傾斜角度對(duì)太陽能真空管內(nèi)部流動(dòng)和傳熱影響的研究

    摘要：針對(duì)太陽能真空集熱管在不同傾斜角度下，內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱特性，建立三維有限容積法模型。得到了真空集熱管內(nèi)部不同位置的軸向速度分布，計(jì)算了不同傾斜角度下內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力特征參數(shù)Ra和換熱特征參數(shù)Nu。研究結(jié)果表明，太陽能真空集熱管內(nèi)部的流動(dòng)存在較明顯的漩渦，當(dāng)傾斜角度在45o時(shí)，換熱達(dá)到最佳效果。     關(guān)鍵詞：太陽能 集熱管 模擬     1、介紹     太陽能真空集熱管內(nèi)的自然對(duì)流過程對(duì)于太陽能集熱器乃至熱水器的整體性能，有著明顯的影響，不同傾斜角度對(duì)于自然對(duì)流過程的影響，也是非常明顯的[1, 2]。太陽能真空集熱管內(nèi)的自然對(duì)流有如下特征：     首先太陽能真空集熱管的形狀為細(xì)長的圓柱體，內(nèi)部發(fā)生的自然對(duì)流過程為受限空間的自然對(duì)流；     其次，太陽能真空集熱管一般傾斜安裝，水災(zāi)管內(nèi)的流動(dòng)并非沿重力方向或其負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，而是與重力方向呈一定的傾斜角度；     最后，太陽能真空集熱管只有一段開口，熱水出口和冷水進(jìn)口均在一個(gè)管口，同樣，熱流體的上升和冷流體的下降也均在一個(gè)管內(nèi)空間進(jìn)行，兩股流體相互影響，相互作用。     對(duì)于自然對(duì)流的研究成果，比較豐富[3, 4]。受限空間內(nèi)的自然對(duì)流過程，在規(guī)則幾何空間內(nèi)，也有較成熟的結(jié)論[5, 6]。但傾斜的圓柱體內(nèi)發(fā)生的自然對(duì)流[7, 8]，特別是細(xì)長圓柱體內(nèi)發(fā)生的受限空間自然對(duì)流，研究成果并不豐富[9, 10]。     對(duì)于逆流式自然對(duì)流過程，即系統(tǒng)只有一個(gè)進(jìn)出口，或環(huán)流式自然對(duì)流，即封閉系統(tǒng)，研究過程僅僅局限于理論過程，在實(shí)際工程中并不多見。     針對(duì)太陽能真空集熱管，傾斜受限空間內(nèi)冷熱流體逆向流動(dòng)的自然對(duì)流過程，成果并不多見。Mina Shahi等[11]對(duì)真空集熱管內(nèi)納米流體的流動(dòng)過程開展了模擬研究。該論文采用三維模型，利用有限容積法對(duì)一端開口，傾斜放置的從長圓柱體內(nèi)發(fā)生的自然對(duì)流過程開展模擬研究。     本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)市場(chǎng)主流管型：內(nèi)管直徑47mm，長1.8m的太陽能真空集熱管，在不同傾斜角度下流動(dòng)和傳熱過程開展模擬研究。     2、模型描述     模型參數(shù)表1     幾何參數(shù)物理參數(shù)     集熱管長度1.8m進(jìn)口線速度1.33mm/s     集熱管直徑47mm進(jìn)口折算基準(zhǔn)0.02kg/s.m2     聯(lián)箱管長度200mm進(jìn)口溫度290k     聯(lián)箱管直徑100mm熱流密度1000W/m2     建立模型的具體參數(shù)見表1.從圖表中可以看出，本文采用單根太陽能真空集熱管作為模擬對(duì)象，與集熱管連接的為聯(lián)箱。集熱管為半邊受熱，即面向太陽的一側(cè)受熱，集熱管接受的散射輻射和地面輻射忽略不計(jì)。     設(shè)聯(lián)箱管和太陽能真空集熱管非受熱面均為絕熱邊界條件。流體從聯(lián)箱一側(cè)，平行于聯(lián)箱進(jìn)入，另一側(cè)為等壓（環(huán)境大氣壓，表壓為零）邊界條件。聯(lián)箱流體進(jìn)口速度為1.33mm/s，折算為0.02kg/s.m2集熱器面積，集熱管長1.8m，扣除安裝和無涂層長度5cm，實(shí)際集熱管長度為1.75m，受熱面簡(jiǎn)化為均勻熱流密度，熱流密度設(shè)為1000W/m2。