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發(fā)布時(shí)間：2020-12-30

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二次換熱平板型太陽熱水系統(tǒng)中的冷卻器

　　就目前廣泛使用的真空管和平板兩大類太陽熱水器而言，在我國(guó)南方主要使用平板型太陽熱水器，其主要優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高，熱效率高，循環(huán)快，但抗凍性能較差；而我國(guó)北方地區(qū)主要使用真空管太陽能熱水器，主要優(yōu)點(diǎn)是抗凍，保溫性能好，但熱效率比平板低（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12915-91《家用太陽熱水器熱性能試驗(yàn)方法》的測(cè)試結(jié)果），價(jià)格高。不管是真空管還是平板太陽能熱水器，都是使用水直接參與循環(huán)，而水在循環(huán)過程中，由于水質(zhì)和較高溫度的原因，都會(huì)在吸熱體內(nèi)壁上結(jié)垢，并且水會(huì)對(duì)金屬材料有腐蝕性。由于結(jié)垢會(huì)影響傳熱，使得太陽熱水器隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，性能都會(huì)逐步下降，特別是在水質(zhì)不好的地方，可能使用幾年就因結(jié)垢、泥沙淤積或腐蝕而使熱水器報(bào)廢。如何解決以上這些問題并使兩種類型的太陽熱水器的優(yōu)點(diǎn)集中為一體，國(guó)內(nèi)外有許多研究成果。
　　云南省由于氣候條件較好，主要使用的是平板型太陽熱水器。但在全國(guó)太陽熱水器市場(chǎng)中，平板型太陽熱水器所占份額不足20%，主要原因是沒有很好的解決抗凍問題。目前常用的防凍措施大致有以下幾種一、選用熱管式集熱器或全玻璃真空管集熱器；二、用防凍液作集熱器傳熱工質(zhì)的雙循環(huán)系統(tǒng)；三、設(shè)計(jì)落水式強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；四、設(shè)計(jì)貯水箱內(nèi)的熱水在夜間形成自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)；五、采用集熱器及其管道中的存水自動(dòng)排空系統(tǒng)；六、在集熱管的下聯(lián)箱和室外管道上敷設(shè)電熱條。后面四種防凍措施管路和控制系統(tǒng)復(fù)雜，給用戶使用帶來不便，選用熱管式集熱器或全玻璃真空管集熱器，效率偏低且玻璃流道管不宜于太陽能建筑一體化。在國(guó)外，主要使用平板型二次換熱太陽能熱水系統(tǒng)。
　　1太陽熱水系統(tǒng)中常用的冷卻器為了防凍，在水箱里面加一個(gè)冷卻器，工質(zhì)（即防凍液）在集熱器和冷卻器組成的循環(huán)回路里循環(huán)，不斷加熱水箱里的水。常用的冷卻器有以下幾種：（1）肋片管或光管冷卻器如所示，在水平或垂直水箱里加一根或幾根管子，這種結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)，但換熱效率較低。Mertol（1981）對(duì)這種結(jié)構(gòu)的自然循環(huán)冷卻器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，他假設(shè)冷卻器換熱系數(shù)U為恒定值，等于170Wm-2K-、Webster（1987）提出了一種確定新的集熱器效率因子的方法。目前這種結(jié)構(gòu)的冷卻器很少使用。
　　如所示，這種結(jié)構(gòu)的冷卻器通常放在垂直水箱里，采用強(qiáng)制循環(huán)的方式，它有利于水箱溫度分層，但冷卻器里流動(dòng)阻力較大，故不宜采用自然循環(huán)如所示，這種結(jié)構(gòu)把冷卻器和水箱分離，工質(zhì)循環(huán)則采用強(qiáng)制循環(huán)，水循環(huán)則采用自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)。Parent（1990）對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，指出冷卻器效率為40%49%.這種冷卻器適合在大型強(qiáng)制循環(huán)式太陽熱水系統(tǒng)中應(yīng)用。
