（农业机械化工程专业论文）全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究.pdf

摘要 本文利用f l u e n t 计算和实验相结合，揭示了全玻璃太阳能真空集热 管测试状态下的流场和温度场的规律，分析了太阳能真空集热管流场和温度 场的影响因素，对结构设计和国家检测标准做出了评价。主要职究内容和研 究成果如下： 1 根据太阳能真空集热管的物理模型和f l u e n t 的建模要求，建立了 太阳能真空集热管的f l u e n t 计算模型，根据太阳能真空集热管在闷晒、 空晒和散热状态下的工作条件，设置f l u e n t 计算的边界条件，对三种工 况下的流场和温度场进行计算，计算结果与实验测试结果非常吻合； 2 。通过f l u e n t 计算，清楚地观察到太阳姥真空集热管壁面和中心部 分，顶部、中部和底部在各种工况下的流场分布均不相同：得出了各种工况 下的温度一时间变化曲线，沿轴线方向的温度梯度；同时还计算了各部分热 损的传热流量； 3 分析了各种因素对太阳能真空集热管流场和温度场的影响。直径越 大，热效率越高，但升温能力弱；长度对热效率影响不大：倾斜角度大于 3 0 。后，自然对流已经能够充分进行，考虑以能够吸收到最大太阳辐射为主； 真空度和发射率对热效率和温度场影响很大，尤其是在介质温度与环境温度 差异比较大时：水垢对传热影响较小但由于水质的问题应该被3 5 年清洗 一次：太阳辐射强度越大，介质温度与环境温度差异越大，热损失越大，效 率越低； 4 对太阳能真空集热管的国家检测标准做出了评价。用空晒性能参数 和闷晒性能参数来评价太阳能真空集热管的好坏即可，取消平均热损系数指 标，空晒性能参数反映高温能力，闷晒性能参数反映正常工作时的升温能力。 两者用统一的指标和测试条件来计算，规定初始温度和测试时间，规定一定 范围的太阳辐照度和环境温度，用温度升高值除以辐照强度得到评价值。 5 对太阳能真空集热管结构设计优化。在不影响安装和增加成本的情 况下，应适当增加太阳能真空集热管的长度；根据当地的气候条件和使用要 求来综合考虑选择直径；国标规定的真空度必须达到5 1 0 p a ，发射率小 于0 1 是合理的；弹簧卡子不要选用很宽、很大的尺寸，尽量减少接触热损； 吸气剂并非越多越好，只要能够吸收残余气体，保证一定的真空度即可。 关键词：全玻璃太阳能真空集热管、流场、温度场、f l u e n t t h e s t u d y o ft h ef l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r e f i e l d i nt h ea l l - g l a s se v a c u a t e ds o l a rc o l l e c t o rt u b e a b s t r a c t t h ea r t i c l ed i s c l o s e st h e p r i n c i p l eo fa - 掣a s se v a c u a t e d s o l a rc o u e c t o rt u b e f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h et e s t i n gs t a t e ，a n a l y z e st h ei r f l u e n c eo f m a n yf a c t o r s ，m a k e st h ee s t i m a t i o no fm e c h a n i c a ld e s i g na n dt e s t i n gs t a n d a r d s t h ef o l l o w i n gi st h em a j o rc o n t e n ta n d s t u d ym s u l t s ： 1 b u i l dt h ec o m p u t em o d e lo fa l l - 醇a s se v a c u a t e ds o l a rc o l l e c t o rt u b ei n f l u e n t a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lm o d e la n dt h ei n t e r f a c e o ff l u e n t , s e tt h e b o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h eb a s i so ft h ef a c to ft h l _ e ed i f f e r e n ts t a t e so fa i r s t a g n a t i o n w a t e rs t a g n a t i o na n dh e a tl o s s n ec a l c u l a t i o nr e s u l t sh a v eag o o d m a t c hw i t ht h et e s tr e s u l t s 2 i nf l u e n t , t h ef l o wf i e l do ft h et u b ew a l l ，c e n t e r , t o p ，m i d d i ea n