矩形金字塔形粗糙太阳能吸收器热工水力性能的实验研究

本文推荐：该研究通过实验探究矩形金字塔形粗糙结构对太阳能空气加热器(SAH)热工水力性能(ηthp)的影响，揭示了关键几何参数(如相对高度e/Dh=0.033-0.054、间距比p/e=8-20)对努塞尔数(Nu)和摩擦因子(f)的调控机制。结果表明，该结构使Nu提升4.58-6.62倍，最大热工水力性能参数(THPP)达4.3，为可再生能源技术优化提供新思路。

　　

Highlight

矩形金字塔粗糙几何(RPR)的创新设计源于现有粗糙结构缺乏多面体特征。在太阳能空气加热器(SAH)中，主次流动力学对系统优化至关重要——未加热的主流与粗糙面加热的次流混合可提升出口温度。RPR的多斜面结构通过增加二次流接触面，显著提升热分布均匀性，其顶部窄基底宽的特点较正弦突起(SPR)和截锥结构能减少摩擦阻力，同时更大的基底接触面积促进涡流生成。相比单面结构的SPR/菱形/截锥粗糙元，RPR的V型多面体结构可产生更强烈的纵向涡流，使传热效率超越传统结构。

Design of experimental setup and geometry specification

实验在印度博帕尔MANIT机械工程系(北纬23.25°，东经77.43°)开展，测试系统采用南北朝向以最大化太阳辐射捕获。所有热电偶和孔板均经过校准，管道连接处严格密封。测试时段为2023年2-6月每日10:00-15:00，关键参数包括：雷诺数(Re)3350-13350、相对粗糙高度(e/D_h)0.033-0.054、长宽比(b_L/b_W)1.25-2.0。

Results and Discussions

数据表明Re对Nu具有决定性影响，湍流状态下层流子层的破坏显著提升传热。当p/e=16、e/D_h=0.054时获得最佳THPP=4.1，Nu关联式平均偏差±12%，f关联式偏差±10%。与光滑SAH相比，Nu和f分别最高提升6.62倍和5.59倍。

Comparative analysis

如表8所示，RPR性能全面超越凹面凸包(Sevik)、正弦突起(SPR)、菱形(Chaudhri)和截锥(Singh)结构。在Re=13350时，Nu较参照几何平均提高18.7%，验证了多面体结构的传热优势。

Economics Analysis

成本分析涵盖沉没资金系数(SFF)、年残值(ASV)等参数。初始成本(IC)包括镀锌钢板、玻璃盖等材料费用，计算表明RPR结构每公斤加热空气成本较传统SAH降低22%。

Conclusion and future scope

矩形金字塔粗糙SAH通过诱导湍流实现传热强化，但伴随摩擦因子上升。未来研究可结合计算流体力学(CFD)优化几何参数，并探索相变材料(PCM)的协同应用。