太阳能换热设备选型及设计计算.pdf

太阳能光热应用工程 1 第十节、换热设备的选型及计算 一、换热设备简介 换热器是这样一种设备，温度不同的两种流体（气体或者液体）在换热器内流过时，为了防止它们之间的彼此混杂而用固体壁隔开，这样从进口到出口热量从热流体传至冷流体，热流体将被冷却，而冷流体将被加热。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器按换热器的结构可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U 形管板换热器、板式换热器等。换热器通常用在间接太阳能系统和辅助能源加热设备与太阳能系统辅助加热的系统中。在太阳能热水系统，尤其是间接式系统中应用最多是板式换热器。板式换热器 半容积式换热器 二、换热设备的选择注意事项 1.太阳能集热器收集的热量，可直接加热贮热水箱中的水；也可通过热交换器间接加热贮热水箱中的水。根据太阳能热水系统按生活热水与集热器内传热工质的关系可分为下列两种系统：直接系统和间接系统。间接太阳能热水系统的热交换器应根据水质硬度、冷热水系统压力平衡、系统形式及大小等条件，经技术经济比较后进行选择。(1).水质总硬度大于 150/L（以 CaCO3 计），冷热水压力平衡要求较高的系统宜选择半容积式、导流型容积式水加热器。(2).水质总硬度小于 150/L（以 CaCO3 计），且冷热水压力平衡要求较低的系统可选择快速式或半即热式水加热器。总之，采用热交换器间接加热生活热水的系统适用于原水水质易于在集热器盘管或流道中结垢的高硬度水，同时适用于暴露在室外的集热器具有较高防冻要求的场合。太阳能光热应用工程 2 2.在利用热交换器间接加热的太阳能热水系统中，热交换器换热不应明显降低集热器效率。当集热器的太阳能收益达到可能的最大值时，热交换器导致的集热器效率降低不应超过 10%。3.换热器选择时一定要跟连接的管路管径相匹配，一般应使管路的管径小于换热器管束的直径。4.换热器选择时要明确换热器的阻力特性，以便在以后的动力设备选型时准确计算管路阻力损失。一般都要乘以 1.2 的系数。5.换热器的流速不宜过大，以使换热充分。三、换热设备的选型计算(一)基本方程 1.传热方程式 tkFQ 式中：Q是换热器的换热量，W;k是换热器的传热系数，W/()；F是换热器的换热面积,；t是热媒与被加热水的计算温度差，即换热器换热表面的平均换热温度，；不同种类换热器的t计算方法不同，详见下面计算。2.热平衡方程式)()(2 222 1111ttcqttcqQmm 式中：1C是热媒的定压比热容;KJ/（）2C是水的定压比热容;4.187KJ/（）1t、1t分别是热媒介质的进、出板换温度；2t、2t分别是水的出、入板换温度；1mq、2mq分别是冷热介质的质量流量,/S；(二)间接集热系统换热器选型计算 换热设备计算主要是根据集热系统的换热量求得换热设备的换热面积。间接太阳能热水系统的换热设备主要涉及到换热器面积计算和二次侧水泵选型计算。太阳能光热应用工程 3 1.集热系统的换热量 K()10003600trdrelZyfqcpttQS 式中 ZQ指集热系统的换热量（W）；Kt指太阳辐照度变化系数，一般取 1.51.8,取高限时对太阳能利用有利。f指太阳能保证率。rdq指用水定额,L/d;C 指水的定压比热容，4.18KJ/（）；rp指热水的密度，通常取 1/L；et、lt分别是热水终止和冷水水温，。yS指年平均日日照小时数，可由图集太阳能热水系统的设计与安装06SS128 上附表查取。2.换热设备的换热面积计算 rZjCQFkt 式中 F指换热设备的换热面积（）；rC指集热系统的热损系数，一般取 1.11.2；指由于水垢和热媒分布不均影响热效率的系数，一般为 0.60.8；jt指热媒与被加热水的计算温度差，可按 510取值。集热器性能好，温差取高值，否之取低值。