d b o t t o mo f 也ee v a c u a t e ds o l a rc o l l e c t o rt u b ec a l lb eo b s e r v e d t h e t e m p e r a t u r e - t i m ec u r v ea n d r a d i a lt e m p e r a t u r eg r a d i e n tc a nb eo b t a i n e d ，t h eh e a t l o s so fd i f f e r e n tp a r tc a nb ed i r e c t l yc a p t u r e d 3 a l lk i n d so fe f f e c tf a c t o r so ft h ef l o w 五e l da n dt e r n p e f u t u r ef i e l dh a v e b e e na n a l y z e d t h eb i g g e rt h ed i a m e t e r , t h eh i g ht h eh e a te f f i c i e n c y , b u tt h e w e a kt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s i n ga b i l i t y , l e n g t h h a sl e s se f f e c to nt h eh e a t e f f i c i e n c y , t i l ta n g l eh a sl e s se f f e c to o t h ef l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw h i l e i ti sl a r g e rt h a n3 0d e g r e e ，v a c u l l t nd e g r e ea n d e m i s s i v i t y h a v e g r e a t e f f e c to nt h e f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l dw h i l et h e r ei sag r e a tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h el i q u i di nt h et u b ea n dt h es u r r o u n d i n g s ，t h ef u r r i n gh a sl e s se f f e c to n t h eh e a tt r a n s f e rb u ts h o u l db ec l e a n e du p 缸3 - 5y e a r sb c 啪踮o fp o o rw a t e r q u a l i t y , t h eh i g h e rt h e s o l a rf l u xo rt h em o r et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h el i q u i da n dt h es u r r o u n d i n g ，t h em o r et h eh e a tl o s sa n dt h el o w e rt h eh e a t e f f i c i e n c y 4 i 五ei n s p e c t i o ns t a n d a r dh a sb e e na p p r a i s e d t h ea i rs t a g n a t i o np a r a m e t e r a n dw a t e rs t a g n a t i o np a r a m e t e ra r ee n o u g ht oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fe v a c u a t e d s o l a rt u b ea n dt h eh e a tl o s sc o - e f f i c i e n c yc a nb ec a n c e l l e d t h ep a r a m e t e rs h o u l d b eu n i t e di n t ot h er a t i oo ft h er a d i a n c ef l u xa n dt h et e m p e r a t u r ed i t i e r a n c e b e t w e e nt h el i q u i d ( w a t e ro ra i r ) a n dt h es u r r o u n d i n gu n d e rt h ed e f i n i t ei m i t a t i v e t e m p e r a t u r e ，l e s t t i m ea n dr e a s o n a b l er a d i a n c ef l u x r a n g e ，s u r r o u n d i n g t e m p e r a t u r er a n g e 