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FLUENT家用太阳能热水器模拟

1年前浏览3607

1 前言


   

   

   

    农村里基本家家户户都有太阳能热水器,笔者老家也有一台安装在楼顶。在晴朗的天气这可是省电的神器,夏天的时候热水温度可以达到99℃,可以用来杀鸡杀鸭脱毛了。最常用的热水器形式为真空玻璃管热水器,这种热水器由真空集热管和贮热水箱组成,真空集热管由内外两根同轴硼硅玻璃管组成,外形犹如一根拉伸过后的热水壶内胆,一端开口连接于上部的热水箱,另一端密封成半圆球头。在内玻璃管上附有选择性吸收涂层,其辐射吸收特性会随着入射辐射波长的改变而改变;为了防止对流和热传导带来的热损失,内玻璃管和外玻璃管之间被抽成真空。为防止不必要的热损,在贮热水箱外包有保温层。本案例以参考文献的热水器结构进行了适当修改,对热水器进行瞬态仿真。

2 模型描述与求解设置


   

   

   

    真空集热管管管长 L 为 1800mm,外玻璃管内径 r0为 58mm,内玻璃管内径r1为47mm,内外玻璃管厚度均为d1为1.7mm,水箱直径R为 360mm,贮热水箱外包有保温层,其厚度为 d2为 50mm,真空集热管与地面所成的夹角 φ 为 45°。采用ICEM建立二维模型,划分六面体网格,模型网格如下图。

   集热管和保温层的材料属性如下。

   水的密度设置为温度的函数,如下,热水器的换热机理实际上是封闭空间的自然对流换热,而且研究表明热水器内水的温差通常不超过10K,因此密度也可以用Boussineseq模型以提高收敛性。

   水的粘度设置为温度的函数,如下

   以上两个函数的UDF代码如下:




























DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t)
{
real mu_lam;
real temp=C_T(c,t);
mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);
return mu_lam;
}
DEFINE_PROPERTY(density,c,t)
{
real rho;
real temp=C_T(c,t);
rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);
return rho;
}DEFINE_PROPERTY(viscosity,c,t){real mu_lam;real temp=C_T(c,t);mu_lam=0.000435*pow(temp/333.15,-5.5);return mu_lam;}DEFINE_PROPERTY(density,c,t){real rho;real temp=C_T(c,t);rho=715+2.08*temp-0.00384*pow(temp,2);return rho;}
     

   根据文献计算,热水器内部的流态为层流,因此采用层流模型。

   由于在建模的时候,热水器是水平放置的,实际上安装的时候倾角为45°,因此,加速设置如下。

   另外,为了更形象地进行后处理,在视图的camera进行如下设置,这样就调整成热水器的实际安装形态。

   对于封闭空间的自然对流问题,通常用稳态求解是达不到收敛的,因此采用瞬态求解,时间步长0.2s。

   各边界条件设置如下,另外,辐照强度590W/m2,通过heat generation加载于内玻璃管顶部(couple面)。

   环境与初始水温均为20℃。

4 计算结果


   

   

   

   134.6s(约2分钟)后,热水器的温度和速度如下,水在换热管被加热,密度减小,向上流动到水箱,这个过程可以清楚地从温度和速度云图上看出来。

温度

速度

   10937.6s(约3小时)后,热水器的温度、速度和密度如下,集热管表面温度最高,约29℃,此处的密度也最低。

温度

速度矢量

密度

   另外,约3小时之后,热水器内的平均水温为25摄氏度,温升5℃。从热水器环境边界的热流量可以看出,只有从水箱外部损失了3.56W的热量,玻璃管外表面几乎没有热损失,这也是真空状态的隔热作用。同时,也可以看出热水器还没有达到稳态,水温还要继续上升直到热水器环境边界的热损失为辐射得热量。(模拟这三个小时的瞬态过程,笔者的计算机持续工作了约5天,不想再继续算了……)

参考文献

张梦旭. 家用太阳能热水器性能数值仿真与测试系统设计[D],浙江工业大学

来源:仿真与工程
UDF材料太阳能
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首次发布时间:2023-07-05
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余花生
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