風(fēng)力黏性摩擦熱水器加熱性能的CFD仿真分析

易 郴，馬慶芬，李 萌

(海南大學(xué)，海南?？?570228)

風(fēng)力黏性摩擦熱水器加熱性能的CFD仿真分析

易 郴，馬慶芬，李 萌

(海南大學(xué)，海南?？?570228)

提出一種直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能的新型環(huán)保節(jié)能熱水器——風(fēng)力黏性摩擦熱水器，分析了其結(jié)構(gòu)和工作原理。借助CFD軟件建立二維軸對稱旋轉(zhuǎn)湍流模型，對風(fēng)力黏性摩擦熱水器內(nèi)2種流體的流動、傳熱過程進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了其實(shí)現(xiàn)熱水功能的可行性，并與風(fēng)機(jī)進(jìn)行了功率匹配。利用所建CFD模型數(shù)值研究了黏性摩擦熱水器關(guān)鍵參數(shù)對加熱性能的影響，結(jié)果表明：增大黏性摩擦熱水器摩擦碟片半徑、轉(zhuǎn)速和硅油黏度，減小入口水流量，可以提高黏性摩擦換熱器的加熱性能，該結(jié)果對風(fēng)力黏性摩擦熱水器實(shí)際應(yīng)用時結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的確定具有指導(dǎo)作用。

熱水器；風(fēng)能；黏性摩擦；CFD仿真

1 前言

熱水器是工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活熱水供應(yīng)的必需設(shè)備，從20世紀(jì)90年代開始，我國就制定了電熱水器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.11和GB 4709.12，電熱水器開始在我國迅速發(fā)展，但是其電能的消耗會引起較高的運(yùn)行成本[1]。燃?xì)鉄崴鞒杀镜土?、加熱迅速，但仍需消耗化石能源，并且易產(chǎn)生有毒氣體，存在安全隱患[2]。近10年來，太陽能熱水器獲得了迅猛發(fā)展，但是太陽能熱水器局限性較大，在太陽能資源豐富的西北、華北地區(qū)，太陽能熱水器成本較低，而在太陽能缺乏的西南地區(qū)，成本較高，不宜全國范圍內(nèi)推廣[3,4]。19世紀(jì)初，英國物理學(xué)家J P Joule提出了“通過改變可壓縮流體的壓力使其溫度變化”的原理，人們將這一原理應(yīng)用到熱水器上，發(fā)明了空氣能熱水器?？諝饽軣崴骶哂泄?jié)能、安全、便捷、環(huán)保等等優(yōu)勢，但是無法在低溫下工作，并且配套設(shè)備尺寸很大，不適合家用[5]。熱泵式熱水器按照能源和介質(zhì)不同主要分為空氣源熱泵熱水器、水源熱泵熱水器、太陽能熱泵熱水器、廢熱源熱泵熱水器等[6～9]。熱泵式熱水器具備安全性好、環(huán)保性好的優(yōu)點(diǎn)，但是制造成本較高，一次性投入較大。發(fā)電式熱水器是近幾年新出現(xiàn)的一種熱水器[10～14]，熱水器通過自身發(fā)電，輔助或完全實(shí)現(xiàn)加熱功能，可消除燃?xì)庵苯永玫陌踩[患或節(jié)約能耗，但是風(fēng)能發(fā)電的效率也不高，而且在這一過程中能量的轉(zhuǎn)化要經(jīng)歷兩次，會產(chǎn)生更多的能量損失，同時設(shè)備還需要配備風(fēng)能發(fā)電的相應(yīng)裝備，會增加設(shè)備成本和維護(hù)費(fèi)用。

本文提出一種直接利用風(fēng)能實(shí)現(xiàn)熱水功能的方案——風(fēng)力旋轉(zhuǎn)碟片式黏性摩擦熱水器。該設(shè)備利用風(fēng)機(jī)帶動摩擦碟片旋轉(zhuǎn)、與高黏性介質(zhì)摩擦產(chǎn)生熱能，再通過間壁換熱實(shí)現(xiàn)冷水升溫加熱。加熱過程中，風(fēng)能直接向熱能轉(zhuǎn)化，減少了電能轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，可有效簡化系統(tǒng)設(shè)備組成、降低能量損失、有利于提高新能源利用率。本文對這種風(fēng)力熱水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理進(jìn)行分析，并建立CFD仿真模型，對熱水器內(nèi)部各種流體的流動、傳熱過程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，同時探索該熱水器與風(fēng)能輸入的耦合方法。