　　夾層水箱冷卻器通常有兩種形式①水平夾層水箱冷卻器如所示，它通常用于自然循環(huán)系統(tǒng)中，提高工質(zhì)進(jìn)口位置，可提高水箱溫度分層及系統(tǒng)性能，但工質(zhì)進(jìn)口位置高會(huì)增加上回流熱損，而且會(huì)降低工質(zhì)循環(huán)流速。②垂直夾層水箱冷卻器如所示，它通常用于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中，進(jìn)口位置通常位于夾層底部，這種結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)水箱溫度分層。如果水箱中裝有電加熱器，工質(zhì)進(jìn)口位置必須低于電加熱器所在位置。
　　在國(guó)外，夾層水箱冷卻器在太陽能熱水系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。它有以下優(yōu)點(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻器與水箱合為一體。②換熱面積大，相當(dāng)于八根銅管換熱面積的2.5倍。③換熱效率高，F(xiàn)urbo（1993）比較了各種冷卻器的換熱性能，得出帶垂直夾層水箱冷卻器的系統(tǒng)性能最好。這種結(jié)構(gòu)的冷卻器只適用于小型水箱。
　　2冷卻器對(duì)集熱器性能的影響在寒冷地區(qū)，為了防止集熱器在冬季被凍壞，在集熱器與貯水箱之間設(shè)置冷卻器，構(gòu)成二次換熱系統(tǒng)，集熱器一側(cè)用防凍液，從而解決了集熱器的防凍問題。二次換熱太陽能熱水器與普通太陽熱水器相比，由于增加了一個(gè)冷卻器，冷卻器里存在著傳熱溫差，使得冷卻器出口溫度即集熱器進(jìn)口溫度Ti（或Ty升高，這樣集熱器性能將降低。
　　對(duì)于冷卻器和水箱為一體的太陽熱水系統(tǒng)，為得到一個(gè)含有削弱因子的新集熱器效率方程，可作如下合理的假設(shè)：集熱器內(nèi)平均流體溫度Tc，m等于冷卻器內(nèi)平均流體溫度Thx，即：集熱器獲得的有用能量（Qu）c，用下式表示：冷卻器的換熱量用下式表示：循環(huán)管的熱損量，用下式表示：由于系統(tǒng)熱容忽略不計(jì)，可得能量平衡方程：將式（2）（3）（4）代入式（5），可得：陳慧玲1引言獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要儲(chǔ)能設(shè)備。目前在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中常選用的是價(jià)格較低的鉛酸蓄電池，由于鉛酸蓄電池的過充、過放電能力較差，對(duì)使用環(huán)境溫度要求相對(duì)較高，對(duì)充電方式較為敏感，因此往往達(dá)不到其設(shè)計(jì)使用壽命，在系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)需要進(jìn)行多次更換。
　　而獨(dú)立光伏電站大都建在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，且交通運(yùn)輸極不便，給設(shè)備更換帶來一定的困難。
　　而鎘鎳蓄電池，對(duì)過充電、過放電耐受能力強(qiáng)；可得：寫成：將式（12）式（13）和式（14）聯(lián)立求解，經(jīng)整理可得：卷=因此，集熱器效率n為：上式Fhx稱為集熱器效率削弱因子。如果系統(tǒng)沒有設(shè)冷卻器，那幺Fhx=1. 3帶冷卻器的太陽熱水系統(tǒng)的能量方程對(duì)于帶有夾層水箱冷卻器的自然循環(huán)系統(tǒng)，水箱獲得的有用能量為：將式（4）（9）代入（11）可得：將式（1）式（3）式（11）和式（12）聯(lián)立求解，經(jīng)整理后可得到Tc，m：系統(tǒng)作無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，貯水箱有能量平衡方程上式就是整個(gè)系統(tǒng)的能量平衡方程。
　　4結(jié)束語太陽熱水系統(tǒng)中采用二次換熱是最有效的防凍措施。由于集熱器側(cè)循環(huán)工質(zhì)采用了防腐防銹的防凍液，這樣即可防凍，又可以提高集熱器的使用壽命。雖然冷卻器的使用使平板集熱器的效率有所降低，但整個(gè)系統(tǒng)的曰效率仍高于真空管熱水器（按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12915-1991《家用太陽熱水器熱性能試驗(yàn)方法》的測(cè)試結(jié)果）。與真空管熱水器相比，平板型熱水器更有利于太陽能與建筑結(jié)合一體化。因此，二次換熱平板型太陽熱水器將有很好的發(fā)展前景。

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