热管式太阳能集热器联集管内流动与传热特性

热管式太阳能集热器联集管内流动与传热特性
顾海龙;许辉;张红
【摘要】为了获得结构参数与联集管内流动传热特性之间的关系，建立了热管式太阳能集热器联集管的数值模型并进行模拟。

结果表明：在本文的研究范围内，在保证集热器集热量和联集管直径不变的条件下，减小套管直径，努赛尔数（ Nu）变化不大，而摩擦因数（ f）由大变小，因此若不考虑热管性能，则套管直径越小越好；当套管直径保持不变时，随着联集管直径的减小，Nu数和f都越来越大，因此存在优化关系；当保证换热面积不变的条件下，减小联集管直径并且增大套管直径时，Nu数先增大后保持不变，而f越来越大，此时，联集管直径和套管直径存在优化的匹配问题，上述优化问题须结合集热器成本、系统压降需求等做进一步研究。

对比发现，换热面积保持不变时，套管与冷却水之间的对流换热系数更高。

%To investigate the flow behavior and heat transfer characteristic of the solar collector with different diameters of casing and water header,the numerical model of water header in the heat⁃pipe type solar collector was established.Results showed that when the solar collector absorbed the same heat,the Nusselt number changed little and the friction coefficient decreased with the decreasing of casing diameter and the water header diameter remaining the same. The casing diameter could be smaller with no considering the performance of heat pipe.With the decreasing of the water header diameter and the casing diameter remaining the same,both Nusselt number and the friction coefficient increased. When the heat exchange area remained constant,with the decreasing of the water header diameter and the increasing of the casing diameter, Nusselt number
increased first and then kept constant, but the friction coefficient increased constantly. So there was an optimal relationship between the water header and the casing. By comparison,the convective heat transfer coefficient between the casing and cooling water was higher when the heat transfer area remained constant.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(038)006
【总页数】6页(P124-129)
【关键词】联集管;流动特性;传热特性;数值模拟
【作者】顾海龙;许辉;张红
【作者单位】南京工业大学能源学院，江苏南京 211800; 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214174;南京工业大学能源学院，江苏南京211800;南京工业大学能源学院，江苏南京 211800; 常州工学院，江苏常州213002
【正文语种】中文
【中图分类】TK515
热管式太阳能集热器作为一种高效传热设备,在热量的传递中显示出了其独特的优越性。

Samareh等[1]分析了集热器自身结构以及外界环境的影响,得出集热器热损失的主要因素除了自身结构外,还与自身安装位置有关。

Green等[2]对太阳辐射强度、吸热板温度和厚度、冷凝段长度等进行分析,得出热管式太阳能集热器瞬时效率的影响因素。

张静敏等[3]对进入集热器的空气流量、辐射强度、环境温度、集
热器内的蓄热体和集热棚的高度等参数进行了研究。

董伟等[4]研究了一种新型热管式太阳能集热器,改变矩形水箱的安装位置,开发出一种特殊的热管。

由于热管式集热器的特殊性,研究人员尚未对集热器内部的流动传热特性以及联集管和热管结构参数的匹配等问题进行深入探讨。

同时在中低温推广应用的进程中,一些关键技术问题尚未得到深入研究。

本文主要通过建立联集管的三维稳态数值模型,来获得结构参数与联集管内流动传热特性之间的关系,为热管式太阳能集热器的设计开发提供依据。

1.1 几何模型
本文主要研究联集管内流动与传热规律,所以只对热管式太阳能集热器的联集管部分进行模拟分析,计算区域包括联集管、套管,如图1和2所示。

联集管和套管材料都为Cu,待优化的热管式太阳能集热器的技术参数如表1所示。

1.2 控制方程
本文主要通过建立联集管的三维稳态数值模型,求解热管式太阳能集热器联集管内的流动及传热过程,联集管在笛卡尔坐标系中的控制方程的形式见式(1)～(3)。

连续性方程
动量方程
能量方程
1.3 边界条件
本文研究对象为集热器的联集管,如图3所示,其原始几何模型尺寸为:联集管直径35 mm,总长度1 715 mm;冷却水进出口直径10 mm,长35 mm;套管直径16 mm,共24根。

工质为水,流动为不可压缩,比热可视为定值。

套管外壁给定均匀热流,联集管周边设为绝热壁面,在以上参数基础上进行优化。

1.3.1 原始参数设置
入口水温为21 ℃,热管冷凝端输入功率为1 920、1 200和720 W,对应的单根套
管输入功率分别为80、50和30 W。

壁面均为光滑无滑移,由于是自然循环,借鉴Redpath[4]的测试数据,进口流量设置为0.019 kg/s,即入口流速为0.242 m/s。

1.3.2 数据处理方式
努赛尔数定义为
摩擦因数计算式为
自然循环动力
热管最大工作压力计算式[5]为
冷凝段传热方程[6]见式(8)和(9)
由于热管管壁热阻很小,可以忽略不计,故冷凝段传热系数可以简化为
1.4 网格独立性检验
本文网格主要由四面体网格元素组成,但在适当的地方包括六面体、金字塔形和楔形网格元素。

