“太陽能加熱”有限元分析在太陽能熱性能試驗中的應(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

我國是太陽能資源豐富的國家之一，太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)是具有自主知識產(chǎn)權(quán)、基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的民族產(chǎn)業(yè)。太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)是節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)，符合國家的節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略。太陽能熱水器行業(yè)的快速發(fā)展，不僅得益于國家政策的扶持，也得益于國家標(biāo)準(zhǔn)制定和實施。2000年以后，我國建立了較完善的太陽能熱水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系，太陽能熱水系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)已有20多項，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。

太陽能熱水器熱性能試驗受系統(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，諸多試驗往往因為氣象條件不符合要求而無法進(jìn)行，從而影響產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。

本文通過“太陽能加熱”有限元分析模塊與全玻璃真空太陽集熱管悶曬試驗數(shù)據(jù)對比，驗證“太陽能加熱”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)熱分析的類型和和邊界約束的不同，可以將熱分析分為以下兩種類型：

1）穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析：物體在某一段時間內(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間的變化而變化。熱傳遞的3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。

a.熱傳導(dǎo)：物體相互接觸時，熱量通過分子或電子振動的方式從高溫區(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.熱對流：熱量通過流體的流動由高溫部位流向低溫部位的現(xiàn)象。對流主要分為自然對流和強(qiáng)迫對流兩種情況。對流的計算可以使用牛頓法則進(jìn)行計算：

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

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的絕對溫度；Tj為表面 j的絕對溫度［1］。

本工況中的全玻璃真空太陽集熱管吸收陽光，在熱虹吸原理下迅速升溫，所涉熱傳遞的方式為熱對流、熱輻射；為與全玻璃真空太陽集熱管悶曬試驗數(shù)據(jù)對比，使用瞬態(tài)熱傳遞分析，計算全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)的水從9：40～13：00 時間段內(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集熱管尺寸建立三維模型，定義太陽輻照度、緯度、太陽屬性（定義全玻璃真空太陽集熱管的吸收比、發(fā)射比），設(shè)置分析計算時間與試驗同步，即 9：40～13：00。

3 實施步驟

3.1 建模及建立高級仿真

定義求解器：NX THERMAL/FLOW,分析類型：Coupled Thermal-Flow；解算方案類型：Advanced Thermal-Flow。考慮到水在加熱情況下的熱虹吸原理，需勾選“buoyancy”選項。

3.2 劃分網(wǎng)格

對流體進(jìn)行實體化，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℃，太陽輻照度為806 W/m2，地理位置為北緯36.8°，分析計算時間為 9∶40～13∶00。結(jié)合實際試驗情況，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集熱管內(nèi)部水溫分布情況，見圖1。

圖1 全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)部水溫分布情況

選取試驗溫度探頭所在位置點，繪制該點隨時間變化的溫度曲線圖，見圖2。

圖2 溫度探頭所在位置點隨時間變化的溫度曲線圖

試驗數(shù)據(jù)由全玻璃真空太陽集熱管檢測系統(tǒng)測量，檢查系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 全玻璃真空太陽集熱管檢測系統(tǒng)示意圖

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

圖4 全玻璃真空太陽集熱管水溫變化曲線圖

5 結(jié)論

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

［1］ 沈春根,聶文武,裴宏杰.UG NX8.5有限元分析入門與實例精講［M］.北京：機(jī)械工藝出版社，2015.

［2］ 馬光柏，孔維忠，豐中玉，等.基于UGNX熱流耦合在太陽能空氣集熱器系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2014（11）：213-215.

［3］ 朱崇高,謝?？?UG NX CAE基礎(chǔ)與實例應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［4］ 余寧.流體力學(xué)與熱工學(xué)（供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［5］ 袁家譜.太陽能熱水系統(tǒng)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［6］ 吳振一，竇建清.全玻璃真空太陽能集熱管熱水器及熱水系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［7］ 余寧.流體力學(xué)與熱工學(xué)（供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.