k指传热系数,W/()，参见值如下：类型 容积式水加热器 导流型容积式水加热器 半容积式水加热器 半即热式水加热器 板式换热器 kW/()380410 6801500 8102500 16002100 20003000 注：当设备厂家提供经测试的注：当设备厂家提供经测试的 K K 值时，应以厂家提供的值为准。值时，应以厂家提供的值为准。3.水加热器热媒与被加热水的计算温度差按下列公式计算 太阳能光热应用工程 4 对不同的水加热器，热媒与被加热水的计算温度差计算方法不同。涉及到不同的换热器，单独计算温度差时，可按下式计算：(1).容积式水加热器、导流型容积式水加热器、半容积式水加热器；22mcmzczjttttt 式中：jt指计算温度差。mct、mzt热媒的初温和终温，ct、zt被加热介质的初温和终温，(2).快速式水加热器、半即热式水加热器 maxminmaxminlnjttttt 式中 maxt指热媒与被加热水在水加热器一端的最大温度差，；mint指热媒与被加热水在水加热器另一端的最小温度差，；若换热器采用逆流方式，此时：maxhicottt，minhocittt hit指换热器高温热媒（来自太阳能集热系统）入口平均温度（）；cot指被加热水的出口平均温度（）；hot指高温热媒出口平均温度（）；cit指被加热水的入口平均温度（）；板式换热器属于快速式水加热器。4.二次侧（水箱和换热器之间）水泵的初步选择计算 包括二次侧水泵的扬程和流量计算。一次侧流量计算详见集热系统设计的相关章节。(1).流量计算 根据热平衡方程式，对板式换热器两侧的热、冷流体有：)()(2 222 1111ttcqttcqQmm太阳能光热应用工程 5 其中：1C是热媒的定压比热容;KJ/（）2C是水的定压比热容;4.187KJ/（）1t、1t分别是热媒介质的进、出板换温度；（要与间接式集热系统设计计算温度对应）2t、2t分别是水的出、入板换温度；（要与间接式集热系统设计计算温度对应）1mq、2mq分别是冷热介质的质量流量,/S 则二次侧水泵的流量为：11112222()()mmqcttqctt(2).扬程（估）计算 XexjzfHhhhh 式中：Hx二次侧循环泵的扬程（m）；exh二次侧循环管道的沿程与局部阻力损失（m）；jh二次循环流经换热器的阻力损失（压力降）（m）；流经板式换热器产生的压力降，具体不同厂家的产品略有不同，在没有厂家的数据的条件下，一般不大于 5m 水柱，最大一般不大于 8m 水柱。其他换热器的参数根据生产厂家产品具体而定。zh换热器与水箱最低水位的几何高差（m）；fh附加压力（m），25m。5.辅助加热设备和储热水箱之间的换热器的选型计算时，辅助热源热媒的计算温度应符合下列规定：(1).热媒为饱和蒸汽时的热媒初温、终温计算：热媒的初温mct：当热媒为压力大于70Kpa的饱和蒸汽时，按饱和蒸汽的温度计算；压力小于或等于70Kpa时，按 100计算；热媒的终温mzt：应由经热工性能测定的产品提供，可按：容积式水加热器的mct=mzt；导流型容积式水加热器、办容积式水加热器、半即热式水加热器的mzt=5090。(2).热媒为热水时的热媒的初温、终温计算：太阳能光热应用工程 6 热媒为热水时，热媒的初温应按热媒供水的最低温度计算；热媒的终温mzt：应由经热工性能测定的产品提供，当热媒的初温mct=70100时，其终温可按：容积式水加热器的mzt=6085；导流型容积式水加热器、半容积式水加热器、半即热式水加热器的mzt=5080。四、太阳能热水系统中常用的换热设备 常用换热设备有板式换热器、蒸汽喷射器、容积式换热器及半容积式换热器等。下面介绍板式换热器和蒸汽喷射器。(一)板式换热器 1.板式换热器简介 板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多。板式换热器的型式主要有框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，板片形式主要有人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板片三种。