全玻璃真空管太陽能熱水器的季節(jié)性能 - 圖文-

1、收稿日期:2010-02-26基金項目:國家自然科學基金資助項目(50904014作者簡介:李寶寬(1963-,男,遼寧遼陽人,東北大學教授第31卷第11期2010年11月東北大學學報(自然科學版Journal of Northeastern U niversity(Natural ScienceVol 31,No.11Nov. 2010全玻璃真空管太陽能熱水器的季節(jié)性能李寶寬,宋 楊,Shonhiwa Chipo,王 芳(東北大學材料與冶金學院,遼寧沈陽 110004摘 要:采用商業(yè)軟件Fluent 建立了全玻璃真空集太陽能熱水器流場和溫度場的計算模型,并引入使用者定義函數(shù)(U DF分析了全

2、玻璃真空管太陽能熱水器四季的性能 考慮了太陽的日運動和季節(jié)性運動對太陽入射角和投射在真空管集熱器上的太陽輻射量的影響 通過與實驗對比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結果與實驗結果具有較好的擬合性 結果表明:水溫夏季升高速率快,冬季速率慢,同時在春季、夏季和秋季,熱水輸出足以滿足生活用熱水的需求 該結果可作為繼續(xù)研究設計冬季里產生較高溫度熱水的新系統(tǒng)的基礎 關 鍵 詞:Fluent;U DF;太陽能熱水器;太陽入射角;季節(jié)性能中圖分類號:T K 515 文獻標志碼:A 文章編號:1005 3026(201011 1586 04Seasonal Performance of Water in Glass Evacu

3、ated TubesL I Bao kuan,SON G Yang,SH ONH I WA Chipo ,WAN G Fang(School of M ater ials &M etallurg y,Nort heaster n University,Shenyang 110004,China.Co rrespondent:L I Bao kuan,E mail:lbk6382163.co mAbstract:A computational model of water in glass evacuated solar heater w as developed through the com

4、 mercial softw are Fluent,and the UDF w as introduced to analyze the performance of the heater w ith all the four seasons considered.In the analysis the effects of the apparent daily /seasonal movement of the sun on the angle of incidence and of the quantity of radiation on the evacuated tube collec

5、tor w ere both taken into account.Compared w ith the ex periment results,the numerical simulation results show ed the goodness of fit.A conclusion w as therefore draw n that the w ater temperature increases quickly in summer but slow ly in w inter and that the hot water supplied in this way can meet

6、 fully the household requirements of hot w ater in summer,spring or autumn.A foundation is then laid dow n for further study to desig n a new system for supply ing the w ater at higher temperatures even if in w inter.Key words:Fluent;UDF (user defined function ;solar w ater heater;angle of incidence

7、;seasonal performance全玻璃真空管太陽能集熱器由于集熱效率高、價格較低而在太陽能熱利用領域得到了廣泛應用 全玻璃真空管集熱器的熱性能數(shù)值模擬目前已有研究 中科院工程熱物理研究所王志峰1教授對空氣集熱器管內流動與換熱進行了數(shù)值模擬 Morrison 等2-3研究了全玻璃真空管太陽能熱水器的性能,利用Fluent 分析45 傾角的單端開口熱虹吸管內的流動 Budihardjo 等4對安裝在散射反射器上單端開口全玻璃真空管內自然循環(huán)的流速進行了數(shù)值模擬和實驗研究 Budihardjo 和M orrison 等5通過實驗得出系統(tǒng)組分的特性,并在TRNSYS 中開發(fā)了一個數(shù)值模型,此

8、模型用于預測全玻璃真空管太陽能熱水器的長期性能 Han 等6用三維模型研究了全玻璃真空管太陽能熱水器的熱性能 以上研究均沒有考慮太陽的日運動,假定真空管接受均勻的太陽輻射 Kim 和Seo 7對不同形狀吸熱面的真空管的熱性能進行了實驗和數(shù)值研究,為獲得更接近于實際情況的結果,將散射和鄰近管的陰影考慮在內,他們觀察到太陽能集熱器的性能受吸熱管形狀、太陽輻射入射角和集熱管布置的影響本文對太陽能熱水器內的空間和暫態(tài)溫度分布進行了數(shù)值模擬 太陽的日運動和季節(jié)性運動使得入射角隨之變化,所以選擇四季中有代表性的幾天預測太陽能熱水器的熱性能 Wei等人8對春分(3月21日、夏至(6月22日、秋分(9月23日

