通过创新的散热片提升太阳能空气加热器的性能

《Renewable Energy》：Enhancing the performance of solar air heater with innovative fins

研究对比了标准管式（STSAH）、径向管式（RTSAH）和构造性管式（CTSAH1-3）太阳能空气加热器（SAH）的性能，通过CFD验证数值模型准确性，发现添加鳍片使出口温度提升22%、努塞尔数提高14.5%、熵效率提升12%，其中CTSAH3在峰值时段热效率达13.5%。分析不同雷诺数（6428-18428）下流场与传热特性，揭示了鳍片结构对温度、速度分布及压降的影响。

　　太阳能空气加热器（Solar Air Heater, SAH）作为可再生能源技术的重要组成部分，在建筑供暖、农作物干燥和工业热能供应等领域具有广泛的应用。SAH的核心原理是通过吸收太阳能，将热量传递给流经其表面的空气，从而实现对空气的加热。由于其无需水循环系统，且内部压力较低，因此在设计和应用上具有较高的灵活性和经济性。然而，传统SAH在热力学性能方面存在一定的局限性，主要体现在对空气流动的控制不足，导致热传导效率较低。为此，研究人员不断探索新的结构设计和优化方法，以提高SAH的热效率和整体性能。

本研究的重点在于分析半圆柱形太阳能空气加热器（SAH）在旋流条件下的热性能，并探讨不同翅片配置对系统效率的影响。研究中对比了标准管式（STSAH）、径向管式（RTSAH）以及三种构造型管式（CTSAH1、CTSAH2、CTSAH3）的加热器，特别关注构造型翅片在不同分叉角度（30°、45°、60°）下的表现。通过引入旋流结构，研究人员旨在增强空气流动的湍流程度，从而打破靠近吸收表面的层流边界层，提升传热效率。此外，翅片的加入不仅增加了有效传热面积，还通过扰动空气流动路径，提高了系统的整体热效率。在实验与数值模拟的双重验证下，研究确认了所采用的数值方法在分析热力学和流体动力学参数方面的可靠性。

研究结果表明，翅片的引入显著提升了SAH的出口空气温度、努塞尔数（Nu）和朗格系数（exergy efficiency）等关键性能指标。其中，出口空气温度提升了22%，努塞尔数提高了14.5%，而朗格系数则提升了12%。这些数据充分说明了翅片对热传导的积极影响。同时，在高峰时段，CTSAH3配置的SAH热效率提高了13.5%，进一步证明了构造型翅片在提升系统性能方面的潜力。尽管翅片的加入会导致一定程度的压降，但整体的热-流体效率却显著提高，这表明翅片的优化设计能够在提升热性能的同时，有效控制压降，实现系统的高效运行。

在研究中，研究人员还探讨了不同雷诺数（Re）值对SAH性能的影响。雷诺数是衡量流体流动状态的重要参数，其变化直接影响空气流动的湍流程度和热传递效率。实验数据显示，随着雷诺数的增加，努塞尔数显著提升，说明湍流流动有助于增强传热能力。此外，通过对比不同翅片配置的温度和速度分布，研究人员发现，翅片结构能够有效改善SAH内部的空气流动模式，从而提升整体的热传导效率。例如，在不同的截面位置，翅片的加入使得空气流动更加均匀，减少了局部滞流现象，提高了热能的利用效率。

SAH的性能评估还涵盖了多个关键指标，包括努塞尔数、效率、朗格系数和摩擦因子等。努塞尔数用于衡量对流传热的强度，而效率则反映了系统在热能转换过程中的有效性。朗格系数则考虑了热能利用过程中的可用能量损失，是评估系统能效的重要参数。摩擦因子则用于衡量空气流动过程中所受到的阻力，对于优化系统设计和减少能量损耗具有重要意义。研究中，通过数值模拟和实验验证，研究人员对这些指标进行了全面分析，并得出了相应的结论。例如，在CTSAH3配置下，努塞尔数比标准SAH提高了约108%，说明该配置在增强热传导方面表现出色。

此外，研究还涉及了多种翅片结构的设计和应用。例如，弯曲型SAH的结构被发现比平板型SAH具有更高的热效率，且出口空气温度提升了32%。这一发现表明，改变SAH的几何形状可以有效提升其热性能。在翅片设计方面，研究还探讨了百叶窗翅片、V形翅片、螺旋翅片、双三角翅片、倾斜交错翅片、波浪翅片等结构对系统性能的影响。其中，波浪翅片通过调整波长和振幅，能够显著提升SAH的热传导能力，显示出其在实际应用中的巨大潜力。V形翅片和螺旋翅片的引入则进一步改善了空气流动的均匀性和热能的利用效率，尤其是在高雷诺数条件下，其热传导能力显著增强。

