מבוא ל-Sur Solar Water Heater Modeling

מחמםי מים סולאריים להמיר קרינה סולארית לאנרגיה תרמית לספק מים חמים למגורים, מסחריים ויישומים תעשייתיים.מערכות אלה מציעים אלטרנטיבה בת קיימא לחום מים חשמליים או גז מבוי גז, צמצום עלויות האנרגיה ופליטת הפחמן. עם זאת, הביצועים התרמיים של תנור מים סולאריים תלוי בהתנגשות מורכבת של מנגנוני העברת חום - מוליכים באמצעות רכיבים מוצקים, הדבקה בתוך נוזל העבודה, וקרינה מפני צינורות נוזל לספוג ישירות ממשטח נוזלי, תוך כדי לספוגים של צינורות חום.

כדי לעצב תנורי מים סולאריים בעלי יעילות גבוהה, מהנדסים חייבים לחזות במדויק את חלוקת הטמפרטורה, מהירויות זרימה, ושיעורי אובדן חום בתנאים תפעוליים שונים. Computational Fluid Dynamics (CFD) באמצעות שימוש ב-FLT:0 Ansys Fluent FluentureFLT:1 מספק כלי קפדני לסימולת פיזיקה מעודפת.

מימון של העברת חום בשמש מים

מחמם מים סולאריים בדרך כלל מורכבים משטח סופגן (לעתים קרובות מכוסים בחומר סלקטי כדי למקסם את ההימנעות הסולארית ולמזער פליטות תרמיות), כיסוי שקוף (משקפיים או פולימר), בידוד סביב הגב והצדדים, ורשת מגלגלת נוזל.הביצוע התרמית נשלטת על ידי שלושה מצבי העברת חום עיקריים:

  • (FLT:0)Conduction:BuildFLT:1; Heat Flow Through the מוצק קולטן וקירות צינוריות.ההתנהגות התרמית של חומרים (כלי רכב, אלומיניום או נירוסטה) קובעת את ההתנגדות להתנהלות.
  • (FLT:0)Convection:FLT:1 The Workנוזל (מים או תערובת מים גליקול-מים) סופג חום מקירות הצינור. במערכות cy-circulation, משאבה שמניעה זרימה נוזלית; במערכות טבעיות-מחזוריות (thermosiphon) זורם על ידי הבדלים בדחיסות.
  • (FLT:0)Radiation:FLT:1 The סופג פולט קרינה אינפרא אדום גלי ארוך לעבר הכיסוי, ואת הכיסוי מחדש re-radiates חלק בחזרה.קרינת השמש עובר דרך הכיסוי ונקלט על ידי ה סופגן.

בנוסף, חום אבד מהאספן לסביבה דרך כיסוי העליון (תוספת קרינה) ודרך בידוד האחורי והצד (הופנה מהדף מודל CFD מפורט חייב לקחת בחשבון את כל הנתיבים האלה כדי לחזות במדויק את עלייה החום השימושי ואת עליית טמפרטורת המים וכתוצאה מכך.

סוגי ווטרס סולריים מתוכמים

הגישה הדוגמת ב- Ansys Fluent מתאימה לתצורה מסוימת של חום מים סולאריים.הסוגים הנפוצים ביותר כוללים:

אספן שטוח-Plate

אלה מורכבים צלחת סופגנית שטוחה עם צינורות עלייה המצורפת או צינור נחשין.נוזל העבודה זורם דרך צינורות, תמצית חום. אספן שטוח-plate משמשים נרחב יישומי מגורים והם יחסית פשוט מודל: 2D או 3D congate חום סימולציה עם laminar או זעזוע זרימה בתוך צינורות.

אספן צנרת

אספנים צינור מאובן משתמשים בוואקום בין הספג לבין צינור הזכוכית החיצוני כדי להפחית באופן משמעותי את אובדן החום המפונק.המגש יכול להיות צינור זרימה ישיר (השפעת עוברת דרך צינור U-tube או צינור אקסצנטרי) או סוג חום-פיפה (שינוי מתרחש בתוך צינור אטום) דורש טיפול זהיר של הפער (התנהגות משמעותית דרך ריק, בתוספת קרינה) ואת שלב התוספת חום-Pipe-pse עשוי לדרוש טיפול קפדני).

