張強(qiáng)

摘 要：本文對燃輔太陽能熱水系統(tǒng)中燃?xì)鈱菜薜募訜峒八薜谋剡^程進(jìn)行了仿真分析。利用CFD軟件，采用最常用的RNG k-ε湍流模型模擬燃?xì)鉄崴鲗λ藜訜岬臏囟确植技凹訜嵬瓿珊笏迌?nèi)部換熱的情況，提出了該類系統(tǒng)的水罐設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，所模擬結(jié)果與試驗(yàn)情況吻合度較高，利用該模型在改進(jìn)水罐水嘴位置及布置方式，提高太陽能利用率方面可得到較為直觀的效果。Fluent可以為同類設(shè)備的新品研發(fā)或優(yōu)化改造提供高效、快捷、功能強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和理論分析.

關(guān)鍵詞：燃輔太陽能；水罐；fluent設(shè)計(jì)

太陽能作為一種無限的清潔能源，具有廣闊的應(yīng)用空間，近些年在家用熱水系統(tǒng)市場上的應(yīng)用也日益增多。但由于太陽能輻射不連續(xù)，儲熱必不可少，另外，太陽能的利用受氣候、鋪設(shè)面積、初期投資等的影響，利用率難以保證，因此多和其他輔助能源共同使用；本文針對采用燃?xì)廨o助太陽能的熱水系統(tǒng)中的水罐進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，了解燃?xì)饧訜釙r(shí)水罐的受熱情況，為我們合理的設(shè)計(jì)儲熱水罐和高效的利用太陽能奠定基礎(chǔ)。

針對市場主流的燃?xì)夂吞柲芄菜逕崴到y(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行分析，其原理圖如下：

上圖中太陽能和燃?xì)鉄崴魇褂猛粋€(gè)水罐進(jìn)行儲熱，以此來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、節(jié)能化的同時(shí)又能夠保證系統(tǒng)快速恒溫。

但此類系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何做到節(jié)能與舒適的平衡，因?yàn)槿細(xì)鉄崴骷訜嶝?fù)荷較大，其瞬時(shí)加熱能力相對于太陽能集熱器來說非常大，因此要保證系統(tǒng)的太陽能利用率，提高系統(tǒng)的節(jié)能率，就要避免燃?xì)饧訜釋μ柲芗療岬挠绊?，以減少對太陽能集熱器系統(tǒng)的影響。

一、模型

通過理論分析及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，此類系統(tǒng)的儲熱水罐設(shè)計(jì)非常重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)產(chǎn)品能否滿足設(shè)計(jì)要求，因此本文利用先進(jìn)的Fluent流體分析軟件輔助我們的設(shè)計(jì)，如圖2所示水罐由304或316不銹鋼焊接而成，周圍敷有聚氨酯泡沫層作為保溫層，最外層為普通噴涂碳鋼板，水罐內(nèi)膽尺寸為直徑410mm，高度為1562mm。

模型建立前，先作如下假設(shè)[1]：

初始時(shí)刻水罐內(nèi)水溫均勻一致；

水罐周圍聚氨酯物性均勻一致；

假設(shè)水的密度僅有溫度有關(guān)；

燃?xì)鉄崴鲗λ薜募訜峥醋鳛楹銦崃鬏斎耄?/p>

水罐內(nèi)壓力變化較小，可以將水視為不可壓縮流體，在加熱過程中，水罐內(nèi)水呈湍流流動。

忽略水罐壁面的漏熱。

根據(jù)上述假設(shè)條件，建立物理模型如右圖2。

基于以上假設(shè)，整個(gè)過程可用以下連續(xù)性方程、雷諾平均N-S方程、湍動能k

以及湍動能耗散率ε的輸運(yùn)方程來描述。[2]

式中：為平均速度矢量，為在x方向的分量，為在y方向的分量；S包含除壓力梯度和粘性力以外的其他所有力的影響，包括重力，重力方向?yàn)閥方向；為密度；為壓力；T為溫度；t為時(shí)間；為有效導(dǎo)熱系數(shù)。

湍流模型為RNG k-ε模型

式中，是由平均速度梯度得到的湍流動能生成項(xiàng)，是由浮力得到的湍流動能生成項(xiàng)，和為k和的Prandt1數(shù)的倒數(shù)，為可壓縮湍流中脈動量增長對湍流動能的貢獻(xiàn)，和為源項(xiàng)。

RNG k-e模型中使用系統(tǒng)默認(rèn)值，即：Cmu=0.85，C1-Epsion=1.42，C2-Epsion=1.68，Wall Prandt1 Number=0.85.