以表1中模型参数为例,划分网格。

网格的独立性检验见图4。

从图4中可以看出:网格数达到2 853 721时,再增加网格数对计算结果影响很小。

在网格数为2 853 721时的计算结果与网格数为3 205 734时的计算结果(模型能量守恒误差)之间的偏差仅为0.014%。

因此通过比较发现,网格数在2.85×106左右时能够满足计算精度的要求,即已经得到了网格独立性的解,模型局部网格划分如图5所示。

因此在后面的计算中都采取这种网格划分方式来划分网格,具体过程这里不再详述。

1.5 计算模型的验证
为了验证计算结果的准确性,将模拟计算值与文献[6]中实验值进行对比,对比结果如图6所示，图中X/Xmax表示热管在整个联集管所处的位置,Φ的计算式[7]为2.1 套管直径变化时联集管的流动与传热特性
保持联集管直径35 mm不变,减小套管直径,根据式(6)计算出密度差引起的循环动力能够实现自然循环,据式(7)计算出最大允许压力为7.15 MPa,据式(10)计算出热
管内冷凝段蒸汽最高温度为111.58 ℃,已知水在200 ℃时的饱和压力为
1.586×106 Pa,故在工作时是安全的。

对于减小套管直径,都能实现最终的目的。

图7和8分别给出了在不同集热器输入功率下,Nu和f随套管直径(dt)的变化关系。

由图7和8可以看出:在相同的输入功率下,随着套管直径的减小,联集管Nu基本不变,只有小幅变大,而f变大很明显。

随着套管直径的减小,材料费逐渐减小(图9)。

因此,套管直径越小越好。

但是套管直径越小,就导致热管冷凝段直径越小,而这可能会导致热管的传输功率降低。

所以,套管直径的进一步减小还必须保证热管的传热
性能。

对于更小直径的热管还需留待进一步研究。

2.2 联集管直径变化时联集管的流动与传热特性
图10和11给出了在不同集热器输入功率下,套管直径为16 mm时Nu和f随联
集管直径的变化关系。

由图10和11可以看出:在相同的输入功率下,联集管的直径越小,联集管的Nu越来越大,同时f也越来越大。

随着联集管直径的减小,材料费逐
渐减小(图12)。

因此,存在优化关系,联集管直径越小越好。

但是联集管直径不能无限制地减小,这会导致集热器的压降上升,对于大规模使用的系统来说,阻力是有严格要求的,还需根据实际工程条件来优化。

2.3 联集管直径与套管直径都改变时联集管的流动与传热特性
只减小联集管直径而不改变套管直径时,势必使得换热面积减小,前文已经分析出了
其对联集管的流动与传热的影响。

而对于换热面积保持不变(联集管直径减小的同
时套管直径增加)时的分析结果见下文。

图13和14给出了在不同的集热器输入功率,同时保证换热面积不变的条件下,Nu和f随联集管直径的变化曲线。

由13和
14可以看出:在相同的输入功率下,换热面积不变时,联集管直径越小,Nu先是越来
越大,最后保持不变,而f越来越大。

随着联集管直径的减小,材料费逐渐减小(图15)。

因此,联集管直径和套管直径存在优化的匹配问题,联集管直径越小越好。

但是还必
须考虑联集管直径的进一步减小,是否会影响系统的压降,还需做进一步的研究。

与2.2节中换热面积改变时的分析结果对比发现,当保持换热面积不变时,集热器的各结构尺寸比换热面积改变时大,但是换热面积不变时套管壁面与冷却流体之间的温差比换热面积改变时更小,即换热面积保持不变时,套管壁面与冷却流体之间的对流换热系数更大。

1)联集管直径保持35 mm不变,随着套管直径的减小,Nu基本保持不变,但是f由大变小,同时集热器的材料费也越来越小,若不考虑热管性能,则套管直径越小越好。

但是套管的直径直接决定了热管的直径,越细的热管其传输功率可能会降低。

2)套管直径保持16 mm不变,随着联集管直径的减小,即换热面积变小时,Nu和f 明显增加, 集热器的材料费却明显减小了。

因此,联集管直径越小越好,但这会导致集热器的压降上升。

3)保证热管冷凝端换热面积不变,即增加套管直径的同时减小联集管直径,Nu和f明显增加,集热器的材料费明显减小。

因此,联集管直径越小越好,但这会导致集热器的压降上升。

4)当保持换热面积不变时,集热器的各结构尺寸比换热面积改变时大,但换热面积保持不变时,套管壁面与冷却流体之间的对流换热系数更大。

本文通过建立联集管的三维稳态数值模型,获得结构参数与联集管内流动传热特性之间的关系,可为热管式太阳能集热器的设计开发提供依据。

【相关文献】
[1] SAMAREH B,YAGHOUBI M.Two dimensional numerical simulation of the turbulent wind flow around a large parabolic solar collector[J].Proceedings of
APCWEVI,Korea,2005,62(2):151.
[2] GREEN P E,KRIEGER A M.Individualized hybrid models for conjoint analysis
[J].Management science,1996,42(6):850.
[3] 张静敏,张华,刘红绍.太阳能热风发电系统集热器性能的影响因素分析[J].可再生能
源,2008,26(3):33.
[4] 董伟,农东宝.关于背式高效特种热管真空集热管太阳能集热器的研究[J].中国科技信
息,2009,34(9):135.
[5] REDPATH D A G.Thermosyphon heat-pipe evacuated tube solar water heaters for northern maritime climates[J].Solar energy,2012,86(2):705.
[6] 翁锦萍,魏琪,袁朗,等.两相闭式热虹吸管传热特性研究[J].节能技术,1999,5(3):12.
[7] 庄骏,张红.热管及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2006.。