5 t h ed e s i g no fs o l a re v a c u a t e dt u b ec a nb eo p t i m i z e d t h el e n g t hs h o u l d b ca d d e dj ft h ec o s ti s n ti n c r e a s e da n dt h ei n s t a l l a t i o ni sc o n v e n i e n t t h e d i a m e t e rs h o u l db ec h o s eb yt h el o c a lw e a t h e rc o n d i t i o na n dt h e u s i n g r e q u i r e m e n t ；t h eg a sp r e s s u r e s h o u l db en o th i g h e rt h a n5 l f f p aa n dt h e e m i s s i v i t ys h o u l db el e s s t h a n0 1 ，t h es p r i n gs h o u l db es m a l la n dn a r r o wi n o r d e rt od e c r e a s et h eh e a tl o s s ，t h eg a sa b s o r b e dg e t t e rs h o u l dn o tb et o om a n ya s l o n ga si tc a na b s o r b t h er e s i d u a lg a sa n d k e e p t h ev a c u u md e g r e e k e yw o r d s ：a l l - g l a s se v a c u a t e d s o l a rc o l l e c t o rt u b e ，f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， 刖e n t 塑兰查兰塑主兰些堡苎全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 第一章太阳能真空集热管流场和温度场 研究意义及方法 1 1 ，引言 太阳能取之不尽，用之不竭，既无污染，又不需运输，是理想和洁 净的可再生能源，也是人类可利用能源的最大源泉之一。在我国现阶 段，技术最成熟，能够产业化并进入千家万户实用的就属太阳能热水 器。太阳能热水器困其安全、节能、经济、环保等优点为消费者接受。 据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，燃气热水器、电 热水器和太阳能热水器的比例分别为5 7 4 、3 1 3 、7 6 ，但在城 市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为3 5 8 、3 0 2 、 2 3 2 ，太阳能热水器的比例将大幅增长。目前，我国太阳能年产值已 超过8 0 亿元，年销售量超过6 0 0 万平方米，太阳能热水器市场年增长 率2 0 3 0 。据预测，到2 0 0 5 年，我国太阳能热水器普及率将达到 1 5 2 5 ，整个太阳能热水器行业产值已超过4 0 亿元，到2 0 1 5 年，我国太阳能热水器普及率将达到2 0 3 0 ，约2 3 2 亿平方米的 市场拥有量，年产值4 3 8 亿元i l l 。 太阳能热水器工业化出现在7 0 年代日本、澳大利亚、美国、以色 列和希腊等国家。1 9 7 9 年，我国中科院上海硅酸盐研究所、清华大学 和沈阳玻璃二厂分别研制成全玻璃真空集热管雏形，清华大学以殷志强 教授为首的课题组坚持不懈研究开发全玻璃真空集热管。1 9 8 0 年研制 成的真空集热管，采用2 2 m m 厚的9 5 # 高硼硅玻璃作管料( a m = 2 时的 光谱透过率为o 8 7 5 ) ，内、外管夹层间的真空度长期保持5 1 0 p a ， 采用电化学方法沉积黑镍选择性涂层，经烘烤后其吸收比口= 0 8 9 o 9 1 ，发射比= o 1 o 1 6 【2 7 】【2 羽。之后，在玻璃管封口设计与工艺，尤 1 塑兰查兰堡主兰些堡苎全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堡塞 其是选择性涂层材料与工艺方面作了改进和创新，发明了单靶磁控溅射 制备的多层铝氮铝选择性涂层，它比黑镍有更好的光学性能，a = 0 9 2 o 9 3 ，s = 0 0 6 ，与玻璃表面结合牢固，为产业化奠定了基础。我 国太阳热水器产业初步形成于8 0 年代后期，但是经过2 0 多年的发展， 我国已经出现了像皇明、清华阳光、桑普等几十家具有年产全玻璃真空 太阳集热管7 0 0 万支、真空管太阳热水器3 0 万台生产能力的大公司。 目前我国已经成为世界上最大的真空管太阳集热器生产基地，产品远销 德国、比利时、瑞士和日本等发达国家。 太阳能热水系统按集热元件的结构可以分为真空管热水器、平板热 水器、闷晒式热水器共三种，市场上目前平板热水器约占2 5 ，真空 管热水器约占6 0 ，闷晒式约占1 5 ，而真空管热水器因其保温性能 好，热效率高，便于产业化生产已经成为市场的主流产品。