扰流板太阳能空气集热器的流道优化

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-0790

化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (02): 819-825.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-0790

扰流板太阳能空气集热器的流道优化

贾斌广¹(),刘芳¹(),王达²,张大鹏¹,韩韬¹

1. 山东建筑大学热能工程学院，山东济南 250101
2. 中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东济南 250200

收稿日期:2018-04-17 修回日期:2018-08-09 出版日期:2019-02-05 发布日期:2019-02-05
通讯作者: 刘芳
作者简介:<named-content content-type="corresp-name">贾斌广</named-content>（1994—），男，硕士研究生，研究方向为太阳能与制冷技术。E-mail：<email>jiabinguang78@163.com</email>。|刘芳，副教授，硕士生导师，研究方向为建筑节能与空气源热泵系统。E-mail：<email>fliu@sdjzu.edu.cn</email>。
基金资助:
国家自然科学基金(51406105)

Optimization of flow path for the spoiler solar air collector

JIA Binguang¹(),LIU Fang¹(),WANG Da²,ZHANG Dapeng¹,HAN Tao¹

1. Department of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, Shandong, China
2. Jinan Fruit Research Institute, National Federation of Supply and Marketing Cooperatives, Jinan 250200, Shandong, China

Received:2018-04-17 Revised:2018-08-09 Online:2019-02-05 Published:2019-02-05
Contact: LIU Fang

摘要/Abstract

摘要：

通过改变常规的蛇形流道的扰流板式太阳能空气集热器的扰流板布置，开发出一种涡旋形流道太阳能空气集热器，并对其进行实验与模拟研究。研究发现在平均太阳辐照度819.7W/m²、温度7.33℃、流量0.025kg/s的条件下，涡旋形太阳能空气集热器的集热效率可达59.14%，比蛇形太阳能空气集热器高2.18%；而其压力损失仅为蛇形太阳能空气集热器的37.26%，且随着流量的增加，压损降低更加明显；同时得到在出口温度为30～90℃范围内，涡旋形太阳能空气集热器的热损系数在4.6～5.6W/(m²·K)之间，热迁移因子在0.64～0.72之间，二者的平均值各自较蛇形太阳能空气集热器高0.06W/(m²·K)与0.019。与蛇形太阳能空气集热器相比，涡旋形的太阳能空气集热器增加了太阳能空气集热器的集热效率，同时大幅降低压力损失。

关键词: 涡旋形太阳能空气集热器, 集热效率, 热损系数, 热迁移因子

Abstract:

By changing the layout of spoiler plates of the solar-air collector with serpentine flow channel, a spiral solar air collector was developed with numerical and experimental studying. The results showed that under the conditions of the average solar irradiance, temperature and flow rate being 819.7W/m², 7.33℃ and 0.025kg/s respectively, the heat-collecting efficiency of the solar air collector could reach 59.14%, which was 2.18% higher than that of the serpentine solar air collector. The pressure loss for spiral one was only 37.26% of the pressure for serpentine solar collector, and the pressure loss decreased significantly with the increase of flow rate. The heat loss coefficient of the spiral solar air collector was in the range of 4.6－5.6W/(m²·K) and the heat transfer factor was between 0.64－0.72 in the temperature range of 30—90℃. The average value of the two was 0.06W/(m²·K) or 0.019 respectively higher than those of the snake solar air collector. Compared with serpentine solar air collector, the spiral solar-air collector increases the heat collection efficiency of the solar air collector and greatly reduces the pressure loss.

Key words: spiral solar air collector, heat collection efficiency, heat loss coefficient, thermal migration factor

中图分类号:

TK513.3

贾斌广, 刘芳, 王达, 张大鹏, 韩韬. 扰流板太阳能空气集热器的流道优化[J]. 化工进展, 2019, 38(02): 819-825.

JIA Binguang, LIU Fang, WANG Da, ZHANG Dapeng, HAN Tao. Optimization of flow path for the spoiler solar air collector[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(02): 819-825.

