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改善太阳能热水系统流量分布的研究

第27卷,总第153期

2009年1月,第1期
《节能技术》

ENERGYCONSERVATIONITECHNOLOGY

Vo1.27,Sum.No.153

Jan.2009,No.1
改善太阳能热水系统流量分布的研究
别玉,胡明辅,郭丽

(昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650224)
摘要:太阳能热水系统的流量分布不均匀严重影响其热效率,为了改善流量分布,提高效率,
简要分析了自然循环和强制循环的太阳能热水系统中流量分布情况及其成因,论证了强制循环热
水系统中流量分布不均匀现象普遍存在.针对该问题提出了几种使流量均匀化的措施,其中改变
集热器管路中的局部阻力特性最容易实现.
关键词:太阳能热水系统;并联管组;流量分布
中图分类号:TK51文献标识码:A文章编号:1002—6339(2009)01—0049—03

AMethodforImprovingHowDistributioninSolarWater——heatingSystem

BEIYu,HUMing—fu,GU0Li

(FacultyofChemicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650224,China)

Abstract:Flowmaldistributioninsolarwater—heatingsystemwithcollctorarrayshasaseriousinfluenceon

thethermalefficiency,SOitisnecessarytoimprovetheflowratedistribution.Theresultsandcausesofflowdis—

tributioninsystemwithnaturalcirculationandpumpcirculationhavebeentheoreticallyanalysedrespectively.

Analysisandexperimentaldatashowthatmaldistributioncommonlyexistsinpumpdrivedsystemandalways

leadstolowerefficiency.Inordertosolvetheproblem,appropriatemeasuresshouldbetaken,suchasproperly

designingthestructureandsizeofcollectors,reducingthescaleofcollectorarraysandchanagingresistance

characteristicsinmanifolds.Amongthem,thelastoneiseasiertorealiseinengineering.

Keywords:Solarwater—heatingsystem;manifolds;uniformflowdistribution

1引言
近年来,可再生能源的利用受到了前所未有的
关注,太阳能以其资源丰富,运输成本低,环境友好
等优点备受推崇,”太阳能与建筑一体化”成为其主
要的利用形式之一.然而太阳能转换率低而导致的
成本偏高却制约了其发展,亟需从各个角度提升利
用效率.因此,提高太阳能热水系统的热效率,对节
收稿日期2008—12—26修订稿日期2008—12—30
基金项目:校青年基金资助项目(项目编号:KK70.200805045)
作者简介:别玉(1984～),女,助教,硕士.
能设备进行二次节能有重要现实意义.
影响太阳能热水系统热效率的主要因素有太阳
能集热器类型选择,集热器安装方位,集热器选择性
吸收涂层,玻璃盖板的阳光通过率,集热器内的流量
分布,储热水箱的保温效果等.作为一个完整的系
统,其中每个零部件的局部效率提高都会改善其综
合性能.研究表明,强制循环太阳能热水系统中集
热器阵列流量分布不均匀对系统热效率影响较大.

Chiou等人的实验发现对单片集热器,流量分布不均
使热效率相对下降2%～20%….王兴安等人研究
得出,流量分布不均使顺流布置集热器阵列的热效
率相对下降约20%,使逆流布置集热器阵列热效率

?

49?
相对下降约50%lI3j.可见,从理论上分析太阳能
热水系统流量分布不均匀的成因,研究改善流量分
布的方法很有必要.

2自然循环太阳能热水系统的流量分布
按照国标GB/T18713—2002和行规NY/T5l3—

2002规定,贮水箱容量在0.6吨以上的称为太阳能
热水系统,反之称为太阳能热水器l,4J.小型太阳能
热水系统一般采用自然循环的方式,其结构如图1
所示.它依靠热虹吸作用使冷热水不断循环,水吸
收集热器热量受热膨胀,密度变小,由冷热水之间的
密度差产生压差,使热水不断向上运动,循环流经集
热器管,直至水箱上下层的水温基本一致,压差小到
无法推进循环为止.
不管对于真空管集热器还是平板集热器,自然
循环时集热器支管中的流量是均匀的.这是因为自
然循环自身的推力就是冷热水密度差导致的压差,
假设流经某根支管的流量较大,一次加热后水温上
升幅度较小,导致密度差缩小,推动水循环的动力降
低,其流量自然减小.因此,自然循环对流量分布具
有自调节作用,流量分布呈均匀态势.若想提高自
然循环热水系统的热效率,可加大集热器内水的流
速,即增加其推动力,在水箱中根据温度梯度设置隔
热元件可达到这一目的,而且还能降低水箱内部的
传热,减小进口水温对出口水温的影响.

