倾斜角度对太阳能真空管内部流动和传热影响的研究

    摘要：针对太阳能真空集热管在不同倾斜角度下，内部的流动和传热特性，建立三维有限容积法模型。得到了真空集热管内部不同位置的轴向速度分布，计算了不同倾斜角度下内部流体的运动驱动力特征参数Ra和换热特征参数Nu。研究结果表明，太阳能真空集热管内部的流动存在较明显的漩涡，当倾斜角度在45o时，换热达到最佳效果。     关键词：太阳能 集热管 模拟     1、介绍     太阳能真空集热管内的自然对流过程对于太阳能集热器乃至热水器的整体性能，有着明显的影响，不同倾斜角度对于自然对流过程的影响，也是非常明显的[1, 2]。太阳能真空集热管内的自然对流有如下特征：     首先太阳能真空集热管的形状为细长的圆柱体，内部发生的自然对流过程为受限空间的自然对流；     其次，太阳能真空集热管一般倾斜安装，水灾管内的流动并非沿重力方向或其负方向运动，而是与重力方向呈一定的倾斜角度；     最后，太阳能真空集热管只有一段开口，热水出口和冷水进口均在一个管口，同样，热流体的上升和冷流体的下降也均在一个管内空间进行，两股流体相互影响，相互作用。     对于自然对流的研究成果，比较丰富[3, 4]。受限空间内的自然对流过程，在规则几何空间内，也有较成熟的结论[5, 6]。但倾斜的圆柱体内发生的自然对流[7, 8]，特别是细长圆柱体内发生的受限空间自然对流，研究成果并不丰富[9, 10]。     对于逆流式自然对流过程，即系统只有一个进出口，或环流式自然对流，即封闭系统，研究过程仅仅局限于理论过程，在实际工程中并不多见。     针对太阳能真空集热管，倾斜受限空间内冷热流体逆向流动的自然对流过程，成果并不多见。Mina Shahi等[11]对真空集热管内纳米流体的流动过程开展了模拟研究。该论文采用三维模型，利用有限容积法对一端开口，倾斜放置的从长圆柱体内发生的自然对流过程开展模拟研究。     本文在前人研究的基础上，针对市场主流管型：内管直径47mm，长1.8m的太阳能真空集热管，在不同倾斜角度下流动和传热过程开展模拟研究。     2、模型描述     模型参数表1     几何参数物理参数     集热管长度1.8m进口线速度1.33mm/s     集热管直径47mm进口折算基准0.02kg/s.m2     联箱管长度200mm进口温度290k     联箱管直径100mm热流密度1000W/m2     建立模型的具体参数见表1.从图表中可以看出，本文采用单根太阳能真空集热管作为模拟对象，与集热管连接的为联箱。集热管为半边受热，即面向太阳的一侧受热，集热管接受的散射辐射和地面辐射忽略不计。     设联箱管和太阳能真空集热管非受热面均为绝热边界条件。流体从联箱一侧，平行于联箱进入，另一侧为等压（环境大气压，表压为零）边界条件。联箱流体进口速度为1.33mm/s，折算为0.02kg/s.m2集热器面积，集热管长1.8m，扣除安装和无涂层长度5cm，实际集热管长度为1.75m，受热面简化为均匀热流密度，热流密度设为1000W/m2。网格模型如图所示，采用非结构网格划分，共计90万个网格。        图3（略）为真空集热管不同轴向位置处，轴向速度沿径向的分布，其中横坐标为径向位置，正值在集热管上部，靠近受热面，负值在集热管下部，靠近绝热面，纵坐标为轴向速度，正值表示沿集热管向上运动，负值为向下运动。从图中可以看出，靠近受热面位置，运动方向均为热流体上升，靠近绝热面位置，运动方向均为冷流体下降，符合集热管内部质量平衡条件，说明计算结果可信。     图中三条曲线分别为集热管入口位置，集热管沿轴向向下200mm和700mm位置。从图中可以看出，在不同位置的轴向速度分布有一定差别。当倾斜角度在60o以下时，各个位置的速度分布趋势基本一致，特别是60o时，三条曲线重合度比较高。当倾角在75o和90o时，三个位置曲线所表示的速度分布趋势出现了较明显的差异。当前倾斜角度为75o时，进口和进口下方200mm处的轴向速度出现了2个波峰，分别在管中心位置和靠近受热壁面位置，即上升的热流体速度在200mm与700mm之间的某个位置出现了分流，导致在近管口处出现走向漩涡。      当倾斜角度为90o时，即集热管处于垂直状态时，运动状态更为复杂。在进口处出现明显的卷吸作用，热流体上升明显受到冷流体下降的影响。在200mm处，在集热管轴线下方，即靠近绝热面位置，仍出现正向的流动速度，说明此位置有较明显漩涡。即使到了700mm处，冷流体在轴线下方1cm位置，仍有向上运动的趋势，说明真空集热管的入口效应仍未消除。     1.2. 传热特性     Nu和Ra随倾斜角度的变化     图4（略）为不同角度下真空集热管的换热能力和运动能力的趋势图。图中横坐标为真空集热管的倾斜角度，左侧纵坐标为换热管内部的Nu，右侧纵坐标为换热管内流体运动的Ra数。从图中可以看出，Nu在45o倾斜角度是得到最大值，而Ra随着倾斜角度的增加不断增加。也就是换热能力在倾斜角度45o时最强，而运动的驱动力，随着倾斜角度的增加而逐渐增加。     从图中可以看出，管内流体流动的驱动力最大的时候（垂直安装时），并未得到最大的换热能力，这是由于太阳能真空集热管内的流动属于小空间逆流式自然对流，向上运动的驱动力来自于流体的密度差，但同时也受到冷流体下降的影响。当垂直安装时，内部出现明显的漩涡，如上一节所述，消耗了一部分循环动力。     5、结论     本文采用有限容积法，对一种内径47mm，长度为1.8m的太阳能真空集热管内部流动和传热过程开展了模拟研究，研究结果表明：     a 采用数值模拟方法对太阳能真空集热管开展研究，方法是可行的；     b 太阳能真空集热管内部流动，存在明显的漩涡和扰动，又进一步优化的空间；     c 现有太阳能真空集热管，从传热的角度来看，45o倾斜角度是比较合理的。