劉嘯, 王文麗, 張國慶, 高文峰, 付鴻凱

(云南師范大學(xué),云南 昆明 650092)

1 引言

熱水器水箱取水時(shí)，由于冷水從水箱下部進(jìn)水口進(jìn)入，冷熱水之間會(huì)發(fā)生摻混，這一過程會(huì)受取水流量和水箱初始水溫的影響，進(jìn)而影響熱水器的熱性能及排水性能；對于熱水器的排水性能，可以用放熱效率這一指標(biāo)來進(jìn)行定量評價(jià)[1]；水箱放熱效率為從水箱中放出的有用熱量與水箱初始狀態(tài)下總熱量的比值，放熱效率越高，表明取出的熱量越多，可供給用戶的熱水更多，水箱排水性能也就越好.

關(guān)于真空管太陽能熱水器熱性能及排水性能已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和模擬研究[2-4]；陳雪嬌[5]對導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果指出水箱放熱效率隨取水流量增大而降低；杜明浩等[6]建立熱泵系統(tǒng)和水箱系統(tǒng)耦合模型，考慮了進(jìn)水水溫和取水流量對水箱放熱效率的影響；高巖等[7]研究了真空管對集熱器熱特性的影響，但未對真空管的放熱效率進(jìn)行探討.李仁飛等[8]應(yīng)用太陽載荷模型，利用Fluent軟件模擬分析了真空管熱水器系統(tǒng)的傳熱過程，研究了在加熱期間真空管內(nèi)流體流動(dòng)特征；楊靜蕓等[9]針對三腔式全玻璃真空管和常規(guī)的全玻璃真空管在悶曬狀態(tài)下的真空管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)及性能，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，但也未對取水過程中真空管流體流動(dòng)特征進(jìn)行分析.而在太陽能低溫利用中，真空管太陽能集熱器是應(yīng)用最廣泛的集熱部件；基于此，本文對緊湊型直插式全玻璃真空管太陽能熱水器在不同取水流量及初始水溫下真空管內(nèi)的水溫隨排水時(shí)間的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，分析不同工況下真空管的放熱效率.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測試

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)對象為一套緊湊型直插式全玻璃真空管太陽能熱水器，坐北朝南安裝于昆明市呈貢區(qū)云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院一樓戶外實(shí)驗(yàn)室.集熱器為20支Φ58 mm×1 800 mm 真空管構(gòu)成的豎單排全玻璃真空管太陽能集熱器，集熱器安裝傾角為45°，水箱容量為131.2 L.

2.2 實(shí)驗(yàn)測試及實(shí)驗(yàn)方案

在太陽能熱水器真空管內(nèi)距水箱連接口130、80 cm和30 cm處放置三個(gè)溫度傳感器T1、T2和T3，來測量真空管下部、中部和上部水體的溫度，取三個(gè)傳感器的所測溫度的平均值代表真空管水溫，如圖1所示.實(shí)驗(yàn)在無太陽輻射時(shí)進(jìn)行；整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)1～2 h，故進(jìn)水溫度變化可忽略；取水時(shí)通過調(diào)節(jié)進(jìn)、出水口閥門來保證取水實(shí)驗(yàn)過程中熱水不會(huì)從排氣口溢出，在出水口水溫剛好低于30 ℃結(jié)束取水.

圖1 真空管內(nèi)溫度測量位置示意圖

實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行；第一部分在真空管平均水溫達(dá)到50 ℃、75 ℃、90 ℃左右時(shí)進(jìn)行低流量(約2 L/min)取水實(shí)驗(yàn)(由于熱滯效應(yīng)，實(shí)際取水時(shí)測量的水溫略高于設(shè)定溫度)；第二部分在真空管平均水溫為75 ℃左右時(shí)，在低流量(約2 L/min)、中流量(約8.7 L/min)和高流量(約11.3 L/min)下進(jìn)行取水實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程中，測量真空管水溫變化，最后計(jì)算太陽能熱水器真空管的放熱效率.

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

真空管放熱效率[10]定義為從真空管中實(shí)際放出的有用熱量與真空管不發(fā)生摻混的理想狀態(tài)下總熱量的比值，經(jīng)計(jì)算簡化得放熱效率表達(dá)式為

(1)

式中，ti為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)真空管水溫，℃；te為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)真空管水溫，℃；tc為補(bǔ)入的冷水溫度，℃，經(jīng)測定為17.5 ℃.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 初始溫度對真空管水溫的影響分析

初始水溫分別為50.1 ℃、76.3 ℃和93.2 ℃時(shí)，進(jìn)行低流量下的取水實(shí)驗(yàn)，對應(yīng)的取水時(shí)間分別為80、180 min和143 min，最高水溫的取水時(shí)間比中溫減少，可能是由于取水流量控制不精確的緣故.為了比較不同初始水溫下，在整個(gè)取水這一過程中相對相近時(shí)刻水溫的相對變化，對放水時(shí)間和水溫進(jìn)行歸一化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2.分析可知，初始水溫越高，真空管水溫下降越快.

圖2 不同初始水溫下取水時(shí)的真空管水溫

3.2 取水流量對真空管水溫的影響

控制初始水溫在75 ℃左右，在取水流量為低、中、高三種流量情況下進(jìn)行取水，為了比較在取水過程中相對相近時(shí)刻相對水溫變化，對取水時(shí)間和水溫進(jìn)行歸一化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3.由圖可知，隨著取水流量增大，真空管水溫下降越慢.

3.3 不同工況下真空管的放熱效率

表1為不同工況下真空管放熱效率的計(jì)算結(jié)果.由表可知：在低流量下，放熱效率隨溫度升高而增大，均大于90%，最終水溫均接近冷水溫度；流量越大放熱效率越低，最低為70.55%，最終水溫越高.

圖3 不同流量下取水時(shí)的真空管水溫

表1 真空管放熱效率表

4 結(jié)果與討論

以一套緊湊型直插式全玻璃真空管太陽能熱水器為研究對象，通過對系統(tǒng)在不同初始水溫和取水流量下真空管水溫變化和真空管放熱效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試和對比分析，得到以下結(jié)果：

(1)在低流量下進(jìn)行取水，初始水溫越高，真空管水溫下降越快，真空管放熱效率越高，這是因?yàn)殡S著冷水進(jìn)入熱水器水箱降低水箱中水溫，初始水溫越高，真空管中水溫與水箱水溫間溫度梯度越大，有利于真空管中水的熱量向水箱傳遞；三種水溫下的放熱效率均較高，表明低流量取水有利于真空管中水的熱量充分向水箱傳遞，因而真空管最終水溫均接近冷水溫度；

(2)在相近初始水溫，不同流量下取水，取水流量越大，真空管水溫下降越慢，放熱效率越低，這是因?yàn)槿∷髁吭酱?，冷水進(jìn)入水箱與水箱中熱水摻混越迅速，使得出水口水溫越快達(dá)到30 ℃，放水時(shí)間越短，使得真空管中水的熱量不能及時(shí)向水箱傳遞，真空管剩余熱量就越多，真空管最終水溫就越高.