北京市太陽能研究所集團(tuán)有限公司 ■ 律翠萍
分離式太陽能熱水系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是儲熱水箱和集熱器的分離,熱媒通過換熱器與水箱內(nèi)的水換熱。水箱換熱器面積應(yīng)根據(jù)用戶用水負(fù)荷、集熱器面積和當(dāng)?shù)剌椪涨闆r進(jìn)行計(jì)算。換熱器面積配置過低,會提高集熱循環(huán)的平均工作溫度,降低太陽能系統(tǒng)效率。因此儲熱水箱的合理設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵之一。
集熱器吸收太陽輻射能轉(zhuǎn)化成熱能,傳給循環(huán)管路中的熱媒。熱媒通過循環(huán)管路進(jìn)行溫差循環(huán):當(dāng)集熱器溫度與水箱換熱器的溫度差高于溫差循環(huán)啟動值時,循環(huán)泵啟動;當(dāng)兩者的溫差降到溫差循環(huán)停止時,循環(huán)泵停止。當(dāng)熱媒流經(jīng)放熱盤管時,放出熱量,通過換熱管管壁的熱傳導(dǎo),將水箱中的水加熱,完成熱交換過程。
水箱與盤管可組成一個容積式浮動盤管換熱器。浮動盤管型換熱器與套管型管換熱器相比,其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在傳熱系數(shù)K值有所提高、容積利用率提高、能自動脫垢等幾個方面。
集熱器集熱面積A為4.26m2,水箱容積300L,水箱內(nèi)水溫度57℃,盤管進(jìn)出口溫度分別為64℃、58℃。盤管內(nèi)走飽和水,水的流向?yàn)楦哌M(jìn)低出。盤管與水箱的設(shè)計(jì)壓力均為0.6MPa。
(1)換熱量計(jì)算
盤管換熱器最大換熱量計(jì)算公式為:
式中:η為集熱器效率,取50%;A為集熱器換熱面積,取4.26m2;qsun為集熱器每m2得熱量,取800W/m2。
(2)平均溫差計(jì)算
(3)傳熱系數(shù)計(jì)算
式中:α1為管內(nèi)強(qiáng)迫對流換熱系數(shù);α2為管外自然對流換熱系數(shù)。
①管內(nèi)換熱系數(shù)計(jì)算
管內(nèi)工質(zhì)是水,據(jù)測試數(shù)據(jù),盤管進(jìn)出口溫度設(shè)定為64℃和58℃,則定性溫度為進(jìn)出口平均溫度(61℃),定性尺寸取盤管內(nèi)徑di=0.013m,61℃時飽和水的物性參數(shù)值:
動力粘度μ=4.635×10-4kg/(m·s);
密度ρ=982.57kg/m3;普朗特?cái)?shù)Pr=2.946;
運(yùn)動粘度υ=0.4717×10-6m2/s;
導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.6599W/(m·℃)。
查熱水供暖系統(tǒng)管道水力計(jì)算表(按平均水溫60℃,相應(yīng)密度為983.248kg/m3,管子的絕對粗糙度為0.2mm)知,當(dāng)管徑為15mm時,管內(nèi)水的流速ω不大于0.48m/s,因此取管內(nèi)工質(zhì)流速ω為0.42m/s,則管內(nèi)工質(zhì)的雷諾數(shù)為:
管內(nèi)流動為湍流,為管內(nèi)受迫對流。
我國工程計(jì)算中,對于液體螺旋流最常用的公式為:
則管內(nèi)換熱系數(shù)為:
b.管外換熱系數(shù)計(jì)算
管外水箱內(nèi)是飽和水,據(jù)測試數(shù)據(jù),水箱內(nèi)溫度設(shè)定為57℃。由于水箱內(nèi)液體體積大,流速低,整個水箱的溫度對工況的改變不敏感,一般變化較慢,取57℃為定性溫度,管外徑0.015m為定性尺寸,查得57℃時飽和水的物性參數(shù)值為:
動力粘度μ=4.94×10-4kg/(m·s);
密度ρ=984.6kg/m3;
運(yùn)動粘度υ=0.5014×10-6m2/s;
導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.6557W/(m·℃);
體積膨脹系數(shù)β=5.025×10-4K-1; Pr=3.155。
對容積式浮動盤管換熱器來說,由于水箱內(nèi)液體體積大,流速低,因而管外液體中的傳熱為自然對流換熱,按《熱工手冊》式(5-9-11)水平圓管自然對流換熱計(jì)算,即:
則管外換熱系數(shù)為:
式中,1.02為彎管修正系數(shù)。λ為不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)(一般盤管采用不銹鋼加工制成),查《傳熱學(xué)》附錄手冊,不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)取17W/(m·℃),以圓管外側(cè)為基準(zhǔn),其傳熱系數(shù)K為:
(4)計(jì)算加熱盤管的換熱面積
式中:F為熱交換器加熱面積,m2;q為換熱量,W;ε為由于水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱系數(shù)效率的系數(shù),一般采用0.6~0.8,取0.7;K為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);Cr為熱損失系數(shù),一般采用1.1~1.2,取1.2;芓m為熱媒與被加熱水的計(jì)算溫度差,℃。
浮動螺旋盤管選用?15mm、壁厚1mm的不銹鋼管,換熱面積為1.48m2,則加熱盤管的長度L為:L=F/(3.14×0.015)=31.4m。
盤管的總壓力降包括沿程阻力、回彎阻力和進(jìn)出口連接管阻力。
因盤管總壓力降小于允許值0.3×105Pa,故本熱力設(shè)計(jì)符合要求。
在設(shè)計(jì)盤管換熱器時,應(yīng)綜合考慮各參數(shù)對盤管換熱器的傳熱、流動阻力及安全性能的影響。本文設(shè)計(jì)的盤管換熱水箱完全能滿足熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。