取水流量和初始水溫對(duì)太陽(yáng)能熱水器真空管性能的影響分析*

劉嘯, 王文麗, 張國(guó)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(guò)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(duì)于熱水器的排水性能，可以用放熱效率這一指標(biāo)來(lái)進(jìn)行定量評(píng)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(hù)的熱水更多，水箱排水性能也就越好.

關(guān)于真空管太陽(yáng)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(duì)導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)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(duì)水箱放熱效率的影響；高巖等[7]研究了真空管對(duì)集熱器熱特性的影響，但未對(duì)真空管的放熱效率進(jìn)行探討.李仁飛等[8]應(yīng)用太陽(yáng)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(guò)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(duì)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(duì)取水過(guò)程中真空管流體流動(dòng)特征進(jìn)行分析.而在太陽(yáng)能低溫利用中，真空管太陽(yáng)能集熱器是應(yīng)用最廣泛的集熱部件；基于此，本文對(duì)緊湊型直插式全玻璃真空管太陽(yáng)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(cè)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(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一套緊湊型直插式全玻璃真空管太陽(yáng)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(hù)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(yáng)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(cè)試及實(shí)驗(yàn)方案

在太陽(yáng)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(lái)測(cè)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(cè)溫度的平均值代表真空管水溫，如圖1所示.實(shí)驗(yàn)在無(wú)太陽(yáng)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(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)、出水口閥門(mén)來(lái)保證取水實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)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(cè)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(guò)程中，測(cè)量真空管水溫變化，最后計(jì)算太陽(yáng)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(jiǎn)化得放熱效率表達(dá)式為

(1)

式中，ti為實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(cè)定為17.5 ℃.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 初始溫度對(duì)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(duì)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(guò)程中相對(duì)相近時(shí)刻水溫的相對(duì)變化，對(duì)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(duì)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(guò)程中相對(duì)相近時(shí)刻相對(duì)水溫變化，對(duì)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(yáng)能熱水器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)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(cè)試和對(duì)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.