9、和冬至(12月22日模擬面積補償 本文也采用上述4天進行模擬,模擬開始時間為8!001 數(shù)值模型1.1 假定條件對太陽輻射的假定如下:1真空管可以利用來自所有方向的太陽輻射,但由于其圓柱形狀只有部分管可以接收到直射輻射,且取決于太陽方位角和高度角;2投射在每根管上的太陽輻射強度取決于太陽入射角,入射角隨太陽的日運動和季節(jié)性運動而變化;3每根管在相鄰的管上有投影1.2 控制方程1.2.1 質量守恒方程(連續(xù)性方程連續(xù)性方程在直角坐標系中為u x+ v y+ w z=0 (11.2.2 動量守恒方程運動方程為u u x+v u y+w u z=- P x+2u x2+ 2uy2+2uz2,u v

10、x+v v+w v z=- P+2v x2+ 2vy2+2vz2,u w x+v w y+w w z=- P z+2w x2+ 2wy2+2wz2+g( - (21.2.3 能量守恒方程u T x+v T y+w T z=k C p 2Tx2+2Ty2+2Tz2 (31.3 邊界條件Budihardjo等人4研究表明,一根集熱管也可用于模擬整個系統(tǒng) 本研究采用CFD軟件包Fluent6.1建立數(shù)值模型,對沈陽(緯度:41 8N,經度:123 4E進行模擬,如圖1所示 生成的六面體網(wǎng)格數(shù)為66947 模擬的系統(tǒng)為2根真空集熱管連入一個貯水箱 水箱尺寸為300mm#350mm #450mm,材質為

11、有機玻璃,厚度10mm 管與豎直方向成45角 真空集熱管的參數(shù)如表1所示圖1 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.1 Gridding for computing area表1 真空管參數(shù)Table1 Evacuated tube par am eters變量名稱符號數(shù) 值集熱管內徑/m d p0.045集熱管外徑/m d c0.058集熱管長度/m L p 1.8兩管中心距/m C0.1管熱損失系數(shù)/(W m-2K-1U L0.9透過率與吸收率的乘積(!e0.856集熱器效率因子F0.98模擬中將管壁分為上半平面和下半平面,建立UDF對其分別設定不同的邊界條件 上半平面接收太陽直射輻射和散射輻射,下半平

12、面接收地面反射輻射 U DF考慮了太陽的日運動、季節(jié)性運動和集熱器的方向 水箱作為散熱體應用對流邊界條件 水箱四周和底面熱損失系數(shù)假定為5W/(m2 K,水箱頂面熱損失系數(shù)為10W/(m2 K3,封閉底端假定為絕熱本研究同時在沈陽東北大學建立實驗模型進行測量,將熱電阻連到一個多通道數(shù)據(jù)記錄儀獲取溫度數(shù)據(jù),以驗證模擬結果1.4 求解過程使用UDF定義管的邊界條件來求解方程,由于系統(tǒng)內的溫差較大,Boussinesq近似不適用于求解浮升力,所以采用多項式方程計算密度 壓力-速度耦合方式選擇SIMPLEC算法,設置Discretization下Pressure方程的差分格式為Body Force W

13、eig hted,Energy和Momentum方程的差分格式為Second Order U pw ind 操作環(huán)境的設置中選擇重力項Gravity 模擬初始水溫:夏季300 K,春季和秋季298K,冬季293K 記錄貯水箱和管內的平均溫度,平均溫度通過體積加權得到:T=1V%T d V=1V!ni=1T i|V i| (41587第11期 李寶寬等:全玻璃真空管太陽能熱水器的季節(jié)性能2 結果與討論模擬得到了太陽能熱水器夏季最高水溫和凈表面熱流量(圖2和圖3 春季和秋季水溫隨時間變化的規(guī)律相似,前4h 溫度上升至近50&,之后水溫變化不大 夏季水溫隨著時間逐漸上升,水溫升高速度大于春季和秋季,

14、輻射5h 后水溫可接近60&,足以滿足家庭用熱水的需求,此時太陽位于赤道北部最遠處,晝長夜短日照時間較長,到達集熱器表面的熱量較多 圖2 四個季節(jié)平均水溫Fig.2 Volume weighted average temperature forthe four seasons圖3 四個季節(jié)凈表面熱流Fig.3 Area weighted average total surface heat flux水的最低溫度出現(xiàn)在冬季,此時太陽位于南半球,夜長晝短,達到集熱器表面的熱量較少,與其他季節(jié)相比,冬季水的升溫速度較慢,在接收太陽輻射約3h 后水溫升高不到10&,且之后不再繼續(xù)升高,此時太陽能熱水器

