太阳热水器储水箱换热器的换热性能研究

刘东平 王广岭 王玉军 梅利辉 万秀娟

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101）

1 引言

随着人们生活水平的提高，传统的真空管非承压太阳热水器产品已经不能满足高端市场需求，平板式二次循环（间接换热）太阳热水器以其能承压洗浴、与高层建筑完美结合、节能等各方面优势，逐步成为高端太阳能市场主流产品。二次循环太阳热水器主要由集热器、换热器和储水箱组成，一般将换热器和储水箱作为一个整体设计、生产。对于太阳热水器来说，换热器主要有夹层换热器、盘管换热器和板式换热器三种，在家用单机系统中，又以夹层换热器、盘管换热器居多。夹层换热器主要运用在自然循环换热系统中，盘管换热器要运用在强制循环换热系统中。如图1～3所示。

本文重点研究夹层换热器结构的换热性能，通过对换热器材料、换热介质流量、换热面积等各项参数的论述、验证、归纳，得出影响夹层换热器结构的换热性能的各种因素及提升换热性能的各项措施。

2 换热器材料对换热性能的影响

就市场上现有太阳热水器的夹层换热器而言，一般有不锈钢和碳钢搪瓷两种材质。通过查询导热系数表，普通碳钢导热系数一般为45W/m·K，而不锈钢导热系数仅为16W/m·K，由此可见，选择碳钢材料制作夹层换热器换热性能明显优于不锈钢。但是不锈钢换热器因其表面氧化皮较薄，热阻较小；碳钢搪瓷换热器因其存在搪瓷烧结过程，表面会形成氧化皮层，影响系统换热性能，因此控制搪瓷内胆换热表面氧化皮的产生是提升搪瓷内胆产品换热性能的有效途径。可以通过对搪瓷钢板表面的处理有效防止氧化皮的产生，从而提升换热效率，增加系统的得热量。

3 换热介质流量、换热面积对换热性能的影响

为了研究换热介质流量、换热面积等各项参数对系统换热性能的影响，我们采用以下实验方案来归纳总结。

对带有夹层换热器的水箱进行换热性能测试。通过变化换热介质3种流量，探讨换热介质流量变化对换热性能的影响；通过变化夹层换热器3种面积，探讨换热面积变化对换热性能的影响。

3.1 试验内容

3.1.1 换热介质流量变化对换热性能的影响

在储热水箱容积（300L）和夹层换热器换热面积（2m2）不变的情况下，改变换热介质流量，共测试3组数据，分别是标准设定流量Q0、Q1（0.5Q0）、Q2（1.5Q0），根据设计Q0取5.4L/min，则Q1取2.7L/min，Q2取8.1L/min。

表1 Q0取5.4L/min时系统换热功率

表2 Q1取2.7L/min时系统换热功率

相对时间（min）换热功率（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 循环出口温度（℃）循环进口温度（℃）储热水箱温度（℃）瞬时流量（L/min）循环进出温差（℃）

换热功率（q）的计算公式如下：

q= Q×Cp·（Tin-Tout）（W）

其中：

Tin：换热器入口换热介质温度（℃）；

Tout：换热器出口换热介质温度（℃）；

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Q：换热介质质量流量（kg/s）；

Cp: 换热介质定压比热（J/kg·K）。

通过以上公式，计算出在三种不同流量前提下系统的换热功率。

3.1.2 换热面积变化对换热性能的影响

在储热水箱容积（300L）和标准设定流量Q0不变的情况下，改变夹层换热器换热面积，共测试3组数据，分别是标准设定换热面积V0、V1（0.5V0）、V2（0.75 V0），根据设计V0取2m2，则V1取1m2，V2取1.5m2。

通过3.1.1节的公式，计算出在三种不同换热面积前提下系统的换热功率。

3.2 测试方法

按照图4所示，将恒温水箱（容积500L，提供20±1℃恒温水）、储热水箱（容积300L）、供热水箱（容积200L）、截止阀、水泵、流量计、排气阀、TP阀及夹层安全阀用管路连接起来，在储热水箱上部和下部布上感温点1和感温点2，在储热水箱夹层换热器循环进出口布上感温点3和感温点4，在供热水箱上部和下部布上感温点5和感温点6。

3.3 试验结果

3.3.1 改变换热介质流量实验结果

表1为Q0取5.4L/min时系统换热功率；表2为Q1取2.7L/min时系统换热功率；表3为Q2取8.1L/min时系统换热功率。以上3种不同流量前提下的系统的换热功率可以通过图5的曲线图表示。

3.3.2 改变换热面积实验结果

通过改变夹层换热器换热面积来研究换热面积变化对系统换热性能的影响，图6是3种不同换热面积前提下的换热功率曲线图。

3.4 试验结论

（1）改变换热介质流量实验结论

换热介质流量越大，系统换热功率越大，储热水箱温升越快；

换热介质流量越大，夹层换热器循环进出口温差就越小，换热功率曲线斜率越大，换热功率下降越快。

（2）改变换热面积实验结论

换热面积越大，系统换热功率越大，储热水箱温升越快；

换热面积越大，夹层换热器循环进出口温差就越大，换热功率曲线斜率越小，换热功率下降越慢。

4 结语

综上所述，换热器材料、换热介质流量和换热面积对系统换热功率均有影响。

就换热器材料而言，虽然带有碳钢夹层换热器的搪瓷层及氧化皮会影响换热性能，但是考虑到碳钢材料导热系数优于不锈钢材料，且碳钢材料成本远远低于不锈钢材料，建议选用碳钢作为换热器材料。在选用碳钢材料的同时，建议生产过程中必须有效去除搪瓷烧结过程中出现的氧化皮层，保证搪瓷质量，这样才能确保换热器的换热性能不受影响。

对于换热介质流量及换热面积，由以上实验不难看出，换热介质流量越大，系统换热功率越大，但是下降越快。因此，针对整个太阳能热水系统而言，换热介质流量并非越大越好，对换热介质流量的设定需要综合考虑集热面积及水箱容积等各方面因素取最佳值。对于换热器的换热面积而言，在满足系统换热介质流量、成本及生产工艺的前提下，应尽量增大换热面积，可以使换热系统热量交换更充分，整个太阳热水系统的得热量也就越高。

[1] 罗运俊，何梓年，王长贵编著.太阳能利用技术.北京：化学工业出版社，2005

[2] 袁家普编著.太阳能热水系统手册.北京：化学工业出版社，2009

[3] 罗运俊，李元哲，赵承龙编著.太阳热水器原理、制造与施工.北京：化学工业出版社，2005