承压分离式太阳能热水系统储热水箱中螺旋盘管换热器的分析设计

北京市太阳能研究所集团有限公司 ■ 律翠萍

一 引言

分离式太阳能热水系统的最大特点就是储热水箱和集热器的分离，热媒通过换热器与水箱内的水换热。水箱换热器面积应根据用户用水负荷、集热器面积和当地辐照情况进行计算。换热器面积配置过低，会提高集热循环的平均工作温度，降低太阳能系统效率。因此储热水箱的合理设计是本系统高效、安全运行的关键之一。

二 分离式太阳能热水系统的运行原理

集热器吸收太阳辐射能转化成热能，传给循环管路中的热媒。热媒通过循环管路进行温差循环：当集热器温度与水箱换热器的温度差高于温差循环启动值时，循环泵启动；当两者的温差降到温差循环停止时，循环泵停止。当热媒流经放热盘管时，放出热量，通过换热管管壁的热传导，将水箱中的水加热，完成热交换过程。

三 盘管式储热水箱的优点

水箱与盘管可组成一个容积式浮动盘管换热器。浮动盘管型换热器与套管型管换热器相比，其优越性主要体现在传热系数K值有所提高、容积利用率提高、能自动脱垢等几个方面。

四 储热水箱内盘管换热器的设计分析

1 设计参数的选择

集热器集热面积A为4.26m2，水箱容积300L，水箱内水温度57℃，盘管进出口温度分别为64℃、58℃。盘管内走饱和水，水的流向为高进低出。盘管与水箱的设计压力均为0.6MPa。

2 热计算

(1)换热量计算

盘管换热器最大换热量计算公式为：

式中：η为集热器效率，取50%；A为集热器换热面积，取4.26m2；qsun为集热器每m2得热量，取800W/m2。

(2)平均温差计算

(3)传热系数计算

式中：α1为管内强迫对流换热系数；α2为管外自然对流换热系数。

①管内换热系数计算

管内工质是水，据测试数据，盘管进出口温度设定为64℃和58℃，则定性温度为进出口平均温度(61℃)，定性尺寸取盘管内径di=0.013m，61℃时饱和水的物性参数值：

动力粘度µ=4.635×10-4kg/(m·s)；

密度ρ=982.57kg/m3；普朗特数Pr=2.946；

运动粘度υ=0.4717×10-6m2/s；

导热系数λ=0.6599W/(m·℃)。

查热水供暖系统管道水力计算表(按平均水温60℃，相应密度为983.248kg/m3，管子的绝对粗糙度为0.2mm)知，当管径为15mm时，管内水的流速ω不大于0.48m/s，因此取管内工质流速ω为0.42m/s，则管内工质的雷诺数为：

管内流动为湍流，为管内受迫对流。

我国工程计算中，对于液体螺旋流最常用的公式为：

则管内换热系数为：

b.管外换热系数计算

管外水箱内是饱和水，据测试数据，水箱内温度设定为57℃。由于水箱内液体体积大，流速低，整个水箱的温度对工况的改变不敏感，一般变化较慢，取57℃为定性温度，管外径0.015m为定性尺寸，查得57℃时饱和水的物性参数值为：

动力粘度µ=4.94×10-4kg/(m·s)；

密度ρ=984.6kg/m3；

运动粘度υ=0.5014×10-6m2/s；

导热系数λ=0.6557W/(m·℃)；

体积膨胀系数β=5.025×10-4K-1； Pr=3.155。

对容积式浮动盘管换热器来说，由于水箱内液体体积大，流速低，因而管外液体中的传热为自然对流换热，按《热工手册》式(5-9-11)水平圆管自然对流换热计算，即：

则管外换热系数为：

式中，1.02为弯管修正系数。λ为不锈钢的导热系数(一般盘管采用不锈钢加工制成)，查《传热学》附录手册，不锈钢管导热系数取17W/(m·℃)，以圆管外侧为基准，其传热系数K为：

(4)计算加热盘管的换热面积

式中：F为热交换器加热面积，m2；q为换热量，W；ε为由于水垢和热媒分布不均匀影响传热系数效率的系数，一般采用0.6～0.8，取0.7；K为传热系数，W/(m2·℃)；Cr为热损失系数，一般采用1.1～1.2，取1.2；芓m为热媒与被加热水的计算温度差，℃。

3 结构设计

浮动螺旋盘管选用ϕ15mm、壁厚1mm的不锈钢管，换热面积为1.48m2，则加热盘管的长度L为：L=F/(3.14×0.015)=31.4m。

4 流动阻力计算

盘管的总压力降包括沿程阻力、回弯阻力和进出口连接管阻力。

因盘管总压力降小于允许值0.3×105Pa，故本热力设计符合要求。

五 结论

在设计盘管换热器时，应综合考虑各参数对盘管换热器的传热、流动阻力及安全性能的影响。本文设计的盘管换热水箱完全能满足热水系统的设计要求。