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管道式换热器在生活热水系统中的应用
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管道式换热器在生活热水系统中的应用
张子平张铭蕾王耀堂
(河北工程大学城市建设学院,河北邯郸056083)
引言
太阳能属于低密度能源,集中太阳能热水系统需要足够的贮存设施用于贮存白天太阳能制备的热水。对于大部分居住类建筑而言,用热高峰负荷集中在夜间,因此白天太阳能制备的热量均应贮存,需要较大的贮存容积。传统技术在住宅内推广使用太阳能存在许多难题,未能充分利用太阳能资源。本文将采用大口径管道作为贮热装置并兼作循环管网,利用管网的贮水能力贮存热水作为热媒,利用金属波纹管换热器进行换热制备生活热水,解决住宅太阳能利用方面的难题,如计量、压力平衡、贮热装置、辅助热源、自动控制、水质安全、建筑一体化等问题。
1·管道式换热器的工作原理
管道式换热器包括换热器外壳、换热盘管、法兰盘或卡箍式连接,其特征在于:管道式换热器是热水管道的组成部分,内置换热盘管,利用热水管道中的热水作为热媒进行换热,即热式满足生活热水的水量、温度、压力的要求,热水管道内热媒为采暖热水、太阳能热水等其他热源制备的热水。管道式换热器连接于贮热(供热)管道中,作为管道一部分,用于冷水即时换热成生活热水。换热盘管内置于换热器外壳内,采用不锈钢波纹管,盘管管径为15~25mm,盘管根据用水量经计算确定。

2·管道式换热器的试验与测试
2.1系统说明
北京市通州市某太阳能热水系统项目中,换热过程采用管道式换热器,热媒水来自屋顶太阳能板,所得热媒水储存于太阳能集热水箱中,冷媒水直接采用自来水。系统采用顺流换热,生活给水管与来自水箱的热媒水管接在管道式换热器上方,冷水流经波纹管,与管外热媒水换热,直接制得生活热水。管道式换热器内热媒水通过循环水泵P6与保温水箱内热水强制循环,可以保证生活热水温度。温度测试采用PT100铂电阻接触式温度探头,可以使测试数据更精确。生活给水管上设置温度探点T13,通过换热所得生活热水处设温度探点T15,来自太阳能集热水箱的热媒水设置温度探点T14,热媒水回水处设温度探点T16。

2.2系统测试与分析
采用两种不同的时间长度(3min及18min)的方式进行试验,每种方式进行两组测试,分别记录系统运行时间、冷水进口温度、热水出口温度、热媒水进口温度、热媒水出口温度、热水出流量与热媒水循环水量。为了保证测试精确度,两组测试在不同时间进行,然后分别记录测试数据。
①制取生活热水时间分析测试中的热媒水进口处平均温度与生活热水进出口处平均温度,记录于下(见表1):

换热器有效换热面积0.951m2。换热管管径覬20.2,换热管有效长度L=15m。按照被加热生活热水流速1~1.5m/S考虑,分析测试一中的数据,管内热媒水平均温度48.3℃;
采用集中参数法简化分析非稳态换热状态[1]:

由此可知,该换热条件下,生活给水被加热至46.7℃需要在管道内流动63.6秒,而实验中测试时间为180秒,可知管道式换热器基本可以满足供应生活热水的需求。
②管道式换热器换热系数
整个换热面的平均温差可通过公式导得[1]:

本实验中的管道式换热器,管径为DN200,管道长度为1m,换热盘管采用波纹盘管,高度为0.9m,波纹盘管=20.2mm,L=15m。本实验采用的是顺流换热,利用传热方程来计算整个传热面积上的热流量时,必须使用整个传热面积上的对数平均温差:

而换热过程中的热量又为换热盘管中热量的变化,因此Φ也可以写作:

式中,分母为流体在换热器中可能发生的最大温差值,而分子则为冷流体或热流体在换热器中的实际温度差值的大者。如果冷流体的温度变化大,则(t’-t")max=(t"2-t’2),反之则(t’-t")max=(t’1-t"1)。从定义式可知,效率ε表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比。本实验中换热器为顺流,因此实际换热温差较大的情况发生在进口端处。
通过计算得出,四组测试的换热效率分别为:

3·结论
通过测试与分析管道式换热器在试验工程中的应用之后,可知,四组测试中管道式换热器制取的生活热水与热媒水温差分别为1.6℃、1.1℃、1.7℃、2.2℃,换热温差较小;管道式换热器换热效能高,能达到90%以上,换热系数较高,较高的换热效率可以大大的提高制取生活热水的品质,节约能源。因此,在居住建筑,以及宾馆、酒店、学校、医院、浴池、游泳馆等有生活热水需求的公共建筑,可以在太阳能热水系统中利用管道式换热器进行换热制备生活热水,较好地解决现有技术在住宅太阳能利用方面的难题。
参考文献
[1]传热学,杨世铭,陶文铨.高等教育出版社[M].2006,8,4.

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