取水流量和初始水温对太阳能热水器真空管性能的影响分析*

刘啸, 王文丽, 张国庆, 高文峰, 付鸿凯

(云南师范大学,云南 昆明 650092)

1 引言

热水器水箱取水时，由于冷水从水箱下部进水口进入，冷热水之间会发生掺混，这一过程会受取水流量和水箱初始水温的影响，进而影响热水器的热性能及排水性能；对于热水器的排水性能，可以用放热效率这一指标来进行定量评价[1]；水箱放热效率为从水箱中放出的有用热量与水箱初始状态下总热量的比值，放热效率越高，表明取出的热量越多，可供给用户的热水更多，水箱排水性能也就越好.

关于真空管太阳能热水器热性能及排水性能已经进行了大量的实验和模拟研究[2-4]；陈雪娇[5]对导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统和传统式全玻璃真空管太阳能热水系统进行了测试，结果指出水箱放热效率随取水流量增大而降低；杜明浩等[6]建立热泵系统和水箱系统耦合模型，考虑了进水水温和取水流量对水箱放热效率的影响；高岩等[7]研究了真空管对集热器热特性的影响，但未对真空管的放热效率进行探讨.李仁飞等[8]应用太阳载荷模型，利用Fluent软件模拟分析了真空管热水器系统的传热过程，研究了在加热期间真空管内流体流动特征；杨静芸等[9]针对三腔式全玻璃真空管和常规的全玻璃真空管在闷晒状态下的真空管内流体的流动状态及性能，运用Fluent软件进行了数值模拟，但也未对取水过程中真空管流体流动特征进行分析.而在太阳能低温利用中，真空管太阳能集热器是应用最广泛的集热部件；基于此，本文对紧凑型直插式全玻璃真空管太阳能热水器在不同取水流量及初始水温下真空管内的水温随排水时间的变化进行实验测试，分析不同工况下真空管的放热效率.

2 实验装置及测试

2.1 实验装置

实验对象为一套紧凑型直插式全玻璃真空管太阳能热水器，坐北朝南安装于昆明市呈贡区云南师范大学能源与环境科学学院一楼户外实验室.集热器为20支Φ58 mm×1 800 mm 真空管构成的竖单排全玻璃真空管太阳能集热器，集热器安装倾角为45°，水箱容量为131.2 L.

2.2 实验测试及实验方案

在太阳能热水器真空管内距水箱连接口130、80 cm和30 cm处放置三个温度传感器T1、T2和T3，来测量真空管下部、中部和上部水体的温度，取三个传感器的所测温度的平均值代表真空管水温，如图1所示.实验在无太阳辐射时进行；整个实验时间持续1～2 h，故进水温度变化可忽略；取水时通过调节进、出水口阀门来保证取水实验过程中热水不会从排气口溢出，在出水口水温刚好低于30 ℃结束取水.

图1 真空管内温度测量位置示意图

实验分两部分进行；第一部分在真空管平均水温达到50 ℃、75 ℃、90 ℃左右时进行低流量(约2 L/min)取水实验(由于热滞效应，实际取水时测量的水温略高于设定温度)；第二部分在真空管平均水温为75 ℃左右时，在低流量(约2 L/min)、中流量(约8.7 L/min)和高流量(约11.3 L/min)下进行取水实验.实验过程中，测量真空管水温变化，最后计算太阳能热水器真空管的放热效率.

2.3 数据处理方法

真空管放热效率[10]定义为从真空管中实际放出的有用热量与真空管不发生掺混的理想状态下总热量的比值，经计算简化得放热效率表达式为

(1)

式中，ti为实验开始时真空管水温，℃；te为实验结束时真空管水温，℃；tc为补入的冷水温度，℃，经测定为17.5 ℃.

3 实验结果

3.1 初始温度对真空管水温的影响分析

初始水温分别为50.1 ℃、76.3 ℃和93.2 ℃时，进行低流量下的取水实验，对应的取水时间分别为80、180 min和143 min，最高水温的取水时间比中温减少，可能是由于取水流量控制不精确的缘故.为了比较不同初始水温下，在整个取水这一过程中相对相近时刻水温的相对变化，对放水时间和水温进行归一化处理，实验结果如图2.分析可知，初始水温越高，真空管水温下降越快.

图2 不同初始水温下取水时的真空管水温

3.2 取水流量对真空管水温的影响

控制初始水温在75 ℃左右，在取水流量为低、中、高三种流量情况下进行取水，为了比较在取水过程中相对相近时刻相对水温变化，对取水时间和水温进行归一化处理，实验结果如图3.由图可知，随着取水流量增大，真空管水温下降越慢.

3.3 不同工况下真空管的放热效率

表1为不同工况下真空管放热效率的计算结果.由表可知：在低流量下，放热效率随温度升高而增大，均大于90%，最终水温均接近冷水温度；流量越大放热效率越低，最低为70.55%，最终水温越高.

图3 不同流量下取水时的真空管水温

表1 真空管放热效率表

4 结果与讨论

以一套紧凑型直插式全玻璃真空管太阳能热水器为研究对象，通过对系统在不同初始水温和取水流量下真空管水温变化和真空管放热效率进行实验测试和对比分析，得到以下结果：

(1)在低流量下进行取水，初始水温越高，真空管水温下降越快，真空管放热效率越高，这是因为随着冷水进入热水器水箱降低水箱中水温，初始水温越高，真空管中水温与水箱水温间温度梯度越大，有利于真空管中水的热量向水箱传递；三种水温下的放热效率均较高，表明低流量取水有利于真空管中水的热量充分向水箱传递，因而真空管最终水温均接近冷水温度；

(2)在相近初始水温，不同流量下取水，取水流量越大，真空管水温下降越慢，放热效率越低，这是因为取水流量越大，冷水进入水箱与水箱中热水掺混越迅速，使得出水口水温越快达到30 ℃，放水时间越短，使得真空管中水的热量不能及时向水箱传递，真空管剩余热量就越多，真空管最终水温就越高.