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大型太阳能热水工程

【技术】非承压式太阳能热水器导流装置

2016-05-19 17:58:48 来源:热水工程网 浏览:650
内容提要:
        【技术】非承压式太阳能热水器导流装
                        美格瑞高端平板太阳能

非承压太阳能热水器的核心集热部件通常为全玻璃真空太阳集热管,简称真空管。市面上真空管的长度大多在1.5m~2.1m 之间,外径大多为47mm、58mm,个别特殊结构的

 

        【技术】非承压式太阳能热水器导流装

                        美格瑞高端平板太阳能

 

非承压太阳能热水器的核心集热部件通常为全玻璃真空太阳集热管,简称真空管。市面上真空管的长度大多在1.5m~2.1m 之间,外径大多为47mm、58mm,个别特殊结构的真空管外径较大,如84mm、110mm。非承压式太阳能热水器依靠虹吸的原理加热储水箱内的水,不同规格的真空管内冷热水的循环是否彻底通畅,直接影响储水箱内水的升温幅度。此外,由于设计不合理,市场上经常出现真空管炸管等现象。


本文通过探讨加导流装置对内聚光真空管内的流场和效率性能的影响,设计一种结构合理、简单高效的导流管;并对在内聚光太阳能热水器中的应用进行了一系列对比测试,结果表明,加装导流装置后可以大大改善内聚光真空管的内部换热,并杜绝高温时的气泡、沸腾、喷涌等现象,能有效解决产品的市场问题。


0引言


目前太阳能热水器行业存在系统冷热循环不畅,导热效率低问题,更有因真空管处导热不畅、底部热流向上运动受阻,以至于内压太大出现炸管现象。尤其是内聚光类真空管因其集热效率高,温升快,使得以上问题更为显著。为解决该类问题,市场上推出一种热管式太阳能热水器,其特点是真空管内不走水,但因成本高,系统容易过热等问题不利于产品的推广和使用,所以在非承压走水式产品中研发一种热动力自循环式太阳能热水器导流装置已迫在眉睫。


针对上述问题,国内外专家做了大量研究工作,其中澳大利亚悉尼新南威尔大学机械工程系M. Behnia 等[1]人专门对真空集热管流场进行研究,结果表明,利用实验装置对倾斜放置的管子均匀加热时,观察到在管子底部有一个明显的停滞区,区域的长度随着管壁温度的升高而减少,而对管子进行分区加热时,发现在直径方向当上部温度高于下部温度时,管子底部没有停滞区,当上部温度低于下部温度时,在管子底部有一个明显的停滞区。停滞区的形成,显著降低了管内工质在自然对流状态下的能量传递。


另外,根据气液两相流和沸腾传热原理,液体在高于其饱和温度的壁面上沸腾时的换热过程,属于具有相变点的两相流换热。当壁面温度高于液体饱和温度并达到一定值时,通常会在加热表面的凹坑处产生汽化核心形成气泡,气泡在长大的过程中能吸收大量的汽化潜热,气泡在脱离上升的过程中又产生剧烈的扰动[2]。汽化核心的数量随壁面过热度的提高而增加。内聚光真空管的模型与加热流道相类似。只要流道足够长,入口为近饱和水,出口为单相蒸气,随着沿途含气率增大,会依次发生单相液体、泡状流、弹状流、环状流、弥散流、单相气体流动等流型。由流型理论分析得知,内聚光内水柱沸腾时的状态是泡状流和弹状流。在晴好天气(辐照度大约在900W/m2),真空管中的水处于沸腾状态,每一个汽化核心处都会有汽泡,汽泡在成长、脱离和上升过程中都会不断的吸收汽化潜热并产生剧烈扰动,对真空管壁产生一次又一次的冷热冲击,有可能会导致炸管问题。


1热动力自循环非承压式太阳能热水器导流装置


1.1导流装置结构

热动力自循环非承压式太阳能热水器导流装置是一种引导太阳能热水系统水循环的导流结构,它解决现有太阳能热水器的不足,为太阳能热水器提供一种结构合理、简单高效的导流管设计方式。新型热动力自循环式太阳能热水器导流装置由导流管、导流扩片、卡子三部分组成。下面就这三部分逐一介绍。


导流管由玻璃、橡胶、塑料等导热性能较差,化学性质稳定,抗冷热冲击,有一定的物理强度的材料制成,底端管口距真空集热管内管底部D(D 为真空集热管内管直径)左右;导流管直径d=姨2 /2D 取整(使导流管截面积为真空管内管截面积的一半,保证导流管内外水流动无“变径”阻力);管壁厚度小于1.5mm。导流管的上端为开的坡口,其上边缘与水箱中心相平,下边缘与真空集热管管口中心相平,它一方面可以保证底部“冷水”流入,另一方面可以阻止其所在位置暖流的横向运动,起到加长对流路程、提高换热效率的作用。


导流扩片由化学性质稳定、耐温性能好、寿命长的材料制成,可以是导流管相同材料与导流管整体铸成,也可为不同材料与导流管通过任何方式联结;其外边缘直径为真空管外管直径(所用材料为弹性较好的材料)或太阳能热水器水箱内胆密封圈内径(所用材料为弹性较差的材料)。并与导流管有一定角度,安装完毕后导流扩片呈竖直状态。


卡子由具有良好的物理性质及化学性质、寿命长的材料制成;要求其在导流管径向横截面积小。整个装置把水循环的冷暖流分隔,以暖流上升的热动力为动力,带动整个循环,再通过导流扩片引导水流向,以达到图1所示的效果。

