利用湍流器提高太阳能空气加热器的传热速率和热效率——综述

Nagargoje马赫什¹， bor s.k.²维克拉姆·巴拉特B R^3.

P.G.学生，机械工程系，d.y.p atil博士SOEA, Ambi，马哈拉施特拉邦，印度
机械工程系助理教授，Dr.D.Y.Patil IET, Ambi，马哈拉施特拉邦，印度
机械工程系助理教授，Dr.D.Y.Patil SOEA, Ambi，马哈拉施特拉邦，印度

摘要

热能在发电领域发挥着最重要的作用，它涉及到家庭和工业的热传递。文献表明，传热面与空气之间的换热系数较低，导致系统热效率较低。因此，提高传热表面与空气之间的传热系数是十分重要的。提高传热系数最有前途的技术是对传热场进行人工粗糙度处理。在吸收板上施加人工粗糙度是提高太阳能空气加热器热性能的最受欢迎的方法，其代价是低到中等的摩擦损失。关于不同粗糙度几何形状的实验研究表明，传热的增强伴随着泵送功率的显著上升。鉴于这一事实，设计师需要仔细检查粗糙度元素的形状和方向，以便选择最适合预期应用的粗糙度几何形状。本文的工作将涵盖传热与热效率领域中提高传热系数的各种技术。

关键字

人工粗糙度，太阳能空气加热器，粗糙度几何，热性能。

介绍

能源在经济社会发展中发挥着重要作用。随着人口、交通和工业化的发展，对能源的需求迅速增长。由于化石燃料的持续使用，不仅在全球范围内感受到能源短缺，而且还导致了另一个严重的环境退化问题。由于常规能源的迅速枯竭，必须寻找替代能源，以满足近期和未来几代人的能源需求。

利用太阳能最简单和最有效的方法是利用太阳能集热器将其转化为热能用于加热应用。太阳能空气加热器，由于其固有的简单性是廉价和最广泛使用的收集设备。太阳能空气加热器在低温和中等温度下被广泛应用。其中包括作物干燥、木材调味、空间加热、烹饪等。

满足国内能源需求的可再生能源有潜力提供零或几乎零排放的空气污染物和温室气体的能源服务。可再生能源系统的发展将有可能解决目前最关键的任务，如提高能源供应的可靠性和有机燃料的经济性。以分散的方式收集可再生能源是以可靠、负担得起和环境可持续的方式满足农村和小规模能源需求的选择之一。

太阳能集热器是一种特殊的热交换器，它将太阳辐射能转化为传输介质的内能。任何太阳系的主要组成部分都是太阳能收集器。这是一种装置，它吸收入射的太阳辐射，将其转化为热量，并将这种热量传递给流经收集器的流体(通常是空气、水或油)。这样收集的太阳能从循环流体中直接输送到热水或空间调节设备中，或输送到热能储存罐中，以便在夜间和/或阴天使用。

基本上有两种类型的太阳能收集器:非聚光或静止和聚光。非聚光收集器具有相同的用于拦截和吸收太阳辐射的部分，而太阳跟踪聚光收集器通常具有凹反射表面，以拦截太阳光束辐射并将其聚焦到较小的接收区域，从而增加辐射通量。市场上有大量的太阳能收集器。一个完整的列表如下表所示。

入射太阳辐射转化为有用热能的效率在很大程度上取决于吸收体表面将热量传递给工作流体的有效性。由于风管内流动空气的对流换热系数较低，太阳能空气加热器的效率较低。吸收板的吸收辐射能量没有被空气完全利用，导致能量损失。

提高传热速率的最有前途和最经济的方法之一是在吸收板上提供人工粗糙度，这在流动的空气中产生湍流。RajkumarAhirwar和A.R. Jaurker[1]研究了三面光滑且吸收和传递热量的顶面被人工粗糙度磨成V形的太阳能空气加热器风管的传热特性，发现在传热表面施加人工粗糙度破坏了粘性子层，从而降低了热阻并促进了靠近人工粗糙表面区域的湍流。实验参数包括雷诺数(Re)为2000 ~ 14000，相对粗糙度节距(p/e)为6 ~ 12，相对粗糙度高度(e/Dh)为0.036，气流攻角(α)为60°。在相似的几何参数和流动参数下，对四种不同的粗糙风管和光滑风管进行了实验。实验结果表明，光滑和粗糙吸收板的换热量随着雷诺数的增加而增加，这是由于湍流的增大。与光滑风管相比，肋条形式的人工粗糙度的存在提供了更高的传热速率。Santosh B. Bopche和Madhukar S. Tandale[2]研究了紊流器粗糙化太阳能空气加热器风管的传热和摩擦特性，发现相对粗糙度间距(p/e) 10在当前研究参数的范围内传热增强最大。紊流器粗化风管的传热系数和摩擦系数分别提高了2.82倍和3.72倍。结果表明，在合理的摩擦价格下，可以达到最大的强化传热效果。