玻璃真空集 热管以传热工质的传热和流动又可分成两大类1 2 j ：一类是全玻璃真空集 热管式，传热工质就是被加热的介质空气或者水，在玻璃管内直接流动 和换热；另一类是热管式真空集热管，传热工质在置于真空玻璃管内 的金属吸热体内流动和换热，传热工质一般是防冻液( 适用于北方高寒 地区) 或软化水( 适用于水质较硬地区) ，将热量吸收后通过金属吸热 体传给被加热介质空气或者水。其中全玻璃真空集热管因其生产的成熟 性是市场的主打产品，而热管式也因为其解决玻璃管冻裂和结垢河题， 热响应快而越来越多的进入研究和生产领域。 尽管全玻璃真空集热管生产已经成熟，而且相关的国家检测标准也 已经出台，但近年来市场上出现了几种不同长度( 如1 8 m 和2 m ) 和 直径( 如o , 5 8 m m 、中7 0 m m ) 的非国标真空管。对于当初制定的国标 长度( 如1 2 m 和1 5 m ) 和直径( 中3 7 m m 、吐，4 7 m m ) 部分，资料只 作了如下说明： 2 浙江大学硕士毕业论文 全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究 产品规格尺寸是在对1 9 7 5 年以来国际上主要研究和生产单位使用的全玻璃 真空太阳集热管的玻璃罩管和内管直径进行认真分析比较之后制定的。玻璃内管 和罩管外径偏大时，对于水在玻璃管中的集熟器，水的热容量过大，而内管和罩 管的外径偏小时，则有效采光面积过小。1 9 8 5 年以来，由清华大学推出的玻璃内 管和罩管的外径为中3 7m m 和中4 7m m 的设计方案实践表明效果良好p j 。 到目前为止，关于全玻璃太阳能真空管流场和温度场的研究分析及 结构优化并没有相关的报道。本文将通过对全玻璃真空集热管内流场和 温度场的研究和模拟，对各种不同规格的太阳能真空集热管进行比较， 对国家检测标准作必要的补充和评价，对全玻璃真空集热管做出结构优 化。 1 2 全玻璃太阳能真空集热管工作机理 全玻璃真空太阳集热管由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同 轴的罩玻璃管构成。其结构及组成部件的名称见图1 1 i 引。 l 图1 1 全玻璃真空太阳集热管结构及组成部件 1 内玻璃管2 太阳选择性吸收涂层3 真空夹层4 罩玻璃管 5 支承件6 吸气剂7 吸气膜 3 塑垩查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 整个结构就像一个拉长的暖水瓶胆，由两根同心圆玻璃管组成， 内、外圆管内抽成真空，太阳选择性吸收表面( 涂层、膜系) 沉积在内 管的外表面构成吸热体。内玻璃管一端为封闭的圆顶形状，由罩玻璃管 封离端内带吸气剂的支承件支承；另一端与罩玻璃管一端熔封成为环状 的开口端。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时，吸热体玻璃管圆头形 成熟膨胀的自由端，缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力。 同时，由于吸气剂( 一般为蒸散型钡) 的作用，吸收硼硅玻璃在加热中 产生的大量的h 2 0 和c o2 ，以保持集热管内的高真空。 真空集热管所用的玻璃要求必须由良好的透光性能和良好的真空保 持性、不易损坏( 热温度性好，热膨胀系数低，耐热冲击性好，机械性 能高，抗化学侵蚀等) 、适宜加工生产。经生产和使用证明，硼硅玻璃 3 3 ，氧化铁( f e 2 0 3 ) 含量在o 5 以下，以提高透射率，国际标准 i s 0 3 5 8 5 ：1 9 9 1 规定罩管的太阳辐射透过率t 0 8 9 ( 大气质量a m = i 5 时) 。 为了有效的消除管内气体的传导热损和对流热损，必须保持管内的 真空度在一定的范围以内，通常真空度以1 0 - 2 1 0 - 3 为宣，国标规定 为5 1 0 2 【3 】。 太阳光谱选择性吸收膜是真空集热管必须的光热转换材料，要求对 太阳辐射的吸收率高，而在自身工作温度下的热发射率低，太阳辐射能 集中分布在0 3 2 5 p m 的很短的波段范围内，而吸收体向外发射的热 辐射9 9 以上的波长大于3 雎m ，它的辐射是红外线，因此选择性吸收 膜只需要选择在0 3 2 5 p m 波段具有高的吸收率而低的红外发射率即 可。目前我国大多数选择性吸收膜采用溅射多层a i n ，a i ( 铝一氮， 铝，铝为底层) ，太阳辐射吸收率大于0 。9 3 ，红外发射率约0 0 6 。国 4 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 标规定对选择性吸收膜太阳辐射吸收率口t 0 9 3 ( 大气质量a m 为1 5 时) ，红外发射率约s 0 0 9 。 当太阳光透过玻璃罩管照射到选择性吸收表面时，吸收膜吸收太阳 辐射转换成热能传给内管，再由内管内的工作流体( 液体或者气体) 将 热量传给需要加热的工质。 1 3 太阳能真空集热管性能评价指标及国家标准 1 9 9 7 年11 月3 日发布的全玻璃真空太阳集熟管国家标准( g b t 17 0 4 9 - - 1 9 9 7 ) ，其规定了全玻璃真空太阳集热管光一热性能主要参 数为【4 】： ( 1 ) 闷晒性能参数： 定义指标：闷晒太阳曝辐量 定义：充满水的全玻璃真空太阳集热管，在滞流状态，水温升高 3 5 所需的太阳曝辐量称为闷晒太阳曝辐量。 