分析平板集熱器板芯焊接傳熱性能

摘 要：吸熱翅片與銅管組成了平板太陽能產(chǎn)品的“心臟”，其膜層吸熱、發(fā)射比很大程度上決定了熱量吸收與散熱的程度，而熱量進一步傳導(dǎo)又與銅管和翅片的焊接工藝密切相關(guān)。本文針對主流的超聲波與激光兩種焊接工藝的傳熱性能進行了理論計算和仿真模擬分析，得出無論采用哪種焊接，熱量的傳遞快慢和溫度的分布取決于焊點的排列方式和總接觸面積的大小，并給出了一種采用雙排焊的建議。 　　0 引言 　　太陽能熱水器是太陽能光熱利用中技術(shù)最成熟、實際應(yīng)用最多的節(jié)能產(chǎn)品。我國的太陽能熱水器保有量居世界第一，然而國內(nèi)平板太陽能集熱產(chǎn)品利用率非常低。前幾年，平板太陽能熱水器的市場占有率只有5%左右，而國外，平板太陽能熱水器占市場銷售份額的95%以上，這里既有國情也有技術(shù)方面的因素。 　　隨著社會和技術(shù)的不斷進步以及建筑相結(jié)合的要求，高品質(zhì)的平板型太陽能集熱器是必然趨勢。 　　焊接工藝的優(yōu)劣對平板太陽能集熱器的熱傳遞起到?jīng)Q定性的作用。目前主流的焊接有激光焊和超聲波焊，平板太陽能集熱器吸熱板主要采用鋁片和銅片兩種，而流道基本都采用銅管，這兩種焊接方法在實際運用中各有千秋。 　　激光技術(shù)是采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束。通過脈沖瞬間發(fā)出的激光焦點達到上千℃，會在幾ms內(nèi)將金屬材料熔化和蒸發(fā)，利用這一效應(yīng)來進行太陽能集熱器板芯流道與高選擇性吸熱涂層的焊接，屬于非接觸式焊接。它的優(yōu)勢在于所焊工件上不需要加壓，整體變形小，能夠最小程度破壞吸熱涂層表面；但激光焊接也會影響焊接物體物理結(jié)構(gòu)的變化，焊點受冷熱交替沖擊頻繁易導(dǎo)致斷裂，強度較差，這對于平板集熱器晝夜間歇工作導(dǎo)致的冷熱交替影響尤為致命。 　　超聲波金屬焊接是利用超聲波高頻機械振動產(chǎn)生的高密度能量，只是在靜壓力之下，將能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜg的摩擦功、形變能，接頭間的冶金結(jié)合是母材不發(fā)生熔化的情況下實現(xiàn)的一種固態(tài)焊接方法。 　　其優(yōu)點是焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性，焊接時間短，熔合強度高、接近冷態(tài)加工；但會破壞吸熱層3%左右，所焊接金屬不能太厚（一般≤5mm 這對于平板太陽能吸熱板焊接來說反而成為優(yōu)勢），而且因為是連續(xù)型非熔化焊接，熱傳導(dǎo)效率方面相對較好，有人做過試驗同等工況下，超聲波焊接的產(chǎn)品比激光焊熱傳導(dǎo)效率要高3%左右。 　　1 研究對象與方法 　　國際上主流平板產(chǎn)品銅板的厚度一般為0.12mm~0.2mm 之間，而銅管的壁厚多采用0.5mm，隨著銅價格的不斷上漲，企業(yè)為考慮材料成本，越來越多地選用鋁板，銅的導(dǎo)熱系數(shù)姿為390W/（m·K），鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237W/（m·K），按照熱傳導(dǎo)基本公式Q=姿×A×△T/L， 鋁板厚度達到銅板的1.65 倍（2mm~3mm）即可達到相同的傳熱速率。