宁夏太阳能空气烘干器设计

摘 要：利用太阳能技术的枸杞烘干机基本知识，太阳能的利用，空气集热器的结构；NASYS；平板型的空气集热器的结构设计；有限元的分析软件ANSYS分析的结果。

关键词：太阳能 集热器 有限元分析

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（c）-0041-02

1 太阳能知识

平板型是应用最广的，吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用直射和漫射辐射。聚焦型集热器利用光学系统（反射器或折射器）改变光束的方向，以提高能流密度。其利用主要是太阳灶。

2 ANSYS传热分析的基本理论

基本原理是将所处理的对象划分为有限个单元（包括若干个节点），然后根据能量守衡原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程，由此求出各节点的温度，进而求解出其他相关量。热分析遵循热力学第一定律，即能量守衡定律：

对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出），

则Q-W=ΔU+ΔPE+ΔKE

式中：Q=热量 W=做功

ΔU=系统内能；ΔPE=系统内能；ΔKE=系统势能。

2.1 导热

导热可定义为两个物体之间或一个物体的不同部分之间，由于温度梯度而引起的内能的交换，导热遵循傅立叶定律：

2.2 对流换热

对流换热是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于存在温差而引起的热量的交换。

2.3 辐射换热

辐射换热指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。导热和对流换热都需要有传热介质，而辐射换热无须任何介质。

2.4 稳态传热

如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，系统处于热稳态。

3 平板型空气集热器的结构设计

3.1 集热器的结构

（1）透明盖板：一层或多层透明玻璃组成。太阳辐射透过，阻止吸收表面的红外辐射和减少对流损失，保证吸热板顶部有较好的绝热性能。（2）吸热板：由金属或非金属制成各种不同的截面形状。表面涂以提高太阳吸收率的涂层，以便尽可能多的吸收入射的太阳辐射。（3）与吸热板相连接的通过循环流体的管路：流体循环将吸热板吸收的热量带走。（4）吸热板背面和侧面的隔热层：以减少集热器向四周散热，提高热效率。（5）外壳：用来支持及固定透明盖板―吸热板，集热器的骨架应具有一定的机械强度，良好的水密封性和耐腐蚀性能。

3.2 集热器方向配置

在北半球集热器的配置应是朝南安放的，并与水平线有一夹角。朝南安装即可满足要求。

3.3 集热器的倾角的确定

固定式集热器的倾角，以正午时太阳光垂直地照射在集热器的采光面上为原则。宁夏纬度近似取38 °，全季度太阳平均赤纬取11 °。太阳天顶角的位置取做27 °，则集热器与水平的倾角是27 °，在夏季使用最有利。

3.4 集热器材料的选择

集热器的材料对热效率，寿命和成本都有密切的关系。从全局出发，加以分析，然后确定。

（1）透光材料的选择：在设计集热器时，必须既考虑这些透射系数又考虑玻璃盖的隔热功能，对所在地和季节，有一最佳玻璃数目。任务是烘干枸杞，5 mm厚的平板玻璃较好。

（2）吸热板材料的选择：实际哪一种材料也不能满足所有的要求，只能从综合考虑。

（3）吸收涂层：涂层的太阳能吸收率越大，集热器的集热效率s越高。选用的涂料型吸收涂层中的沥青漆涂层。

（4）保温材料：集热器常用的材料有玻璃纤维，矿渣棉，泡沫塑料，膨胀珍珠岩，稻草和锯末。选锯末作为保温才层。

（5）集热器外壳材料：钢板是集热器外壳常用的材料。机械强度高，加工也方便，但耐腐蚀性不好。

（6）架子：是用来支持集热器使之与水平有一夹角。采用内径为32 mm，外径为40 mm的无缝钢管。

4 空气集热器的结构

见图1。

5 空气集热器的集热性能分析

5.1 热载体空气的相关参数及集热器的相关数据

宁夏年太阳辐射约6000～8000MJ/m3；天辐射量18.05～24 MJ/m3；空气的密度约为1.29 kg/m3；空气的动力黏度约为1.71e-5 Pa.s；空气进入集热器的速度为0.05，0.1，0.15，0.2不做等流温度场的模拟；假设集热器的出口压力为零；集热器外的空气对流换热系数约等于20～26 W/m2.C；太阳辐射300 W/m2；空气的导热系数0.0244 W/m2K；空气的比热按恒定值1.005 J/Kg.K；集热板温度设为373K即100 ℃，表面的黑度为1；进口温度为27 ℃。

5.2 用有限元的分析软件ANSYS来分析集热性能

（1）建模：建立实体模型，再划分网格。几何图形可由软件提供的功能绘出，也可以经过CAD将CAD文件转化为IGES文件参数实例文件导出一个3D的六面体的单元模型。

（2）网格的划分：划分网格是有限元法求解问题重要的一步，它将物理模型转化为有限元计算模型。

（3）边界条件：负载及约束：有限元分析的目的是确定物体对载荷的响应。正确分析和简化载荷，并正确的施加载荷，是有限元分析的关键一步。边界条件的施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。约束是定义一个结构固定的部分。分析一个结构前必需定义边界条件。负载包括集中力，分布力，加速度及预应变。这里的是加在最上面一层空气的集热板上吸收的100℃的辐射能的热量。

（4）分析计算：是对分析结果的后处理。显示查询节点和单元的温度。后处理就是观察和分析有限元的计算结果，ANSYS的后处理模块包括通用后处理器POST1和时间历程后处理POST26。

分析温度分布的平均值，由图1得到一系列的温度值。可以看到温度由5种颜色来表示由上到下是减少的。这是最末尾的温度：

深绿色（41℃―53℃）浅绿色（53℃―64℃）黄色（64℃―76℃）橙色的从（76℃―80℃）红色（100℃―80℃）。其中红色占26.47%，橙色占20.59%，黄色占17.65%，浅绿色占17.65%，深绿色占17.65%，总得来说还是红色所占的比例大，因此总得结果是满足需要的。看出离边界条件越近其温度也越高，到最底层的温度是最低的。其平均值分析它的结果：其平均值来检验模拟效果=70.636℃。烘干枸杞的温度只要在40℃以上即可满足。由上可知道设计满足要求。

6 结语

通过对工程实际问题的计算分析，可以看出：利用ANSYS有限元分析程序可以对各种传热过程进行准确的模拟和计算分析，尤其是比较复杂的工程实际问题，可以大大地减少工作量和计算中的误差，并节约了开支。对设计思路的改进也有很大的帮助。ANSYA取代了传统的“设计―验证―设计”的循环。整个设计过程只是在最后的阶段进行必要的验证。

参考文献

[1] 何梓年.太阳能热利用[M].中国科学技术大学出版社，2009.

[2] 马洪江.混联式太阳能多功能果蔬烘干机的研制[M].河北农业大学，2009-06.

[3] 李怀赫，李明滨.太阳能烘干枸杞的研究初探[M].干燥技术与设备，2006.

[4] 梁声闻.AutoCAD与ANSYS前处理的集成[M].华中科技大学，2004-04.