改善太阳能热水系统流量分布的研究.docx

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ENERGYCONSERVATIONITECHNOLOGYVo1.27,Sum.No.153Jan.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:10026339(2009)01004903AMethodforImprovingHowDistributioninSolarWaterheatingSystemBEIYu,HUMingfu,GU0Li(FacultyofChemicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650224,China)Abstract:Flowmaldistributioninsolarwaterheatingsystemwithcollctorarrayshasaseriousinfluenceonthethermalefficiency,SOitisnecessarytoimprovetheflowratedistribution.Theresultsandcausesofflowdistributioninsystemwithnaturalcirculationandpumpcirculationhavebeentheoreticallyanalysedrespectively.Analysisandexperimentaldatashowthatmaldistributioncommonlyexistsinpumpdrivedsystemandalwaysleadstolowerefficiency.Inordertosolvetheproblem,appropriatemeasuresshouldbetaken,suchasproperlydesigningthestructureandsizeofcollectors,reducingthescaleofcollectorarraysandchanagingresistancecharacteristicsinmanifolds.Amongthem,thelastoneiseasiertorealiseinengineering.Keywords:Solarwaterheatingsystem;manifolds;uniformflowdistribution1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20081226修订稿日期20081230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/T187132002和行规NY/T5l32002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1mX2m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20C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32C,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0.61.0之间,位于一0.60.2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1.151.41问.王恩禄【13给出了系数的解析解,对112根支管,cd的取值在1.O01.35问,7根支管的Cd=1.032;同时实验测得C值在一0.250.35间.McN下转第73页)?51?参考文献1谢小荣,吴德新,江涛.立体视觉视频孔探仪及其应用J.机电产品开发与创新,2008(1):5859.2陈尊理.热成像技术在现代企业管理中的应用J.节能技术,2007,25(6):558561.3李长有,马齐爽,姚红宇.基于小波变换的孔探图像边缘粗糙度分析J.北京航空航天大学.2007(6):705708.4李长有,石鹤,姚红宇.孔探图像特点J.测试设备与技术.2oo6(5):384o.5苏彦华.VisualC+数字图像识别技术典型案例M.北京:人民邮电出版社,2004.6李剑峰,郭永康,等.基于大景深三维扫描系统对RAC标定法的修正J.光子.2008(2):405409.【7RddiSS,KeshavanHR.Anoptimalmultiplethresholdschemeforimagesegmentation【JJ.IEEETransl1984.SMC一14(4):661665.8雷建,孙俊逸.基于人工神经网络下的图像识别的研究J.现代电子技术.2008(6):127129.【9JWagonL.Casebasedreasoningisamethodologynotatechnology.KnowledgeBasedSystems,2003,12:303308.(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.参考文献【1J.P.Chiou.TheEffectofNumuniforillnuidnOWDistribufiononThehennalPerformanceofSolarCollectorJ).SolarEnergy,1982,29(6):487502.(2王兴安,等.太阳热水系统等温流动特性的研究J.太阳能,1988,9(2):119126.【3jXAWang,LGWu.AnalysisandPerformanceofFlatplateSolarCollectorArrays(J.SolarEnergy,1990,45(2):7178.4)GB503642005,民用建筑太阳能热水系统应用技术规范S.5VolkerWeitbreeht,DavidLehmann,AndreasRichter.FlowDistributioninSolarCollectorsWithLaminarFlowConditionsJ.SolarEnergy.2002,73(6):433441.6别玉,胡明辅,郑思铭.太阳能热水系统流量分布的一种分析计算方法J.节能技术,2006,3(2):1l2115.【7S.FJones,NLior.Flowdistributioninmanifoldedsolarcollectorarrayswithnegligiblebuoyancyeffects【J.SolarEnergy,1994,52(5):289300.8赵镇南.集管系统压力与流量分布的研究(I)u型布置时的分析解J.太阳能,1999,20(4):377384.9赵镇南.集管系统压力与流量分布的研究()z型布置时的分析解J.太阳能,2001,22(3):363366.10赵镇南.摩擦阻力对分流和汇流联箱流量特性影响J.石油化工设备,2001,30(5):1013.【l】JC.Dymoud,C.Kutscher.DevelopmentofAFlowDistributionandDesignModelforTranspiredSolarCoilectorsJ.SolarEn.ergy.1997,60(5):291300.?73?