图1加装导流装置后的流场示意图


1.2运行原理及流场分析

非承压自然循环热水系统,在晴好天气早上水箱上满水后,真空管开始集热,内管外壁选择性吸收涂层吸收阳光后,首先加热内管和导流管之间的水,水温迅速升高,水开始自然循环,热水沿着导流管外壁上升,进入水箱;同时冷水通过导流管补充进来,形成闭环循环系统,水箱内水温不断升高,直至真空管内温度和水箱温度相等,使换热达到平衡。


此装置用于聚光类真空管热水器,尤其是内聚光管热水器效果明显,因内聚光真空管为内管可360° 集热,阳光直射到真空管上,通过外管内壁镜面反射,反射到内管下部,所以内管和导流管之间的环形区域与内管朝阳面同时集热,不存真空管内上面热水,下面冷水的情况,使本装置为之适用。


由于换热效率高,真空管循环性能好,真空管内热量积聚的时间短,能有效降低管内水垢的形成,同时其微流动也会阻止水垢的沉积,所以因结垢而堵塞或炸管的隐患会大大降低。


2真空管与水箱内温差对比测试


2.1实验准备

实验采用12支2.1m 的内聚光管太阳能热水器两台进行对比测试,其中一台为加装导流管的内聚光管热水器,另一台为普通内聚光管热水器(见图2、图3)。


图2样机

图3导流管


2.2实验方法

导流管的设计目的是导出管内积聚热量,以此解决高温热量无法导出的问题。为验证理论的可行性,取四个探头分别置于导流管样机水箱T2、管底T1、导流管管口和内管管口;同时取两探头置于普通样机水箱和内管管底。同时记录水箱温度T4 和管底温度T3,取其差值,观察差值变化,对比导流管样机与普通样机在管底积聚热量排出的性能差异。


2.3实验结果分析

经过两天测试,数据列于表1。


由表1数据可知,加装导流管后的内聚光管热水器管底与水箱温度差一般小于2℃,而普通内聚光管热水器管底与水箱温度差一般在10℃左右,因此在加装导流装置能有效的把管内积聚的热量导出。


3真空管沸腾状态对比测试


3.1实验目的

观察高温(水箱水温高于90℃)情况下是否加装导流管其内聚光管内部对流情况及沸腾状态的对比情况。


3.2实验准备

为了便于观察管内水流情况,特制A、B 两种类型的内聚光真空管,其中A 型真空管沿轴向分别有两侧未镀膜区域,B 型真空管为真空管管口往下300mm 为镀膜区域。图4 和图5 是A、B 两种类型真空管的实拍照片。


3.3实验方法

A型、B型两种真空管分别准备两支,其中一支A 型和一支B 型真空管内加装导流管,将4支特制真空管同时安装在一台太阳能热水器上(如图6 所示),其中A1为A 型加装导流管,A2为A型未加装导流管,B1为B型加装导流管,B2为B型未加装导流管,水箱内上满水,在正午时刻观察4支样管内对流及沸腾时的现象。


图4 A 型内聚光真空管

图5 B型内聚光真空管

图6 试验样机


3.4实验现象分析

3.4.1总体现象

从一定角度可观察到未加装导流管的样管A2 和B2 管内有很多杂乱细小的波纹,分析是管内冷热流交汇产生的,进而可以推出,普通内聚光管因未加导流管的结构原因,导致管内对流不顺畅;而加装导流管的样管A1 和B1 管内没有发现波纹,分析是导流管把冷热流隔绝,没有冷热流的交汇,所以没有波纹现象。当水温高于90℃,正午观察时发现未装导流管的样管A2和B2 管内出现大气泡、沸腾、喷涌的现象;而加装导流管的样管A1 和B1 则管内工作水流平缓,未出现上述现象。


3.4.2 未加导流管管内沸腾过程及原因分析

未加导流管管内沸腾过程及原因分析主要有:

a:小气泡产生,气泡体积逐渐增大;

b:形成横截面积达到内管横截面的大气泡,可以阻挡部分水;

c:大气泡在管底积聚,形成大空腔,向上运动并将上部分水顶出。


整个过程在11:00~12:00 时段大概间隔15分钟发生一次,在12:00~13:00 时段大概8 分钟发生一次,前期小气泡阶段时间较长,喷涌现象为极限状况是瞬间产生的,分析原因为大气泡上移,管壁再次接触水,较高温度使水大量变成水蒸气,持续作用而产生空腔,空腔提供了管壁温度升高的条件,管壁再次触水时又会产生更大量的水蒸气,累加作用而产生喷涌,喷涌较为剧烈,空腔后回水伴有较大冲击,致使每次喷涌回水后都能听见声响,是内管撞击外管的声音[3]。


4结论


加装导流管后的内聚光管热水器管底与水箱温度差一般小于2.0℃,而普通内聚光管热水器管底与水箱温度差一般在10℃左右,因此在内聚光管内加装导流装置能有效的把管内积聚的热量导出。


内聚光管因其结构原因高温情况下会产生大气泡、沸腾以及喷涌的现象;加装导流管后可以大大改善内聚光管内部换热,并杜绝高温时的气泡、沸腾、喷涌现象,有效解决产品市场问题。


内聚光真空管可360° 超强集热,其空晒温度超过300℃,在非承压式热太阳能水器上正常使用时,存在因高温导热不顺畅而引起炸管的偶发故障。总体来说,内聚光真空管其故障率要高于普通结构的真空管,但在应用了热动力自循环非承压式太阳能热水器导流装置后,有效的解决了上述各种问题。此技术手段适用于各种规格的真空管,可有效的避免高温时真空管底部形成停滞区,并能够将真空管底部积聚的热量高效导出,显著增加真空管内工质在自然对流状态下的能量传递。在有效改善真空管内部换热的同时,极大地降低了炸管的发生几率。

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