Solar Water Rezyum Modeling'e Giriş

Güneş su ısıtıcısı, güneş radyasyonunu konut, ticari ve endüstriyel uygulamalar için sıcak su sağlamak için ısıtıcıya dönüştürür. Bu sistemler, geleneksel elektrik veya gaz kaynaklı su ısıtıcısına, hem enerji maliyetlerini ve karbon emisyonlarını azaltır. Ancak, bir güneş suyu ısıtıcısının ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişi mekanizmalarının ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin ısı geçişinin hızını doğrudan etkiler - sağlam bileşenlerden uzaklaşmak, çalışma sıvısı içinde konveksiyon ve radyasyonu çevreye kadar akış modelleri.

Yüksek verimli güneş su ısıtıcılarını tasarlamak için mühendisler, bu çiftliği basitleştirmek için doğru bir şekilde tahmin etmelidir ve farklı işletim koşullarında ısı kaybı oranları. C ⁇ Akışkanlar Dinamikleri (CFD) kullanarak tasarım değişiklikleri, geometrisini optimize edebilir ve fiziksel prototipleri inşa etmeden önce performansları değerlendirebilir.Bu makale, güneş enerjisi transferini ve akışkan akışını basitleştirmek için kapsamlı bir araç sunar.

Güneş Su Rezitler'de Heat Transferinin Temelleri

Güneş suyu ısıtıcıları genellikle bir emer yüzeyinden oluşur (örneğin, güneş absorptal ve en aza indirmek için seçici bir malzeme ile kaplıdır), arka ve yanların etrafındaki şeffaf bir kapak (cam veya polimer), ısı geçişi ağının etrafındaki yalıtım.

  • [FONT:0)Kondüksiyon: [Dönekli plaka ve tüp duvarları aracılığıyla ısı akışları. Malzemelerin termal iletkenliği (copper, alüminyum veya paslanmaz çelik) iletkenlik için direnci belirler.
  • [FONT:0)Konveksiyon: [Dönetici: [Dönetici] [Düzgülü su veya buzlu su karışımı) tüpten ısıyı tüp duvarlarından absorbe eder.
  • [FONT:0)Radiation:[Dönetici:[Dönder: 0) The Emer, kapaklara uzun dalga radyasyonu yayıyor ve kapak yeniden şekillendiriyor. Solar radyasyon kapağından geçiyor ve absorber tarafından absorbe ediliyor. Radiative ısı transferi yüzey-to-surface (S2S) veya optik komplike koordinatörleri (DO) Fluent'deki modeller kullanılarak yapılır.

Ayrıca, ısı top kapağı aracılığıyla çevreye koleksiyoncudan kayboldu (konveksiyon artı radyasyon) ve arka ve yan yalıtım (kondüksiyon ve konveksiyon) aracılığıyla ayrıntılı bir CFD modeli, yararlı ısı kazançlarını doğru bir şekilde tahmin etmek için tüm bu yolları dikkate almalıdır ve sonuçlanan su sıcaklık artışı.

Solar Water Rezitler Modellendi

Ansys Fluent'teki modelleme yaklaşımı, belirli güneş su ısıtıcısı konfigürasyonuna adapte olur. En yaygın tipler şunlardır:

Düz-Plate Kollektifler

Bunlar ekli düktör tüpleri veya yılan tüpleri ile düz bir emer plakadan oluşur. tüpler aracılığıyla çalışan sıvı akışlar, ısıyı çıkartın. Düz plaka koleksiyoncular konut uygulamalarında yaygın olarak kullanılır ve model için oldukça basittir: laminar veya turbulent ısı transfer simülasyonu.

Evacuated Tube Jewels

Evacuated tüpü koleksiyoncular, elektrikli su boşluğunun (gerçekten ısı kaybı) ve ısı pompasının ısı geçişi için bir vakum makinesi veya konsantrik tüpün (fazlı bir tüp) veya ısı-konağıtlama modeli veya iki fazlı bir devrede meydana gelir.

Termosiphon Systems

Termosiphon güneş su ısıtıcısında, depolama tankı koleksiyoncunun üzerinde yer almaktadır. Bu, toplayıcı ve tank hidrodinamik arasında geçici bir simülasyon gerektirir. Ansys Fluent'un doğal-konveksiyon ve yoğunluk temelli bir çözümle bu şekilde ele alınabilir.

Güneş Su Reziği için Ansys Fluent Simülasyonu

Güvenilir bir simülasyon inşa etmek sistematik bir iş akışı gerektirir. Aşağıdaki alt bölümler her aşamayı detaylandırır.

Geometrik Yaratılış ve Simplification

Bir 3D CAD modeli ile Ansys DesignModeler, SpaceClaim veya dış CAD aracı ile başlayın. Düz plaka, hava boşlukları, emici plaka, tüpler ve yalıtım.Poplify nerede mümkün: küçük doldurmalar, cıvatalar, ve non-esential details. For periodic limit conditions can reduce hesaplama maliyeti.In removed tüp koleksiyoncular, model the emiciler, cam tüpler, ve sıvı kanal, ama son derece düşük ısı iletkenliği ile sağlam bir bölge tedavi etmek (eg. 0.005/s.)

