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(jìn)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(duì)主流的超聲波與激光兩種焊接工藝的傳熱性能進(jìn)行了理論計(jì)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(diǎn)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(shí)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(huì)和技術(shù)的不斷進(jìn)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(shì)。 　　焊接工藝的優(yōu)劣對(duì)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(shí)際運(yùn)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(diǎn)達(dá)到上千℃，會(huì)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(jìn)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(shì)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(huì)影響焊接物體物理結(jié)構(gòu)的變化，焊點(diǎn)受冷熱交替沖擊頻繁易導(dǎo)致斷裂，強(qiáng)度較差，這對(duì)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(jī)械振動(dòng)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(shí)現(xiàn)的一種固態(tài)焊接方法。 　　其優(yōu)點(diǎn)是焊接材料不熔融，不脆弱金屬特性，焊接時(shí)間短，熔合強(qiáng)度高、接近冷態(tài)加工；但會(huì)破壞吸熱層3%左右，所焊接金屬不能太厚（一般≤5mm 這對(duì)于平板太陽能吸熱板焊接來說反而成為優(yōu)勢(shì)），而且因?yàn)槭沁B續(xù)型非熔化焊接，熱傳導(dǎo)效率方面相對(duì)較好，有人做過試驗(yàn)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(duì)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(jià)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(dá)到銅板的1.65 倍（2mm~3mm）即可達(dá)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(duì)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(shí)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(shí)，與玻璃蓋板之間的空氣產(chǎn)生自然對(duì)流并向蓋板紅外輻射散熱，有效能再通過焊縫傳給銅管進(jìn)而加熱銅管內(nèi)的水。 　　2 傳熱數(shù)學(xué)模型建立及計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)焊點(diǎn)的非連續(xù)焊，本文采用4mm 一個(gè)間隔，焊點(diǎn)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(diǎn)焊原因，導(dǎo)致了溫度分布和熱流密度在點(diǎn)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(shí)進(jìn)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(duì)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(diǎn)相對(duì)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)提供了方向，突破這個(gè)關(guān)口后，激光焊的流行將是必然趨勢(shì)，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(shí)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(jìn)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(qiáng)弱等單個(gè)變量對(duì)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(duì)焊點(diǎn)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(yàn)來判定，再結(jié)合實(shí)際的焊接工藝和材料成本等因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而給平板集熱器技術(shù)改進(jìn)給予更全面的參考。(浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心 肖圣雁 沈斌 韓雷濤 沈金俞 袁逸中 吳曉東 徐晨暉)