引言太阳能空气集热器(SAH)已被广泛应用于建筑通风与采暖和农产品干燥等行业[1-2]。SAH是热交换装置，可将太阳辐射吸收转化为热能，并通过空气与集热板的对流换热将热能转移到工作流体中。SAH的基本结构由顶部的一层或多层透明盖板、涂有吸收太阳辐射材料的金属集热板、四周与底部的框架与集热材料组成[3]。受限于空气的导热系数与密度较低，传统的SAH的效率较低。为了提高SAH的集热效率，Kumar[4]等通过在集热板上设置以凹槽、挡板、肋骨、小翼、突起穿孔和网丝等为代表的人工粗糙度破坏空气近壁面处的边界层，从而提高空气与集热板的对流传热系数。Hwang[5]等通过实验研究集热板上凹凸结构对集热器的影响，发现传热能力由大到小依次为：双面凸胞、双面凹坑-凸胞、单面凸胞、单面凹坑、单面凹坑-凸胞、双面凹坑。Varshney[6]等利用Fluent软件对具有矩形截面锥肋状人工粗糙度的SAH进行分析，将锥角分别为1.6°、2.3°和3.2°、螺距分别为10 mm、15 mm、20 mm和25 mm，肋宽为0.7 mm的12种不同形状的锥形肋作为扰流器。根据雷诺数在3 800~18 000范围内的性能指标，最佳结构为锥角1.6°，肋距/肋高比为10.7。Sahu[7]等对附加圆弧状线肋的SAH进行热力学分析，Re为5 000~35 000时，最大集热效率为79.84％，有效效率为75.24％。Kashyap[8]等研究具有多均匀间隙的多V形肋对SAH导管性能的影响，得到的最优结构可以使Nu增加6.46倍。虽然研究人员提出了众多的改进结构，但目前仍不清楚SAH最基本结构对集热效率的影响。因此，文中利用Fluent软件建立SAH的二维数学模型，分析不同流道高度对SAH性压力损失、集热效率、效率的影响。1数学模型1.1模型尺寸利用Gambit软件建立SAH的二维物理模型。SAH物理模型的长度为2 000 mm，高度分别设置50 mm、75 mm、100 mm、125 mm与150 mm。SAH底面填充厚度为50 mm的岩棉，作为保温材料。SAH的两端设置高度为40 mm的入口与出口。1.2模拟设置与假设采用Simple算法模拟速度与压力的耦合，动量、速度、能量、湍动能与耗散率均采用二阶迎风差分格式。为了简化计算，在数值模拟中假设[9]：空气为透明不可压缩的牛顿流体；仅考虑透明盖和吸收板的吸收速率和发射率。1.3边界条件及物性参数模型边界条件为：SAH的入口为速度入口边界条件，设定入口风速为0.2~1.2 m/s (9.0×10-3~5.6×10-2 kg/s)，入口空气温度为20 ℃；透明盖板设置为对流换热边界，外界自由流温度为20 ℃，外界空气与透明盖板对流换热系数为15 W/(m2·K)；集热板设置为流固耦合边界条件；太阳辐射强度设置为800 W/m2。SAH模型的物性参数如表1所示[10]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.T001表1SAH模型的物性参数材料密度/(kg/m3)比热容/[J/(kg·K)]导热系数/[W/(m·K)]动力黏度/(Pa·s)透过率/%吸收率/%发射率/%空气97 500287.045Tf1 006Tf2930.001 50.025 7Tf2930.81.81×10-5Tf2930.7351.000—集热板2 719871202.40—00.940.10玻璃2 5008400.76—0.920.020.90注：“—”代表材料无此参数。2评价指标2.1集热效率集热效率为空气吸收的热量与照射在SAH表面的太阳总辐射量之比。ηt=m˙cp,aTout-TinAG (1)式中：ηt——集热效率，%；m˙——空气流量，kg/s；cp,a——空气的比热容，J/(kg·K)；Tout——出口温度，K；Tin——入口温度，K；A——集热器的面积，m2；G ——太阳辐射强度，W/m2。2.2热损系数利用Klein于1979年提出的经验公式计算SAH的热损系数[11]。UL=Ut+λd+λAedAc (2)Ut=1N520(1-0.000 051β2)Tp,m(Tp,m-TaN+f)0.43(1-100Tp,m)+1hw+σ(Tp,m+Ta)(Tp,m2+Ta2)qεp+0.005 91Nhw+2N+f-1+0.122εpεc-N (3)f=(1+0.089 2hw-0.116 6hwεp)(1+0.078 66N) (4)式中：UL——热损系数；Ut——顶部热损系数，W/(m2·K)；λ——底部保温材料的导热系数，W/(m·K)；d ——保温材料厚度，m；Ae/Ac——集热器4个侧壁总面积与集热器面积之比；N——玻璃层数；β——集热器倾斜角度；Tp,m——吸热板平均温度，K；Ta——环境温度，K；f——中间系数；hw——环境空气与玻璃盖板的对流换热系数，W/(m2·K)；σ——斯蒂芬-玻耳兹曼常数；q——集热板上热通量，W/m2；εp——吸热板发射率，%；εc——玻璃发射率，%。2.3效率效率是收益与支付的比值。