风力黏性摩擦热水器加热性能的CFD仿真分析

易 郴，马庆芬，李 萌

(海南大学，海南海口 570228)

风力黏性摩擦热水器加热性能的CFD仿真分析

易 郴，马庆芬，李 萌

(海南大学，海南海口 570228)

提出一种直接将风能转化为摩擦热能的新型环保节能热水器——风力黏性摩擦热水器，分析了其结构和工作原理。借助CFD软件建立二维轴对称旋转湍流模型，对风力黏性摩擦热水器内2种流体的流动、传热过程进行了模拟，验证了其实现热水功能的可行性，并与风机进行了功率匹配。利用所建CFD模型数值研究了黏性摩擦热水器关键参数对加热性能的影响，结果表明：增大黏性摩擦热水器摩擦碟片半径、转速和硅油黏度，减小入口水流量，可以提高黏性摩擦换热器的加热性能，该结果对风力黏性摩擦热水器实际应用时结构参数和操作参数的确定具有指导作用。

热水器；风能；黏性摩擦；CFD仿真

1 前言

热水器是工业生产及家庭生活热水供应的必需设备，从20世纪90年代开始，我国就制定了电热水器的相关标准GB 4706.11和GB 4709.12，电热水器开始在我国迅速发展，但是其电能的消耗会引起较高的运行成本[1]。燃气热水器成本低廉、加热迅速，但仍需消耗化石能源，并且易产生有毒气体，存在安全隐患[2]。近10年来，太阳能热水器获得了迅猛发展，但是太阳能热水器局限性较大，在太阳能资源丰富的西北、华北地区，太阳能热水器成本较低，而在太阳能缺乏的西南地区，成本较高，不宜全国范围内推广[3,4]。19世纪初，英国物理学家J P Joule提出了“通过改变可压缩流体的压力使其温度变化”的原理，人们将这一原理应用到热水器上，发明了空气能热水器。空气能热水器具有节能、安全、便捷、环保等等优势，但是无法在低温下工作，并且配套设备尺寸很大，不适合家用[5]。热泵式热水器按照能源和介质不同主要分为空气源热泵热水器、水源热泵热水器、太阳能热泵热水器、废热源热泵热水器等[6～9]。热泵式热水器具备安全性好、环保性好的优点，但是制造成本较高，一次性投入较大。发电式热水器是近几年新出现的一种热水器[10～14]，热水器通过自身发电，辅助或完全实现加热功能，可消除燃气直接利用的安全隐患或节约能耗，但是风能发电的效率也不高，而且在这一过程中能量的转化要经历两次，会产生更多的能量损失，同时设备还需要配备风能发电的相应装备，会增加设备成本和维护费用。

本文提出一种直接利用风能实现热水功能的方案——风力旋转碟片式黏性摩擦热水器。该设备利用风机带动摩擦碟片旋转、与高黏性介质摩擦产生热能，再通过间壁换热实现冷水升温加热。加热过程中，风能直接向热能转化，减少了电能转化环节，可有效简化系统设备组成、降低能量损失、有利于提高新能源利用率。本文对这种风力热水器结构设计和原理进行分析，并建立CFD仿真模型，对热水器内部各种流体的流动、传热过程进行数值试验，同时探索该热水器与风能输入的耦合方法。

2 结构及原理

风力黏性摩擦热水器的结构如图1所示。该设备由风机、齿轮箱、转轴、摩擦碟片、硅油室、壳体、折流板、冷水入口、热水出口组成，壳体与硅油室之间形成水腔。达到启动风速后，风机启动，带动设备转轴转动；摩擦碟片浸泡于硅油之中，在转轴的带动下旋转，与静止的硅油室内的硅油产生相对运动，黏性力做功，使硅油温度上升。同时冷水由上方的冷水入口进入，在折流板的导向下流动，通过硅油室的换热壁面与高温硅油充分换热，达到升温加热的目的，最终经由下方的热水出口排出。硅油与水的换热过程与环境隔绝，不会产生额外的热量耗散。

图1 风力黏性摩擦热水器结构示意

3 CFD仿真和分析

3.1 CFD模型的建立

3.1.1 几何模型

流体在黏性摩擦热水器中是三维流动，但是基于设备的轴对称性，可以将三维流动问题转化为二维轴对称流动问题求解，这样可以大大减少网格数量，并提高计算精度。图2所示为黏性摩擦热水器的简化几何模型及网格划分。划分网格时，网格的大小通过网格独立性分析确定，最终采用2mm × 2mm均匀分布的结构化网格。

图2 简化几何模型及网格划分

3.1.2 控制方程

黏性摩擦热水器内硅油和水2种流体的流动和传热过程采用二维轴对称旋转湍流模型模拟。控制方程组包括连续性方程、二维N-S方程和能量方程，采用标准k-ε湍流模型计算湍流黏性。求解过程中各控制方程在每个时间步长的计算结束时残差均小于10-3，具有良好的收敛性。

3.1.3 边界条件

流体域包括硅油域和水域；设置黏性模型时引入了黏性加热作用(Viscous Heating)；边界条件设置为：冷水入口—Mass Inlet，热水出口—Outflow，转轴—Axis，壳体和腔体—Stated-wall，旋转碟片—Rotated wall。