15、可用作家庭用水和小規(guī)模工業(yè)用水的預熱器 太陽由北半球向南半球運動時,照射在真空管表面的熱量相應減少 表2表4為模擬春季時得到的1h 和7h 后的熱流、密度和溫度 所有表面的初始熱流為零 開始時管上半壁面熱流最大,隨著計算的進行,系統(tǒng)內部溫度升高,與環(huán)境溫差變大,導致散熱損失增大,這使得單位表面積凈熱流隨溫度的升高而減少 水的密度也隨溫度的升高而降低,水箱內水 的密度比管內水的密度大,這種密度梯度驅動了系統(tǒng)內部水的流動表2 模擬春季1h 和7h 后的表面熱流Table 2 Simulation results of surface heat energy fors pring season af

16、ter 1h and 7h W m-2位 置1h 的表面熱流7h 的表面熱流水箱底面-0.38185582-4.6550117水箱四周面-9.8894711-104.00782水箱頂面 -20.88456-196.30188管下半壁面120.43721102.90315管上半壁面529.18823511.70093系統(tǒng)表面154.7202896.107971表3 模擬春季1h 和7h 后的平均密度Tabl e 3 Simulation results of average density forspring season after 1h and 7h kg m -3位置1h 水的平均密度7h

17、 水的平均密度水箱995.94783988.76655管內995.87887988.62009系統(tǒng)995.9338988.73674表4 模擬春季1h 和7h 后的平均水溫Table 4 Simulation results of average temperaturefor spring season after 1h and 7h K 位置1h 平均水溫7h 平均水溫水箱302.04564321.52476管內302.27803321.85602系統(tǒng)302.09293321.59217管壁熱流與水的流速密切相關,管壁熱流越大,水溫越高(圖4,流速越快(圖5 水的黏度隨溫度升高而降低,溫度越

18、高,流動阻力越小,密度梯度越大(圖6,流動越強圖4 模擬的最終溫度F i g.4 Final tem peratu res simulated(a夏季;(b冬季由圖4可見,管壁接收熱量,最靠近壁面的部分最先受熱,溫度升高,熱量向徑向的臨近水層傳遞,出現(xiàn)溫度梯度 管的上半壁面接收的太陽輻射比下半壁面多,所以管內上半部分比下半部分的溫度梯度大 而沿軸向方向,水的溫度變化沒有徑向方向明顯,溫差不超過2&1588東北大學學報(自然科學版第31卷 圖5 模擬的最終速度分布云圖F i g.5 Final veloci ty contours simulated(a夏季;(b冬季由速度分布圖5可以看出:在圓

19、周方向上,靠近壁面的速度稍小于里面點的速度,這是由于水的黏性產生了流動邊界層,速度達到最大值后又逐步下降 且管上半部熱水的流速高于下半部冷水的流速 在軸向方向上,管口處以及中間的對流換熱比較強,而底部流速很低,熱交換較弱 夏季比冬季換熱好,冬季管底部流動接近停滯狀態(tài) 圖6 四個季節(jié)平均水的密度Fig.6 Area weighted average densi ty of waterin four seasons圖7為數(shù)值結果與實驗結果的對比圖 所測圖7 兩點測量溫度和計算溫度的比較Fig.7 Comparison between m easured and calculatedtemperat

20、ure at two points兩點為集熱管出口、集熱管內距離管口750m m 處 數(shù)值模擬結果與實驗結果具有較好的擬合性3 結 論1建立了數(shù)值模型研究全玻璃真空管太陽能熱水器的的季節(jié)性水溫變化 夏季、春季、秋季的太陽輻射較強,升溫速度快,水溫可升至5060&;冬季輻射弱,升溫速度慢,水溫不到30&2水箱內的溫度越高,散熱損失越大,單位表面積凈熱流隨溫度的升高而減少 達到一定溫度時,系統(tǒng)熱量收支平衡,水溫不再升高3管的不同長度處換熱強度不同,管口處以及中間換熱較強,底部流動很慢,熱交換很弱 冬季管底部流動接近滯止狀態(tài) 參考文獻:1王志峰 全玻璃真空管空氣集熱器管內流動與換熱的數(shù)值模擬J 太陽

21、能學報,2001,22(1:35-39(W ang Zhi feng.A numerical simulation on heat transfer and fluid fl ow i n a glass tube of all glass evacuated tubul ar solar air heaterJ.Journal of S olar Energy S c ience ,2001,22(1:35-39.2M orris on G L,Budihardj o I,Behnia M.Water in glass evacuated tube solar w ater heaterJ.Solar Energy ,2004,76:135-140.3M orrison G L,Budihardjo I,Behnia M.M easurement and simulation of flow rate in a w ater in glass evacuated tube solar w ater heaterJ.Solar Energy ,2005,78:257-267.4Budihardjo I,M orris on G L,Behnia M.Natural circulation flow through w ater in glass evacuated t