2 結(jié)構(gòu)及原理

風(fēng)力黏性摩擦熱水器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設(shè)備由風(fēng)機(jī)、齒輪箱、轉(zhuǎn)軸、摩擦碟片、硅油室、殼體、折流板、冷水入口、熱水出口組成，殼體與硅油室之間形成水腔。達(dá)到啟動風(fēng)速后，風(fēng)機(jī)啟動，帶動設(shè)備轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；摩擦碟片浸泡于硅油之中，在轉(zhuǎn)軸的帶動下旋轉(zhuǎn)，與靜止的硅油室內(nèi)的硅油產(chǎn)生相對運(yùn)動，黏性力做功，使硅油溫度上升。同時冷水由上方的冷水入口進(jìn)入，在折流板的導(dǎo)向下流動，通過硅油室的換熱壁面與高溫硅油充分換熱，達(dá)到升溫加熱的目的，最終經(jīng)由下方的熱水出口排出。硅油與水的換熱過程與環(huán)境隔絕，不會產(chǎn)生額外的熱量耗散。

圖1 風(fēng)力黏性摩擦熱水器結(jié)構(gòu)示意

3 CFD仿真和分析

3.1 CFD模型的建立

3.1.1 幾何模型

流體在黏性摩擦熱水器中是三維流動，但是基于設(shè)備的軸對稱性，可以將三維流動問題轉(zhuǎn)化為二維軸對稱流動問題求解，這樣可以大大減少網(wǎng)格數(shù)量，并提高計(jì)算精度。圖2所示為黏性摩擦熱水器的簡化幾何模型及網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格的大小通過網(wǎng)格獨(dú)立性分析確定，最終采用2mm × 2mm均勻分布的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 簡化幾何模型及網(wǎng)格劃分

3.1.2 控制方程

黏性摩擦熱水器內(nèi)硅油和水2種流體的流動和傳熱過程采用二維軸對稱旋轉(zhuǎn)湍流模型模擬?？刂品匠探M包括連續(xù)性方程、二維N-S方程和能量方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算湍流黏性。求解過程中各控制方程在每個時間步長的計(jì)算結(jié)束時殘差均小于10-3，具有良好的收斂性。

3.1.3 邊界條件

流體域包括硅油域和水域；設(shè)置黏性模型時引入了黏性加熱作用(Viscous Heating)；邊界條件設(shè)置為：冷水入口—Mass Inlet，熱水出口—Outflow，轉(zhuǎn)軸—Axis，殼體和腔體—Stated-wall，旋轉(zhuǎn)碟片—Rotated wall。

3.2 仿真結(jié)果和討論

3.2.1 可行性分析

圖3所示為設(shè)備內(nèi)流體速度分布。水腔中的速度基本沒有變化，為0.12 m/s左右。硅油在旋轉(zhuǎn)碟片的帶動下與硅油腔發(fā)生相對運(yùn)動，速度在徑向上呈遞增的趨勢，在碟片半徑最大處達(dá)到極值1.2 m/s；軸向速度呈梯度分布，靠近旋轉(zhuǎn)碟片的高，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)碟片的低，在硅油室壁面為0，這種速度梯度的存在產(chǎn)生了黏性力，進(jìn)而依次轉(zhuǎn)化為硅油、水的熱量，達(dá)到熱水的目的。

圖3 速度分布

圖4為一定參數(shù)條件下設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后的溫度分布，參數(shù)設(shè)置見表1。A,B,C為選擇的測溫點(diǎn)，TA=303.1517 K、TB=308.7321 K、TC=316.7450 K；水與3個硅油腔換熱之后，出口溫度上升了13.5 K。因此利用黏性摩擦熱水器可以有效地獲得熱水，在實(shí)際應(yīng)用時可根據(jù)升溫需要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。