图/表 11

图1 太阳能空气集热器结构图（单位：mm）

表1 边界条件及物性参数

集热器单元	边界条件	材质	密度/kg·m^-3	比热容/J·kg^-1·K^-1	热导率/W·m^-1·K^-1	吸收率	透过率
透明盖板	对流换热 h _w=12W·m^-2·K^-1	玻璃	2500	840	0.76	—	0.92
集热板	流固耦合	铝	2719	871	202.4	0.96	—
保温材料	对流换热h _w=12W·m^-2·K^-1	岩棉	120	1220	0.04	—	—

图2 太阳能空气集热器实物

图3 模拟算法验证

图4 速度场分布图

图5 太阳能空气集热器工作情况

图6 流量对集热效率与热迁移因子的影响

图7 太阳能空气集热器的压力损失

图8 总热损系数与空气出口和外界环境温差的关系

图9 热迁移因子与集热效率的关系

符号说明

A _c	——	太阳能空气集热器采光面积， m²
A _e	——	太阳能空气集热器侧壁总面积， m²
c_p	——	空气定压比热容， J/(kg·K)
d	——	太阳能空气集热器保温材料厚度，m
h _w	——	为环境空气与玻璃盖板的对流换热系数， W/(m²·K)
G	——	太阳能辐照量， W/m²
k	——	太阳能空气集热器保温材料的热导率， W/(m·K)
m	——	空气的质量流量， kg/s
N	——	玻璃层数
$Δ P$	——	太阳能空气集热器进出口压差， Pa
S	——	太阳能空气集热器单位面积上吸收的太阳能， W/m²
T _i，T _o，T _p,m，T _a	——	分别为太阳能空气集热器进口、出口、集热板的温度与外界环境温度， K
U _t，U _e，U _L	——	分别为太阳能空气集热器的顶部、侧面与总热损系数， W/(m²·K)
v	——	环境风速， m/s
β	——	太阳能空气集热器倾斜角度，（°）
$ε p, m$ ， $ε c$	——	分别为集热板与透明盖板发射率
$η p u p$	——	风机效率
ρ	——	空气密度， kg/m³
σ	——	斯蒂芬-玻耳兹曼常数， W/(m²·K⁴)
下角标
c	——	透明盖板
i	——	进口
o	——	出口
p,m	——	集热板
w	——	外界

符号说明

A _c	——	太阳能空气集热器采光面积， m²
A _e	——	太阳能空气集热器侧壁总面积， m²
c_p	——	空气定压比热容， J/(kg·K)
d	——	太阳能空气集热器保温材料厚度，m
h _w	——	为环境空气与玻璃盖板的对流换热系数， W/(m²·K)
G	——	太阳能辐照量， W/m²
k	——	太阳能空气集热器保温材料的热导率， W/(m·K)
m	——	空气的质量流量， kg/s
N	——	玻璃层数
$Δ P$	——	太阳能空气集热器进出口压差， Pa
S	——	太阳能空气集热器单位面积上吸收的太阳能， W/m²
T _i，T _o，T _p,m，T _a	——	分别为太阳能空气集热器进口、出口、集热板的温度与外界环境温度， K
U _t，U _e，U _L	——	分别为太阳能空气集热器的顶部、侧面与总热损系数， W/(m²·K)
v	——	环境风速， m/s
β	——	太阳能空气集热器倾斜角度，（°）
$ε p, m$ ， $ε c$	——	分别为集热板与透明盖板发射率
$η p u p$	——	风机效率
ρ	——	空气密度， kg/m³
σ	——	斯蒂芬-玻耳兹曼常数， W/(m²·K⁴)
下角标
c	——	透明盖板
i	——	进口
o	——	出口
p,m	——	集热板
w	——	外界

