒂：逡逑图１．１平板集热器的结构示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｆｌａｔ邋ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ逡逑太阳能穿过透明盖板后，被吸热板吸收并转化成热能，吸热板内的传热介质吸收热逡逑量后温度升高，作为集热器的有用能输出；同时，温度升高后的吸热板会通过传导、对逡逑流和福射向周围环境散热，成为集热器的热量损失。逡逑１．３强化传热逡逑强化传热就是在一定的条件（如温差、重量、体积、泵功等）下增加所传递的热量逡逑［３］。影响流体传热的因素有很多如：流体的物理性质、流体的运动状态、流动起因、流逡逑－３邋－逡逑

示意图,物理模型,工作段

２．２物理模型逡逑本文所研宄的物理模型为三维带有间隙的多重Ｖ形助片的太阳能空气集热器。图逡逑２．２是所研究的物理模型示意图，图２．３是所研宄物理模型的俯视图。整个通道分为三段，逡逑分别为入口段、工作段和出口段。工作段的长度为１０００ｍｍ，工作段入口向上游延长逡逑５００ｍｍ作为入口段，保证充分发展，工作段出口向下游延长５００ｍｍ作为出口段，保证逡逑出口无回流。在吸热板的内表面增设带有间隙的多重Ｖ形助片，将助片末端到第一个间逡逑隙的距离定义为山’肋片前端到第二个间隙的距离定义为（ｈ。集热器的几何尺寸如表逡逑２．１所示，肋片的几何尺寸如表２．２所示。逡逑０逡逑图２．２物理模型逡逑Ｆｉｇ．２．２邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ逡逑－１０邋－逡逑

【共引文献】