Meş Nesil

Yüksek kaliteli bir ağ doğru CFD için önemlidir. Bir şeker takan veya karma bir ağ oluşturmak için bir paket kullanın:

  • [FONT:0]Fluid bölgeleri: [DDDDÜT:1] Isı ve hız sınırı katmanlarına yakın duvarlarla ilgili hexahedral veya polihedral elementleri kullanın. İlk hücre yüksekliği, SST k- ⁇ veya düşük-Rebübulence modelleri için bu kadar olmalıdır, ya da y+ ~30.
  • [FONT=0)Solid bölgeleri:[Dönetici:[Dönetici:0) Tetrahedral veya hexahedral elementleri kabul edilebilir; en azından ince duvarların kalınlığı (absorber plaka, tüp duvarları) ile birkaç elementin belirlenmesini sağlar.
  • [FONT=0)Mesh bağımsızlığı:[Dönetici:[Dönetici:0)) Anahtar çıktılara (toplama sıcaklığı, basınç düşüşü) 1 ila 2% arasında değişir.

Fiziki Oluşturun

Ansys Fluent'te, enerji denklemini etkinleştirin ve bir türbülans modeli seçin (eğer aktı çalkantılı akışlar için).For most solar koleksiyoncu akışları için, Reynolds numarası düşük (daha iyi veya geçiş modeli) <>Transition SST doğru geçiş tahmini için model kullanın veya < 30 K) veya daha büyük aralıklar için değişken yoğunluk kullanın.

Malzeme özelliklerini tanımlamak:

  • Çalışma sıvısı: su veya glycol-su karışımı. Sıcaklık bağımlı yoğunluk, özel ısı, vizyum ve ısı iletkenliği (örneğin NIST REFPROP veya polinom eğrileri).
  • Katı malzemeler: sül için bakır veya alüminyum, kapak için cam, poliüretan yalıtım için köpük.

Sınır koşulları:

  • [FONT=0)Inlet:[Dönerge:[Dönerge:) Mass akışı veya hız sabit sıcaklık ile (örneğin, 20°C).
  • [FONT:0)Outlet: [Dönetici: [Dönetici:0) Basınç çıkışı, tipik olarak atmosferik bir ölçüm baskısında.
  • [FONT=0)Solar ısı flux:[Dönetici:[Dönemli veya çoklu yansımalar için hesaplar geçerli.) Alternatif olarak, hafif veya güneş ışınlarını kullanarak bir güneş ışınlama kaynağı tanımlamak.
  • [FONT=0]Dönetme ve radyasyon: [Dönetici: [Dönetici:0)Dış, cam kapağında karışık bir ısı sınırı koşulu kullanın ve yeniden yalıtım için. ortam sıcaklığı (örneğin, 25°C) ve ısı transfer katlama katsayısı (örneğin, 10 W/m2·K doğal konveksiyon için, 30 W/m2·K.

Koleksiyoncular içinde radiative ısı geçişi için, S2S modeli, katılımcı medyaya katılmadığında iyi çalışır (hava boşlukları şeffafdır).Eğer sıvı absorbs /emits radyasyonu (örneğin, doğrudan absorpsiyon koleksiyonlarında), DO modelini absorpsiyon katiyle kullanın.

Solver Ayarlar ve Çözüm Stratejisi

Basınç tabanlı çözücü (seçmiş) inkompresyon veya hafif sıkıştırılabilir akışlar için baskı tabanlı devreler kullanın.Süresel ve enerji için sıfırlayıcılık şeması seçin. Doğal-cirler için, o zaman simülasyonu çalıştırın.Relax faktörler azaltılabilir ve ayrıca entegre sıcaklıkları takip edebilir (örneğin, 0.3-0.5)

Transient simülasyonlar değişken güneş radyasyonu (örneğin, günlük profiller) veya termosifon dinamikleri ile sistemler için gereklidir. Akışı ve termal zaman ölçeklerini çözen bir zaman aralığı oluşturun (tipik olarak 0.1-1 toplayıcı termal yanıt için), periyodik sabit duruma kadar Run (e.g., tekrarlanan günlük döngü).

Sonuçlara İlişkin Post-Processing and Interpretation of Results

Simülasyondan sonra, aşağıdaki ölçümleri analiz edin ve analiz edin:

  • [FONT:0]Temperature dağıtım:[Dönetici:[Dönetici:0) Contour, sıcak noktaları ve eşitsiz ısıtmayı ortaya çıkarır.
  • [FONT:0)Flow kalıpları: [Dönetici vektörleri veya akışların tamamen gelişmiş, yeniden sirküle veya sıcak bölgeleri atlatmak, termosifon sistemlerinde, akış başlangıç noktası ve kütle akışı oranını tanımlamak.
  • [FONT:0)Heat flux analizi:[Dönetici:[Dönetici:0)) Yararlayıcı verimliliğini elde etmek için yüzey ısı flux'in tüp yüzeyleri üzerinde (göstermesel) ve olay güneş enerjisi ile karşılaştırmak.
  • [FONT:0)Basın:[Dönetici: [Dönetici:0))) Pompa gücü gereksinimini değerlendirin.