מערכות ה-RRMIphon

בחום מים סולאריים תרמוסיפוני, מיכל האחסון ממוקם מעל האספנים.המחזור הטבעי המונע על ידי buoyancy חייב להיות נתפס במדויק.זה דורש סימולציה transient עם הפיכה בין האספנים לבין הידרודינמיקה הטנק. Ansys Fluent של עצירות טבעית ופתרון מבוסס צפיפות עם מחיאות כפיים של Bousinesq (או תכונות נוזל משתנה) יכול לטפל בזה.

קביעת סימולציה של קרינת מים סולרית

בניית סימולציה אמינה דורשת זרימת עבודה שיטתית.התתת הבאה מפרטת כל שלב.

יצירת גאומטריה וסימולציות

התחל עם מודל 3D של אספנים באמצעות Ansys DesignModeler, SpaceClaim, או כלי CAD חיצוני. עבור אספן שטוח-plate, הגיאומטריה כוללת כיסוי זכוכית, פער אוויר, צלחת סופג, צינורות, בידוד. Siלהגדיל את המקום האפשרי: להסיר מילויים קטנים, ברגים, פרטים לא חיוניים.

דור האפר

מאפר באיכות גבוהה הוא חיוני עבור CFD מדויק להשתמש Ansys Meshing או Fluent meshing כדי ליצור מאפר היברידי:

  • (FLT:0) אזורי FluidOVA: FLT:1 השתמש באלמנטים hexahedral או פוליhedral עם שכבות prism ליד קירות כדי ללכוד את שכבות הגבול תרמי ומהיר.גובה התא הראשון צריך להיות כזה y + - 1 עבור SST k- ⁇ או מודלים זעזוע נמוך-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-Re-re-re-Re-Re-Re-Re-retretre-re-re-retretretretre-re-re-retre-re-re-re-re-retretre-retretretretretretretretra-retretretretretretre-re-retretretretretra-retra-retra-re-retra-retra-re-retra-retra-re-retretra-retra-retra-retra-retra-retra-retra-retra-retra-re
  • (ב) ⁇ :0) אזורי ⁇ : 1FLT:1 Tetrahedral או hexahedral אלמנטים מקובלים; להבטיח לפחות כמה אלמנטים דרך עובי של קירות דקים (צלחת איברים, קירות צינורות) כדי לפתור התנהגות.
  • (FLT:0) עצמאות:0) עצמאות: (FLT:1) לבצע מחקר של התכנסות רשת על ידי מימון מחדש של האפר עד תפוקת מפתח (טמפרטורה ללא טיפת לחץ) שינוי בפחות מ-1–2%.

המונחים: Physics

ב Ansys Fluent, להפעיל את משוואה האנרגיה ולבחור מודל לזעזוע (אם זרימה היא מסובכת) עבור רוב זרמי אספנים סולאריים, מספר ריינולדס הוא נמוך (laminar או מעבר) השתמש במודל <חזק> Transition SSTחזק> עבור חיזוי מעבר מדויק, או <חזק>k- ⁇ SSTחזק> עבור זרימה סוערת לחלוטין.

תכונות חומריות Define:

  • נוזל עבודה: מים או תערובת מים גליקול-מים. השתמש צפיפות תלויה טמפרטורה, חום ספציפי, מהירויות, מוליכות תרמית (למשל, מ NIST REFPROP או עקומות פולינומיות).
  • חומרים סולידריות: נחושת או אלומיניום לספוג, זכוכית לכיסוי, קצף פוליאורטן עבור בידוד.

קביעת תנאי גבול:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0Outlet: Figoutlet: 1 לחץ יוצא, בדרך כלל בלחץ מד אטמוספרי.
  • (FLT:0) פלוקס חום סולר: FLT:1 החל מדי או זמן מנוחה של חום פלוקס (למשל, 1000 W / m2) על פני השטח החיצוני של ה סופג. לחלופין, להגדיר מקור ray שמש מסלול באמצעות מודל decrete Ordinates (DO) עם עומס סולארי, אשר מהווה של שכיחות והשתקפות מרובים.
  • (FLT:0) הדבקה וקרינה: ⁇ 1 (ראה: ⁇ ) השתמש במצב גבול תרמי מעורב על מכסה הזכוכית וזרימה אחורית, ציין טמפרטורה מכוננת (למשל, 25 מעלות צלזיוס) וחום העברה coefficient (למשל, 10 W/m2K עבור הדבקה טבעית, 30 /mK עבור תנאי רוח).

