承壓分離式太陽能熱水系統儲熱水箱中螺旋盤管換熱器的分析設計

北京市太陽能研究所集團有限公司 ■ 律翠萍

一 引言

分離式太陽能熱水系統的最大特點就是儲熱水箱和集熱器的分離，熱媒通過換熱器與水箱內的水換熱。水箱換熱器面積應根據用戶用水負荷、集熱器面積和當地輻照情況進行計算。換熱器面積配置過低，會提高集熱循環的平均工作溫度，降低太陽能系統效率。因此儲熱水箱的合理設計是本系統高效、安全運行的關鍵之一。

二 分離式太陽能熱水系統的運行原理

集熱器吸收太陽輻射能轉化成熱能，傳給循環管路中的熱媒。熱媒通過循環管路進行溫差循環：當集熱器溫度與水箱換熱器的溫度差高于溫差循環啟動值時，循環泵啟動；當兩者的溫差降到溫差循環停止時，循環泵停止。當熱媒流經放熱盤管時，放出熱量，通過換熱管管壁的熱傳導，將水箱中的水加熱，完成熱交換過程。

三 盤管式儲熱水箱的優點

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，其優越性主要體現在傳熱系數K值有所提高、容積利用率提高、能自動脫垢等幾個方面。

四 儲熱水箱內盤管換熱器的設計分析

1 設計參數的選擇

集熱器集熱面積A為4.26m2，水箱容積300L，水箱內水溫度57℃，盤管進出口溫度分別為64℃、58℃。盤管內走飽和水，水的流向為高進低出。盤管與水箱的設計壓力均為0.6MPa。

2 熱計算

(1)換熱量計算

盤管換熱器最大換熱量計算公式為：

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)平均溫差計算

(3)傳熱系數計算

式中：α1為管內強迫對流換熱系數；α2為管外自然對流換熱系數。

①管內換熱系數計算

管內工質是水，據測試數據，盤管進出口溫度設定為64℃和58℃，則定性溫度為進出口平均溫度(61℃)，定性尺寸取盤管內徑di=0.013m，61℃時飽和水的物性參數值：

動力粘度μ=4.635×10-4kg/(m·s)；

密度ρ=982.57kg/m3；普朗特數Pr=2.946；

運動粘度υ=0.4717×10-6m2/s；

導熱系數λ=0.6599W/(m·℃)。

查熱水供暖系統管道水力計算表(按平均水溫60℃，相應密度為983.248kg/m3，管子的絕對粗糙度為0.2mm)知，當管徑為15mm時，管內水的流速ω不大于0.48m/s，因此取管內工質流速ω為0.42m/s，則管內工質的雷諾數為：

管內流動為湍流，為管內受迫對流。

我國工程計算中，對于液體螺旋流最常用的公式為：

則管內換熱系數為：

b.管外換熱系數計算

管外水箱內是飽和水，據測試數據，水箱內溫度設定為57℃。由于水箱內液體體積大，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值為：

動力粘度μ=4.94×10-4kg/(m·s)；

密度ρ=984.6kg/m3；

運動粘度υ=0.5014×10-6m2/s；

導熱系數λ=0.6557W/(m·℃)；

體積膨脹系數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算，即：

則管外換熱系數為：

式中，1.02為彎管修正系數。λ為不銹鋼的導熱系數(一般盤管采用不銹鋼加工制成)，查《傳熱學》附錄手冊，不銹鋼管導熱系數取17W/(m·℃)，以圓管外側為基準，其傳熱系數K為：

(4)計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效率的系數，一般采用0.6～0.8，取0.7；K為傳熱系數，W/(m2·℃)；Cr為熱損失系數，一般采用1.1～1.2，取1.2；芓m為熱媒與被加熱水的計算溫度差，℃。

3 結構設計

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。

4 流動阻力計算

盤管的總壓力降包括沿程阻力、回彎阻力和進出口連接管阻力。

因盤管總壓力降小于允許值0.3×105Pa，故本熱力設計符合要求。

五 結論

在設計盤管換熱器時，應綜合考慮各參數對盤管換熱器的傳熱、流動阻力及安全性能的影響。本文設計的盤管換熱水箱完全能滿足熱水系統的設計要求。