Asys Fluent'in raporlama araçları, MATLAB veya Excel'de daha fazla işlem için emici ısının çıkışı ve hacmi-ortalama sıcaklığında alan ağırlığı hesaplama araçları kullanın.

Geçerlilik ve Doğrulama

Modele güvenmek için, literatür veya laboratuvar testlerinden deneysel verilere karşı geçerlidir. Çıkış ısısını, verimlilik eğrisini ( ⁇ vs. (T in – T amb)/G) ve basınç standart test koşullarını (örneğin ISO 9806).

Ağ bağımsızlığı ve zaman zaman yakınlaşmasını doğrulayın. Tüm varsayımlar (örneğin, üniformalı güneş geri çekilme, fouling, ideal yalıtım). İyi eşdeğer bir model tasarım optimizasyonuna yüksek güven sağlar.

Pratik Örnek: Yükseltmeli Tube Çapı

Düz plakalı bir koleksiyoncuyu on paralel düktör tüpleri ile düşünün. Her durumda, ısı verimliliği üzerinde boru iç çapı etkisini araştırmak için Ansys Fluent kullanın. Güneş flux sabit (800 W/m2), inlet ısı 30°C, ortam 25°C, rüzgar 2 m/s. Vary çapında 8 mm ila 16 mm artarak. Sonuçlar, daha küçük çaplı bir akış simülasyonunu gösterir.

Solar Water Rezitler Modeling

Bazı faktörler doğru CFD modellemeyi zorlar:

  • [FONT:0) Hayır-uniform güneş irradiasyon:[[Dönetici:0) Gerçek dünya gölgesi, bulut kapak ve insitasyon varyasyonları açısı geçici bir irradiasyon profili gerektirir.
  • [FONT:0] İki fazlı ısı-borç koleksiyoncularda akış: Eşleşme ve kondensasyon hesaplamalı olarak pahalı; eşdeğer bir ısı kaynağı yaklaşımı, bir yaklaşım olarak kullanılabilir.
  • [FONT:0)Dos-circulation istikrarsızlık: [Dönetici: 1) Buoyancy-güdümlü akış, küçük zaman adımlarıyla geçici bir çözüm gerekli.
  • [FONT:0]Scale etkileri:[Dönetici:0) Tüm koleksiyoncular alanını modellemek (solar farm) göz ardı edilebilir medya veya topak-parametre modelleri gibi basitleştirmeleri gerektirir.

Bu zorluklara rağmen, Ansys Fluent gelişmiş yetenekler sunar - açık-loop sistemlerde ücretsiz yüzeyler için VOF modeli veya Eulerian multifaksiyon modeli gibi - onları ele almak için.

Verimli Simülasyon için En İyi Uygulamalar

  • Parametrik çalışmalar için 2D eksenli veya 2D planlayıcı model ile başlayın, sonra son tasarım için 3D modeli ile doğrulayın.
  • Model boyutunu azaltmak için simetrik veya periyodik sınır koşullarını kullanın.
  • Çifte katı bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenmiş doğal-konveksiyon akışları için çalışan.
  • Asys Workbench'in parametrik optimizasyonu otomatik olarak süpürme değişkenlerini otomatik olarak kullanın.
  • Anahtarlama (köpürücük) için kullanılan (köfke)

Alan, Fluent'in verileri üzerinde eğitilmiş bazı eksperatif modeller ile birlikte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ısıtıcıların (örneğin, yüksek çözünürlükte) sayısal olarak kullanılan ısı geçişi için kullanılan ısıtılması için kullanılan elektriksel stres analizi veya aranjmanları kontrol altına almak için tasarlanmıştır.

Mühendisler ve araştırmacılar güneş ısı teknolojisini geliştirmeye karar verdiler, Ansys Fluent'te sağlam bir beceridir. Sadece prototyping maliyeti ve zamanını azaltır, aynı zamanda dünya geçişlerini yenilenebilir enerjiye iten yenilikçi tasarımları da sağlar.

Dış Kaynaklar

  • [FONT:0]Ansys Fluent Ürün Sayfası) - Resmi belgeler ve vaka çalışmaları.
  • [FONT:0)NREL Solar Research[[Dönetici: Güneş kaynağı verileri ve geçerli veri kümeleri.
  • [FONT=0)ISO 9806:2017 - Güneş enerjisi - Güneş termal koleksiyoncular - Test yöntemleri). - Performans doğrulama için standart test prosedürleri.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Güneş su ısıtıcılarında ısı geçişi ve sıvı akışı modellemek, Ansys Fluent ile mühendislerin tasarım optimize etmesini ve performans tahmin etmesini ve gelişim risklerini azaltmasını sağlar.Templikeli bir simülasyon akışına göre - geometride basitleştirme ve ağ oluşturma yoluyla -daha yüksek verimli güneş su ısıtıcısına doğru yenilik yapmaya devam edecektir.