עבור העברת חום רדיואקטיבית בתוך האספנים, מודל S2S עובד היטב כאשר התקשורת המשתתפות היא לא השתתפות ( פערים אוויריים הם שקוף) אם נוזל סופג / קרינה (למשל, באספןי ספיגה ישירה), להשתמש במודל DO עם ספיגה יעילה.

פתרון הגדרות ואסטרטגיה

השתמש ב-SIMPLE או ה- SIMPLEC עבור זרימה לא רצויה או דחוסה קלה.בחר את תוכנית SIMPLE או SIMPLEC עבור לחץ - הפיכה של קיבולת (עבור בעיות בידוד טבעי, תחת גורמים אקסקטיביים עבור התנופה ודחיסות עשוי להיות מופחת (למשל, 0.3-0.5) כדי לייצב את המיזוג. השתמש ב- 2-order uprewindation עבור טמפרטורה ולאחר מכן לחץ דם וירידה של 1 לטמפרטורה).

סימולציות טרנספורמטיביות הן הכרחיות עבור מערכות עם קרינה סולארית משתנה (למשל, פרופילים יומיים) או דינמיקות תרמוסיפוניות.קבע גודל של שלב זמן אשר פותר את זרימת הזמן התרמית (בדרך כלל 0.1-1 s עבור תגובה תרמית אספנית, 1-10 s עבור מחזור טבעי). Run עד למצב קבוע מגיע (למשל, מחזור יומי חוזר).

פרשנות ופרשנות תוצאות

לאחר הסימולציה, תמצית וניתוח של המדדים הבאים:

  • (FLT:0) הפצת טמפרל: 1FLT 1 Contour Plots on the סופגנית חושפת כתמים חמים ולא אפילו חימום. בדוק את טמפרטורת כיסוי הזכוכית כדי להעריך אובדן חום רדיקאלי.
  • (FLT:0) דפוסים נמוכים: FLT:1 וקטורים וזרימה או קווי זרם במבחנה מראים האם זרימה מפותחת לחלוטין, מנקה, או עקיפה של אזורים חמים. במערכות תרמוסיפוניות, לזהות את נקודת ההתקדשות והקצב של זרימת ההמונים.
  • ניתוח:0 (Heat flux:FLT:1hil) השלמת רווח חום שימושי (גידול של חום קיר פלוקס על משטחים צינור במגע עם נוזל) ולהשוות עם אנרגיה סולארית כדי להפיק את יעילות האספנות.
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

השתמש בכלים של Ansys Fluent כדי לחשב טמפרטורה ממוצעת במשקל באזור בטמפרטורת המלטה והנפח של ה סופג.יצוא נתונים לעיבוד נוסף ב MATLAB או Excel.

אימות ואימות

כדי לסמוך על המודל, לאמת נתונים ניסיוניים מן הספרות או בדיקות מעבדה.השוואה בין טמפרטורת הלט, עקומת יעילות ( ⁇ לעומת (T in-T amb) / G), והורדת לחץ בתנאי בדיקה סטנדרטיים (למשל, ISO 9806. התאמת פרמטרים סימולציה כגון טיפול חום העברה coefficient על מכסה הזכוכית, קולטת את קצבאות, או תכונות נוזל כדי להתאים את המדידות בתוך 5–10%.

בדוק את עצמאות האפר ואת ההתכנסות הזמנית. מסמך כל הנחות (למשל, אי-הורינציה סולארית אחידה, ללא רעייה, אינסטלציה אידיאלית). מודל בעל ערך טוב מספק אמון גבוה אופטימיזציה עיצובית.