本文采用D10mm×0.5mm 的銅管，吸熱板厚度為3mm，寬度為120mm 的鋁翅片。 　　截取長度方向40mm為分析對象。 　　按正常集熱器循環(huán)流量假設(shè)銅管內(nèi)水的流量為0.5L/min，水溫為60益，玻璃蓋板的透過率子為0.9，選擇性吸收膜層吸收率濁為0.92，發(fā)射比著為0.1，翅片和銅管下方實際中采用保溫層故散熱可忽略，太陽輻照I為1000W/m2。這樣吸熱板芯在接收太陽輻照的同時，與玻璃蓋板之間的空氣產(chǎn)生自然對流并向蓋板紅外輻射散熱，有效能再通過焊縫傳給銅管進而加熱銅管內(nèi)的水。 　　2 傳熱數(shù)學(xué)模型建立及計算分析 　　3 仿真分析 　　在ANSYS熱分析軟件中建立模型并劃分網(wǎng)格后，把上面計算得到的邊界條件帶入模型中，求解得到吸熱翅片與銅管的溫度以及熱流密度分布圖。 　　超聲波焊接接觸面設(shè)為3mm 的連續(xù)焊縫，而激光焊接在實際生產(chǎn)中，為了提高焊接效率，通常采用在太陽能吸熱膜層上間隔3~5mm一個焊點的非連續(xù)焊，本文采用4mm 一個間隔，焊點的接觸面積為1mm2。仿真模型的網(wǎng)格劃分及結(jié)果（見圖1~ 圖10和表1）。 　　4 結(jié)論 　　從圖3、圖5、圖7、圖9 的仿真結(jié)果可以看出，在同樣的工況下，激光的點焊原因，導(dǎo)致了溫度分布和熱流密度在點焊處的高度集中，這極大地影響了翅片熱量向銅管傳遞，也將產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力；而超聲波焊接的溫度和熱流分布更加合理；由此想到在銅管兩邊同時進行焊接，即雙排激光焊接，三種焊接的仿真結(jié)果匯于表1。 　　從表1可以看出，無論對應(yīng)超聲波焊還是激光焊，熱量傳遞快慢和溫度分布集中度其本質(zhì)取決于焊點相對位置和總接觸面積大小。這從超聲波焊與激光焊銅管最大熱流密度表現(xiàn)非常明顯，兩者相差了快十倍，這表面要想把同等熱量傳給水，在焊接處需要傳遞熱量激光焊是超聲波焊的10倍，而采用雙排激光焊后只有兩倍多，在減少一半焊接速度的情況下傳熱效果要好五倍，所以這種方法是可以考慮的。 　　通過以上分析，不難發(fā)現(xiàn)，不管是激光焊接還是超聲波焊接，為了得到最佳的傳熱效果，進一步增加焊接接觸面積比為了增加焊接速度而采用非連續(xù)點焊要重要得多。當(dāng)采用連續(xù)焊（起碼采用雙排焊）后，兩者的傳熱效果是可以相同的，這也給激光焊接的技術(shù)改進提供了方向，突破這個關(guān)口后，激光焊的流行將是必然趨勢，但從目前技術(shù)水平來看超聲波焊接的傳熱效果要好于激光焊。 　　5 展望 　　由于時間和篇幅所限，在本文中只分析了設(shè)定60℃水溫，翅片120mm 寬、3mm厚這種典型工況下的傳熱性能分析。還有大量的問題有待進一步分析，比如不同水溫、不同翅片寬度和厚度以及輻照度的強弱等單個變量對傳熱速率的不同影響，通過綜合仿真分析來確定翅片的最佳寬度和厚度。 　　另外，由于平板集熱器吸熱板的大溫差工況的要求對焊點耐沖擊提出了很高的要求。激光焊接的耐冷熱頻繁沖擊性能和耐候性也需要通過試驗來判定，再結(jié)合實際的焊接工藝和材料成本等因素進行系統(tǒng)分析，從而給平板集熱器技術(shù)改進給予更全面的參考。(浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心 肖圣雁 沈斌 韓雷濤 沈金俞 袁逸中 吳曉東 徐晨暉)