圖4 溫度分布

表1 可行性驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置

3.2.2 黏性摩擦熱水器與風(fēng)機(jī)的功率匹配

Pμ=NπμωkR4

(1)

(2)

式中Pμ——黏性摩擦熱水器的功率N——旋轉(zhuǎn)碟片的數(shù)量k——一個由結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)確定的常數(shù)，在表1的參數(shù)條件下其值為2812[14]

P——輸出功率

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)

ρ——空氣密度

V1——設(shè)計(jì)風(fēng)速

D——風(fēng)輪直徑

η1——發(fā)電機(jī)效率

η2——傳動效率

在操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出整個摩擦碟片式熱水器的功率為1953W。

根據(jù)式(1)計(jì)算出加熱器功率，與風(fēng)機(jī)的功率進(jìn)行匹配。為了保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行和輸出功率平穩(wěn)，采用3葉片式扇葉設(shè)計(jì)。根據(jù)式(2)可以確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的半徑大小為3.28m。

3.2.3 參數(shù)影響分析

圖5所示為摩擦碟片半徑R對水溫的影響。隨著R的增大，硅油腔內(nèi)A，B，C 3個測溫點(diǎn)的水溫均在上升。這是因?yàn)镽增大會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)碟片的最大線速度增大、使得黏性力增大，同時黏性摩擦面積也隨之增大，因此黏性摩擦力做功增加、轉(zhuǎn)化獲得的熱量增大，A,B,C 3個水腔的水溫上升。

圖5 半徑R對水溫的影響

圖6所示為轉(zhuǎn)速ω對水溫的影響，水溫與轉(zhuǎn)速呈近似線性關(guān)系。

圖6 轉(zhuǎn)速ω對水溫的影響

當(dāng)摩擦碟片半徑R一定時，轉(zhuǎn)速ω與線速度u呈線性關(guān)系。因此ω增大導(dǎo)致沿硅油室間隙的硅油速度梯度du/dy近似線性增大，而硅油黏度μ在計(jì)算中設(shè)置為定值，故摩擦應(yīng)力τ、產(chǎn)生的熱量及溫升均近似線性增加。圖7所示為水入口流量Q對于水溫的影響。A,B,C 3處的水溫隨水入口流量的增大而降低。在黏性力做功一定的條件下，硅油提供的熱量一定，當(dāng)入口流量增大時，一方面水流速度加快，減少了換熱時間，另一方面水流流量加大，加熱到相同溫度需要的熱量增多，二者的共同作用導(dǎo)致水的溫升隨水入口流量的增加而降低。

圖7 水入口流量Q對于水溫的影響

圖8所示為硅油黏度μ對水溫的影響。隨著發(fā)熱介質(zhì)，即硅油動力黏度μ的增大，A、B、C 3處的水溫都線性增大，因?yàn)閯恿︷ざ圈痰脑龃笾苯訉?dǎo)致黏性應(yīng)力τ的線性增長，進(jìn)而導(dǎo)致黏性力做功及轉(zhuǎn)化的熱量也線性增長。

圖8 硅油黏度μ對于水溫的影響

圖9所示為硅油室間隙H對水流溫度的影響。

圖9 硅油室間隙H對于水溫的影響

從圖9可看出，隨著硅油室間隙的增大，A,B,C 3處的溫度有所上升，但是幅度很小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是2種作用抵消的結(jié)果：首先硅油室間隙增大會導(dǎo)致硅油速度梯度du/dy的下降，進(jìn)而黏性力τ下降、做功減少，但是間隙增大的同時也增大了水流和摩擦介質(zhì)的換熱面積，一定程度上增加了換熱時間，有利于流體溫度的升高。因此硅油室間隙對水溫的影響不大。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了風(fēng)力黏性摩擦熱水器的基本結(jié)構(gòu)，分析了熱水功能實(shí)現(xiàn)的基本原理。

(2)借助CFD軟件建立了黏性摩擦熱水器內(nèi)流體流動和傳熱行為分析的二維軸對稱旋轉(zhuǎn)湍流模型。

(3)利用該CFD模型對風(fēng)力黏性摩擦熱水器的可行性進(jìn)行了分析，證實(shí)了采用黏性摩擦熱水器熱水是可行的，并對熱水器與風(fēng)力進(jìn)行了功率匹配。

