河北盈鼎建筑设计有限公司 河北燕郊 065201
摘要：随着中国经济的飞速发展，环境及能源问题日趋严峻。太阳能作为可再生清洁能源备受重视，太阳能集热器事业也遍地开花，成为大众日常生活中不可或缺的集热设备。我们已知热泵系统的供热性能系数是评价热泵制热效果的核心参数，是系统制热量与输入功率的比值。由逆卡诺定理可知，提高低温热源的温度和降低高温热源的温度都可以提高系统的供热性能系数。尤其是低温热源的变化对系统供热系数的影响更大。提高集热器出楼水温的方法有很多，笔者从改变水流量对不同水流形式的集热管（横排式和竖排式）集热效果的角度入手，提出了一些优化意见。由于现实情况中不允许搭建真实的试验台，笔者将通过用ANSYS软件仿真模拟的方法进行研究和理论性分析。
关键词：全真空玻璃管集热器；ANSYS模拟；集热效率
1.工具介绍
CFD（Computational Fluid Dynamics）通称为计算流体力学，是一种结合流体力学和数学计算的新的研究方向。
笔者通过ICEM建立仿真物理模型，能否根据实际遇到的流体问题来建立正确可靠的模型网格也是能否得出最终正确结论的关键一步。
FLUENT软件适用面极广。针对各种流体的不同的流动特点，都有相应的数值解法。
2.模型验证
2.1问题描述
笔者还原了试验台中的全玻璃横排式真空管集热器的物理模型。通过改变多种工况参数（进口质量流量、进口温度、集热管壁温等参数）进行模拟计算。将所得到的结论对比试验台实测数据来验证集热器模型及设计参数的准确性。
笔者选取三天的试验台实测数据来验证集热器模型所得结果的正确性。同过对比实测数据，笔者选取2月7日中午12时15分左右的数据来举例。此时测得太阳能集热器中集热管的壁面温度为60℃，集热器端进水温度为29℃，质量流量为0.11kg/s。
2.2建模及FLUENT模拟求解
该模型为横排式全玻璃太阳能真空管集热器，由联集箱、进出口侧管路及50根全玻璃真空集热管组成。集热管长度为1.5m，内管管径0.037m。热水管路为DN20。最终模型网格精度可达到0.30以上，满足计算要求。
利用fluent软件模拟过程分为以下几步：
1网格的导入及检查
2模型设置
1）设置求解参数：通过Define-General命令设置通用参数。
2）选择模型：本算例需要激活energy方程并设置湍流k-e模型。并强调热效应和浮升力影响。
3材料参数设置：在本算例中流体为水，并改变其Density为线性变化密度。
4边界条件设置：本模拟算例入口设置为质量流量入口（mass-flow-inlet），添加参数质量流量及进口温度；集热管壁面设为壁面添加壁面温度。
5求解设置：通过点选Solve-Methods命令选项求解，本模拟验证选择的是Coupled算法选取合适的求解器可以加快计算和收敛速度。
6初始化与求解设置：通过Solve-Initializations命令对模型初始化设置。
设置完成后进行迭代计算。本算例达到近8000步后结果收敛。其中energy残差曲线精度达到10-7，其余残差曲线精度也达到10-3，曲线持平基本不再变化，认为结果满足收敛条件。
2.3后处理及验证结果
Fluent软件可以通过Reports-surface Integral选项计算出口流速及出口温度，通过FLUENT计算，残差曲线收敛后出口温度和流速为：出口温度320.18K，出口流速0.36m/s。
通过Results-Contours选项可以显示温度云图，为延中心X-Y截面整体温度分布云图。从图中可看出联箱内进口温度为302K，沿联箱方向向上逐渐增加。两侧集热管为绝热加热系统，管内流体为自然对流，近似认为是分层加热，上部达到加热要求流出集热管，下部低温水流入集热管进入集热管内温度变化范围逐渐缩短，整体呈梯形变化。25排集热管进口处温度分布云图看受重力和浮升力影响，进口处温度靠近下部边界温度较低由下至上逐渐升高；从速度分布云图中可清晰看出集热管内速度分布呈下进上出的自然对流模式。25排集热管进口处速度分布云图中可看受重力和浮升力影响，进口处速度靠近下部边界速度相对较低，升温后出口速度较高。分析得太阳能集热器的集热管，除靠近联集箱入口处的两排集热管受到来流速度影响流动情况紊乱，从第三排开始直到最后一排速度分布基本稳定，整体流动状态符合实际流动情况。
3验证结果：
本算例模拟对象为横排式全玻璃真空管太阳能集热器，循环水由蓄热水箱经大水泵加压后进入集热器，经集热管层加热后，热水由集热器上端出口流回至蓄热水箱蓄热往复循环完成集热任务。笔者供模拟了三天中三种工况，模拟所得数据与实验数据对比可知模拟所得出口水温T1与实际检测所得水温相比要偏高1-2℃左右，笔者分析可能造成的原因有三个。一是由于试验台设备限制只能测得集热器真空集热管的外管壁温，实际集热管内壁温并没有所测温度那么高。第二个原因，现实系统环境并非理想环境，出现热损失。最后一个原因为监测过程中不可避免的误差。笔者认为出现的偏差在合理范围内，可以认定该算例的模拟结果是正确可靠的。
