枕形板平板空气集热器理论与实验研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Theoretical and experimental study of a pillow – Plate flat plate collector using air as heat transfer fluid

　　

本研究提出了一种基于枕形板（pillow-plate, PP）几何结构的新型空气基平板集热器（flat plate collector, FPC）的理论与实验分析，旨在提升以空气作为传热流体（heat transfer fluid, HTF）时的换热性能。研究人员制作了原型机，在户外条件下针对50至350 L/min的风量及三种内部流动构型（H、U和Z）进行了测试，并基于Hottel-Whillier方法建立了稳态模型且予以验证。温度分布模式的结果表明，风量主导热性能：效率随风量升高而增加，H构型下效率超过55%；而温升随风量升高而下降，在低风量（接近50 L/min）下温升可达35 °C，对应归一化温升（ΔT/Ac）高于200 °C/m2。U构型热行为更均匀，H构型效率最高。此外，在中高风量下稳态模型复现实验结果的偏差普遍在±10 %以内。该PP集热器相较传统系统具备竞争力，凸显其在低温工业及采暖通风与空调（heating, ventilation and air conditioning, HVAC）应用中的潜力。

研究背景方面，全球能源需求增长与化石燃料环境负担促使可再生能源成为焦点。工业与建筑部门大量低温热需求（<100 °C）可由太阳能热技术满足，其中平板集热器（flat plate collector, FPC）因结构简单、可靠性高被广泛采用。常规FPC多用水/水-乙二醇作工质；空气基FPC虽具无冻结腐蚀、成本低等优势，但空气导热系数与热容低，导致吸热板与HTF间对流换热系数小、温升与效率低，故常需翅片、波纹、湍流器或多流程等复杂强化手段，伴随压降与能耗上升。传统管板构型依赖吸热板横向导热至离散流道，内部几何制约性能。枕形板（pillow-plate, PP）由两张金属板点焊后液压胀形，形成波浪状互联通道，已在工业换热器展现增强掺混与局部湍流的优势，但将其用作太阳能集热器尚未见系统研究。因此，研究人员提出以PP同时充当吸热体与空气流道，评估其在空气基FPC中的热工表现。

关键技术方法上，研究人员在马德里卡洛斯三世大学Leganés校区搭建朝南、倾角40°的PP集热器实验台，有效面积0.1639 m²，AISI 316不锈钢PP板，上覆3 mm玻璃盖（间隙40 mm），边缘与背部分别用15 mm与25 mm矿棉保温；设四个阀口实现H（上入下出）、U（B入D出）、Z（A入D出）三种流动构型，风量50–350 L/min。基于Hottel-Whillier法建立稳态集热模型，以红外热像分析无盖板温度分布，以稳态实验校验模型，并测压降与效率。

研究结果部分，引言指出空气FPC局限与PP几何强化换热的动机。材料与方法阐明实验装置、PP几何参数（焊点直径d_ws、纵向半节距s_L、横向节距s_T、板厚δ_p、最大胀高h_i及水力直径D_h）与三构型边界条件。无盖板红外热像显示PP通道内再循环区与波状流形致温度分布不均但换热面利用率高；加盖稳态测试中，H构型效率最高（>55 %），U构型温度场最均匀，Z构型居中；温升随风量反比变化，低风量达35 °C。热工水力测量表明PP波浪通道增湍流但压降仍可控。模型验证显示中高风量下与实验偏差±10 %内。效率曲线符合FPC典型η–ΔT/I关系，证明PP构型可竞争常规管板FPC。

讨论与结论部分，研究人员指出空气低HTF属性下PP几何通过破坏热边界层、延长停留时间弥补了对流系数不足；H构型因顺流路径短、出口温度高而效率优，U构型因流径对称而热均匀性佳。PP集热器在低温工业预热、建筑HVAC新风预热场景具应用潜力。研究证实首个将PP作为太阳能集热器的方案可行，稳态模型可靠，为后续参数优化与多板阵列研究奠基。论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。