全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能 - 图文-

1、收稿日期:2010-02-26基金项目:国家自然科学基金资助项目(50904014作者简介:李宝宽(1963-,男,辽宁辽阳人,东北大学教授第31卷第11期2010年11月东北大学学报(自然科学版Journal of Northeastern U niversity(Natural ScienceVol 31,No.11Nov. 2010全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能李宝宽,宋 杨,Shonhiwa Chipo,王 芳(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳 110004摘 要:采用商业软件Fluent 建立了全玻璃真空集太阳能热水器流场和温度场的计算模型,并引入使用者定义函数(U DF分析了全

2、玻璃真空管太阳能热水器四季的性能 考虑了太阳的日运动和季节性运动对太阳入射角和投射在真空管集热器上的太阳辐射量的影响 通过与实验对比,发现数值模拟结果与实验结果具有较好的拟合性 结果表明:水温夏季升高速率快,冬季速率慢,同时在春季、夏季和秋季,热水输出足以满足生活用热水的需求 该结果可作为继续研究设计冬季里产生较高温度热水的新系统的基础 关 键 词:Fluent;U DF;太阳能热水器;太阳入射角;季节性能中图分类号:T K 515 文献标志码:A 文章编号: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全玻璃真空管太阳能集热器由于集热效率高、价格较低而在太阳能热利用领域得到了广泛应用 全玻璃真空管集热器的热性能数值模拟目前已有研究 中科院工程热物理研究所王志峰1教授对空气集热器管内流动与换热进行了数值模拟 Morrison 等2-3研究了全玻璃真空管太阳能热水器的性能,利用Fluent 分析45 倾角的单端开口热虹吸管内的流动 Budihardjo 等4对安装在散射反射器上单端开口全玻璃真空管内自然循环的流速进行了数值模拟和实验研究 Budihardjo 和M orrison 等5通过实验得出系统组分的特性,并在TRNSYS 中开发了一个数值模型,此

8、模型用于预测全玻璃真空管太阳能热水器的长期性能 Han 等6用三维模型研究了全玻璃真空管太阳能热水器的热性能 以上研究均没有考虑太阳的日运动,假定真空管接受均匀的太阳辐射 Kim 和Seo 7对不同形状吸热面的真空管的热性能进行了实验和数值研究,为获得更接近于实际情况的结果,将散射和邻近管的阴影考虑在内,他们观察到太阳能集热器的性能受吸热管形状、太阳辐射入射角和集热管布置的影响本文对太阳能热水器内的空间和暂态温度分布进行了数值模拟 太阳的日运动和季节性运动使得入射角随之变化,所以选择四季中有代表性的几天预测太阳能热水器的热性能 Wei等人8对春分(3月21日、夏至(6月22日、秋分(9月23日

9、和冬至(12月22日模拟面积补偿 本文也采用上述4天进行模拟,模拟开始时间为8!001 数值模型1.1 假定条件对太阳辐射的假定如下:1真空管可以利用来自所有方向的太阳辐射,但由于其圆柱形状只有部分管可以接收到直射辐射,且取决于太阳方位角和高度角;2投射在每根管上的太阳辐射强度取决于太阳入射角,入射角随太阳的日运动和季节性运动而变化;3每根管在相邻的管上有投影1.2 控制方程1.2.1 质量守恒方程(连续性方程连续性方程在直角坐标系中为u x+ v y+ w z=0 (11.2.2 动量守恒方程运动方程为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 边界条件Budihardjo等人4研究表明,一根集热管也可用于模拟整个系统 本研究采用CFD软件包Fluent6.1建立数值模型,对沈阳(纬度:41 8N,经度:123 4E进行模拟,如图1所示 生成的六面体网格数为66947 模拟的系统为2根真空集热管连入一个贮水箱 水箱尺寸为300mm#350mm #450mm,材质为

11、有机玻璃,厚度10mm 管与竖直方向成45角 真空集热管的参数如表1所示图1 计算区域网格划分Fig.1 Gridding for computing area表1 真空管参数Table1 Evacuated tube par am eters变量名称符号数 值集热管内径/m d p0.045集热管外径/m d c0.058集热管长度/m L p 1.8两管中心距/m C0.1管热损失系数/(W m-2K-1U L0.9透过率与吸收率的乘积(!e0.856集热器效率因子F0.98模拟中将管壁分为上半平面和下半平面,建立UDF对其分别设定不同的边界条件 上半平面接收太阳直射辐射和散射辐射,下半平

12、面接收地面反射辐射 U DF考虑了太阳的日运动、季节性运动和集热器的方向 水箱作为散热体应用对流边界条件 水箱四周和底面热损失系数假定为5W/(m2 K,水箱顶面热损失系数为10W/(m2 K3,封闭底端假定为绝热本研究同时在沈阳东北大学建立实验模型进行测量,将热电阻连到一个多通道数据记录仪获取温度数据,以验证模拟结果1.4 求解过程使用UDF定义管的边界条件来求解方程,由于系统内的温差较大,Boussinesq近似不适用于求解浮升力,所以采用多项式方程计算密度 压力-速度耦合方式选择SIMPLEC算法,设置Discretization下Pressure方程的差分格式为Body Force W

