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二次换热平板型太阳热水系统中的冷却器

  就目前广泛使用的真空管和平板两大类太阳热水器而言,在我国南方主要使用平板型太阳热水器,其主要优点是性价比高,热效率高,循环快,但抗冻性能较差;而我国北方地区主要使用真空管太阳能热水器,主要优点是抗冻,保温性能好,但热效率比平板低(按国家标准GB/T12915-91《家用太阳热水器热性能试验方法》的测试结果),价格高。不管是真空管还是平板太阳能热水器,都是使用水直接参与循环,而水在循环过程中,由于水质和较高温度的原因,都会在吸热体内壁上结垢,并且水会对金属材料有腐蚀性。由于结垢会影响传热,使得太阳热水器随着使用时间的延长,性能都会逐步下降,特别是在水质不好的地方,可能使用几年就因结垢、泥沙淤积或腐蚀而使热水器报废。如何解决以上这些问题并使两种类型的太阳热水器的优点集中为一体,国内外有许多研究成果。
  云南省由于气候条件较好,主要使用的是平板型太阳热水器。但在全国太阳热水器市场中,平板型太阳热水器所占份额不足20%,主要原因是没有很好的解决抗冻问题。目前常用的防冻措施大致有以下几种一、选用热管式集热器或全玻璃真空管集热器;二、用防冻液作集热器传热工质的双循环系统;三、设计落水式强制循环系统;四、设计贮水箱内的热水在夜间形成自动循环系统;五、采用集热器及其管道中的存水自动排空系统;六、在集热管的下联箱和室外管道上敷设电热条。后面四种防冻措施管路和控制系统复杂,给用户使用带来不便,选用热管式集热器或全玻璃真空管集热器,效率偏低且玻璃流道管不宜于太阳能建筑一体化。在国外,主要使用平板型二次换热太阳能热水系统。
  1太阳热水系统中常用的冷却器为了防冻,在水箱里面加一个冷却器,工质(即防冻液)在集热器和冷却器组成的循环回路里循环,不断加热水箱里的水。常用的冷却器有以下几种:(1)肋片管或光管冷却器如所示,在水平或垂直水箱里加一根或几根管子,这种结构易实现自然循环,但换热效率较低。Mertol(1981)对这种结构的自然循环冷却器进行了数值模拟研究,他假设冷却器换热系数U为恒定值,等于170Wm-2K-、Webster(1987)提出了一种确定新的集热器效率因子的方法。目前这种结构的冷却器很少使用。
  如所示,这种结构的冷却器通常放在垂直水箱里,采用强制循环的方式,它有利于水箱温度分层,但冷却器里流动阻力较大,故不宜采用自然循环如所示,这种结构把冷却器和水箱分离,工质循环则采用强制循环,水循环则采用自然循环或强制循环。Parent(1990)对这种结构进行了研究,指出冷却器效率为40%49%.这种冷却器适合在大型强制循环式太阳热水系统中应用。
  夹层水箱冷却器通常有两种形式①水平夹层水箱冷却器如所示,它通常用于自然循环系统中,提高工质进口位置,可提高水箱温度分层及系统性能,但工质进口位置高会增加上回流热损,而且会降低工质循环流速。②垂直夹层水箱冷却器如所示,它通常用于强制循环系统中,进口位置通常位于夹层底部,这种结构易实现水箱温度分层。如果水箱中装有电加热器,工质进口位置必须低于电加热器所在位置。
  在国外,夹层水箱冷却器在太阳能热水系统中有广泛的应用。它有以下优点①结构简单,冷却器与水箱合为一体。②换热面积大,相当于八根铜管换热面积的2.5倍。③换热效率高,Furbo(1993)比较了各种冷却器的换热性能,得出带垂直夹层水箱冷却器的系统性能最好。这种结构的冷却器只适用于小型水箱。
  2冷却器对集热器性能的影响在寒冷地区,为了防止集热器在冬季被冻坏,在集热器与贮水箱之间设置冷却器,构成二次换热系统,集热器一侧用防冻液,从而解决了集热器的防冻问题。二次换热太阳能热水器与普通太阳热水器相比,由于增加了一个冷却器,冷却器里存在着传热温差,使得冷却器出口温度即集热器进口温度Ti(或Ty升高,这样集热器性能将降低。
  对于冷却器和水箱为一体的太阳热水系统,为得到一个含有削弱因子的新集热器效率方程,可作如下合理的假设:集热器内平均流体温度Tc,m等于冷却器内平均流体温度Thx,即:集热器获得的有用能量(Qu)c,用下式表示:冷却器的换热量用下式表示:循环管的热损量,用下式表示:由于系统热容忽略不计,可得能量平衡方程:将式(2)(3)(4)代入式(5),可得:陈慧玲1引言独立光伏发电系统中的蓄电池,是保证系统正常运行的重要储能设备。目前在独立光伏发电系统中常选用的是价格较低的铅酸蓄电池,由于铅酸蓄电池的过充、过放电能力较差,对使用环境温度要求相对较高,对充电方式较为敏感,因此往往达不到其设计使用寿命,在系统运行期内需要进行多次更换。
  而独立光伏电站大都建在偏远无电地区,且交通运输极不便,给设备更换带来一定的困难。
  而镉镍蓄电池,对过充电、过放电耐受能力强;可得:写成:将式(12)式(13)和式(14)联立求解,经整理可得:卷=因此,集热器效率n为:上式Fhx称为集热器效率削弱因子。如果系统没有设冷却器,那幺Fhx=1. 3带冷却器的太阳热水系统的能量方程对于带有夹层水箱冷却器的自然循环系统,水箱获得的有用能量为:将式(4)(9)代入(11)可得:将式(1)式(3)式(11)和式(12)联立求解,经整理后可得到Tc,m:系统作无负荷运行时,贮水箱有能量平衡方程上式就是整个系统的能量平衡方程。
  4结束语太阳热水系统中采用二次换热是最有效的防冻措施。由于集热器侧循环工质采用了防腐防锈的防冻液,这样即可防冻,又可以提高集热器的使用寿命。虽然冷却器的使用使平板集热器的效率有所降低,但整个系统的曰效率仍高于真空管热水器(按国家标准GB/T12915-1991《家用太阳热水器热性能试验方法》的测试结果)。与真空管热水器相比,平板型热水器更有利于太阳能与建筑结合一体化。因此,二次换热平板型太阳热水器将有很好的发展前景。

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