太陽熱水器儲水箱換熱器的換熱性能研究

劉東平 王廣嶺 王玉軍 梅利輝 萬秀娟

（青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的真空管非承壓太陽熱水器產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足高端市場需求，平板式二次循環(huán)（間接換熱）太陽熱水器以其能承壓洗浴、與高層建筑完美結(jié)合、節(jié)能等各方面優(yōu)勢，逐步成為高端太陽能市場主流產(chǎn)品。二次循環(huán)太陽熱水器主要由集熱器、換熱器和儲水箱組成，一般將換熱器和儲水箱作為一個整體設(shè)計、生產(chǎn)。對于太陽熱水器來說，換熱器主要有夾層換熱器、盤管換熱器和板式換熱器三種，在家用單機系統(tǒng)中，又以夾層換熱器、盤管換熱器居多。夾層換熱器主要運用在自然循環(huán)換熱系統(tǒng)中，盤管換熱器要運用在強制循環(huán)換熱系統(tǒng)中。如圖1～3所示。

本文重點研究夾層換熱器結(jié)構(gòu)的換熱性能，通過對換熱器材料、換熱介質(zhì)流量、換熱面積等各項參數(shù)的論述、驗證、歸納，得出影響夾層換熱器結(jié)構(gòu)的換熱性能的各種因素及提升換熱性能的各項措施。

2 換熱器材料對換熱性能的影響

就市場上現(xiàn)有太陽熱水器的夾層換熱器而言，一般有不銹鋼和碳鋼搪瓷兩種材質(zhì)。通過查詢導(dǎo)熱系數(shù)表，普通碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)一般為45W/m·K，而不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)僅為16W/m·K，由此可見，選擇碳鋼材料制作夾層換熱器換熱性能明顯優(yōu)于不銹鋼。但是不銹鋼換熱器因其表面氧化皮較薄，熱阻較??；碳鋼搪瓷換熱器因其存在搪瓷燒結(jié)過程，表面會形成氧化皮層，影響系統(tǒng)換熱性能，因此控制搪瓷內(nèi)膽換熱表面氧化皮的產(chǎn)生是提升搪瓷內(nèi)膽產(chǎn)品換熱性能的有效途徑。可以通過對搪瓷鋼板表面的處理有效防止氧化皮的產(chǎn)生，從而提升換熱效率，增加系統(tǒng)的得熱量。

3 換熱介質(zhì)流量、換熱面積對換熱性能的影響

為了研究換熱介質(zhì)流量、換熱面積等各項參數(shù)對系統(tǒng)換熱性能的影響，我們采用以下實驗方案來歸納總結(jié)。

對帶有夾層換熱器的水箱進行換熱性能測試。通過變化換熱介質(zhì)3種流量，探討換熱介質(zhì)流量變化對換熱性能的影響；通過變化夾層換熱器3種面積，探討換熱面積變化對換熱性能的影響。

3.1 試驗內(nèi)容

3.1.1 換熱介質(zhì)流量變化對換熱性能的影響

在儲熱水箱容積（300L）和夾層換熱器換熱面積（2m2）不變的情況下，改變換熱介質(zhì)流量，共測試3組數(shù)據(jù)，分別是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定流量Q0、Q1（0.5Q0）、Q2（1.5Q0），根據(jù)設(shè)計Q0取5.4L/min，則Q1取2.7L/min，Q2取8.1L/min。

表1 Q0取5.4L/min時系統(tǒng)換熱功率

表2 Q1取2.7L/min時系統(tǒng)換熱功率

相對時間（min）換熱功率（KW）0 23.6 63.6 19 7.99 40 22.30 2 36.7 65.1 19.4 8.03 28.4 15.91 4 40.1 65.1 19.9 8.11 25 14.15 6 41.3 65 20.5 7.99 23.7 13.21 8 42.3 64.8 21.2 8.07 22.5 12.67 10 42.7 64.5 22 8.09 21.8 12.30 12 43.2 58.9 22.9 8.09 15.7 8.86 14 39.7 45.1 23.7 8.11 5.4 3.06 16 37.4 44.2 24.3 8.13 6.8 3.86 循環(huán)出口溫度（℃）循環(huán)進口溫度（℃）儲熱水箱溫度（℃）瞬時流量（L/min）循環(huán)進出溫差（℃）

