傾斜角度對太陽能真空管內(nèi)部流動和傳熱影響的研究

    摘要：針對太陽能真空集熱管在不同傾斜角度下，內(nèi)部的流動和傳熱特性，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，計算了不同傾斜角度下內(nèi)部流體的運動驅(qū)動力特征參數(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)部的流動存在較明顯的漩渦，當傾斜角度在45o時，換熱達到最佳效果。     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)的自然對流過程對于太陽能集熱器乃至熱水器的整體性能，有著明顯的影響，不同傾斜角度對于自然對流過程的影響，也是非常明顯的[1, 2]。太陽能真空集熱管內(nèi)的自然對流有如下特征：     首先太陽能真空集熱管的形狀為細長的圓柱體，內(nèi)部發(fā)生的自然對流過程為受限空間的自然對流；     其次，太陽能真空集熱管一般傾斜安裝，水災(zāi)管內(nèi)的流動并非沿重力方向或其負方向運動，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，熱水出口和冷水進口均在一個管口，同樣，熱流體的上升和冷流體的下降也均在一個管內(nèi)空間進行，兩股流體相互影響，相互作用。     對于自然對流的研究成果，比較豐富[3, 4]。受限空間內(nèi)的自然對流過程，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)生的自然對流[7, 8]，特別是細長圓柱體內(nèi)發(fā)生的受限空間自然對流，研究成果并不豐富[9, 10]。     對于逆流式自然對流過程，即系統(tǒng)只有一個進出口，或環(huán)流式自然對流，即封閉系統(tǒng)，研究過程僅僅局限于理論過程，在實際工程中并不多見。     針對太陽能真空集熱管，傾斜受限空間內(nèi)冷熱流體逆向流動的自然對流過程，成果并不多見。Mina Shahi等[11]對真空集熱管內(nèi)納米流體的流動過程開展了模擬研究。該論文采用三維模型，利用有限容積法對一端開口，傾斜放置的從長圓柱體內(nèi)發(fā)生的自然對流過程開展模擬研究。     本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對市場主流管型：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進口線速度1.33mm/s     集熱管直徑47mm進口折算基準0.02kg/s.m2     聯(lián)箱管長度200mm進口溫度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。     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，實際集熱管長度為1.75m，受熱面簡化為均勻熱流密度，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90萬個網(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，其中橫坐標為徑向位置，正值在集熱管上部，靠近受熱面，負值在集熱管下部，靠近絕熱面，縱坐標為軸向速度，正值表示沿集熱管向上運動，負值為向下運動。從圖中可以看出，靠近受熱面位置，運動方向均為熱流體上升，靠近絕熱面位置，運動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。當傾斜角度在60o以下時，各個位置的速度分布趨勢基本一致，特別是60o時，三條曲線重合度比較高。當傾角在75o和90o時，三個位置曲線所表示的速度分布趨勢出現(xiàn)了較明顯的差異。當前傾斜角度為75o時，進口和進口下方200mm處的軸向速度出現(xiàn)了2個波峰，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之間的某個位置出現(xiàn)了分流，導(dǎo)致在近管口處出現(xiàn)走向漩渦。      當傾斜角度為90o時，即集熱管處于垂直狀態(tài)時，運動狀態(tài)更為復(fù)雜。在進口處出現(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，仍有向上運動的趨勢，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動能力的趨勢圖。圖中橫坐標為真空集熱管的傾斜角度，左側(cè)縱坐標為換熱管內(nèi)部的Nu，右側(cè)縱坐標為換熱管內(nèi)流體運動的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時最強，而運動的驅(qū)動力，隨著傾斜角度的增加而逐漸增加。     從圖中可以看出，管內(nèi)流體流動的驅(qū)動力最大的時候（垂直安裝時），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)的流動屬于小空間逆流式自然對流，向上運動的驅(qū)動力來自于流體的密度差，但同時也受到冷流體下降的影響。當垂直安裝時，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)動力。     5、結(jié)論     本文采用有限容積法，對一種內(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，存在明顯的漩渦和擾動，又進一步優(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。