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

（青島經濟技術開發區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，傳統的真空管非承壓太陽熱水器產品已經不能滿足高端市場需求，平板式二次循環（間接換熱）太陽熱水器以其能承壓洗浴、與高層建筑完美結合、節能等各方面優勢，逐步成為高端太陽能市場主流產品。二次循環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計、生產。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換熱系統中，盤管換熱器要運用在強制循環換熱系統中。如圖1～3所示。

本文重點研究夾層換熱器結構的換熱性能，通過對換熱器材料、換熱介質流量、換熱面積等各項參數的論述、驗證、歸納，得出影響夾層換熱器結構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。通過查詢導熱系數表，普通碳鋼導熱系數一般為45W/m·K，而不銹鋼導熱系數僅為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于不銹鋼。但是不銹鋼換熱器因其表面氧化皮較薄，熱阻較小；碳鋼搪瓷換熱器因其存在搪瓷燒結過程，表面會形成氧化皮層，影響系統換熱性能，因此控制搪瓷內膽換熱表面氧化皮的產生是提升搪瓷內膽產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生，從而提升換熱效率，增加系統的得熱量。

3 換熱介質流量、換熱面積對換熱性能的影響

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

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3種流量，探討換熱介質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 試驗內容

3.1.1 換熱介質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，改變換熱介質流量，共測試3組數據，分別是標準設定流量Q0、Q1（0.5Q0）、Q2（1.5Q0），根據設計Q0取5.4L/min，則Q1取2.7L/min，Q2取8.1L/min。

表1 Q0取5.4L/min時系統換熱功率

表2 Q1取2.7L/min時系統換熱功率

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 循環出口溫度（℃）循環進口溫度（℃）儲熱水箱溫度（℃）瞬時流量（L/min）循環進出溫差（℃）

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溫度（℃）；

Tout：換熱器出口換熱介質溫度（℃）；

在長期實踐研究中發現，在增加員工工作收入、提升員工個人生產效率方面，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，通過培養員工堅韌頑強的品質，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的提升奠定良好基礎。

Q：換熱介質質量流量（kg/s）；

Cp: 換熱介質定壓比熱（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）和標準設定流量Q0不變的情況下，改變夾層換熱器換熱面積，共測試3組數據，分別是標準設定換熱面積V0、V1（0.5V0）、V2（0.75 V0），根據設計V0取2m2，則V1取1m2，V2取1.5m2。

通過3.1.1節的公式，計算出在三種不同換熱面積前提下系統的換熱功率。

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 試驗結果

3.3.1 改變換熱介質流量實驗結果

表1為Q0取5.4L/min時系統換熱功率；表2為Q1取2.7L/min時系統換熱功率；表3為Q2取8.1L/min時系統換熱功率。以上3種不同流量前提下的系統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 試驗結論

（1）改變換熱介質流量實驗結論

換熱介質流量越大，系統換熱功率越大，儲熱水箱溫升越快；

換熱介質流量越大，夾層換熱器循環進出口溫差就越小，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論

換熱面積越大，系統換熱功率越大，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 結語

綜上所述，換熱器材料、換熱介質流量和換熱面積對系統換熱功率均有影響。

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熱系數優于不銹鋼材料，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，建議生產過程中必須有效去除搪瓷燒結過程中出現的氧化皮層，保證搪瓷質量，這樣才能確保換熱器的換熱性能不受影響。

對于換熱介質流量及換熱面積，由以上實驗不難看出，換熱介質流量越大，系統換熱功率越大，但是下降越快。因此，針對整個太陽能熱水系統而言，換熱介質流量并非越大越好，對換熱介質流量的設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，在滿足系統換熱介質流量、成本及生產工藝的前提下，應盡量增大換熱面積，可以使換熱系統熱量交換更充分，整個太陽熱水系統的得熱量也就越高。

[1] 羅運俊，何梓年，王長貴編著.太陽能利用技術.北京：化學工業出版社，2005

[2] 袁家普編著.太陽能熱水系統手冊.北京：化學工業出版社，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：化學工業出版社，2005