ApurbaLayek J.S. Saini S.C. Solanki[3]研究了在宽壁上具有重复整体横向倒角棱槽粗糙度的矩形管道中充分发展的湍流流动的热和流体流动特性。实验的雷诺数范围为3000 - 21000;相对粗糙度间距4.5-10，倒角5-30，相对槽位0.3-0.6，相对粗糙度高度0.022-0.04。讨论了粗糙度参数对努塞尔数和摩擦因数的影响，并与相似流动条件下方形肋槽和光滑风管的计算结果进行了比较。最佳表现的条件已经确定。努塞尔数和摩擦因数的相关性已经发展为粗糙度参数和流动雷诺数的函数。

R.P. Saini和JitendraVerma[4]开发了在吸收器表面底部具有韧窝形状人工粗糙度的管道的传热和摩擦因子相关性。相对粗糙度高度(e/Dh)为0.0379，相对螺距(p/e)为10时，Nusselt数最大。相对粗糙度高度(e/Dh)为0.0289，相对节距(p/e)为10时摩擦系数最小。Sahu和Bhagoria[5]研究了90°断丝肋对太阳能空气加热器风管换热系数的影响，研究了断丝肋对太阳能空气加热器风管换热系数的影响。在较高雷诺数的相同操作条件下，粗化风管的传热系数为光滑风管的1.25 ~ 1.4倍，间距为20 mm时，元件高度为1.5 mm时热效率最高，为83.5%。

S. W. Ahn[6]比较了矩形风管与五种不同形状的粗加工风管充分发展的传热特性和摩擦因数特性。研究了肋形几何形状和雷诺数的影响。肋高/风管水力直径固定为e/De =0.0476、P/e=8、W/H=2.33。为了了解传热增强的机理，还对光滑通道和粗糙通道的摩擦系数进行了测量。数据表明，在我们研究的范围内，三角形型肋的传热性能明显高于任何其他类型。

S.V. Karmare, A.N. Tikekar[7]实验研究了长宽比为10:1的矩形风管中气流的换热。顶壁面用圆形截面的金属肋交错制作粗糙，形成明确的网格。粗糙的墙壁被均匀加热，其他墙壁被绝缘。这种几何形状的管道密切对应，在太阳能空气加热器中使用。研究了砂砾几何形状(即网格的相对粗糙度高度(e/Dh)、砂砾的相对粗糙度间距(p/e)、砂砾的相对长度(l/s))对传热系数和摩擦因数的影响。当雷诺数为4000 ~ 17000时，系统参数和运行参数的变化范围为e/Dh: 0.035 ~ 0.044, p/e: 12.5 ~ 36, l/s: 1.72-1。结果表明，粗糙度参数l/s = 1.72, e/Dh = 0.044, p/e = 17.5的平板性能最佳。建立了与上述参数有关的努塞尔数与摩擦系数的相关性，使实验数据合理地相关联。

a . R. Jaurker, J. S. Saini, B. K. Gandhi[8]，通过实验研究了大宽宽比风管加热壁面上肋槽人工粗糙度的传热和摩擦特性，结果表明，在保持较低的摩擦因子增强的情况下，肋槽人工粗糙度可以进一步提高努塞尔数。实验研究的雷诺数范围为3000 ~ 21000;相对粗糙度高度0.0181-0.0363;相对粗糙度节距4.5-10.0，槽位与节距比0.3-0.7。讨论了重要参数对换热系数和摩擦系数的影响，并与相似流动条件下的带肋风管和光滑风管的结果进行了比较。研究结果清楚地表明，与肋高和肋间距相似的矩形横肋相比，肋槽布置的换热效率更高。已经建立了努塞尔数和摩擦因子的相关性，可以在合理的范围内预测数值。