網(wǎng)格模型如圖所示，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，共計(jì)90萬個(gè)網(wǎng)格。        圖3（略）為真空集熱管不同軸向位置處，軸向速度沿徑向的分布，其中橫坐標(biāo)為徑向位置，正值在集熱管上部，靠近受熱面，負(fù)值在集熱管下部，靠近絕熱面，縱坐標(biāo)為軸向速度，正值表示沿集熱管向上運(yùn)動(dòng)，負(fù)值為向下運(yùn)動(dòng)。從圖中可以看出，靠近受熱面位置，運(yùn)動(dòng)方向均為熱流體上升，靠近絕熱面位置，運(yùn)動(dòng)方向均為冷流體下降，符合集熱管內(nèi)部質(zhì)量平衡條件，說明計(jì)算結(jié)果可信。     圖中三條曲線分別為集熱管入口位置，集熱管沿軸向向下200mm和700mm位置。從圖中可以看出，在不同位置的軸向速度分布有一定差別。當(dāng)傾斜角度在60o以下時(shí)，各個(gè)位置的速度分布趨勢(shì)基本一致，特別是60o時(shí)，三條曲線重合度比較高。當(dāng)傾角在75o和90o時(shí)，三個(gè)位置曲線所表示的速度分布趨勢(shì)出現(xiàn)了較明顯的差異。當(dāng)前傾斜角度為75o時(shí)，進(jìn)口和進(jìn)口下方200mm處的軸向速度出現(xiàn)了2個(gè)波峰，分別在管中心位置和靠近受熱壁面位置，即上升的熱流體速度在200mm與700mm之間的某個(gè)位置出現(xiàn)了分流，導(dǎo)致在近管口處出現(xiàn)走向漩渦。      當(dāng)傾斜角度為90o時(shí)，即集熱管處于垂直狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜。在進(jìn)口處出現(xiàn)明顯的卷吸作用，熱流體上升明顯受到冷流體下降的影響。在200mm處，在集熱管軸線下方，即靠近絕熱面位置，仍出現(xiàn)正向的流動(dòng)速度，說明此位置有較明顯漩渦。即使到了700mm處，冷流體在軸線下方1cm位置，仍有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，說明真空集熱管的入口效應(yīng)仍未消除。     1.2. 傳熱特性     Nu和Ra隨傾斜角度的變化     圖4（略）為不同角度下真空集熱管的換熱能力和運(yùn)動(dòng)能力的趨勢(shì)圖。圖中橫坐標(biāo)為真空集熱管的傾斜角度，左側(cè)縱坐標(biāo)為換熱管內(nèi)部的Nu，右側(cè)縱坐標(biāo)為換熱管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的Ra數(shù)。從圖中可以看出，Nu在45o傾斜角度是得到最大值，而Ra隨著傾斜角度的增加不斷增加。也就是換熱能力在傾斜角度45o時(shí)最強(qiáng)，而運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，隨著傾斜角度的增加而逐漸增加。     從圖中可以看出，管內(nèi)流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力最大的時(shí)候（垂直安裝時(shí)），并未得到最大的換熱能力，這是由于太陽能真空集熱管內(nèi)的流動(dòng)屬于小空間逆流式自然對(duì)流，向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自于流體的密度差，但同時(shí)也受到冷流體下降的影響。當(dāng)垂直安裝時(shí)，內(nèi)部出現(xiàn)明顯的漩渦，如上一節(jié)所述，消耗了一部分循環(huán)動(dòng)力。     5、結(jié)論     本文采用有限容積法，對(duì)一種內(nèi)徑47mm，長度為1.8m的太陽能真空集熱管內(nèi)部流動(dòng)和傳熱過程開展了模擬研究，研究結(jié)果表明：     a 采用數(shù)值模擬方法對(duì)太陽能真空集熱管開展研究，方法是可行的；     b 太陽能真空集熱管內(nèi)部流動(dòng)，存在明顯的漩渦和擾動(dòng)，又進(jìn)一步優(yōu)化的空間；     c 現(xiàn)有太陽能真空集熱管，從傳熱的角度來看，45o傾斜角度是比較合理的。