寧夏太陽能空氣烘干器設(shè)計

摘 要：利用太陽能技術(shù)的枸杞烘干機(jī)基本知識，太陽能的利用，空氣集熱器的結(jié)構(gòu)；NASYS；平板型的空氣集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元的分析軟件ANSYS分析的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：太陽能 集熱器 有限元分析

中圖分類號：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0041-02

1 太陽能知識

平板型是應(yīng)用最廣的，吸收太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相等，能利用直射和漫射輻射。聚焦型集熱器利用光學(xué)系統(tǒng)（反射器或折射器）改變光束的方向，以提高能流密度。其利用主要是太陽灶。

2 ANSYS傳熱分析的基本理論

基本原理是將所處理的對象劃分為有限個單元（包括若干個節(jié)點），然后根據(jù)能量守衡原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個節(jié)點處的熱平衡方程，由此求出各節(jié)點的溫度，進(jìn)而求解出其他相關(guān)量。熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守衡定律：

對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出），

則Q-W=ΔU+ΔPE+ΔKE

式中：Q=熱量 W=做功

ΔU=系統(tǒng)內(nèi)能；ΔPE=系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE=系統(tǒng)勢能。

2.1 導(dǎo)熱

導(dǎo)熱可定義為兩個物體之間或一個物體的不同部分之間，由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換，導(dǎo)熱遵循傅立葉定律：

2.2 對流換熱

對流換熱是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于存在溫差而引起的熱量的交換。

2.3 輻射換熱

輻射換熱指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。導(dǎo)熱和對流換熱都需要有傳熱介質(zhì)，而輻射換熱無須任何介質(zhì)。

2.4 穩(wěn)態(tài)傳熱

如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量，系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。

3 平板型空氣集熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 集熱器的結(jié)構(gòu)

（1）透明蓋板：一層或多層透明玻璃組成。太陽輻射透過，阻止吸收表面的紅外輻射和減少對流損失，保證吸熱板頂部有較好的絕熱性能。（2）吸熱板：由金屬或非金屬制成各種不同的截面形狀。表面涂以提高太陽吸收率的涂層，以便盡可能多的吸收入射的太陽輻射。（3）與吸熱板相連接的通過循環(huán)流體的管路：流體循環(huán)將吸熱板吸收的熱量帶走。（4）吸熱板背面和側(cè)面的隔熱層：以減少集熱器向四周散熱，提高熱效率。（5）外殼：用來支持及固定透明蓋板—吸熱板，集熱器的骨架應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，良好的水密封性和耐腐蝕性能。

3.2 集熱器方向配置

在北半球集熱器的配置應(yīng)是朝南安放的，并與水平線有一夾角。朝南安裝即可滿足要求。

3.3 集熱器的傾角的確定

固定式集熱器的傾角，以正午時太陽光垂直地照射在集熱器的采光面上為原則。寧夏緯度近似取38 °，全季度太陽平均赤緯取11 °。太陽天頂角的位置取做27 °，則集熱器與水平的傾角是27 °，在夏季使用最有利。

3.4 集熱器材料的選擇

集熱器的材料對熱效率，壽命和成本都有密切的關(guān)系。從全局出發(fā)，加以分析，然后確定。

（1）透光材料的選擇：在設(shè)計集熱器時，必須既考慮這些透射系數(shù)又考慮玻璃蓋的隔熱功能，對所在地和季節(jié)，有一最佳玻璃數(shù)目。任務(wù)是烘干枸杞，5 mm厚的平板玻璃較好。

（2）吸熱板材料的選擇：實際哪一種材料也不能滿足所有的要求，只能從綜合考慮。

（3）吸收涂層：涂層的太陽能吸收率越大，集熱器的集熱效率s越高。選用的涂料型吸收涂層中的瀝青漆涂層。

（4）保溫材料：集熱器常用的材料有玻璃纖維，礦渣棉，泡沫塑料，膨脹珍珠巖，稻草和鋸末。選鋸末作為保溫才層。

（5）集熱器外殼材料：鋼板是集熱器外殼常用的材料。機(jī)械強(qiáng)度高，加工也方便，但耐腐蝕性不好。

（6）架子：是用來支持集熱器使之與水平有一夾角。采用內(nèi)徑為32 mm，外徑為40 mm的無縫鋼管。

4 空氣集熱器的結(jié)構(gòu)