דוגמה מעשית: אופטימיזציה של Riser Tube Diameter

שקול אספנית שטוחה עם 10 צינורות עלייה מקבילים. השתמש Ansys Fluent כדי לחקור את ההשפעה של קוטר פנימי צינור על יעילות תרמית. לשמור סולקס קבוע (800 W / m2), טמפרטורה 30 ° C, ambient 25 ° C, רוח 2 / ms. Vary מ 8 מ"מ ל 16 מ"מ בתשלומים. עבור כל מקרה, להפעיל סימולציה קבועה של מצב הרוח.

אתגרים בדוגמנות מים סולאריים

מספר גורמים לסבך את המודל ה-CDCD המדויק:

  • (ב) ⁇ :0) אי-uniform שמש אי-uniformation: אנדרל 1 (Real-world Shoding, Cloud Cover, וזווית של וריאציות שכיחות דורשות פרופיל זעזועים טרנספורמטיבי.
  • (ב) [15] ,2-phase זרימה באספן חום-פיפות: 1FLT:1 סימולציה ו condensation הוא יקר חישובי; גישה דומה למקור חום יכול לשמש כנספח.
  • (ב) [15] חוסר יציבות בקריסטל: ⁇ 1 (בלטינית: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) אפקטים של סקרל: 1FLT (מודל שדה שלם של אספנים (חוות סולרית) דורש סימולציות כמו מדיה או מודלים חד-פעמיים.

למרות האתגרים הללו, Ansys Fluent מספק יכולות מתקדמות - כגון מודל VOF עבור משטחים חופשיים במערכות פתוחות או מודל רב-phase של אוילרי לשינוי שלב - כדי לטפל בהם.

שיטות טובות לסימולציה יעילה

  • התחל עם מודל 2D Axiסימטרי או 2D עבור מחקרים parametric, ולאחר מכן לאמת עם מודל 3D עבור עיצוב סופי.
  • השתמש בתנאים סימטריים או זמניים כדי להפחית את גודל המודל.
  • להעסיק את המפתים המזוגיים עבור זרמי סחר טבעיים מאוד.
  • אופטימיזציה parametric של Ansys Workbench של ® כדי לטאטא משתנים עיצוב באופן אוטומטי.
  • (הופנה מהדף (הדגשה: 0)

מגמות עתידיות ומתודולוגיות מתקדמות

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור מהנדסים וחוקרים המחויבים לקידום הטכנולוגיה התרמית הסולארית, שליטה ב-CDC ב- Ansys Fluent היא מיומנות בלתי-סבירה.זה לא רק מפחית את העלות והזמן של הסתברות, אלא גם מאפשר עיצובים חדשניים הדוחקים את גבולות היעילות.כפי שהעולם עובר לאנרגיה מתחדשת, כלים מדויקים מודלים מדויקים יהיו מרכזיים לקידוד כל מרכיב של מערכות חימום מים סולאריות.

משאבים חיצוניים

  • (ב) ,0) Ansys Fluent Product PageFLT:1) - תיעוד רשמי ומחקרי מקרה.
  • (ב) ,0)REL סולרי מחקר FLT:1 - נתונים של משאבי השמש והנתונים אימות.
  • (FLT:0) ISO 9806:2017 - אנרגיה סולארית - אספנים תרמיים סולאריים - שיטות מבחן 1FIRLT - נהלי מבחן סטנדרטיים לאימות ביצועים.

מסקנה

מודלים של העברת חום וזרימה נוזלית בהתחממות מים סולארית עם Ansys Fluent מאפשר מהנדסים לייעל עיצוב, לחזות ביצועים, להפחית את הסיכונים הפיתוח. על ידי ביצוע סימולציה מובנה סימולציה עבודה זרימה - מסימולציות גיאומטריה ודור מרש"י באמצעות ההתקנה ופוסט-מעבדה - אנתיקים יכולים להשיג תובנות כמותיות בר קיימא.ה"כ היכולת לחקות סוגים שונים של אספנים, זרימות, ותנאים תפעוליים הופך כלי חיוני בתעשיית האנרגיה התרמית יותר, כמו גם כן, כדי להניע אנרגיה יעילה יותר, כדי לקדם אנרגיה יעילה יותר ויותר.