光伏光热系统导热流道传热性能的数值模拟

光伏光热系统导热流道传热性能的数值模拟
江乐新;李雅瑾;季桂树;江劲松
【摘要】对光伏光热系统实体模型进行简化处理,并建立了包含单条流道、带翅片的单条流道、单侧排列两条流道的三种型式导热流道的物理模型.以20℃蒸馏水为流动工质,借助FLUENT分别对三种不同型式的导热流道的传热性能展开数值模拟研究,分析了导热流道的出口平均温度和壁面导热速率.
【期刊名称】《应用能源技术》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】5页(P43-47)
【关键词】光伏光热系统;导热流道;数值模拟
【作者】江乐新;李雅瑾;季桂树;江劲松
【作者单位】中南大学,湖南长沙,410083;中南大学,湖南长沙,410083;中南大学,湖南长沙,410083;湖南蓝海能源科技有限公司,湖南长沙,410205
【正文语种】中文
【中图分类】TK519
0 引言
太阳能是一种受人关注的清洁能源，其推广应用有利于能源节约与环境保护，太阳能热利用技术正得到越来越广泛的重视。

我国是太阳能热水器普及率最大的国家，国内的产品主要以玻璃管式太阳能集热器为主，平板式太阳能集热器随着太阳能建
筑一体化进程的加快而得到越来越多的应用，但现有传统太阳能集热器体积和重量大，集热管中走水有泄漏的隐患，在建筑中安装困难，并具有承压性能差、防冻性能差、易结垢、易炸管等缺点，使得太阳能热水器在城镇建筑中推广应用出现了瓶颈。

为了实现太阳能建筑一体化，许多太阳能热水器厂家相继推出了阳台壁挂式太阳能热水器［1－5］，但尚未有一种与建筑真正融为一体的有效结合的方法。

光伏光热系统是集太阳能集热器与建筑材料结合于一体制成的一种新型建筑构件，是一种建材型的太阳能热利用产品。

这种建材型光伏光热系统主要由吸热材料、板式热管及导热流道组成，其工作原理是通过吸热材料吸收太阳能，通过板式热管和导热流道以及管道阀门，将热量传递到储热水箱中［6］。

其中板式热管是一种高效导热元件，能高效地传导太阳热能，而与热管接触的导热流道的传热特性如何，是一个值得研究的问题。

文中建立了三种型式导热流道的物理模型，并借助CFD三维分析软件，数值模拟了导热流道的传热性能，从导热流道的出口平均温度和壁面导热速率两方面进行分析，为该光伏光热系统导热流道的设计提供理论参考。

1 模型建立
1.1 物理模型
图1所示为该光伏光热系统所采用导热流道的实物放大图，它由在一块金属基板上加工出的若干并列矩形通道组成，且在整体上具有对称性。

模拟过程中所作假设及简化:考虑到导热流道几何上的对称性，且突出其主要几何形貌，流道截面上的流道孔均设置为矩形状，也即呈现五矩形孔状。

热管是一种新型的换热器件，它能通过一个很小的表面积传递大量的热量。

热管集热器具有热二极管的特性，热量传递方向由蒸发段指向冷凝段，不会反向传递。

因此，夜晚或遇
到天气突然变化时，采用热管集热器的系统不会出现普通集热器系统蓄水箱中热水倒流散热的现象［7－8］。

所以在此为了模型简化的需要，考虑到热管所起到的
热源作用，把热管简化为流过一定温度蒸馏水的矩形扁管，其几何模型结构参数为长102 mm，宽20 mm，高3 mm，壁厚均为0.5 mm。

热管根数简化为5根，横向垂直接触于导热流道，几何模型如图2所示，此即为集热部分的热源。

图3所示单条导热流道的几何模型结构参数为长240 mm，宽 36 mm，高 6 mm，壁厚均为1 mm，中间均布5个矩形流道孔，结构参数为长6 mm，宽4 mm。

图4所示带翅片的单条流道的几何模型结构参数相比较与图3的结构参数，是把
截面下壁厚减少了0.5 mm，在截面上壁左右两边各延伸出为9 mmx1 mm的翅片。

图5所示单侧排列两条流道的几何模型相比较与图3的几何模型，是紧挨着
单条流道又放置了一条相同的流道。

这三种型式导热流道构成的集热部分的立体模型架构均同于图2所示简化模型，导热流道内工质为蒸馏水。

1.2 边界条件
为了分析型式不同对传热性能的影响，考虑到流体流动复杂性，所有求解模型都选用湍流k－ε模型，热源的湍流强度设置为5%，流道的湍流强度设置为10%，水力直径设为各种型式下的实际水力直径值，设定求解精度为三维单精度，采用SIMPLE算法和非耦合隐式求解器求解。

边界条件设置如下:
(1)导热流道入口边界为速度入口，入口流体温度为293 K，对于每种型式的导热
流道，分别模拟不同入口速度条件下流体的出口平均温度和壁面导热速率值。

(2)热源入口边界为速度入口，入口流体温度为353 K，入口速度为0.5 m/s。

(3)导热流道和热源出口边界均为压力出口，不考虑回流。

(4)耦合壁面均设为壁面条件，参数取默认值。

(5)空气接触壁面假设都与300 K的空气接触，其对流换热系数为30［w/m2－k］。

2 模拟结果及分析
对于每种型式的导热流道，设置5组不同的工质入口速度，分别模拟速度值为 0.1 m/s，0.2 m/s，0.3 m/s，0.4 m/s，0.5 m/s 时导热流道的出口平均温度和壁面
导热速率。

2.1 分析不同型式导热流道的出口平均温度
图6 三种型式流道出口温度随入口速度变化曲线
当导热流道内工质的入口速度变化时，三种型式流道的出口平均温度的变化曲线如图6所示。