3强制循环太阳能热水系统的流量分布?

3.1流量分布的理论简析
对于较大的热水系统,自然循环的效率极低,需
采取强制循环手段,其结构如图2所示.强制循环
中也具有热虹吸作用,但其作用太微弱,可忽略.强
制循环主要靠水泵维持,在集热器两端产生一持续
的压差作为推动力.大系统的集热器阵列一般是并
联z型布置,为简化问题,假设阵列中单片集热器内
部流量均匀分布,将其视为一根支管,将阵列看作由
分流集管,汇流集管及多根支管组成的并联管组.
流量分布取决于流体流动的推动力和阻力的比值,
其推动力为分流集管和汇流集管间的静压差,阻力
受集热器结构,尺寸以及支管的流量等影响.
集管的静压取决于管内流体动能和静压能的相
互转换及能量损失分流集管内流体由于分流而减
速,沿程的静压一方面由于分流作用而升高,另一方
面由于摩擦与局部阻力作用而降低,静压沿流动方
向可能升高或降低?汇流集管中流体静压由于汇流
作用而减小,同时流量增加也造成阻力损失加剧,两

?

5r】?
种因素都导致静压沿程下降,且随着集管流量增加,
静压下降的幅度也变大.
据上述分析,分汇流集管静压分布有如图3所
示的几种情况,相对应的并联管组流动特性有以下
几种可能:(1)阻力系数较小,分流作用占主导地位
时,分流集管静压沿程上升,并联管组流量沿程越来
越大,属于动量控制型;(2)起初阻力损失大于分流
作用,随着流速减小,分流作用逐渐占主导,使得分
流集管静压先下降后上升,并联管组流量先减小后
增大;(3)阻力损失占主导地位,分流集管静压沿程
减小,但随着流量越来越小,沿程阻力损失的作用也
逐渐变弱,分流集管静压减小的幅度降低,支管流量
分布也呈现先减小后增大的趋势,属于阻力控制型.
当支管固有阻力系数确定时,流量分布与压差
分布趋势相同,但流量分布略微平缓.只有当支管
很长,阻力很大时,才会较大幅度地改变流量分布,
呈基本均匀态势,曾有学者计算当长度为10m时流
量基本均布5],但考虑到阻力导致过度的压头损失
会增加系统能耗,这种情况在实践中很少见.所以,
只需考虑集管静压差对流量的影响.
分流,汇流集管内的阻力损失主要是沿程阻力
损失,管径不变时,它与沿程距离E成正比.采用
动量衡算法对集热器并联管组的流量分布进行了离
散数值计算,具体计算方法有详细的描述,这里不再
重复j.选取由分流集管,汇流集管及l0根支管组
成的集热器为理论研究对象,分别计算了支管间距

E:0.05m,0.1m,0.4m,1m,2m,3m,4m时集管
的静压分布及支管流量分布.其中E=0.05m,

0.1Ill,0.4m属于上述第(1)种情况;E=1m,2nl属
于上述第(2)种情况;E=3m,4m属于上述第(3)
种情况.可见,强制循环的单片集热器通常属于第

(1)类,这与Jones和Lior在实验研究中得到流量随
支管编号的增大呈指数函数曲线增加是相符的【.
而多片集热器并联的阵列诵常属于第(2)类,这与王
兴安对集热器阵列的研究结果相符一31.因此,顺
流布置的集热器阵列中,第一片和最后一片的流量
较大,尤其是最后一片,中间流量小,容易出现空晒
情况,不仅降低了热效率,而且对集热器的使用寿命
也有所影响.

3.2流量分布的实验数据
上述分析得到了实验验证,通过对7片1mX

2m规格的集热器并联阵列进行流量分布测量,得到
在不同总流量下分布规律一致,但具体数值有所差
异.以总流量1.5n1=l/h为例,流经每片集热器的流
量分别站总流量的22.18%,13.41%,7.50%,

p
图1自然循环太阳能热水系统示意图
图2强制循环太阳能热水系统示意图
图3集管沿程的静压分布示意图

6.76%,4.82%,10.82%,34.50%,最大和最小流量
相差7倍多.王兴安对4片和16片集热器阵列中
流量分布作了建模计算和实验测量,结果表明,对4
片顺流布置的集热器阵列,第一和第四片集热器的
流量分别占总流量的40.0%和51.4%,第二和第三
片分别占总流量的6.0%和2.6%,最大和最小流量
相差19.8倍;对16片顺流布置的集热器阵列,第一
片约占36%,第二片约占3%,第15片约占10%,第

