1传热分析与模型建立

1、1传热分析与模型建立1.1路面太阳能集热系统路面太阳能集热系统如图 1-(a)所示。夏季集热蓄能的过程为太阳能热源加热路面, 通过路面内部导热把收集的热量传递给路面埋管内的流体，此时流体被加热为热流体， 热流体经泵送至地下换热器组；然后，通过换热器与土壤之间换热，把热量传递给土壤 进行储存。换热器与土壤进行换热后的流体温度下降，变成冷流体后通过回水泵送至地 面再次参与路面集热换热。(a)集热路面平面图(b )集热路面纵面图图1路面太阳能集热系统Fig.1 schematic progress of HSC1.2热模型的基本假设条件太阳能路面集热过程是一个复杂的传热过程，根据路面集热系统的结构特

2、点和传热特性，可以把路面的集热简化成准三维模型，为了简化分析需做以下的基本假设：(1)由于管轴线方向管壁温度变化很小，故可认为管壁面温度沿轴线方向不变；(2)认为各层材料物性均匀恒定，并且忽略层与层之间的接触热阻；(3)由于管间的温度分布具有对称性，在取传热计算单元时，可设其温度分布对称处为绝热；(4)管子弯曲处的温度变化经实验证明与直段的相差不大，因此计算时近似认为弯曲的部分为直段。1.3模型的建立考虑到在路面除了最边缘的管外，其他各管的分布基本相同，所以可将其看为周期模型，根据对称性建立计算单元如图2- (a)所示。设计算模块xyz方向的长度分别为 m、-：、I。根据前面的假设条件可以把计

3、算单元简化成图2-(b)所示。(b)二维单元格图示(a)三维单元格图示图2计算单元示意图Fig.2 schematic of calculation region控制方程应用传热机理对图2-(b)所示的计算区域进行分析，传热单元满足下述导热微分方(1)程:&Pc2 2。內丿其中：T 表示温度，C；t 表示时间，s。初始条件t =0其中：T0 表示路面初始温度，C。边界条件(1) 由于结构的对称性 ab、cd、ef可视为绝热边界，同时由于保温材料的绝热性bc可视为绝热边界，即:T一 一 =0,t a 0, y ab(3)-X x=0.:T：0, t0, y cd,ef(4)X xhCTc

4、 丄 c-=0,t >0,x= bc® yT(2) af可视为第二类边界条件q、. = f (t),t 0进入沥青路面的总热量q .可按下式计算8q airL二 0 .82其中，Tair为环境温度,K，可根据实测数据或历史气象数据资料。q =qsr qairL - qroadL _ qc _h其中:为路面的吸收比；qsr为太阳总辐射强度，可根据实测数据或历史气象数据资料;qairL为大气长波辐射；qroadL为路面长波辐射;qc山为路面与环境气体的对流换热量。对于大气长波辐射:对于路面长波辐射:q roadL二 hr 仇"sky)15其中，Tw为路面表面温度，K；Ts

5、ky为天空温度，K,Tsky = 0.0552 Tw. ; 为辐射传热系数,W /(m2 K);即，hr =4 ;；T +T k 31 w 1 sky -其中，；为路面发射率，可近似认为:-：-；O关于路面与环境气体的对流换热量qc，可按下式计算:qc -h - hair Tw _Tair ，对于路面对流传热系数hair计算经验式为,-hair =698.24 0.00144'TTairl 2丿0.3 0 7 +严；v . + 0.00097(Tw Tair )其中：V为当日风速，可参考气象数据9(3) ed可视为第三类边界条件为了书写方便，上角标t . ：t已删去，上角标t以0代替。

6、(10)(11)其中：'1为路面导热系数， W/(m K)；表面传热系数hwater按照管内层流充分发展换热的经验公式计算10:3.66 =入2其中：匕为管内水导热系数， W/(m K)；2.计算机模拟由于边界条件的复杂性，用解析方法很难求解，故采用数值方法当中的有限容积法 进行求解。2.1控制方程的离散在时间间隔t,t 厶t内，对控制容积 P作积分。于是有:nfe1r rsw t:c丄 dxdydt “I 叱 T(p)-T(P) x ：y.t扩散项的积分:；：2tc 2 dxdydt :xt'-Lt e n：2Tc 2 dydxdt+ ffftws卡e第耳心?心t(12)整理

7、上述结果，可得:(13)a p T p - a e T e ' a w Tw ' a n T n a s T s ' a(p)T(p)其中：ax e e，aW = g w，aNXn ，n '平厂Ks，0:?c P：x ：ya（p）（t2.2边界条件的处理, , , , 0a P - a E ' aw ' a N a S ' a P，由于计算区域的边界条件为第二、三类边界条件，边界节点的温度是未知量，这里采用附加源项法使内部节点的温度代数方程组得以封闭。在附加源项法中，把由第二类或第三类边界条件所规定的进入或导出计算区域的热量作为与边界相邻的控制容积的当量源项。为了在代数方程（13）中不出现未知的边界温度，就需要利用已知的边界条件把 Tw消去。为此，对式（13）作如下变换:a P - a W T P - a E T E ' a W T W _ T P a N T根据傅立叶定律,aw Tw Tp =' ；w 卩二qy其中，qB为进入该控制体积的热流密度，以进入为正。令a（P厂a（P）-ajw）,于是关于P点的方程的转化为:a P Ta E T E aNTN a S T S apTp如果把q作为与边界相邻的控制容积的附加常数源项，记为AxAySc,ad，同时令aw；.=O，则所得之离散方