平板太阳能微通道集热器流体集热效应研究与模拟

• 作 者: 王勇
• 机 构: 济南大学
• 出 处: 济南大学
• 发表日期: 2015年01期
• 关键词: 平板太阳能集热器 微通道吸热板 流体流动与集热 数值模拟

本论文系统研究了国内外对平板太阳能集热器集热效应的强化措施,在掌握平板太阳能微通道集热器及微通道吸热板流道结构的基础上,搭建了微通道集热器试验台及热性能测试平台,在试验的基础上,建立了微通道吸热板流道内流体流动与传热的数学模型,采用试验与数值模拟相结合的研究方式,研究了平板太阳能微通道集热器的集热性能,分析微通道吸热板全流道内流体流动与集热过程,系统探索了微通道吸热板截面参数对介质流动分布、温度分布、压降特性及换热特性的影响。通过研究,得出如下主要结论:1.试验测试发现所采用的微通道集热器最高瞬时集热效率可达86.1%、热损失系数仅为4.179 W/(m2·℃),分别比国标提高14.1%、降低1.82 W/(m2·℃),结论显示本集热器集热性能强、保温性能好。2.微通道吸热板全流道设计,增大了介质直接接触传热面积,影响介质流动阻力分布,产生横向导流作用改变排管流量分配不均匀带来的差异。全流道内介质流速较小,无流动盲区,按照介质流动状态可将温度分布划分为三个阶段,扩散区、稳定区、收缩区。对微通道吸热板而言,增大稳定区,减少扩散区、收缩区是提高其导热传热效率的有效方法,即通过合理改变截面尺寸型式或者运行参数来达到改善的目的。3.微通道与排管交汇处出现渐变的局部扩展与收缩,介质依次流经扩展、收缩与微通道。循环周期内,在板芯渐变扩展区,出现减速增压现象,伴随漩涡产生;在渐变收缩区,介质沿边壁急速汇集,流速剧增、压强骤减;在微通道内,介质流态平稳,属于层流状态,压力损失沿管径均布,逐步递减。循环周期间,介质流动情况基本相同,但压降显著。排管流道壁面热边界层窄,切面温度分布均匀,流道间温差分布明显。4.延长微通道宽度D,微通道内介质表面作用力、粘性作用力增强,沿程压力损失增大;流道截面长轴截距缩短、边壁高宽比增大、截面积减小,截面流速、局部损失均增大,涡旋产生效果先增强而后逐渐减小,介质流线密集区逐渐由靠近波峰或波谷侧壁向中央偏移且分散均匀。升高排管波纹高度H,流道截面长轴截距不变,边壁高宽比增大,渐变收缩区局部压强损失增大,截面积增大,截面流速减小;介质流线在排管流道内逐渐由中央密集向波峰或波谷侧壁偏移,逐渐涡旋。5.模拟计算得到微通道吸热板Nu、f的数学表征,优化微通道宽度为8.7mm、排管波纹高度为3.00mm,强化换热效果最佳。