参考文献 20

1	CHAKRAVERTY A , DAS S K . Development of a two-directional air flow paddy dryer coupled with an integrated array of solar air heating modules[J]. Energy Convers Manage, 1992, 33: 183-190.
2	SREEKUMAR A . Techno-economic analysis of a roof-integrated solar air heating system for drying fruit and vegetables[J]. Energy Convers Manage, 2010, 51(11): 2230-2238.
3	AMER B M A , HOSSAIN M A , GOTTSCHALK K . Design and performance evaluation of a new hybrid solar dryer for banana[J]. Energy Convers Manage, 2010, 51(4): 813-820.
4	ZHAO D L , LI Y , DAI Y J , et al . Optimal study of a solar air heating system with pebble bed energy storage[J]. Energy Convers Manage, 2011, 52: 2392-2400.
5	TAN H M , CHARTERS W W S . Experimental investigation of forced-convective heat transfer for fully-developed turbulent flow in a rectangular duct with asymmetric heating[J]. Solar Energy, 1970, 13(1): 121-125.
6	LIU C H , SPARROW E M . Convective-radiative interaction a parallel plate channel application to air-operated solar collectors[J]. Int. J. Heat Mass. Transfer, 1980, 23(8): 1137-1146.
7	BAHREHMEND D , AMERI M , GHOLAMPOUR M . Energy and exergy analysis of different solar air collector systems with forced convection[J]. Renewable Energy, 2015, 74: 357-368.
8	胡建军, 马龙, 刘凯彤, 等 . 开孔型折流板太阳能空气集热器参数优化[J]. 农业工程学报, 2016, 32(14): 227-231.
	HU Jianjun , Long MA , LIU Kaitong , et al . Parameters optimization of solar air collector with holes on baffles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(14): 227-231.
9	马龙 . 开孔折流板型太阳能空气集热器流动传热特性研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2016.
	Long MA . Study on flow and heat transfer characteristics of a baffled solar air collector[D] . Qinhuangdao: Yanshan University, 2016.
10	HO C D, CHANG H , WANG R C , et al . Performance improvement of a double-pass solar air heater with fins and baffles under recycling operation [J]. Applied Energy， 2012, 100: 155-163.
11	EKADEWI A , HANDOYO, DJATMIKO I , et al . Numerical studies on the effect of delta-shaped obstacles’ spacing on the heat transfer and pressure drop in V-corrugated channel of solar air heater[J]. Solar Energy, 2016, 131: 47-60.
12	GULCIMEN F , KARAKAYA H , DURMUS A . Drying of sweet basil with solar air collectors[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 77-86.
13	EL-KHAWAJAH M F , ALDABBAGH L B Y , EGELIOGLU F . The effect of using transverse fins on a double pass flow solar air heater using wire mesh as an absorber[J]. Solar Energy, 2011, 85(7): 1479-1487.
14	夏佰林, 赵东亮, 代彦军, 等 . 扰流板型太阳能平板空气集热器集热性能[J]. 上海交通大学学报, 2011, 45(6): 870-873.
	XIA Bailin , ZHAO Dongliang , DAI Yanjun , et al . Study on a flat plate solar air collector with baffles[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011, 45(6): 870-873.
15	WEI Chang , WANG Yunfeng , LI Ming , et al . The theoretical and experimental research on thermal performance of solar air collector with finned absorber[C]// International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2014, China: Energy Procedia 70: 13-22.
16	钱珊珠, 赵宇航 . 扰流板数量对集热器集热效率的模拟研究[J]. 中国农机化学报, 2016, 37(9): 178-181.
	QIAN Shanzhu , ZHAO Yuhang . Simulation of collector efficiency based on the number of spoilers[J]. Proceeding of the Chinese Agricultural Mechanization, 2016, 37(9): 178-181.
17	刘一福 . 扰流板型太阳能平板空气集热器数值模拟分析[D]. 衡阳: 南华大学, 2012.
	LIU Yifu . Spoiler solar panels numerical simulation of heat collector[D]. Hengyang: Nanhua University, 2012.
18	FISCHER S , PERERS B , BERGQUIST P . Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the European Standard EN 12975-2[J]. Solar Energy, 2004, 76(1/2/3): 117-123.
19	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会 . 太阳能空气集热器技术条件: GB/T 26976—2011[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.
	General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China . Specifications of solar air collector: GB/T 7714—2015[S]. Beijing: Standards Press of China, 2015.
20	王林军, 高章维, 张东, 等 . 平板型双流道太阳能空气集热器热性能研究[J]. 太阳能学报, 2016, 37(10): 2562-2568.
	WANG Linjun , GAO Zhangwei , ZHANG Dong , et al . Thermal performance analysis of a flat plate solar air collector with double channels[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(10): 2562-2568.

[1]	张东, 刘鹏飞, 刘春阳, 侯刚, 惠博, 安周建. 太阳能PV/T光储直驱热电联产系统性能[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 2895-2903.
[2]	梁子伟, 简林桦, 闫金州, 关欣. PV/T集热器优化设计及实验[J]. 化工进展, 2016, 35(05): 1326-1331.

扰流板太阳能空气集热器的流道优化

Optimization of flow path for the spoiler solar air collector

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 20

相关文章 2

编辑推荐

Metrics

本文评价