見圖1。

5 空氣集熱器的集熱性能分析

5.1 熱載體空氣的相關(guān)參數(shù)及集熱器的相關(guān)數(shù)據(jù)

寧夏年太陽輻射約6000～8000MJ/m3；天輻射量18.05～24 MJ/m3；空氣的密度約為1.29 kg/m3；空氣的動力黏度約為1.71e-5 Pa.s；空氣進(jìn)入集熱器的速度為0.05，0.1，0.15，0.2不做等流溫度場的模擬；假設(shè)集熱器的出口壓力為零；集熱器外的空氣對流換熱系數(shù)約等于20～26 W/m2.C；太陽輻射300 W/m2；空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.0244 W/m2K；空氣的比熱按恒定值1.005 J/Kg.K；集熱板溫度設(shè)為373K即100 ℃，表面的黑度為1；進(jìn)口溫度為27 ℃。

5.2 用有限元的分析軟件ANSYS來分析集熱性能

（1）建模：建立實體模型，再劃分網(wǎng)格。幾何圖形可由軟件提供的功能繪出，也可以經(jīng)過CAD將CAD文件轉(zhuǎn)化為IGES文件參數(shù)實例文件導(dǎo)出一個3D的六面體的單元模型。

（2）網(wǎng)格的劃分：劃分網(wǎng)格是有限元法求解問題重要的一步，它將物理模型轉(zhuǎn)化為有限元計算模型。

（3）邊界條件：負(fù)載及約束：有限元分析的目的是確定物體對載荷的響應(yīng)。正確分析和簡化載荷，并正確的施加載荷，是有限元分析的關(guān)鍵一步。邊界條件的施加與工程實際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性。約束是定義一個結(jié)構(gòu)固定的部分。分析一個結(jié)構(gòu)前必需定義邊界條件。負(fù)載包括集中力，分布力，加速度及預(yù)應(yīng)變。這里的是加在最上面一層空氣的集熱板上吸收的100℃的輻射能的熱量。

（4）分析計算：是對分析結(jié)果的后處理。顯示查詢節(jié)點和單元的溫度。后處理就是觀察和分析有限元的計算結(jié)果，ANSYS的后處理模塊包括通用后處理器POST1和時間歷程后處理POST26。

分析溫度分布的平均值，由圖1得到一系列的溫度值?？梢钥吹綔囟扔?種顏色來表示由上到下是減少的。這是最末尾的溫度：

深綠色（41℃—53℃）淺綠色（53℃—64℃）黃色（64℃—76℃）橙色的從（76℃—80℃）紅色（100℃—80℃）。其中紅色占26.47%，橙色占20.59%，黃色占17.65%，淺綠色占17.65%，深綠色占17.65%，總得來說還是紅色所占的比例大，因此總得結(jié)果是滿足需要的。看出離邊界條件越近其溫度也越高，到最底層的溫度是最低的。其平均值分析它的結(jié)果：其平均值來檢驗?zāi)M效果=70.636℃。烘干枸杞的溫度只要在40℃以上即可滿足。由上可知道設(shè)計滿足要求。

6 結(jié)語

通過對工程實際問題的計算分析，可以看出：利用ANSYS有限元分析程序可以對各種傳熱過程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和計算分析，尤其是比較復(fù)雜的工程實際問題，可以大大地減少工作量和計算中的誤差，并節(jié)約了開支。對設(shè)計思路的改進(jìn)也有很大的幫助。ANSYA取代了傳統(tǒng)的“設(shè)計—驗證—設(shè)計”的循環(huán)。整個設(shè)計過程只是在最后的階段進(jìn)行必要的驗證。

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