曝辐量h f 础 式中， 一初温起始计算时间，岛一水温升高3 5 c 时的时间，g 一 太阳辐照度，是时间的函数。曝辐量h 是从时间t l 到t 2 水温增加3 5 c 的时间间隔内太阳辐照度的积分值，即时间间隔与相应的平均太阳辐照 度的乘积。实际测量中，由以下公式表示： 肛善g r a t ( 1 2 ) 5 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 式中，六为第i 次时间间隔，1 3 m i n ，一般定为3m i n ，是常 量；g i 为第i 次时间间隔内太阳辐照度的中值。 调试条件：在太阳曝辐量太阳辐照度g = 8 0 0 w m 2 ，环境温度 8o c 3 0 。c ，全玻璃真空太阳集热管以水为传热工质，初温不低于环境 温度，风速不大于4 m s 。 调试工质：全玻璃真空太阳集热管内以水为传热工质，测温点置于 全玻璃真空太阳集热管中部( 全玻璃真空太阳集热管的闷晒性能调试 中，通过测量真空集热管中部的温度来表示其平均温度是足够准确 的) 。 图1 2 全玻璃真空太阳能集热管热性能测试装量示意图 1 全玻璃真空太阳集热管，2 漫反射平板，3 铂电阻温度计，4 保温帽，5 总日辐射表，6 辐射记录仪，7 温度测试仪，8 打印机，9 测试支承架， 1 0 水银温度计1 1 百叶箱，1 2 风速仪 调试装置：全玻璃真空太阳集热管南北方向放置三支，中间为被测 全玻璃真空太阳集热管，两旁为测试陪管，其中心间距为7 5 m m ，集热 6 浙江大学硕士毕业论文 全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究 管中心与漫反射板的间距为7 0 m m 。漫反射板为漫反射比不小于o 6 的 轧花铝板，测温元件不应与玻璃管壁接触。全玻璃真空太阳集热管开口 端套有保温帽，帽顶部有厚5 0 m m 的聚氨酯硬泡沫，帽壁深度以遮住 无太阳选择性吸收表面的内玻璃管为限。从水平面至全玻璃真空太阳集 热管采光面的倾角，按l s 0 9 8 0 6 - 1 ：1 9 9 4 要求，为当地纬度士5 。， 但不小于3 0 。调试装置如图1 2 所示。总日辐射表放置的平面应与漫 反射平板平行。 合格标准：全玻璃太阳能真空集热管闷晒太阳曝辐量h = 3 8 m j m 2 为合格。 ( 2 ) 空晒性能参数： 定义：空晒性能参数为空晒温度、环境温度之差与太阳辐照度的比 值。它计及了空晒温度、环境温度和太阳辐照度。 y ：堇d 生 g ( 1 3 ) 式中，t ，一空晒温度( ) t 。一环境温度( ) ，g 一太阳辐照度 测试条件、调试装置和调试仪表与闷晒性能调试相同，测试介质是 空气。 测试步骤：在太阳辐照度g = 8 0 0 w m 2 ，并趋于稳定，在1 5 m i n 内 太阳辐照度变化不大于_ _ _ 3 0 w m 2 的条件下，每隔5 m i n 记录一次太阳 辐照度，共记录四次，四次平均值为测试期间的太阳辐照度；同时记录 四次空晒温度，四次的平均值为全玻璃真空太阳集热管的空晒温度以， 同时又取四次环境温度数据，其平均值为测试时的环境温度f 。 7 合格标准：全玻璃太阳能真空集热管空晒性能参数y = 1 7 5 m 2 4 c k w 为合格。 ( 3 ) 平均热损系数u 。： 定义：在无太阳辐照条件下，全玻璃真空太阳集热管充满热水后， 不断散热，水温下降。平均热损系数是全玻璃真空太阳集热管内的平均 水温与平均环境温度相差l 时，吸热体单位表面积散失的功率，简称 热损系数，单位为w l ( m 20 c ) 。真空太阳集热管的热损系数取决于选 择性吸收表面的发射比大小和真空夹层内的气体压强，因此热损系数的 大小可以综合地反映吸收表面发射比和夹层的真空度好坏。 矗。c 瓦f * m i q 矿- t 3 j ) 乙= 学驴半( 1 - - 4 ) 式中，c ，。水的比热容j ( k g 。动：m - 水的质量k g ；彳吸热 体外表面积m 2 ，t ，、t ：、t ，、t 。，、t 。：、t , 3 分别表示3 次采样时真空 集热管内上、中、下三点的平均水温和环境温度；乙一测试期间内的 平均水温；t 。一测试期间内的平均环境温度；缸一总测试时间s ； 测试工质：全玻璃真空太阳集热管内以水为传熟工质。 测试条件：本项测试应在室内无阳光直射处，和没有风直吹全玻璃 真空太阳集热管状况下进行。全玻璃真空太阳集热管垂直于水平面放 置，开口端用保温帽套住。 8 塑垩查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑塑壅堑笪堑塞 测试步骤：先用9 0 。c 以上的热水注入全玻璃真空太阳集热管进行 预热，2 m i n 后，倒掉预热水，再注入大于9 0 。c 的热水，真空集热管内 三个测温点的平均水温不低于8 5 。c ，自然降温至平均水温为8 0 ( 3 时第 一次记录水温数据f t ，再每隔3 0 m i n 记录一次水温f z 和f ，总的测试 时间为l h ，共取三次数据；在相同的时间分别记录三次环境温度数据 f 。l 、f 。2 、f 。3 。 合格标准：全玻璃太阳能真空集热管平均热损系数u ：0 9 0 w m 2 c 1 4 太阳能真空集热管流场和温度场研究 1 4 1 研究意义 尽管全玻璃太阳能真空集热管已经进入生产和应用的成熟阶段，国 外和国内的研究都对真空管的热效率、影响因素、评价指标方面都做出 了积极的贡献。