13、eig hted,Energy和Momentum方程的差分格式为Second Order U pw ind 操作环境的设置中选择重力项Gravity 模拟初始水温:夏季300 K,春季和秋季298K,冬季293K 记录贮水箱和管内的平均温度,平均温度通过体积加权得到:T=1V%T d V=1V!ni=1T i|V i| (41587第11期 李宝宽等:全玻璃真空管太阳能热水器的季节性能2 结果与讨论模拟得到了太阳能热水器夏季最高水温和净表面热流量(图2和图3 春季和秋季水温随时间变化的规律相似,前4h 温度上升至近50&,之后水温变化不大 夏季水温随着时间逐渐上升,水温升高速度大于春季和秋季,

14、辐射5h 后水温可接近60&,足以满足家庭用热水的需求,此时太阳位于赤道北部最远处,昼长夜短日照时间较长,到达集热器表面的热量较多 图2 四个季节平均水温Fig.2 Volume weighted average temperature forthe four seasons图3 四个季节净表面热流Fig.3 Area weighted average total surface heat flux水的最低温度出现在冬季,此时太阳位于南半球,夜长昼短,达到集热器表面的热量较少,与其他季节相比,冬季水的升温速度较慢,在接收太阳辐射约3h 后水温升高不到10&,且之后不再继续升高,此时太阳能热水器

15、可用作家庭用水和小规模工业用水的预热器 太阳由北半球向南半球运动时,照射在真空管表面的热量相应减少 表2表4为模拟春季时得到的1h 和7h 后的热流、密度和温度 所有表面的初始热流为零 开始时管上半壁面热流最大,随着计算的进行,系统内部温度升高,与环境温差变大,导致散热损失增大,这使得单位表面积净热流随温度的升高而减少 水的密度也随温度的升高而降低,水箱内水 的密度比管内水的密度大,这种密度梯度驱动了系统内部水的流动表2 模拟春季1h 和7h 后的表面热流Table 2 Simulation results of surface heat energy fors pring season af

16、ter 1h and 7h W m-2位 置1h 的表面热流7h 的表面热流水箱底面-0.38185582-4.6550117水箱四周面-9.8894711-104.00782水箱顶面 -20.88456-196.30188管下半壁面120.43721102.90315管上半壁面529.18823511.70093系统表面154.7202896.107971表3 模拟春季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管内995.87887988.62009系统995.9338988.73674表4 模拟春季1h 和7h 后的平均水温Table 4 Simulation results of average temperaturefor spring season after 1h and 7h K 位置1h 平均水温7h 平均水温水箱302.04564321.52476管内302.27803321.85602系统302.09293321.59217管壁热流与水的流速密切相关,管壁热流越大,水温越高(图4,流速越快(图5 水的黏度随温度升高而降低,温度越

18、高,流动阻力越小,密度梯度越大(图6,流动越强图4 模拟的最终温度F i g.4 Final tem peratu res simulated(a夏季;(b冬季由图4可见,管壁接收热量,最靠近壁面的部分最先受热,温度升高,热量向径向的临近水层传递,出现温度梯度 管的上半壁面接收的太阳辐射比下半壁面多,所以管内上半部分比下半部分的温度梯度大 而沿轴向方向,水的温度变化没有径向方向明显,温差不超过2&1588东北大学学报(自然科学版第31卷 图5 模拟的最终速度分布云图F i g.5 Final veloci ty contours simulated(a夏季;(b冬季由速度分布图5可以看出:在圆

19、周方向上,靠近壁面的速度稍小于里面点的速度,这是由于水的黏性产生了流动边界层,速度达到最大值后又逐步下降 且管上半部热水的流速高于下半部冷水的流速 在轴向方向上,管口处以及中间的对流换热比较强,而底部流速很低,热交换较弱 夏季比冬季换热好,冬季管底部流动接近停滞状态 图6 四个季节平均水的密度Fig.6 Area weighted average densi ty of waterin four seasons图7为数值结果与实验结果的对比图 所测图7 两点测量温度和计算温度的比较Fig.7 Comparison between m easured and calculatedtemperat

20、ure at two points两点为集热管出口、集热管内距离管口750m m 处 数值模拟结果与实验结果具有较好的拟合性3 结 论1建立了数值模型研究全玻璃真空管太阳能热水器的的季节性水温变化 夏季、春季、秋季的太阳辐射较强,升温速度快,水温可升至5060&;冬季辐射弱,升温速度慢,水温不到30&2水箱内的温度越高,散热损失越大,单位表面积净热流随温度的升高而减少 达到一定温度时,系统热量收支平衡,水温不再升高3管的不同长度处换热强度不同,管口处以及中间换热较强,底部流动很慢,热交换很弱 冬季管底部流动接近滞止状态 参考文献:1王志峰 全玻璃真空管空气集热器管内流动与换热的数值模拟J 太阳

21、能学报,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