3.2 仿真结果和讨论

3.2.1 可行性分析

图3所示为设备内流体速度分布。水腔中的速度基本没有变化，为0.12 m/s左右。硅油在旋转碟片的带动下与硅油腔发生相对运动，速度在径向上呈递增的趋势，在碟片半径最大处达到极值1.2 m/s；轴向速度呈梯度分布，靠近旋转碟片的高，远离旋转碟片的低，在硅油室壁面为0，这种速度梯度的存在产生了黏性力，进而依次转化为硅油、水的热量，达到热水的目的。

图3 速度分布

图4为一定参数条件下设备运行稳定后的温度分布，参数设置见表1。A,B,C为选择的测温点，TA=303.1517 K、TB=308.7321 K、TC=316.7450 K；水与3个硅油腔换热之后，出口温度上升了13.5 K。因此利用黏性摩擦热水器可以有效地获得热水，在实际应用时可根据升温需要调节结构和操作参数。

图4 温度分布

表1 可行性验证参数设置

3.2.2 黏性摩擦热水器与风机的功率匹配

Pμ=NπμωkR4

(1)

(2)

式中Pμ——黏性摩擦热水器的功率N——旋转碟片的数量k——一个由结构和操作参数确定的常数，在表1的参数条件下其值为2812[14]

P——输出功率

Cp——风能利用系数

ρ——空气密度

V1——设计风速

D——风轮直径

η1——发电机效率

η2——传动效率

在操作参数和结构参数确定之后，根据式(1)可以计算出整个摩擦碟片式热水器的功率为1953W。

根据式(1)计算出加热器功率，与风机的功率进行匹配。为了保证风机运行和输出功率平稳，采用3叶片式扇叶设计。根据式(2)可以确定风力发电机叶片的半径大小为3.28m。

3.2.3 参数影响分析

图5所示为摩擦碟片半径R对水温的影响。随着R的增大，硅油腔内A，B，C 3个测温点的水温均在上升。这是因为R增大会导致旋转碟片的最大线速度增大、使得黏性力增大，同时黏性摩擦面积也随之增大，因此黏性摩擦力做功增加、转化获得的热量增大，A,B,C 3个水腔的水温上升。

图5 半径R对水温的影响

图6所示为转速ω对水温的影响，水温与转速呈近似线性关系。

图6 转速ω对水温的影响

当摩擦碟片半径R一定时，转速ω与线速度u呈线性关系。因此ω增大导致沿硅油室间隙的硅油速度梯度du/dy近似线性增大，而硅油黏度μ在计算中设置为定值，故摩擦应力τ、产生的热量及温升均近似线性增加。图7所示为水入口流量Q对于水温的影响。A,B,C 3处的水温随水入口流量的增大而降低。在黏性力做功一定的条件下，硅油提供的热量一定，当入口流量增大时，一方面水流速度加快，减少了换热时间，另一方面水流流量加大，加热到相同温度需要的热量增多，二者的共同作用导致水的温升随水入口流量的增加而降低。

图7 水入口流量Q对于水温的影响

图8所示为硅油黏度μ对水温的影响。随着发热介质，即硅油动力黏度μ的增大，A、B、C 3处的水温都线性增大，因为动力黏度μ的增大直接导致黏性应力τ的线性增长，进而导致黏性力做功及转化的热量也线性增长。

图8 硅油黏度μ对于水温的影响

图9所示为硅油室间隙H对水流温度的影响。

图9 硅油室间隙H对于水温的影响

从图9可看出，随着硅油室间隙的增大，A,B,C 3处的温度有所上升，但是幅度很小。产生这种现象是2种作用抵消的结果：首先硅油室间隙增大会导致硅油速度梯度du/dy的下降，进而黏性力τ下降、做功减少，但是间隙增大的同时也增大了水流和摩擦介质的换热面积，一定程度上增加了换热时间，有利于流体温度的升高。因此硅油室间隙对水温的影响不大。

4 结论

(1)设计了风力黏性摩擦热水器的基本结构，分析了热水功能实现的基本原理。

(2)借助CFD软件建立了黏性摩擦热水器内流体流动和传热行为分析的二维轴对称旋转湍流模型。

(3)利用该CFD模型对风力黏性摩擦热水器的可行性进行了分析，证实了采用黏性摩擦热水器热水是可行的，并对热水器与风力进行了功率匹配。

(4)利用该CFD模型对黏性摩擦热水器的主要结构和操作参数对热水器性能的影响进行了分析，得出提高黏性摩擦换热器的热水温度的方法：增大摩擦碟片转速和半径、高黏性介质黏度，减小水入口流量。在实际设计和操作中，可以通过增大碟片面积和提高介质黏度来提高黏性摩擦换热器的热能转化效率，进而提高风能机械能的利用率。

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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

国家自然科学基金项目(51349009)；海南省自然科学基金项目(20165182)

TH12

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.013

易郴(1990-)，男，在读硕士研究生，E-mail:innocencei@qq.com。

马庆芬(1980-)，女，副教授，研究方向为新能源利用及水处理技术，通讯地址：570228 海南海口市海南大学研发楼407室,E-mail：mqf0920@163.com。