研究換熱儲水箱沉浸式換熱器

摘要：本文介紹了換熱儲水箱沉浸式盤管換熱器的有效換熱面積、材料。分析了換熱器作為太陽能換熱水系統(tǒng)換熱裝置的有效換熱面積，重點研究了強制循環(huán)系統(tǒng)的換熱器的傳熱系數(shù)，換熱器材料對強制循環(huán)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)的影響。得到了實際太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用的換熱器有效面積的確定，材料的選擇，最后闡述了分析結(jié)果對太陽能熱水系統(tǒng)的實際指導(dǎo)意義。 　　0前言 　　隨著化石能源的日益枯竭，推廣太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能產(chǎn)品已成為國際社會的共識，特別是能夠與建筑結(jié)合的分體式太陽能熱水系統(tǒng)，因此落地式換熱水箱和壁掛式換熱水箱需求量在逐步增長。換熱器作為換熱水箱的重要部件將直接影響整個系統(tǒng)的效率，如果換熱器的換熱面積太大將造成材料浪費，材料成本上升，極大地浪費資源。換熱器面積的研究和換熱器材料的選擇顯得非常的重要。 　　本文通過傳熱系數(shù)的數(shù)學建模，著重討論分體式太陽能熱水系統(tǒng)的換熱面積、換熱器材料。 　　1沉浸式盤管換熱器傳熱系數(shù)的數(shù)學模型 　　對于強制循環(huán)分體式太陽能熱水系統(tǒng)，熱量從換熱器傳遞給水箱需要經(jīng)過三個傳熱過程：1. 首先是換熱器盤管內(nèi)強制對流傳熱，管內(nèi)強制對流熱阻，它與水的流速，以及相應(yīng)溫度下介質(zhì)的物性參數(shù)（黏度、普朗特數(shù)）有關(guān)； 　　需要預(yù)備的參數(shù)：流量、管徑求出管內(nèi)水流速度；根據(jù)盤管的進出口水溫定性確定水的黏度；根據(jù)流速、管徑和黏度計算出雷諾數(shù)；普朗特數(shù)可以查表得到。 　　計算努塞爾數(shù)并據(jù)此得到對流換熱系數(shù)和熱阻。 　　2. 其次是內(nèi)管壁導(dǎo)熱到外管壁的熱阻R壁，它與材料的導(dǎo)熱系數(shù)姿，材料的壁厚啄有關(guān)； 　　已知304 不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)為13.8W/（m·k），管壁厚度為1mm，則導(dǎo)熱熱阻 　　  　　3.最后熱量通過自然對流換熱，管外對流換熱熱阻R外。 　　管外對流換熱熱阻是換熱器最主要的熱阻；由于太陽能熱水系統(tǒng)白天在運行時，水箱內(nèi)的水是幾乎不流動的，因此只考慮管外的自然對流換熱。 　　Gr為格拉曉夫數(shù)；無量綱，表征浮升力和黏滯力的比值大小。 　　2換熱器材料的選擇 　　目前強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)，換熱器裝置在水箱內(nèi)的方式使用較為廣泛，對于該類換熱器的材料市場上主要有紫銅管、不銹鋼管、碳鋼管（外表面搪瓷)三種，但是在選擇換熱器材料時常常困擾著一些生產(chǎn)企業(yè)，大家的潛意識中認為紫銅管的導(dǎo)熱系數(shù)最大，用紫銅管作為換熱器就一定會有很大的傳熱系數(shù)。 　　上面第一節(jié)有詳細介紹強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)換熱水箱的傳熱過程，換熱水箱的傳熱過程主要有管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)a內(nèi)、管壁導(dǎo)熱熱阻a壁以及管外自然對流換熱系數(shù)a外，表1是針對同樣的管徑，同樣的工況的換熱器的傳熱系數(shù)。 　　備注：1. 表中相關(guān)參數(shù)計算的關(guān)聯(lián)系數(shù)的物性參數(shù)是以水箱內(nèi)的均溫為32.5℃，換熱器的均溫為40℃查表獲?。? 　　2.流量是以150L/h（流量的選取參考150L強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)驗值）。 　　從上表1可以看出，不同材料的換熱器在該系統(tǒng)中傳熱系數(shù)的變化主要在于管壁導(dǎo)熱熱阻R 壁的變化，但是它對于總的傳熱熱阻所占的比重較小，因此可以得出相同規(guī)格的不同材質(zhì)的換熱器對于強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)傳熱過程影響較小。 　　通過如下幾點，我們可以確定不銹鋼材料是最佳的換熱器材料： 　　1. 紫銅管的市場價格比304不銹鋼管的貴； 　　2. 紫銅與不銹鋼內(nèi)膽在連接上存在較大的困難，不同的材料會有不同的電位差，相互接觸會有嚴重的電偶腐蝕； 　　3. 對于紫銅管和鋼制內(nèi)膽的連接，目前市場主要使用卡套式連接，但是該方式連接有非常大的質(zhì)量隱患，因此我們在選用紫銅管作為鋼制水箱的換熱器要慎重； 　　4. 另外搪瓷鋼盤管，由于搪瓷水箱的生產(chǎn)廠家目前的處理工藝只是對鋼盤管的外壁進行搪瓷，內(nèi)壁基本上只是作簡單的防銹處理，在系統(tǒng)中必須采用添加緩蝕劑的防凍液作為循環(huán)介質(zhì)。 　　總的來說，從成本、性能、耐腐蝕等諸多方面考慮，不銹鋼盤管作為鋼制水箱的換熱器具有很多的優(yōu)勢。 　　3太陽能熱水系統(tǒng)換熱面積的確定 　　對于強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)中換熱器面積的確定，在很多專業(yè)書籍上都有介紹，但是整個過程的計算非常復(fù)雜，而且通常是采用外置雙回路換熱器及將換熱器與太陽能集熱器合并的方式來進行分析，而這種系統(tǒng)僅在大的工程上被采用。但是對于家用太陽熱水系統(tǒng)，市場上大部分換熱器都是在水箱內(nèi)部，采用螺旋盤管結(jié)構(gòu)，我們可以采用下面的方式確定換熱器的面積。 　　以下是換熱器的傳熱計算的基本公式： 　　下面以300L太陽能熱水系統(tǒng)為例： 　　300L分體太陽能熱水系統(tǒng)通常配置2塊1000mm×2000mm的平板集熱器，太陽光輻照取最大值為1000W/m2，平板集熱器的瞬時效率為0.82，瞬時最大的峰值功率為3280W，Q太為3280W，太陽能熱水系統(tǒng)要獲得較高的效率，水箱的換熱器必須將瞬間的熱量進行傳遞，因此可以得到： 　　4結(jié)論 　　本文對太陽能換熱水箱的換熱器進行了分析，尤其是對換熱器的傳熱過程，材料的\ 選擇，換熱器面積確定進行了分析，得出以下結(jié)論： 　　1. 對分體承壓太陽能熱水系統(tǒng)的水箱沉浸式換熱器的傳熱系數(shù)進行了數(shù)學建模； 　　2. 對目前市場換熱器材料進行了分析，得出不銹鋼換熱器從成本上、耐腐蝕性上考慮是最佳的材料； 　　3. 對于不同規(guī)格的太陽能熱水系統(tǒng)給出了參考換熱器的面積。