管式太阳能空气加热器中不同空气间隙厚度的实验与数值研究及传热经验关联式的建立

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Experimental and numerical investigation of varying air gap thickness in a tubular solar air heater and development of empirical correlations for heat transfer

　　

• 实验与CFD分析评估了空气间隙厚度对传热的影响。
• 空气间隙厚度强烈影响顶部热损失系数。
• 随着间隙增大，观察到从导热到自然对流的转变。
• 针对在不同运行条件下变化的空气间隙比，开发了一个经验努塞尔数关联式。

引言
发展中国家的快速工业化与经济增长传统上依赖于化石燃料类能源，如煤炭和石油。然而，由于这些资源的反复枯竭以及日益加剧的环境关切，向可持续与可再生能源技术的范式转变正在加速推进。太阳能因其广泛的可得性和较低的环境影响，已成为可再生能源中具有前景的替代方案之一。太阳能可通过太阳能热集热器有效地转化为热能，广泛应用于低至中温度应用，包括空间加热和干燥[1]。太阳能空气加热器（SAHs）是构造最简单、最具经济性的太阳能热装置之一，其结构简单、成本低廉、使用环保材料且具化能较低。然而，空气的低导热率以及从吸热板通过玻璃盖板向环境散发的大量对流与辐射热损失，常常限制了其热效率[2]。为解决这些限制，已开展深入研究通过设计改进来提升SAHs的传热，包括设置粗糙化吸热板、多程流排布以及改变吸热板几何形状。SAHs中的传热强化受吸热板配置以及吸热板表面与工作流体之间有效接触面积强烈影响[3]。在此方面，管式太阳能空气加热器（TSAHs）作为一种颇具前景的设计脱颖而出，其具有紧凑的结构、增大的传热面积以及能增强太阳辐照捕捉的曲面吸热表面。这些特性促进了吸热板—流体间相互作用的改善，相比传统平板式SAH提升了整体热性能[4]。

尽管在吸热板几何形状方面已有改进，顶部热损失仍是决定SAHs整体效率的主要关注点，而这些损失中的很大一部分发生在吸热板与玻璃之间的空气间隙内。然而，尽管针对有玻璃罩SAHs的研究工作广泛，对玻璃盖板之间封闭空气层内自由对流过程的详细考察仍然有限。Akhtar和Mullick[5]提出了一种近似的解析方法，用于评估单玻璃罩太阳能集热器的玻璃盖板温度和顶部热损失系数，其中纳入了空气间隙内的自然对流以及吸热板与玻璃罩之间的辐射换热。其研究考察了8至90 mm范围内的空气间隙厚度，与实验数据吻合良好，并强调了顶部热损失对空气间隙内传热机制的强烈依赖性。多项研究聚焦于空气间隙厚度在控制平板集热器中自然对流与热损失方面的作用。Ferahta等人[6]数值考察了空气间隙厚度对吸热板与玻璃罩之间形成的腔体内浮力驱动流动的影响，报告指出增大空气间隙会促进三维对流流结构的形成，导致更高的热损失，而较小的空气间隙则抑制对流。Vestlund等人[7]证明，用惰性气体替代间隙中的空气可将整体热损失减少约20%，这归因于对流被抑制以及较低的热导率。Nahar和Garg[8]报告称，极小的空气间隙会抑制浮力驱动的对流，导致过度遮挡，而较大的间隙则会增强自然对流并增加顶部热损失，建议平板集热器的最佳空气间隙为40–50 mm。Deymi和Gandjalikhan-Nassab[9]数值研究了不同空气间隙厚度（1–5 cm）和辐射热通量（600–1000 W/m2）对双层玻璃罩SAH性能的影响。研究表明，3 cm的空气间隙在1000 W/m2热通量下表现最佳，此时会在封闭气层内引发Bénard多胞环结构的形成并强化浮力驱动的热传递，从而增加热损失。结果表明，对空气间隙进行优化对减少顶部热损失和提升集热器性能至关重要。Song等人[10]研究了在热辐射、磁场、旋转及电场等多种因素影响下的Rayleigh-Bénard对流，以分析流动与传热特性。研究显示，上述因素均具有稳定效应，例如延缓不稳定性的发生，并且在特定强度范围内会引起显著的通量增强。在Hatami和Bahadorinejad[11]针对竖直平板SAHs开展的实验研究中，结果表明玻璃罩类型和空气通道配置对自然对流换热和整体热效率有显著影响，并针对封闭空气区域内预测自然对流换热系数提出了经验关系式。Andreozzi和Manca[12]实验分析了竖直通道内带辅助板的自然对流与辐射换热。其发现，当辅助板位于出口处、且在较高的通道瑞利数与热通量条件下时，最大壁温最低。研究针对不同瑞利数及辅助板高度与通道高度之比（h/l），建立了平均及全域平均努塞尔数和最大壁温的关联式。此外，Subiantoro和Tiow[13]的研究强调了瑞利数在控制吸热板—玻璃罩空气间隙内传热中的关键作用。根据研究，当瑞利数降低时，顶部热损失起初上升，而当浮力驱动的对流在较低瑞利数下被完全抑制后，热损失随即下降。Khaffajy和Mossad[14]最近的CFD数值研究考察了空气间隙间距对双层玻璃罩太阳能热水器的影响，并找到了减少热损失的最佳间隙组合。Boukadoum等人[15]研究了通道高度对SAHs内流动特性和传热的影响。结果证实，在较大通道高度下浮力占主导地位，并显著增强对流传热。为描述立面型太阳能集热器腔体内的自由对流传热，Piratheepan和Anderson[16]提出了一个关联式来表征腔体中的自由对流传热。其方法基于实验验证的流动分析，证明瑞利数和腔体的几何纵横比对传热有显著影响。Foruzan Nia等人[17]数值研究了倾斜平面上浮力对自然对流传热的影响，针对倾斜角度为30°–90°的倾斜矩形平板太阳能空气加热器（FP-SAHs）在瞬态二维湍流条件下进行了分析。结果表明，随着入射角从30°增加到90°，传热率下降。随着太阳辐射强度和空气通道宽度的增加，传热率和气流率分别提高至35%和100%。进一步地，Roy等人[18]利用三对角矩阵算法（TDMA）研究了倾斜翅片板通道中变物性流体的自然对流传热，参数范围包括无量纲翅片间距（0.3–0.5）、无量纲间隙（0.10–0.50）、翅片高度（0.03–0.04）以及倾斜角（30°–60°）。结果表明，当倾斜角从30°增至60°时，总努塞尔数增加40–60%。当无量纲长度减少50%时，由于入口区域附近传热率较高，总努塞尔数增加高达120%。Rezaei等人[19]利用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）研究了分隔腔体内的自由对流传热。预测的努塞尔数与实验结果吻合良好，表明ANFIS因其高精度而是一种可靠的建模与预测方法，可精确模拟实验。最优ANFIS方法显示训练数据和测试数据的平均相对误差分别为0.055%和1.735%，表明ANFIS能够高精度地预测实验结果。