換熱功率（q）的計算公式如下：

q= Q×Cp·（Tin-Tout）（W）

其中：

Tin：換熱器入口換熱介質(zhì)溫度（℃）；

Tout：換熱器出口換熱介質(zhì)溫度（℃）；

在長期實踐研究中發(fā)現(xiàn)，在增加員工工作收入、提升員工個人生產(chǎn)效率方面，積極挖掘員工的心理資本具有不容忽視的重要意義。在這一過程中，通過培養(yǎng)員工堅韌頑強的品質(zhì)，有助于增強員工的自信心，提升員工克服工作困難的能力，最終為促進員工綜合能力與素質(zhì)的提升奠定良好基礎(chǔ)。

Q：換熱介質(zhì)質(zhì)量流量（kg/s）；

Cp: 換熱介質(zhì)定壓比熱（J/kg·K）。

通過以上公式，計算出在三種不同流量前提下系統(tǒng)的換熱功率。

3.1.2 換熱面積變化對換熱性能的影響

在儲熱水箱容積（300L）和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定流量Q0不變的情況下，改變夾層換熱器換熱面積，共測試3組數(shù)據(jù)，分別是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定換熱面積V0、V1（0.5V0）、V2（0.75 V0），根據(jù)設(shè)計V0取2m2，則V1取1m2，V2取1.5m2。

通過3.1.1節(jié)的公式，計算出在三種不同換熱面積前提下系統(tǒng)的換熱功率。

3.2 測試方法

按照圖4所示，將恒溫水箱（容積500L，提供20±1℃恒溫水）、儲熱水箱（容積300L）、供熱水箱（容積200L）、截止閥、水泵、流量計、排氣閥、TP閥及夾層安全閥用管路連接起來，在儲熱水箱上部和下部布上感溫點1和感溫點2，在儲熱水箱夾層換熱器循環(huán)進出口布上感溫點3和感溫點4，在供熱水箱上部和下部布上感溫點5和感溫點6。

3.3 試驗結(jié)果

3.3.1 改變換熱介質(zhì)流量實驗結(jié)果

表1為Q0取5.4L/min時系統(tǒng)換熱功率；表2為Q1取2.7L/min時系統(tǒng)換熱功率；表3為Q2取8.1L/min時系統(tǒng)換熱功率。以上3種不同流量前提下的系統(tǒng)的換熱功率可以通過圖5的曲線圖表示。

3.3.2 改變換熱面積實驗結(jié)果

通過改變夾層換熱器換熱面積來研究換熱面積變化對系統(tǒng)換熱性能的影響，圖6是3種不同換熱面積前提下的換熱功率曲線圖。

3.4 試驗結(jié)論

（1）改變換熱介質(zhì)流量實驗結(jié)論

換熱介質(zhì)流量越大，系統(tǒng)換熱功率越大，儲熱水箱溫升越快；

換熱介質(zhì)流量越大，夾層換熱器循環(huán)進出口溫差就越小，換熱功率曲線斜率越大，換熱功率下降越快。

（2）改變換熱面積實驗結(jié)論

換熱面積越大，系統(tǒng)換熱功率越大，儲熱水箱溫升越快；

換熱面積越大，夾層換熱器循環(huán)進出口溫差就越大，換熱功率曲線斜率越小，換熱功率下降越慢。

4 結(jié)語

綜上所述，換熱器材料、換熱介質(zhì)流量和換熱面積對系統(tǒng)換熱功率均有影響。

就換熱器材料而言，雖然帶有碳鋼夾層換熱器的搪瓷層及氧化皮會影響換熱性能，但是考慮到碳鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于不銹鋼材料，且碳鋼材料成本遠遠低于不銹鋼材料，建議選用碳鋼作為換熱器材料。在選用碳鋼材料的同時，建議生產(chǎn)過程中必須有效去除搪瓷燒結(jié)過程中出現(xiàn)的氧化皮層，保證搪瓷質(zhì)量，這樣才能確保換熱器的換熱性能不受影響。

對于換熱介質(zhì)流量及換熱面積，由以上實驗不難看出，換熱介質(zhì)流量越大，系統(tǒng)換熱功率越大，但是下降越快。因此，針對整個太陽能熱水系統(tǒng)而言，換熱介質(zhì)流量并非越大越好，對換熱介質(zhì)流量的設(shè)定需要綜合考慮集熱面積及水箱容積等各方面因素取最佳值。對于換熱器的換熱面積而言，在滿足系統(tǒng)換熱介質(zhì)流量、成本及生產(chǎn)工藝的前提下，應(yīng)盡量增大換熱面積，可以使換熱系統(tǒng)熱量交換更充分，整個太陽熱水系統(tǒng)的得熱量也就越高。

[1] 羅運俊，何梓年，王長貴編著.太陽能利用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

[2] 袁家普編著.太陽能熱水系統(tǒng)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[3] 羅運俊，李元哲，趙承龍編著.太陽熱水器原理、制造與施工.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005