承壓分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱中螺旋盤(pán)管換熱器的分析設(shè)計(jì)

北京市太陽(yáng)能研究所集團(tuán)有限公司 ■ 律翠萍

一 引言

分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是儲(chǔ)熱水箱和集熱器的分離，熱媒通過(guò)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(guò)低，會(huì)提高集熱循環(huán)的平均工作溫度，降低太陽(yáng)能系統(tǒng)效率。因此儲(chǔ)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。

二 分離式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行原理

集熱器吸收太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化成熱能，傳給循環(huán)管路中的熱媒。熱媒通過(guò)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(dòng)值時(shí)，循環(huán)泵啟動(dòng)；當(dāng)兩者的溫差降到溫差循環(huán)停止時(shí)，循環(huán)泵停止。當(dāng)熱媒流經(jīng)放熱盤(pán)管時(shí)，放出熱量，通過(guò)換熱管管壁的熱傳導(dǎo)，將水箱中的水加熱，完成熱交換過(guò)程。

三 盤(pán)管式儲(chǔ)熱水箱的優(yōu)點(diǎn)

水箱與盤(pán)管可組成一個(gè)容積式浮動(dòng)盤(pán)管換熱器。浮動(dòng)盤(pán)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(dòng)脫垢等幾個(gè)方面。

四 儲(chǔ)熱水箱內(nèi)盤(pán)管換熱器的設(shè)計(jì)分析

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

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(pán)管進(jìn)出口溫度分別為64℃、58℃。盤(pán)管內(nèi)走飽和水，水的流向?yàn)楦哌M(jìn)低出。盤(pán)管與水箱的設(shè)計(jì)壓力均為0.6MPa。

2 熱計(jì)算

(1)換熱量計(jì)算

盤(pán)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(duì)流換熱系數(shù)；α2為管外自然對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)，盤(pán)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(pán)管內(nèi)徑di=0.013m，61℃時(shí)飽和水的物性參數(shù)值：

動(dòng)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(dòng)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(duì)粗糙度為0.2mm)知，當(dāng)管徑為15mm時(shí)，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(dòng)為湍流，為管內(nèi)受迫對(duì)流。

我國(guó)工程計(jì)算中，對(duì)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(cè)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(gè)水箱的溫度對(duì)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(shí)飽和水的物性參數(shù)值為：

動(dòng)力粘度μ=4.94×10-4kg/(m·s)；

密度ρ=984.6kg/m3；

運(yùn)動(dòng)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(duì)容積式浮動(dòng)盤(pán)管換熱器來(lái)說(shuō)，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(duì)流換熱，按《熱工手冊(cè)》式(5-9-11)水平圓管自然對(duì)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(pán)管采用不銹鋼加工制成)，查《傳熱學(xué)》附錄手冊(cè)，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(pán)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，℃。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮動(dòng)螺旋盤(pán)管選用?15mm、壁厚1mm的不銹鋼管，換熱面積為1.48m2，則加熱盤(pán)管的長(zhǎng)度L為：L=F/(3.14×0.015)=31.4m。

4 流動(dòng)阻力計(jì)算

盤(pán)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(pán)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。

五 結(jié)論

在設(shè)計(jì)盤(pán)管換熱器時(shí)，應(yīng)綜合考慮各參數(shù)對(duì)盤(pán)管換熱器的傳熱、流動(dòng)阻力及安全性能的影響。本文設(shè)計(jì)的盤(pán)管換熱水箱完全能滿足熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。