“太陽(yáng)能加熱”有限元分析在太陽(yáng)能熱性能試驗(yàn)中的應(yīng)用

孔維忠， 單青， 牛紹全， 趙清紅

（山東力諾瑞特新能源有限公司，濟(jì)南250103）

0 引言

我國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的民族產(chǎn)業(yè)。太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)是節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)，符合國(guó)家的節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略。太陽(yáng)能熱水器行業(yè)的快速發(fā)展，不僅得益于國(guó)家政策的扶持，也得益于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施。2000年以后，我國(guó)建立了較完善的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已有20多項(xiàng)，從產(chǎn)品的技術(shù)、性能、能效以及系統(tǒng)使用等多方面進(jìn)行規(guī)范。

太陽(yáng)能熱水器熱性能試驗(yàn)受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集熱器放置方式和氣象條件等多因素的影響,其中氣象條件是重要的影響因素，諸多試驗(yàn)往往因?yàn)闅庀髼l件不符合要求而無(wú)法進(jìn)行，從而影響產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。

本文通過(guò)“太陽(yáng)能加熱”有限元分析模塊與全玻璃真空太陽(yáng)集熱管悶曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證“太陽(yáng)能加熱”有限元分析的正確性、吻合性，且分析不受氣象條件限制，方便、快捷、準(zhǔn)確。

1 熱傳遞分析中的基本方程

根據(jù)熱分析的類(lèi)型和和邊界約束的不同，可以將熱分析分為以下兩種類(lèi)型：

1）穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析：物體在某一段時(shí)間內(nèi)，流入的熱量和流出的熱量相等或物體的溫度不再隨時(shí)間的變化而變化。穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析考慮物體達(dá)到熱平衡狀態(tài)下的溫度分布情況，忽略了時(shí)間因素的影響。

2）瞬態(tài)熱傳遞分析：物體的溫度與邊界條件隨時(shí)間的變化而變化。熱傳遞的3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。

a.熱傳導(dǎo)：物體相互接觸時(shí)，熱量通過(guò)分子或電子振動(dòng)的方式從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。熱傳導(dǎo)的傅里葉計(jì)算公式如下：

式中：q為n方向上單位面積的熱流量；Knn為材料在n方向上的導(dǎo)熱率；T為溫度為在n方向上的溫度梯度。

b.熱對(duì)流：熱量通過(guò)流體的流動(dòng)由高溫部位流向低溫部位的現(xiàn)象。對(duì)流主要分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種情況。對(duì)流的計(jì)算可以使用牛頓法則進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為固體表面與流體表面間單位面積的換熱流量；Hf為對(duì)流換熱系數(shù)；Ts為固體表面溫度；TB為流體的溫度。

c.熱輻射：物體間不通過(guò)介質(zhì)，以電磁波的形式傳遞熱能量。熱輻射的熱量計(jì)算可以使用斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）方程進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為從i表面到j(luò)表面輻射的熱量；σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)，5.67×10-8；Fij為從表面 i到表面 j的形狀因子；Ti為表面 i的絕對(duì)溫度；Tj為表面 j的絕對(duì)溫度［1］。

本工況中的全玻璃真空太陽(yáng)集熱管吸收陽(yáng)光，在熱虹吸原理下迅速升溫，所涉熱傳遞的方式為熱對(duì)流、熱輻射；為與全玻璃真空太陽(yáng)集熱管悶曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，使用瞬態(tài)熱傳遞分析，計(jì)算全玻璃真空太陽(yáng)集熱管內(nèi)的水從9：40～13：00 時(shí)間段內(nèi)的溫度變化情況。

2 總體思路

根據(jù)58-1800高效全玻璃真空太陽(yáng)集熱管尺寸建立三維模型，定義太陽(yáng)輻照度、緯度、太陽(yáng)屬性（定義全玻璃真空太陽(yáng)集熱管的吸收比、發(fā)射比），設(shè)置分析計(jì)算時(shí)間與試驗(yàn)同步，即 9：40～13：00。

3 實(shí)施步驟

3.1 建模及建立高級(jí)仿真

定義求解器：NX THERMAL/FLOW,分析類(lèi)型：Coupled Thermal-Flow；解算方案類(lèi)型：Advanced Thermal-Flow?？紤]到水在加熱情況下的熱虹吸原理，需勾選“buoyancy”選項(xiàng)。

3.2 劃分網(wǎng)格

對(duì)流體進(jìn)行實(shí)體化，流體材質(zhì)為水，并劃分3D四面體網(wǎng)格。劃分全玻璃真空太陽(yáng)集熱管的吸收涂層為2D網(wǎng)格，定義內(nèi)玻璃管的厚度為1.6 mm，材質(zhì)為玻璃。

3.3 建立邊界條件

定義本系統(tǒng)邊界條件：管內(nèi)水的初始溫度為20.5℃，太陽(yáng)輻照度為806 W/m2，地理位置為北緯36.8°，分析計(jì)算時(shí)間為 9∶40～13∶00。結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況，本仿真忽略系統(tǒng)的熱輻射。

3.4 解算

解算。解算收斂性：收斂。

4 后處理

進(jìn)入后處理，查看全玻璃真空太陽(yáng)集熱管內(nèi)部水溫分布情況，見(jiàn)圖1。

圖1 全玻璃真空太陽(yáng)集熱管內(nèi)部水溫分布情況

選取試驗(yàn)溫度探頭所在位置點(diǎn)，繪制該點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線圖，見(jiàn)圖2。

圖2 溫度探頭所在位置點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由全玻璃真空太陽(yáng)集熱管檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量，檢查系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 全玻璃真空太陽(yáng)集熱管檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

導(dǎo)出數(shù)據(jù)并繪制全玻璃真空太陽(yáng)集熱管水溫變化曲線圖，見(jiàn)圖4。

圖4 全玻璃真空太陽(yáng)集熱管水溫變化曲線圖

5 結(jié)論

從“太陽(yáng)能仿真”數(shù)據(jù)和試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)及其各自的溫度變化曲線圖來(lái)看，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，驗(yàn)證了“太陽(yáng)能仿真”的正確性。同時(shí)，“太陽(yáng)能仿真”不受客觀條件的限制，極大地縮短了太陽(yáng)能熱性能試驗(yàn)所需的時(shí)間。同時(shí)該仿真將熱分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析結(jié)合起來(lái)，能處理熱-流-固多方面的耦合仿真計(jì)算，為產(chǎn)品研發(fā)提供了一種新的思路和方法。

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