研究换热储水箱沉浸式换热器

摘要：本文介绍了换热储水箱沉浸式盘管换热器的有效换热面积、材料。分析了换热器作为太阳能换热水系统换热装置的有效换热面积，重点研究了强制循环系统的换热器的传热系数，换热器材料对强制循环系统的传热系数的影响。得到了实际太阳能热水系统应用的换热器有效面积的确定，材料的选择，最后阐述了分析结果对太阳能热水系统的实际指导意义。 　　0前言 　　随着化石能源的日益枯竭，推广太阳能热水系统节能产品已成为国际社会的共识，特别是能够与建筑结合的分体式太阳能热水系统，因此落地式换热水箱和壁挂式换热水箱需求量在逐步增长。换热器作为换热水箱的重要部件将直接影响整个系统的效率，如果换热器的换热面积太大将造成材料浪费，材料成本上升，极大地浪费资源。换热器面积的研究和换热器材料的选择显得非常的重要。 　　本文通过传热系数的数学建模，着重讨论分体式太阳能热水系统的换热面积、换热器材料。 　　1沉浸式盘管换热器传热系数的数学模型 　　对于强制循环分体式太阳能热水系统，热量从换热器传递给水箱需要经过三个传热过程：1. 首先是换热器盘管内强制对流传热，管内强制对流热阻，它与水的流速，以及相应温度下介质的物性参数（黏度、普朗特数）有关； 　　需要预备的参数：流量、管径求出管内水流速度；根据盘管的进出口水温定性确定水的黏度；根据流速、管径和黏度计算出雷诺数；普朗特数可以查表得到。 　　计算努塞尔数并据此得到对流换热系数和热阻。 　　2. 其次是内管壁导热到外管壁的热阻R壁，它与材料的导热系数姿，材料的壁厚啄有关； 　　已知304 不锈钢管的导热系数为13.8W/（m·k），管壁厚度为1mm，则导热热阻 　　  　　3.最后热量通过自然对流换热，管外对流换热热阻R外。 　　管外对流换热热阻是换热器最主要的热阻；由于太阳能热水系统白天在运行时，水箱内的水是几乎不流动的，因此只考虑管外的自然对流换热。 　　Gr为格拉晓夫数；无量纲，表征浮升力和黏滞力的比值大小。 　　2换热器材料的选择 　　目前强制循环太阳能热水系统，换热器装置在水箱内的方式使用较为广泛，对于该类换热器的材料市场上主要有紫铜管、不锈钢管、碳钢管（外表面搪瓷)三种，但是在选择换热器材料时常常困扰着一些生产企业，大家的潜意识中认为紫铜管的导热系数最大，用紫铜管作为换热器就一定会有很大的传热系数。 　　上面第一节有详细介绍强制循环太阳能热水系统换热水箱的传热过程，换热水箱的传热过程主要有管内强制对流换热系数a内、管壁导热热阻a壁以及管外自然对流换热系数a外，表1是针对同样的管径，同样的工况的换热器的传热系数。 　　备注：1. 表中相关参数计算的关联系数的物性参数是以水箱内的均温为32.5℃，换热器的均温为40℃查表获取； 　　2.流量是以150L/h（流量的选取参考150L强制循环太阳能热水系统的经验值）。 　　从上表1可以看出，不同材料的换热器在该系统中传热系数的变化主要在于管壁导热热阻R 壁的变化，但是它对于总的传热热阻所占的比重较小，因此可以得出相同规格的不同材质的换热器对于强制循环太阳能热水系统传热过程影响较小。 　　通过如下几点，我们可以确定不锈钢材料是最佳的换热器材料： 　　1. 紫铜管的市场价格比304不锈钢管的贵； 　　2. 紫铜与不锈钢内胆在连接上存在较大的困难，不同的材料会有不同的电位差，相互接触会有严重的电偶腐蚀； 　　3. 对于紫铜管和钢制内胆的连接，目前市场主要使用卡套式连接，但是该方式连接有非常大的质量隐患，因此我们在选用紫铜管作为钢制水箱的换热器要慎重； 　　4. 另外搪瓷钢盘管，由于搪瓷水箱的生产厂家目前的处理工艺只是对钢盘管的外壁进行搪瓷，内壁基本上只是作简单的防锈处理，在系统中必须采用添加缓蚀剂的防冻液作为循环介质。 　　总的来说，从成本、性能、耐腐蚀等诸多方面考虑，不锈钢盘管作为钢制水箱的换热器具有很多的优势。 　　3太阳能热水系统换热面积的确定 　　对于强制循环太阳能热水系统中换热器面积的确定，在很多专业书籍上都有介绍，但是整个过程的计算非常复杂，而且通常是采用外置双回路换热器及将换热器与太阳能集热器合并的方式来进行分析，而这种系统仅在大的工程上被采用。但是对于家用太阳热水系统，市场上大部分换热器都是在水箱内部，采用螺旋盘管结构，我们可以采用下面的方式确定换热器的面积。 　　以下是换热器的传热计算的基本公式： 　　下面以300L太阳能热水系统为例： 　　300L分体太阳能热水系统通常配置2块1000mm×2000mm的平板集热器，太阳光辐照取最大值为1000W/m2，平板集热器的瞬时效率为0.82，瞬时最大的峰值功率为3280W，Q太为3280W，太阳能热水系统要获得较高的效率，水箱的换热器必须将瞬间的热量进行传递，因此可以得到： 　　4结论 　　本文对太阳能换热水箱的换热器进行了分析，尤其是对换热器的传热过程，材料的\ 选择，换热器面积确定进行了分析，得出以下结论： 　　1. 对分体承压太阳能热水系统的水箱沉浸式换热器的传热系数进行了数学建模； 　　2. 对目前市场换热器材料进行了分析，得出不锈钢换热器从成本上、耐腐蚀性上考虑是最佳的材料； 　　3. 对于不同规格的太阳能热水系统给出了参考换热器的面积。