全玻璃真空集热管的研究，国外主要集中在上世纪8 0 年代，s c h o o lo fp h y s i c s ，u n i v e r s i t yo fs y d n e y 。2 0 0 6 a u s t r a l i a 的g l h a r d i n g 、b w i n d o w 、d w m a c k e y 等人，以及我国的殷志强教授对 全玻璃真空集热管的热效率、集联管的形式、反射板，涂层的影响等方 面都作出了精辟的研究和分析【5 】【6 】i l l ；s c h o o lo fm e c h a n i c a la n d m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g 。u n i v e r s i t yo fn e w s o u t hw a l e s s y d n e y ， a u s t r a l i a ，m b e h n i a 、g l m o r r i s o n 等人对下端封闭，上端接水池的 直径3 0 5 0 m m 。长度1 5 2 5 m 的倾斜真空集热管的热虹吸式对流做出 了实验研究【1 0 】；c e n t e ro f e n e r g y s t u d i e s 。i n d i a ni n s t i t u t eo f r e c h n o l o g y ，h a u zk h a s ，n e wd e l h i l 10 0 16 i n d i a 的n c b h o w m i k 和 s c m u l l i c k 等人对全玻璃真空集热管的热损失做出了精确的计算【8 】 9 浙江大学硕士毕业论文 全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究 p j 。而上世纪8 0 年代到现在，国内的研究主要集中在真空管集热器涂 层的辐射性质、盖层的透过率和层数及其上灰尘的影响，管道、水箱保 温材料的隔热性能，水箱与集热器间的高度，管道的直径和长度以及水 箱的高径比( 竖放或横置) 等因素对系统日效率的影响、水箱中辅助 电加热器的位置、真空度的影响以及热损失的计算、热效率的评价以及 国家检测标准的研究；关于流场这部分，只是北京市太阳能研究所陆维 德、王立廷等教授应用透明半导体电加热技术和化学合成示色剂对全玻 璃真空集热管内自然对流换热与流动的可视化做了尝试性的研究【l ”。 纵观整个研究历程，对全玻璃真空集热管管内的流动换热规律还没 有得到深入的研究。一方面是由于太阳能真空集热管传熟、换热的复杂 性，既涉及到太阳和涂层辐射的模型、又涉及到涂层与玻璃的固一固， 玻璃与水或者空气介质的固一液耦合模型，而且流场和温度场相互耦 合；另一方面是流场的研究，没有办法直接测量和观测里面的流动换热 情况，不便于实验验证。而它对研究太阳能集热管有这非常重大的意 义，主要表现为【2 3 1 2 4 l ： 1 ) 揭示管内流场和温度场的情况后，可以对产品进行设计优化和 调整； 2 ) 揭示管内流场和温度场的情况后，可以正确地制定检测标准评 价集热管的性能； 3 1 在我国，由于全玻璃真空集热管生产产业化的进展顺利，国家 标准制定以后，对全玻璃真空集热管流场和温度场的研究也没有太重 视，相对来讲对测试标准和影响因素的研究居多，但是近年来由于商家 为了实现产品多样性的竞争优势，经简单的温度实验验证比较后直接推 出了加长和加粗的非标准型号集热管，因此市场上出现了混乱的状况， 1 0 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 国标的检测标准对这些非标产品已经不太合适，有必要通过实验研究和 计算模拟后对国标做出必要的补充和调整，从而进一步规范市场。 1 4 2 研究方法 对于全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究，主要有实验 法、理论分析方法和数值计算法、软件模拟法。 实验法直接接近流场和温度场的实际情况，是进行分析和研究的必 须方法。对于全玻璃太阳能真空集热管温度场的研究，可以利用热电偶 等温度传感器测量里面各点的温度变化情况，但是当热电偶传感器探头 深入到真空管时，实质上影响了真空集热管里面的流场和温度场，对实 验研究造成了一定的影响；对于流场的研究却是实验法不能直接实现 的，北京市太阳能研究所和清华大学在1 9 8 5 年分别对横置全玻璃真空 集热管和集热器内自然对流换热与流动进行过可视化实验研究，在玻璃 管外表面沉积半透明的电热膜模拟太阳辐射加热，用染色剂作示踪液， 用照相观测到了管内三维自然对流流动的规律【1 l 】。但这种实验方法是用 电热膜模拟太阳辐射，所以与实际情况还是有一定的差距，而且操作复 杂，没有对各种长度和直径的玻璃管进行模拟，因此该实验只是做了一 些验证性和启发性的工作。 理论分析方法严密，普遍性强，他利用简单流动模型假设，给出所 研究问题的解析解。到目前为止，对于全玻璃太阳能真空管的温度场的 研究已经有了很多经验公式和理论计算，但是对于非标型号的真空集热 管并不一定合适，流场的研究很少。 数值计算法是5 0 年代以来随着计算机的发展而兴起的一种先进的 分析方法，在流体力学里面称为计算流体力学。