16片约占49%,其余集热器的流量很小,总共只占
总流量的2%.与之对应的进出口两端集热器的温
度只有20~C左右,而中间部分集热器出口水温达

50℃以上,集热器阵列的平均出口水温仅32~C,集
热效率很低.
由于我们各自的实验条件差别较大,得到的数据
也有所差异,但是单独观察每个人的实验结果,发现
流量不均匀分布的现象很明显,且随着集热器规模的
扩大,不均匀程度会加剧.因此对于集中供热水的大
型系统,必须采取一定措施改善流量分布状况.

4改善流量分布的措施
强制循环系统中流量不均匀分布是分支流系统
固有的特性.除太阳能集热器阵列外,这种现象还
广泛存在于径向板式换热器,催化反应器分布器,流
化床多管式气流分布器,锅炉的送风管和集箱等设
备中5J,流量分布不均匀通常会影响这些设备运
行的安全性和效率.对于各种流场,有一个普适的
公式,即流量:K.器,因而可从改变推动力和
阻力特性的方法使流量均匀化.

4.1合理设计集热器结构和尺寸
这是该领域大多数学者的研究方向,从结构和
尺寸设计上改善流量分布.通过对流量分布求解析
解,获得若干影响因素及其影响程度【m].研究发
现,分流集管和汇流集管的面积比对流量分布影响
较大,为保证流量分布均匀,应满足下式
蓦c-
式中,——分流集管的静压减弱系数,汇流
集管的静压恢复系数;

Ad,A——分流集管,汇流集管的水流面
积.
对于C和c,研究者们选取不同对象,通过实
验方法得出了许多结论.根据R.A.Bajura(¨j所作的
测试,约在0.6～1.0之间,位于一0.6～0.2之
问,C主要取决于支管与集管的直径比和分叉处的
连接状况,如直角连接还是圆弧连接,而与流量比关
系不大.陈之航J考虑了集管的长径比,支管结构
的影响,依靠试验确定了锅炉中分流集箱的在

1.15～1.41问.王恩禄【13]给出了系数的解析解,对

1～12根支管,cd的取值在1.O0～1.35问,7根支管
的Cd=1.032;同时实验测得C值在一0.25～0.35
间.McN下转第73页)

?

51?

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(上接第51页)
中间小的特点,设计不同的支管管径,以改变支管沿
程阻力系数.

4.2限制集热器阵列规模
前面提过,集热器并联而成的阵列,其规模越
大,流量分布越不均匀,所以需要尽量减少集热器片
数,缩小规模.在太阳能热水系统设计中,为防止流
量分布不均匀,规定每组并联集热器的面积不超过

30m2,若单片集热器面积为2m2,则每组不能超过

16片,为避免效率过度下降,实际安装中往往不超
过l2片【11j.如果工程设计时集热总面积超过

30m2,也可采取集热器串并联结合的方式,只要控
制并联的集热器片数即可.此外,还可采取多级并
联的方式,比如将进水管设在集热器阵列的中间,让
水分别向左右两边流经其它集热器,第一次并联分
流由于左右两边管路的阻力系数相等,总流量也应
该相等,这相当于将集热器阵列的规格缩小了一半.

4.3改变管路的局部阻力特性
以上的措施均需要从设计时就考虑,对现有的
集热器阵列进行改造时不易实现,而保持管路的沿
程阻力不变,仅改变管路中的局部阻力特性以保证
流量均匀分布容易实现,只需在集热器管路连接中
引入局部阻力元件即可.重新设计管路局部阻力特
性,可使流量分布在理论上完全均匀,在工程实践上
基本均匀.然而引入额外的局部阻力会增加整个系
统的阻力损失,因此要均衡流量均匀化程度和阻力
引入量,使系统保持最经济高效的运行.

5结论

(1)自然循环的太阳能热水系统流量分布基本
均匀,不需要采取措施提高热效率;

(2)强制循环的太阳能热水系统流量分布相当不
均匀.需采取措施改善流量分布不均的情况,可从合
理设计集热器结构和尺寸,限制集热器阵列规模,改
变集热器管路的局部阻力特性等方面人手,其中改变
集热器管路中的局部阻力杼I生容易实现,在实际工程
中有较好的应用前景,有进一步研究的空间.
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