1、书书书?基金项目?国家自然科学基金青年基金?山东省重点研发计划项目?第一作者简介?蔡庆峰?男?硕士生?研究方向为相变传热与太阳能中低温光热利用?通信作者简介?刘芳?女?副教授?博士?研究方向为建筑节能?多孔介质传热传质?收稿日期?修回日期?吸热板涂层对太阳能空气集热器性能的影响蔡庆峰?刘?芳?王泽林?李佳琪?山东建筑大学 热能工程学院?山东 济南?摘?要?以涡旋形流道太阳能空气集热器为研究对象?采用模拟方法?对?种涂层集热器的热性能和经济性进行分析?研究对象为黑镍涂层?黑铬涂层?氧化钴黑涂层?金属陶瓷薄膜涂层?氮氧化钛蓝膜涂层?涂层对集热器热性能影响比较小?对集热器投资回收期的影响比较明显?种
2、涂层集热器的单位空气得热量成本均低于常规电价?综合考虑集热器热性能?经济性?黑镍涂层是理想选择?关键词?空气集热器?吸热板涂层?热性能?经济性中图分类号?文献标志码?文章编号?概述太阳能空气集热器广泛用于室内空气除湿?建筑辅助供暖?农业干燥?等领域?吸热板涂层是影响太阳能空气集热器集热性能的重要因素?为提高太阳能空气集热器的集热性能?众多国内外专家学者对吸热板涂层材料进行了研究?通过研究最新太阳能热技术?强调太阳能选择性涂层的应用是太阳能空气集热器性能改进的重要方法?赵桐等人?采用扫描电镜和?射线衍射仪对?尖晶石型涂层的结构和表面形貌进行观察?得知该涂层的高温稳定性优良?等人?探究了太阳能?基
3、串联涂层的性能?发现该涂层具有较好的热稳定性?杨鲁伟等人?利用准稳态测试方法分析了?种涂层的热性能?得知黑铬涂层的热稳定性优于氮氧化钛蓝膜涂层?等人?实验研究了石墨烯基涂层对吸热板的影响?发现采用石墨烯基涂层的平板太阳能集热器的热效率有所提高?等人?制备了一种?复合陶瓷基涂层?通过实验发现?该涂层的太阳能热转换效率高达?等人?建立了彩色涂层与普通涂层的对比实验?得知彩色涂层对太阳辐射更加敏感?综上所述?现有研究大多集中在不同吸热板涂层对太阳能空气集热器热性能的影响?而不同涂层应用于太阳能空气集热器的经济性分析比较少?为此?本文以涡旋形流道太阳能空气集热器?简称集热器?为研究对象?采用模拟方法?
4、对?种涂层集热器的热性能和经济性进行分析?模型建立与求解?物理模型涡旋形流道太阳能空气集热器由壳体?吸热板?折流板?透明盖板?保温层组成?保温材料为岩棉?集热器底部及四周保温层厚度均为?透明盖板为单层平板玻璃?厚度为?集热器进出口尺寸长?宽均为?流道宽为?集热器外框尺寸为?集热器物理模型见图?涂料仅喷涂在吸热板迎着太阳光的一侧和折流?第?卷?第?期?年?月煤 气 与 热 力?板两侧?各种涂层的吸收率?发射率及价格见表?根据市场平均单价?吸热板和折流板成本为?元?保温层成本为?元?透明盖板成本为?元?流道进口?保温层?流道出口?吸热板?透明盖板?折流板?图?集热器物理模型表?各种涂层的吸收率?发
5、射率及价格名称吸收率发射率 价格?元?黑镍涂层?黑铬涂层?氧化钴黑涂层?金属陶瓷薄膜涂层?氮氧化钛蓝膜涂层?数学模型为了便于对集热器进行数值模拟?进行以下设定?忽略由黏性力做功引起的耗散热?仅透明盖板与吸热板吸收太阳辐射?流道内空气为黏性不可压缩流体?辐射透明介质?空气在集热器中的流动状态和换热过程为稳态?忽略相邻流道间空气传热?忽略壳体厚度?根据上述设定?建立通用控制方程?由于空气在流道内为湍流流动?且在流道内会产生角隅涡?分离涡?因此?本文选用?模型?该模型在模拟复杂二次流动具有较大优势?辐射模型选择适用于半透明介质的?辐射模型?边界条件集热器各组件物性参数见表?集热器物理模型的边界条件?
6、集热器入口为速度入口?进口空气温度与环境温度一致?集热器出口为压力出口?集热器与水平面夹角为?透明盖板?保温层与环境空气接触面均为对流传热边界?表面传热系数为?环境温度?太阳辐照度根据室外逐时气象参数选取?表?集热器各组件物性参数组件材质比热容?热导率?密度?透射率透明盖板 玻璃?吸热板铝?保温材料 岩棉?模拟软件与相关设定采用?软件进行模拟?计算采用三维双精度?稳态压力基求解器?速度与压力基的耦合选用?算法?压力插值方案选择?动量?能量方程均选用二阶迎风差分格式进行离散?收敛精度为?网格划分及无关性验证采用?软件建立集热器模型?由于集热器流道内空气流动情况复杂?并存在?转弯?因此选用?网格进行网格划分?并在流道部分进行了网格加密?网格无关性验证在黑镍涂层?入口风速为?情况下进行?环境温度为?太阳辐照度为?网格无关性验证结果见表?由表?可知?当网格数量由?个增加到?个时?集热器进出口温差?集热效率非常接近?综合考虑模型的计算精度与计算量?网格数量取?个?表?网格无关性验证结果网格数?个集热器进出口温差?集热器集热效率?模型验证文献?以土耳其阿克希萨尔地区?年?月?日的室外气象参数作为实
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