它是通过求解由质量守 1 1 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律建立的数学方程组，如欧拉 ( e u l a r ) 方程，纳维一斯托克斯( n - s ) 方程，给出流体运动区域内的 离散解，而不是解析解。数值计算法可以解出无法得出解析解的微分方 程组，若物理问题的数学提法( 包括数学方程及其相应的边界条件) 是 正确的，且可在较广泛的流动参数( 如马赫数、雷诺数、飞行高度、气 体性质、模型尺度等) 范围内研究流体力学问题，则能给出流场参数的 定量结果【l l 】1 18 1 。 软件分析法是数值分析法的计算机实现。专门的太阳能系统性能的 计算机模拟的软件有稳态分析的f c h a r t 和瞬态分析的t r n s y s 为代 表1 1 6 】，但它们都是针对太阳能热水系统的，不能用于全玻璃太阳能真空 集热管的研究。而计算流体力学软件( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， 简称c f d ) ，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的专业 软件。通过c f d 软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比 较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效 果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实 验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理 和规律的得出起到很好的指导作用。目前，比较流行的流体计算软件包 括f l u e n t ，a n s y s ，f i d a p ，p o l y f l o w 等。 本文将采用理论分析法、实验法和数值计算、软件模拟相互结合的 方法来分析全玻璃真空集热管里的流场和温度场，首先采用理论分析和 实验相结合，计算出对应的物理数学模型和微分方程，然后由计算软件 f l u e n t 进行数值计算和可视化模拟，并且由实验法进行验证和调整计算 参数和模型，直至计算结果与实测结果相符，从而揭示全玻璃真空集热 管里的流场和温度场的分布情况，进而对国家标准和结构设计做出改进 和评价。 1 2 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 第二章全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场 f l u e n t 计算 研究全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场最基本的方法是根据连 续性原理、动量守恒原理和能量守恒原理，列出微分方程组，然后根据 实际条件给出适当的边界条件，利用离散化的方法求解微分方程组，最 后给出离散解 1 2 【1 8 】。很显然，对于研究全玻璃太阳能真空集热管的温度 场和流场的问题，一方面，列微分方程组是一个问题，因为它的模型不 能简化为某类直接可列出方程的成熟的模型，以同心圆管的自然对流模 型为基础，还需要加热辐射模型和传导模型：另一方面，对微分方程组 离散化求解也会出现相当的困难。 于是考虑到了直接利用f l u e n t 软件的模型来求解。在f l u e n t 里面，各种流体基本模型的求解方程根据连续性原理、动量守恒原理和 能量守恒原理都已经建立，对于复杂模型，可以采取耦合的方法计算， 温度场的计算可以直接将模型耦合，流场的计算可以通过多相流的模型 来计算。因此，我们可以通过正确的建立和选择模型、边界条件和计算 迭代参数，利用f l u e n t 直接计算太阳能真空集热管的温度场和流场。 f l u e n t 求解的思路和步骤是首先根据实际情况抽象和建立物理模 型，然后选择求解模型，设置边界条件和初始化条件，设置迭代和控制 参数，进行计算，然后进行后处理和分析得出结论，或者根据实验结果 重新调整参数进行再计算直至达到可接受的结果。 2 1f l u e n t 计算模型和求解方法 2 1 1f l u e n t 计算模型 f l u e n t 对可压缩流和不可压缩流、层流和紊流、瞬态和稳态都提 供了全面的计算模型，是基于非结构化网格的通用c f d 求解器，f l u e n t 1 3 采用可选的多种求解方法，从压力修f 的s i m p l e 法到隐式和显式的时 间推进方法并加入了当地时间步长，隐式残差光滑，多重网格加速收 敛。下面介绍与计算太阳能真空集热管流场和温度场的几种基本模型和 方程【1 9 】。 对于像太阳能真空集热管类似的2 d 轴对称问题，f l u e n t 计算的 连续性方程为： 度 裳+ 碌a + 丽8 枷r ) + 竽= ( 2 刊 其中z 为轴向方向，r 为径向方向，匕为轴向速度，和v ，为径向速 动量守恒方程为 言( 。) 毒杀h j ；) 毒杀h ，匕) 一 一罢+ ；去h z 鼍一詈( v ；) ) + ；昙h 生8 r + 誓) 卜c 缸r 缸i l 缸 3 、r 打i i缸川 ( 2 2 ) 扣) + 吾去慨办吾昙h v ，) | 一筹卦芦( 誓+ 钏 + ；* ( 2 誓一弘 9 卜p 专+ 扎孚+ 只 式中v ；监+ 生+ 生；( 2 - - 3 ) a za rr 其中，一为分子粘度，v ：为旋转速度 能量方程为： 1 4 袅捋凇捌阐( 蛔锻一莩妨另+ 两回) + ( 2 5 ) 其中，h 为热焓，女耵为有效热传导率，j ，为化学组分的扩散系数 s 一为其他内热源。 