在翅片设计中，构造型翅片被认为是一种具有前景的创新方案。构造型翅片的设计理念来源于自然界中流体流动的优化模式，通过模仿自然界的结构特性，提高空气流动的效率和热能的传递能力。研究中，构造型翅片在不同分叉角度下的表现被详细分析，发现30°、45°和60°的分叉角度对系统性能具有显著影响。其中，45°的分叉角度被证明是最优配置，能够实现较高的热效率和较低的压降。这一发现为构造型翅片在实际应用中的优化提供了理论依据，同时也为未来翅片设计的研究方向提供了参考。

研究还关注了SAH在不同应用场景下的表现。例如，在室内空气调节方面，SAH被用于维持恒定的室内温度，通过调节空气流动和热能转换，实现了更舒适的居住环境。此外，在农业和工业应用中，SAH被用于干燥作物和提供过程热能，其高效的热能转换能力使得这些应用变得更加可行和经济。在某些研究中，SAH的热效率甚至达到了70%以上，这表明其在特定条件下的性能优势显著。

通过对比不同翅片配置的热-流体效率，研究人员发现，翅片的优化设计能够有效提升SAH的整体性能。例如，研究表明，使用倾斜交错翅片的SAH在热效率方面比传统平板型SAH提高了20.7%。这一数据表明，翅片结构的设计对热传导效率具有重要的影响。同时，研究还指出，翅片的厚度和形状对系统性能具有显著作用，较厚的翅片和特定的几何形状能够进一步增强热传导能力，同时减少压降的影响。

在实验和数值模拟的基础上，研究人员还对SAH的结构进行了深入分析。例如，研究中提到的环形翅片SAH在不同翅片直径和厚度的条件下，其热效率和能量效率分别达到了81.4%和77.4%。这表明，翅片的尺寸和形状对系统的热性能具有直接的影响。此外，使用带有铝海绵多孔介质的SAH，在干燥应用中表现出较高的能量和朗格效率，达到了61.11%和9.41%。这说明，翅片与多孔介质的结合能够进一步提升SAH在特定应用中的性能表现。

研究还发现，翅片的加入虽然会带来一定的压降，但这种压降对系统整体性能的影响相对较小。在某些情况下，翅片的优化设计甚至能够实现更低的压降，同时保持较高的热传导效率。例如，通过调整翅片的分叉角度和形状，研究人员成功地降低了压降，同时提升了热效率。这一发现为未来SAH的设计提供了重要的参考，即在追求高热效率的同时，也要关注系统的流动阻力，以实现更高效的能源利用。

此外，研究还探讨了SAH在不同雷诺数范围内的表现。雷诺数的范围从6,428到18,428，涵盖了从层流到湍流的流动状态。在这一范围内，SAH的热效率和努塞尔数均表现出显著的变化。例如，当雷诺数增加时，努塞尔数也随之提高，这表明空气流动的湍流程度对热传导能力具有积极影响。然而，雷诺数的增加也会导致摩擦因子的上升，从而增加流动阻力。因此，在优化SAH设计时，需要在热效率和流动阻力之间找到一个平衡点，以实现系统的最佳性能。

研究中还提到，通过引入旋流结构，SAH的热性能得到了显著提升。旋流结构能够增强空气流动的湍流程度，从而打破层流边界层，提高热能的传递效率。在某些实验中，旋流结构的SAH表现出比传统结构更高的热效率，例如，CTSAH3配置的SAH在高峰时段的热效率提高了13.5%。这表明，旋流结构的引入是提升SAH性能的有效手段之一。

在翅片设计方面，研究还指出，不同翅片配置对系统的热效率和流动特性具有不同的影响。例如，径向翅片被发现比纵向翅片更能提升SAH的热性能，而构造型翅片则在不同分叉角度下表现出优异的性能。这些发现为未来SAH的翅片设计提供了重要的指导，即在设计翅片时，应充分考虑其几何形状和分叉角度，以实现最佳的热传导效果。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟的方法，深入探讨了不同翅片配置对半圆柱形太阳能空气加热器性能的影响。研究结果表明，翅片的加入能够显著提升SAH的热效率和整体性能，而旋流结构的引入则进一步增强了空气流动的湍流程度，提高了热能的传递效率。通过对比不同翅片配置的性能表现，研究人员发现，构造型翅片在不同分叉角度下均表现出较高的热效率，而某些特定的翅片结构（如倾斜交错翅片、波浪翅片等）则在特定应用条件下具有显著优势。这些研究结果不仅为SAH的优化设计提供了理论支持，也为未来在可再生能源领域的应用拓展了新的思路。