当v从0.5 m/s变化到0.1 m/s时，流道的出口平均温度值，单条的
从296.49 K变化到307.60 K，带翅片单条的从296.89 K变化到308.83 K，单侧排列两条的从296.24 K变化到306.71 K。

可以看出，随着入口速度值的减小，不同型式流道的出口平均温度都呈现增大趋势，也即进出口温度的差值都呈现增大趋势。

当速度值变小时，相对而言，工质在流道内停留的时间更长一些，能和热源充分热交换的时间也就更多一些，所以单位体积或单位质量工质得到的热量更多一些，出口的平均温度也就更大一些。

还可以看出，不同入口速度值时，带翅片的单条流道的出口平均温度值均为三者中最大，单条流道的值均居中，单侧排列两条流道的值均为最小。

带翅片的单条流道相比较于单条流道，工质截面积相等，材料截面积也相等，只是它们的材料截面形状不同，带翅片后相对而言增加了与热源的传热面积，所以温度值会更大一些;单侧排列两条流道相比较于单条流道，是在垂直于流
道的方向上紧挨着增加了一条相同的单条流道，所以工质流量是单条流道的2倍值，但是其中1倍值的流量先和热源进行热交换，交换后热源失去一部分热量，
接下来再和另一1倍值的流量进行热交换，最后2倍值流量的出口平均温度反而
相比于单条流道的值显得更小一些。

图7所示为当导热流道内工质的入口速度变化时，带翅片的超出单条的出口平均
温度的差值的变化曲线，图8所示为当导热流道内工质的入口速度变化时，单条
的超出单侧的出口平均温度的差值的变化曲线。

可以看出，随着入口速度值的增大，不同型式导热流道的出口平均温度之间的差值呈现减小趋势，可见当流道内工质不能充分与热源之间进行热交换时，流道型式对出口平均温度的影响减小。

2.2 分析不同型式导热流道的壁面导热速率
当导热流道内工质的入口速度变化时，三种型式流道的壁面导热速率的变化曲线如图9所示。

当v从0.1 m/s变化到0.5 m/s时，流道的壁面导热速率值，单条的
从724.9 W变化到847.4 W，带翅片单条的从783.3 W变化到931.5 W，单侧
排列两条的从1360.4 W变化到1573.5 W。

可以看出，随着入口速度值的增大，不同型式流道的壁面导热速率都呈现增大趋势，也即单位时间内热交换的热量都呈现增大趋势。

当速度值变大时，相对而言，工质在流道内停留的时间更短一些，在单位时间内流过流道的工质的总体积或总质量就更多一些，也让工质和热源之间更长时间的保持比较大的温度梯度，根据热传导的傅里叶定律，可知通过等温面的导热速率与温度梯度成正比，所以虽然热交换的时间相对短了一些，但通过和热源进行热交换得到的总的热量值却更大了一些。

还可以看出，不同入口速度值时，单侧
排列两条流道的壁面导热速率值均为三者中最大，带翅片的单条流道的值均居中，单条流道的值均为最小。

由前述可知，带翅片的单条流道相比较于单条流道，带翅片后相对而言增加了与热源的传热面积，根据热传导的傅里叶定律，可知通过等温面的导热速率也与传热面积成正比，所以速率值会更大一些;而单侧排列两条流道相比较于单条流道，传热面积是单条流道的2倍值，所以速率值会更大一些。

图10所示为当导热流道内工质的入口速度变化时，带翅片的超出单条的壁面导热速率的差值的变化曲线，图11所示为当导热流道内工质的入口速度变化时，单侧的超出单条的壁面导热速率的差值的变化曲线。

图12所示为当导热流道内工质的入口速度变化时，单条的2倍值超出单侧的壁面导热速率的差值的变化曲线。

可以看出，随着入口速度值的增大，不同型式导热流道的壁面导热速率之间的差值呈现增大趋势，可见虽然宏观上流道内工质不能有充分停留时间与热源之间进行热交换，但是由于流道型式不同造成传热面积不同，故而造成导热速率的不同，且随速度值的增大，流道的型式对壁面导热速率的影响越来越大。

从壁面导热速率方面来讲，也进一步说明了不同型式流道出口平均温度不同的原因，图10对应于图7曲线所示的趋势，图11和图12一起对应于图8曲线所示的趋势。

3 结论
文中以20℃蒸馏水为流动工质，对三种不同型式的导热流道分别展开数值模拟研究，得出结论:
1)在入口速度 v=0.1 ～0.5 m/s时，随着速度的减小，不同型式流道的出口平均温度都呈现增大趋势，也即进出口温度差都呈现增大趋势;随着速度的增大，不同型式流道的壁面导热速率都呈现增大趋势，在传热面积一定的情况下，这是与温度梯度相关的。

2)在入口速度 v=0.1～0.5 m/s的过程中，当速度较大时，不同型式的出口平均温度差别较小，说明当不能充分热交换时，流道型式对该参数的影响比较小;当速度
较大时，不同型式的壁面导热速率差别较大，说明此时流道型式对该参数的影响比较大。

3)在相等材料截面积、相等工质流量的情况下，通过不同型式流道出口平均温度值和壁面导热速率值的直观比较，可知带伸展翅片型式流道的传热性能优于无伸展翅片型式流道的传热性能。

说明流道与热管之间传热面积越大，传热性能越好。

4)两条相同流道单侧紧挨排列的出口平均温度小于单条流道的值，而单侧的工质流道的壁面导热速率大于单条流道的值，但均小于单条流道的导热速率的2倍值，也即两倍流量的情况下，其导热速率却达不到一倍流量的2倍值。

所以实际应用中需要考虑材料和流量与传热性能之间的性价比。

参考文献
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