目标

实验研究如图4.1所示作为人工粗糙度的细圆丝的线形几何对太阳能风管传热系数和摩擦系数的影响。实验研究不同圆弧直径(w/ w)作为人工粗糙度对太阳能风管传热系数和摩擦系数的影响，如图1 - 2所示。实验研究了相对粗糙度间距(p/e)为10 ~ 40，相对粗糙度高度(e/Dh)为0.0243，雷诺数(Re)为3000 ~ 8000时对上述粗糙度形状的影响。建立传热系数和摩擦系数与粗糙度和操作参数之间的关系。将上述结果与光滑风管的结果进行比较

本研究的实验工作是通过在吸收板上制造人工粗糙度来提高一侧为吸收板的风道内流动空气的换热系数。设计和制作了室内测试设备，以生成不同气流速率下矩形风管粗糙度参数范围内的传热数据。实验研究考虑的参数范围如表所示。

实验装置

实验设置如图5.1所示。该装置由光滑入口段、粗糙入口段、试验段、出口段、混合室、流量计和鼓风机组成。风管尺寸为2600mm × 150mm × 30mm，由木板制成。试验段长度为1200mm。光滑的入口段和出口段长度分别为800mm和600mm。电加热器用于向吸收板提供最高可达1500w /m2的均匀热流。加热器的电源是通过交流变量控制的。Utube压力计是用孔板流量计来测量空气的流量。风管与三面绝缘，以确保从加热器板提供的所有热流都转移到风管，也最大限度地减少对周围环境的损失。风管的另一端通过矩形到圆形的过渡段与圆形管道连接。 Calibrated chromel–alumel thermocouples are used to measure air and plate temperatures at various locations. Micrometer is used to measure the pressure drop in the test section.

结论

1.研究发现，采用不同粗糙度几何形状的人工粗糙表面是提高加热表面对流动流体传热速率的最有效技术，同时以适度增加流体摩擦为代价

2.在整个雷诺数范围内，随着雷诺数的增加，吸振板的努塞尔数增大，摩擦因数减小，与光滑吸收板相比，努塞尔数和摩擦因数明显增大。这是由于粗糙度导致流体流动特性发生明显变化，从而导致流动分离、再附着和二次流的产生。

3.对于所有三种粗糙度几何形状(横向、单弧、双弧)，发现努塞尔特数随着雷诺数的增加而增加，其最大值对应于相对粗糙度间距(p/e)为10，而最小值对应于相对粗糙度间距(p/e)为40。在所有相对粗糙度螺距(p/e)值下，摩擦因数随雷诺数的增加而减小，当相对粗糙度螺距(p/e)为10时摩擦因数最大，当相对粗糙度螺距(p/e)为40时摩擦因数最小。

参考文献

v型人工粗糙太阳能空气加热器传热特性研究。国际机械，汽车和生产工程杂志，第2卷，2012年12月10日/ 348。
Santosh B. Bopche, MadhukarS.Tandale。紊流器粗糙化太阳能空气加热器风管传热与摩擦特性的实验研究。国际热与传质杂志52(2009)2834-2848。
ApurbaLayek, j.s赛,南卡罗来纳州Solanki。复合扰流器人工粗糙风管的传热与摩擦特性。国际热与传质杂志50(2007)4845-4854。
R.P. Saini, JitendraVerma。用于太阳能空气加热器的具有韧窝形状人工粗糙度的管道的传热和摩擦因数。能源33(2008)1277-1287。
撒户和巴哥利亚。太阳能空气加热器吸收板采用90°断裂横筋提高传热系数。可再生能源30(2005)2057-2073。
安哲秀。粗糙度对粗糙矩形风管摩擦因数和传热的影响。Pergamon, S0735- 1933(01)00297-4
S.V.卡玛雷，A.N.Tikekar。含金属砂肋的人工粗糙风管的传热与摩擦因子相关性。国际热与传质杂志50(2007)4342-4351。
R.焦克，J. S.塞尼，B. K.甘地。肋槽人工粗糙度矩形太阳能空气加热器风管的传热与摩擦特性。太阳能80(2006)895-907。