分析平板集热器板芯焊接传热性能

摘 要：吸热翅片与铜管组成了平板太阳能产品的“心脏”，其膜层吸热、发射比很大程度上决定了热量吸收与散热的程度，而热量进一步传导又与铜管和翅片的焊接工艺密切相关。本文针对主流的超声波与激光两种焊接工艺的传热性能进行了理论计算和仿真模拟分析，得出无论采用哪种焊接，热量的传递快慢和温度的分布取决于焊点的排列方式和总接触面积的大小，并给出了一种采用双排焊的建议。 　　0 引言 　　太阳能热水器是太阳能光热利用中技术最成熟、实际应用最多的节能产品。我国的太阳能热水器保有量居世界第一，然而国内平板太阳能集热产品利用率非常低。前几年，平板太阳能热水器的市场占有率只有5%左右，而国外，平板太阳能热水器占市场销售份额的95%以上，这里既有国情也有技术方面的因素。 　　随着社会和技术的不断进步以及建筑相结合的要求，高品质的平板型太阳能集热器是必然趋势。 　　焊接工艺的优劣对平板太阳能集热器的热传递起到决定性的作用。目前主流的焊接有激光焊和超声波焊，平板太阳能集热器吸热板主要采用铝片和铜片两种，而流道基本都采用铜管，这两种焊接方法在实际运用中各有千秋。 　　激光技术是采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束。通过脉冲瞬间发出的激光焦点达到上千℃，会在几ms内将金属材料熔化和蒸发，利用这一效应来进行太阳能集热器板芯流道与高选择性吸热涂层的焊接，属于非接触式焊接。它的优势在于所焊工件上不需要加压，整体变形小，能够最小程度破坏吸热涂层表面；但激光焊接也会影响焊接物体物理结构的变化，焊点受冷热交替冲击频繁易导致断裂，强度较差，这对于平板集热器昼夜间歇工作导致的冷热交替影响尤为致命。 　　超声波金属焊接是利用超声波高频机械振动产生的高密度能量，只是在静压力之下，将能量转变为工件间的摩擦功、形变能，接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接方法。 　　其优点是焊接材料不熔融，不脆弱金属特性，焊接时间短，熔合强度高、接近冷态加工；但会破坏吸热层3%左右，所焊接金属不能太厚（一般≤5mm 这对于平板太阳能吸热板焊接来说反而成为优势），而且因为是连续型非熔化焊接，热传导效率方面相对较好，有人做过试验同等工况下，超声波焊接的产品比激光焊热传导效率要高3%左右。 　　1 研究对象与方法 　　国际上主流平板产品铜板的厚度一般为0.12mm~0.2mm 之间，而铜管的壁厚多采用0.5mm，随着铜价格的不断上涨，企业为考虑材料成本，越来越多地选用铝板，铜的导热系数姿为390W/（m·K），铝的导热系数为237W/（m·K），按照热传导基本公式Q=姿×A×△T/L， 铝板厚度达到铜板的1.65 倍（2mm~3mm）即可达到相同的传热速率。本文采用D10mm×0.5mm 的铜管，吸热板厚度为3mm，宽度为120mm 的铝翅片。 　　截取长度方向40mm为分析对象。 　　按正常集热器循环流量假设铜管内水的流量为0.5L/min，水温为60益，玻璃盖板的透过率子为0.9，选择性吸收膜层吸收率浊为0.92，发射比着为0.1，翅片和铜管下方实际中采用保温层故散热可忽略，太阳辐照I为1000W/m2。这样吸热板芯在接收太阳辐照的同时，与玻璃盖板之间的空气产生自然对流并向盖板红外辐射散热，有效能再通过焊缝传给铜管进而加热铜管内的水。 　　2 传热数学模型建立及计算分析 　　3 仿真分析 　　在ANSYS热分析软件中建立模型并划分网格后，把上面计算得到的边界条件带入模型中，求解得到吸热翅片与铜管的温度以及热流密度分布图。 　　超声波焊接接触面设为3mm 的连续焊缝，而激光焊接在实际生产中，为了提高焊接效率，通常采用在太阳能吸热膜层上间隔3~5mm一个焊点的非连续焊，本文采用4mm 一个间隔，焊点的接触面积为1mm2。仿真模型的网格划分及结果（见图1~ 图10和表1）。 　　4 结论 　　从图3、图5、图7、图9 的仿真结果可以看出，在同样的工况下，激光的点焊原因，导致了温度分布和热流密度在点焊处的高度集中，这极大地影响了翅片热量向铜管传递，也将产生更大的温度应力；而超声波焊接的温度和热流分布更加合理；由此想到在铜管两边同时进行焊接，即双排激光焊接，三种焊接的仿真结果汇于表1。 　　从表1可以看出，无论对应超声波焊还是激光焊，热量传递快慢和温度分布集中度其本质取决于焊点相对位置和总接触面积大小。这从超声波焊与激光焊铜管最大热流密度表现非常明显，两者相差了快十倍，这表面要想把同等热量传给水，在焊接处需要传递热量激光焊是超声波焊的10倍，而采用双排激光焊后只有两倍多，在减少一半焊接速度的情况下传热效果要好五倍，所以这种方法是可以考虑的。 　　通过以上分析，不难发现，不管是激光焊接还是超声波焊接，为了得到最佳的传热效果，进一步增加焊接接触面积比为了增加焊接速度而采用非连续点焊要重要得多。当采用连续焊（起码采用双排焊）后，两者的传热效果是可以相同的，这也给激光焊接的技术改进提供了方向，突破这个关口后，激光焊的流行将是必然趋势，但从目前技术水平来看超声波焊接的传热效果要好于激光焊。 　　5 展望 　　由于时间和篇幅所限，在本文中只分析了设定60℃水温，翅片120mm 宽、3mm厚这种典型工况下的传热性能分析。还有大量的问题有待进一步分析，比如不同水温、不同翅片宽度和厚度以及辐照度的强弱等单个变量对传热速率的不同影响，通过综合仿真分析来确定翅片的最佳宽度和厚度。 　　另外，由于平板集热器吸热板的大温差工况的要求对焊点耐冲击提出了很高的要求。激光焊接的耐冷热频繁冲击性能和耐候性也需要通过试验来判定，再结合实际的焊接工艺和材料成本等因素进行系统分析，从而给平板集热器技术改进给予更全面的参考。(浙江省太阳能产品质量检验中心 肖圣雁 沈斌 韩雷涛 沈金俞 袁逸中 吴晓东 徐晨晖)