4.单管的模拟
集热器是集热环节的重要部件，集热效率的提高可以直接影响系统能否高效稳定的运行，其中集热管更是集热器的核心部件。本节笔者希望通过模拟了解改变流量后集热管内的集热情况，及将横排集热管改为竖排式后集热效率的变化。
4.1增加整体集热器流量后集热管内速度变化情况
原有太阳能集热系统中的水流流量为0.11kg/s。笔者将入口流量提升至0.15kg/s。单根集热管入口速度变化见图4-14，出口速度变化见图4-15。
由图中可看出，增大流速后每排集热管的进口速度都增加了，且与原流量下流速变化趋势基本相同。质量流量为0.11kg/s时单管最大进口速度为0.033kg/s，提升质量流量后，单管最大进口速度提升至0.043kg/s。距离入口段较近的集热管开始比较，集热管进口速度是先减小后基本稳定不变。集热管出口速度与进口速度变化趋势相近，变化浮动不大质量流量为0.15kg/s的工况单管出口速度相对较高。增大流速后集热管的进口温度变化如图4-16，出口温度变化分布如图4-17。
当笔者增加集热器入口端质量流量，每一排集热管的进口温度和出口温度都随之下降。下降幅度与进口温度相似。整体集热器由靠近集热器入口段的集热管开始进出口温度稳步上升，变化趋势相近。
4.2横排式集热管和竖排式集热管变流量集热效果对比
1进口水温和壁温为定值变流速模式
根据已模拟的太阳能集热器所得数据，笔者选取了进口流速在0.02m/s到0.15m/s范围内变化，入口水温303K不变，分别模拟318k、333K和393k三种壁面温度下横排管与竖排管的集热情况。
1）壁面温度333K，入口水温303K工况结果如图4-17，图4-18：
由图4-17和图4-18可分析得，在壁温及入口水温恒定只改变流速的情况下，横排管和竖排管出口流速相较于进口速度都有所增加，竖排管的出口流速相对横排管更高。集热管出口温度与进口流速变化趋势相反，进口流速的增加，出口温度降低，当集热管进口速度达到0.08m/s之后竖排管的出口温度高于横排管。
若保持原工况不变，降低壁温至318K后，结果如图4-19和图4-20所示，两种形式的集热管出口速度都高于进口速度，竖排管略高，变化趋势与进口速度相似。两种集热管的出口温度都是随进口速度的增加而降低，在集热管进口流速达到0.05m/s前横排管出口温度高于竖排管，0.05m/s之后竖排管高于横排管。
保持原工况不变，提高壁温至393K后，结果如图4-21和图4-22所示，两种集热管出口速度都高于进口速度，竖排管略高，变化趋势与进口速度相似。两种集热管的出口温度都是随进口速度的增加而降低，横排管的出口温度更高，有靠近竖排管温度曲线的趋势。
2进口速度和壁温为定值改变进口温度模式
当保持集热管进口速度不变，壁面温度不变，增加集热管进口温度，根据分析数据选取0.05m/s，集热管壁面温度选取393K，改变进口温度在303k到353k范围内变动。
结果如图4-23和图4-24。在集热管进口速度不变的情况下竖排管的出口速度更高，随进口水温增加两种形式集热管的出口速度向进口速度靠近。出口水温随进口水温的增加而增加，横排管出口温度高于竖排管。横排管和竖排管的进出口温差降低，横排管进出口温差大于竖排管，降低速度大于竖排管不断向竖排管靠近。
5.小节
本文模拟了横排式全玻璃真空管集热器的物理模型并与试验台实测数据进行比较验证其正确性。通过整体集热器模型可得提升集热器进口流量后集热器的出口流速增加，但是出口温度降低。增加流量后集热管进口速度和出口速度都有所增加，但是进口温度和出口温度均降低，越靠近集热器出口的集热管这一现象越明显。
对于集热器单管模拟结果来看，进口温度及壁温恒定的情况下，随进口流速的增加集热管出口温度降低，低速时横排管的出口温度高于竖排管并向其靠近，当集热管的进口速度达到某一定值时竖排管的出口温度反超横排管，横排式和竖排式集热管集热效果相同的进口速度的定值随壁面温度的增加而加大。但是由于太阳能集热管内为自然对流，进口速度非常小，所以此条件下基本可以认定横排管式集热器的集热效果优于竖排管。
当在模拟过程中使集热管进口速度和壁面温度为定值，只改变进口温度时，随进口温度升高，出口流速降低，出口温度增加横排管出口温度高于竖排管。但是集热管的进出口温差减小，这主要是因为对管内温度升高，壁面热源与管内流体的传热温差减小所致，所以增大换热温差是提升太阳能集热器集热效率的有效措施。
论文作者:马婧
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/23
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