(4)利用該CFD模型對黏性摩擦熱水器的主要結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對熱水器性能的影響進(jìn)行了分析，得出提高黏性摩擦換熱器的熱水溫度的方法：增大摩擦碟片轉(zhuǎn)速和半徑、高黏性介質(zhì)黏度，減小水入口流量。在實(shí)際設(shè)計(jì)和操作中，可以通過增大碟片面積和提高介質(zhì)黏度來提高黏性摩擦換熱器的熱能轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而提高風(fēng)能機(jī)械能的利用率。

[1] 吳蒙.電熱水器標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].家電科技，2013(11):52-54.

[2] 蔡瑩，秦朝葵.燃?xì)鉄崴骷夹g(shù)進(jìn)展[J].煤氣與熱力，2006(11):34-37.

[3] 李明,鄭土逢,季旭,等.立面陽臺式太陽能熱水器的性能特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(10):228-232.

[4] 馬本,宋國君,杜倩倩.中國太陽能熱水器成本分析方法與應(yīng)用研究[J].中國人口、資源與環(huán)境，2012,22(11): 150-156.

[5] 楊彥虎,李建軍.空氣能熱水器在鈾礦山企業(yè)中的應(yīng)用[J].中國給水排水,2009,25(20):70-72.

[6] 苗文憑,吳永明,張建成.空氣源熱泵熱水器的可靠性研究[J].流體機(jī)械,2011,39(12):74-79.

[7] 仝高強(qiáng),朱興旺,蘇寧貴,等.循環(huán)加熱污水源熱泵熱水器運(yùn)行性能的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2014,42(5): 71-73.

[8] 彭好義,周孑民,孫賀,等.太陽能熱泵熱水器加熱性能的試驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械,2007,35(3):60-62.

[9] 安強(qiáng).排風(fēng)熱回收空氣源熱泵熱水器在礦山上的應(yīng)用研究[J].中國給水排水,2012,28(23):101-103.

[10] 王剛，微循環(huán)旋流自發(fā)電家用熱水器[P].CN203274220U，2013.3.7，實(shí)用新型.

[11] 謝啟標(biāo)，一種可進(jìn)行線性調(diào)控的自發(fā)電燃?xì)鉄崴鱗P].CN105157206A，2015.8.21，發(fā)明專利.

[12] 金光，王正文，吳晅，等.混合式土壤源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望[J].流體機(jī)械，2016，44(2)：82-88.

[13] 徐超，許志貴，何偉校，等.基于ANSYS的火管鍋爐管板應(yīng)用分析[J].壓力容器，2015，32(7)：52-58.

[14] 聶尊進(jìn)，自發(fā)電式燃?xì)鉄崴鱗P].CN203286746U，2013.5.29，實(shí)用新型.

CFD Simulation on Heating Performance of Wind Powered Viscous Frictional-heater

YI Chen，MA Qing-fen，LI Meng

(Hainan University,Haikou 570228,China)

A wind powered viscous frictional heater,a novel type of energy-saving and environment-friendly water heater,was proposed and its structure and principle were analyzed.In virtue of CFD software,the flow and heat transfer behavior of two fluids in the heater were simulated,its feasibility to heating water was verified,and its power match with wind turbine was performed.Furthermore,the influences of key structural and operational parameters on the water heating performance were predicted based on a series of simulating experiments.The results showed that increasing the radius and rotational speed of frictional-disc,increasing the viscosity of silicon oil and decreasing the inlet flow rate of water,could enhance the water heating performance of the water heater.These principles would be helpful to guide the determination of the structural and operational parameters of wind powered viscous frictional-heater in the specific application fields.

water heater;wind energy;viscous-friction;CFD simulation

1005-0329(2017)03-0061-04

2016-06-30

2016-11-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51349009)；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20165182)

TH12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.013

易郴(1990-)，男，在讀碩士研究生，E-mail:innocencei@qq.com。

馬慶芬(1980-)，女，副教授，研究方向?yàn)樾履茉蠢眉八幚砑夹g(shù)，通訊地址：570228 海南?？谑泻Ｄ洗髮W(xué)研發(fā)樓407室,E-mail：mqf0920@163.com。