尽管针对平板式及矩形风道SAHs的研究广泛，但对具有封闭空气间隙配置的管式太阳能空气加热器（TSAHs）的研究却很少。特别是当考虑空气间隙厚度、与瑞利数相关的自然对流以及顶部热损失系数的综合影响时尤为如此。此外，针对TSAHs并考虑空气间隙比与自然对流效应的专用经验传热关联式也很少见。Hosseinkhani和Nassab[20]利用COMSOL Multiphysics数值研究了一种新型双程TSAH，其中设有两块集成的纵向吸热板，入口和出口气流沿整个管长布置，呈十字配置。由此产生的流动分离增加了有效传热面积，在不过度增加压降的前提下提升了热效率。结果表明，当空气质量流量从0.04 kg/s降至0.01 kg/s时，出口空气温度从62 °C升至80 °C，这是由于停留时间延长所致，但整体热效率从86%降至68%。

尽管已对平板式及矩形风道太阳能空气加热器开展了大量研究，但关于管式太阳能空气加热器中封闭空气间隙对流传热的研究仍然有限。特别是，针对TSAHs中空气间隙厚度、与瑞利数相关的自然对流以及顶部热损失系数综合影响的研究十分匮乏。此外，考虑封闭空气对流效应、针对管式吸热板几何形状开发的传热关联式也仍然有限。因此，有必要对管式太阳能空气加热器封闭空气间隙内的浮力驱动对流和顶部热损失特性进行详细研究，以改善热性能并最大程度降低顶部热损失。

问题陈述
在管式太阳能空气加热器（TSAH）中，传热发生在两个不同区域。第一个是管式吸热板与玻璃罩之间的空气间隙，其中传热主要以自然对流方式发生，这显著影响顶部热损失系数及系统整体性能。第二个区域涉及空气流经管内，其中传热由强制对流主导。空气间隙内的热行为取决于诸如……等因素（原文在此处截断）

系统细节
本研究使用的管式太阳能空气加热器（TSAH）由15根吸热管组成，每根管内径为38 mm，长度为1160 mm，采用平行流配置。管束上方覆盖有一块4 mm厚的玻璃板，并可调节其高度置于吸热板之上，从而在管束与玻璃罩之间形成可变空气间隙，如图1所示。本研究采用的详细实验程序与Dewangan等人[21]所报告的方法类似。

计算分析
采用计算流体动力学（CFD）方法对TSAH进行数值分析，以了解不同空气间隙厚度下的传热行为。三维CFD提供了一种高效手段，用于求解复杂的流体流动和传热问题，能够在最小化实验工作量与成本的同时实现快速的参数优化。TSAH的布置示于图2，并使用Ansys Fluent 2022 R2进行开发和分析，重点考察吸热表面与玻璃之间自然……（原文在此处截断）

结果与讨论
在按纬度倾斜的TSAH上，针对不同空气间隙厚度和质量流量、贯穿全天开展了实验以获取实时数据。

关联式的开发
关联式在建立传热与流体流动参数之间的关系中起着至关重要的作用，这对准确评估SAH的性能是必需的。这些关联式由实验数据推导得出，并以无量纲参数表示，为热能和流体力学分析提供了预测工具。本研究制定了管式太阳能空气加热器（TSAH）的关联式，以考虑空气间隙……的变化（原文在此处截断）

结论
开展了实验与数值分析，以评估管式太阳能空气加热器（TSAH）在不同空气间隙厚度（吸热表面与玻璃罩之间）条件下的传热。本研究考察了空气间隙厚度的影响，并利用在空气质量流量0.004–0.02 kg/s、空气间隙厚度2–40 mm（对应瑞利数从9至6.35×10?）条件下获得的实验数据开发经验关联式。结果表明，空气间隙厚度……（原文在此处截断）

CRediT作者贡献声明
Disha Dewangan：撰写——初稿，验证，方法学，调查，形式分析，概念化。
Jasinta Poonam Ekka：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法学，概念化。
Avinash Kumar：软件。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能与本文所报告工作产生冲突的财务利益或个人关系。

Disha Dewangan | Jasinta Poonam Ekka | Avinash Kumar