對燃?xì)鉄崴鲗λ薜募訜峒八薜谋剡M(jìn)行數(shù)據(jù)求解時(shí)，綜合燃?xì)鉄崴魉矔r(shí)加熱負(fù)荷大及水罐小時(shí)熱損失較小，可以將儲熱水罐近似看成是絕熱體來簡化參數(shù)設(shè)置。

二、計(jì)算結(jié)果及分析

采用ICEM對水罐劃分如圖3所示的網(wǎng)格，利用湍流模式中RNG k-ε模型對水罐加熱過程進(jìn)行模擬。

（一）普通太陽能燃?xì)鈴?fù)合水罐

計(jì)算熱水器對水罐的加熱時(shí)間步長為設(shè)定探頭處達(dá)到設(shè)定停止溫度（55℃）的時(shí)間；計(jì)算水罐對流散熱時(shí)間步長為設(shè)定探頭處達(dá)到設(shè)定啟動溫度的時(shí)間（48℃）；計(jì)算結(jié)果如圖4：

圖4（a）為燃?xì)鉄崴骷訜嵬瓿珊蟮挠?jì)算結(jié)果，從圖中可以看出燃?xì)饧訜釋λ尴虏繙囟扔绊戄^大，當(dāng)水罐上部溫度達(dá)到設(shè)定溫度55℃時(shí)，下部水罐溫度基本維持在30℃左右，但整個(gè)水罐的熱影響區(qū)較大。

同時(shí)在實(shí)際整個(gè)換熱過程中還需要考慮到水罐靜止放置時(shí)的水罐內(nèi)部對流換熱，因此將圖4（a）的瞬態(tài)加熱狀態(tài)作為初始條件，運(yùn)用Fluent分析其一定時(shí)間內(nèi)的對流換熱影響區(qū)，通過計(jì)算其結(jié)果如圖4（b），從圖中可以經(jīng)過10min后，其水罐內(nèi)部水溫基本均勻，維持在（42）℃，此時(shí)整個(gè)水罐的上下溫度差較小，太陽能加熱系統(tǒng)受熱水器加熱影響較大反復(fù)幾次加熱后，整個(gè)水罐中的水均會達(dá)到燃?xì)饧訜崮繕?biāo)溫度，導(dǎo)致太陽能集熱量非常少，產(chǎn)品不能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

分析產(chǎn)生這一問題的主要原因是進(jìn)入水罐的熱水在流速和重力的同時(shí)作用下分為向上和向下兩股熱流，而向下的熱流直接會加速水罐上下的對流換熱，導(dǎo)致水罐溫差減少，是有害的熱流，這一點(diǎn)可以在其加熱過程中可看出如圖4（C）。

（二）模型修正后的計(jì)算分析

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)，上圖水罐還有很大的改進(jìn)空間，因此以下提出將燃?xì)饧訜岬倪M(jìn)出水口位置進(jìn)行更改，將水罐的出熱水口設(shè)置高于進(jìn)水口以減小有害熱流的產(chǎn)生。計(jì)算結(jié)果如圖5（a）。

從圖可看出燃?xì)饧訜釋λ尴虏繙囟扔绊懖淮?，?dāng)水罐上部溫度達(dá)到設(shè)定溫度55℃時(shí)，下部水罐溫度依然保持在20℃左右。

結(jié)果表明，合理的設(shè)計(jì)燃?xì)鉄崴骷訜峥诘奈恢檬菧p小對太陽能即集熱區(qū)影響的有效途徑之一。

修改后的水罐靜止對流換熱，其計(jì)算結(jié)果如圖5（b）。

由圖可知經(jīng)過相同時(shí)間后，其水罐內(nèi)部水溫分層較原來理想，水罐下部依然保持在20—30℃的較低溫度，有利于提高太陽能的保證率。

三、結(jié)論

1、提高水罐太陽能利用的途徑并不唯一，本文只給出了常用水罐下通過合理的設(shè)計(jì)水罐各水嘴位置來提高太陽能利用率的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，特殊水罐未考慮（如水罐中增加間隔板、字母水罐等）。

2、此類共水罐設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮水罐的長徑比和熱流量大小，一般長徑比越大，熱流量越大，分層越明顯，長徑比越小，熱流量越小，分層越不明顯。

3、水罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意減少進(jìn)入水罐熱水的向下熱流，緩解上下部的對流換熱，提高水罐溫度分層，方便更好的利用太陽能資源。

4、此類水罐設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該考慮到水溫探頭的合理布置，以便更好的提高水罐溫度分層。