通过计算效率可以确定能量转换的效果和有效利用程度[12]。ηex=ExoutExinm˙cpTout-Tin-TalnToutTin-ΔPm˙ρ¯aTaTaveGA1-43TaTsun+TaTsun4 (5)式中：ηex——效率，%；Exout——收益，J；Exin——支付，J；ΔP——压力损失，Pa；ρ¯a——空气平均密度，kg/m3；Tave——SAH内空气的平均温度，K；Tsun——太阳表面温度，K。3结果与讨论3.1不同流道高度下SAH的能量分析空气流量对集热效率的影响如图1所示。随着流道高度的增加，SAH的集热效率逐渐降低。空气流量为0.009 0~0.055 6 kg/s时，流道高度从50 mm增加到150 mm，集热效率降低了13.11%~2.98%。随着空气流量的增加，集热效率逐渐增加且增加幅度逐渐减小，其原因为对流换热系数增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F001图1空气流量对集热效率的影响空气流量对流换热系数的影响如图2所示。随着空气流量的增加，空气与集热板之间的对流换热系数逐渐增加，从而提高了集热效率。但是随着空气流量增加，空气与集热板间对流换热系数增加的同时空气与透明盖板的对流换热系数也增加，进而增加了SAH的热量损失。因此，空气流量较小时，降低流道高度能够更有效地提升集热效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F002图2空气流量对对流换热系数的影响3.2不同流道高度下SAH的压力损失空气流量对压力损失的影响如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F003图3空气流量对压力损失的影响由图3可知，随着空气流量的增加，SAH的压力损失逐渐增加。其原因是空气流量的增加提高了流道内的空气流动速度，进而增加了空气流动过程的沿程阻力损失。虽然流道高度的增加会降低空气在流道内的平均速度，但压力损失并不是单纯随着流道高度的增加而减小。当空气流量为0.009 0 kg/s时，随着流道高度的增加，压力损失逐渐减小；当空气流量为0.055 6 kg/s时，随着流道高度的增加，压力损失逐渐增加。这种现象出现的原因在于流道高度对空气流动过程中沿程阻力损失与局部阻力损失的影响不同。空气流入与流出SAH流道时，由于空气的出口与入口宽度远小于SAH流道的宽度，流动截面的变化会造成局部阻力增加。流道高度的增加又降低了空气的流动速度，从而降低了空气流动过程中沿程阻力损失。3.3不同流道高度下SAH的热损系数空气流量对热损系数的影响如图4所示。随着流道高度的增加，热损系数增加。但整体而言，流道高度对热损系数影响相对较小，空气流量为0.009 0~0.055 6 kg/s时，流道高度从50 mm增加到150 mm，热损系数增加了0.42%~2.63%。随着空气流量的增加，热损系数逐渐减小，其原因是集热板温度降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F004图4空气流量对热损系数的影响热损系数与集热板温度的关系如图5所示。热损系数与集热板温度呈线性关系，而空气流量的增加通过提高空气与集热板的对流换热系数降低集热板的温度。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F005图5热损系数与集热板温度的关系3.4不同流道高度下SAH的效率分析空气流量对效率的影响如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.011.F006图6空气流量对效率的影响由图6可知，随着空气流量的增加，效率逐渐减小。其原因为随着空气流量的增加，SAH的出口温度降低，导致出口能量的品质降低。随着流道高度的增加，效率逐渐减小。其原因在于随着流道高度的增加，集热效率增加，但SAH的出口温度降低造成了SAH出口品质的降低。空气流量较低时，流道高度对效率的影响相对显著。空气流量为0.009 0 kg/s时，流道高度从50 mm增加到150 mm，效率减少23.05%；而空气流量为0.055 6 kg/s时，流道高度从50 mm增加到150 mm，效率减少7.51%。4结语随着空气流量的增加，SAH的集热效率逐渐增加且增加幅度逐渐减小。随着流道高度的增加，SAH的集热效率逐渐降低。在空气流量为0.009 0~0.055 6 kg/s范围内，流道高度从50 mm增加到150 mm，集热效率降低了13.11%~2.98%，热损系数增加了0.42%~2.63%，效率降低了23.05%~7.51%。虽然流道高度的增加会减小空气在流道内的平均速度，但压力损失并不单纯随着流道高度的增加而减小。空气流量为0.009 0 kg/s时，随着流道高度的增加，压力损失逐渐减小；空气流量为0.055 6 kg/s时，随着流道高度的增加，压力损失逐渐增加。