对于s o l i d 或者w a l l 的热传导模型，f l u e n t 的计算方程为： 口= 畸蜀一t s ) + q , a d 或者 g = 基一豇) + 州 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对于w a l l 对流体的对流传热模型，f l u e n t 的计算方程为： 口一i l ，扫。一0 ) + 口。 流体边w a l l 的热流量： ，厂拙、 q 2 母l 丽，伽 对于自然对流问题，f l u e n t 首先计算瑞利数r 的值 r 。邸a r l p 口 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 1 5 铲虿 p p h ， l l 中 e 式 塑兰查兰堡主兰些堡兰全堕堕奎里堂壅窒苤垫鳖堕堑塑墨壅堑笪堑塞 判断是层流还是紊流，当r 。 10 8 时为浮力驱动层流，而当r 。小于 1 0 8 s o l v e r ，设定采用非耦合方式、2 d 轴对称，非稳 态： d e f i n e 一 m o d e l s v i s c o u s ，选择黏度模型为层流： d e f i n e 一 m o d e l s 一 e n e r g y ，加入能量计算方程； d e f i n e m o d e l s r a d i a t i o n ，选择辐射模型 然后定义物质属性，d e f i n e 一 m a t e r i a l s 因为太阳能真空集热管里面的介质( 水或者空气) 是自然对流，所 以在定义物质属性时必须给出介质在各段温度时的密度值。以水为例 ( 标准大气压下) n 4 】 1 s 3 ： 温度( k )密度( 1 0 3 k g m 3 )温度( k )密度( 1 0 3 k g m 3 ) 2 7 30 9 9 9 8 7 2 8 30 9 9 9 7 3 2 9 30 9 9 8 2 3 3 0 30 9 9 5 6 2 3 13o 的2 2 4 3 2 30 朝8 0 7 3 3 30 9 2 4 3 4 30 9 7 7 8 1 3 5 30 9 7 18 33 6 3 0 9 6 5 3 4 同时，也要设置真空层的气体参数特性和计算热损失时的折算导热 系数等物性； 度。 定义操作条件，d e f i n e - o p e r a t i n g c o n d i t i o n s 因为自然对流是由重力引起的，所以要在x 正方向设置重力加速 塑兰查兰竺主兰些堡苎 全堕堕奎里堂壅窒叁垫鳖堕堑塑墨鏖堑笪堑塞 定义边界条件，d e f i n e 一 b o u n d a r yc o n d r i o n s 根据计算热损失时各w a l l 的计算，设置边界条件，以直径 4 7 m m ，长度1 5 m 为例，设置如下： 名称材料 w a l l 厚度( m m ) 导热系数w ( m * k ) 保温帽膨胀聚苯乙烯2 00 0 3 内外管联接处g l a s s l 2 0 1 6 6 9 弹簧卡予 s p r i n g 20 1 1 8 玻璃内管 g l a s s 21 0 5 另外，吸气剂部分引起的辐射部分只需设置发射率为0 3 涂层部 分的边界条件为复合边界条件，设置发射率为o 0 6 换热系数折算为 0 0 8w ( k * m z ) ； 因为简化模型的过程中，涉及到了折算，所以厚度和导热系数都可 能和实际材料的不符，但保持了热损失量一致，所以不影响实际求解的 正确性。 另外，将涂层系数的热量直接加到玻璃内管上，既将玻璃内管当作 一个内热源，产生的热流量q 由折算取得： q 一太阳辐射强度透过率( 1 + 发射板反射部分) x 涂层吸收系数 假定在0 3 0 m i n 内太阳平均辐射强度为6 3 4 w m 2 则热流量可以 折算为： q = 6 3 4 x o 9 3 x ( 3 + 0 2 5 ) o 9 5 t 7 0 0 2w m 2 而在f l u e n t 里面，内热源设置是单位体积内产生的热量，因此将 热量折算成e ： e 。q x 受热面积内热源体积= 7 0 0 2 x o 0 3 7 x 1 5 ，仁x o 0 3 7 x i 5 x 0 0 0 2 ) = 1 1 1 5 0 0w m 3 2 2 4 设定控制参数、初始化及计算 设置方程离散化求解时的松弛因子和离散方法： s o l v e - c o n t r o l s s o l u t i o nc o n t m l d i s c r e t i z a t i o n 项下，p r e s s u r e 部分选b o d yf o r c ew e i g h t e d 顾， p r e s s u r e v e l o c i t yc o u p l i n g 部分选p i s o 项；松弛因子保留默认的设 置； 计算区域初始化，s o l v e 一 i n i t i a l i z e 初始化计算区域，将温度设置为环境温度2 9 3 k ， 设置控制点，s o l v e 一 m o n i t o