(1).板式换热器的基本结构 1、固定压紧板 2、法兰接口3、橡胶垫圈 4、不锈钢板片5、活动压紧板6、下导梁 7、上导梁 8、夹紧螺栓 9、支柱 板式换热器主要由框架和板片两大部分组成。板片由各种材料的制成的薄板用各种不同形式的磨具压成形状各异的波纹，并在板片的四个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。(2).板式换热器的特点（板式换热器与管壳式换热器的比较）板式换热器以其以下优点受到广泛的使用：1)体积小，占地面积少；2)传热效率高；太阳能光热应用工程 7 3)组装灵活；4)金属消耗量低；5)热损失小；6)拆卸、清洗、检修方便；7)板式换热器缺点是密封周边较长，容易泄漏，使用温度只能低于 150，承受压差较小，处理量较小，一旦发现板片结垢必须拆开清洗结构紧凑，占用空间很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的 1/31/5。2.板式换热器的运行原理图 冷热流体逆向流动，通过间壁换热。3.板式换热器选择计算参数 板式换热器的选型计算主要是确定换热器的换热面积。由上面换热器的面积计算公式确定。若要厂家进行换热器的校核计算，需提供以下数据：(1).总换热量；(2).冷热侧的介质；(3).冷热侧介质各自的进出口温度；(4).最高工作温度；(5).最高工作压力；(6).两侧允许的压力降；(7).换热器的尺寸要求等 太阳能光热应用工程 8(二)蒸汽喷射器 当热源是蒸汽锅炉或者市政热力高温蒸汽时，可以通过蒸汽喷射器换热加热水箱当中的水。喷射器吸入冷液体，与蒸汽在喷射器内部混合，将被加热的液体喷入存储水箱。在很多应用中，喷射器造成的循环是一个优点。这样可保证充分混合从而避免了温度分层现象。我公司通常采用斯派莎克蒸汽喷射器。1.蒸汽喷射器的特征与优点：(1).设计紧凑，重量轻，安装方便，在水箱内不会产生阻碍；(2).对大容量要求容易进行多喷管安装；(3).在喷管内蒸汽和冷水进行充分混合，安静，高效，加热经济；(4).在水箱内产生强烈的循环流动，消除热分层现象，不会形成二次蒸汽；(5).整体采用不锈钢结构，长的使用寿命，无须维修和维护；(6).多种口径和连接方式，用途广泛，能满足大部分客户要求。2.蒸汽喷射器的换热原理图 3.蒸汽喷射器加热系统与工作原理示意图：蒸汽喷射器固定在水箱壁上。运行时，控制器通过水箱内水温采集点的温度，自动控制蒸汽进入喷射器，经过蒸汽喷射器喷头加热水箱内的水。太阳能光热应用工程 9 4.蒸汽喷射器设计选型方法参数表及蒸汽流量的估算 日需水量（吨）所需蒸汽喷射量(kg/h)在不同的喷射器进口压力情况下所需喷射器的型号及数量 2(bar g)3(bar g)4(bar g)5(bar g)6(bar g)3 180 IN25M1 个 IN25M 1 个 IN15 1 个 IN15 1 个 IN15 1 个 5 300 IN25M 1 个 IN25M 1 个 IN25M 1 个 IN25M 1 个 IN151 个 10 600 IN40M 1 个 IN25M 1 个 IN25M 1 个 IN25M 1 个 IN25M 1 个 20 1200 IN40M 12 个 IN40M 1 个 IN40M 1 个 IN40M 1 个 IN25M 1 个或 IN40M1个 30 1800 IN40M 12 个 IN40M 12 个 IN40M 1 个 IN40M 1 个 IN40M 1 个 50 3000 IN40M 23 个 IN40M 2 个 IN40M 2 个 IN40M 2 个 IN40M 12 个 80 4800 IN40M 34 个 IN40M 3 个 IN40M23 个 IN40M 2 个 IN40M 2 个 100 6000 IN40M 45 个 IN40M 34 个 IN40M 3 个 IN40M 3 个 IN40M 23 个 太阳能光热应用工程 10 太阳能光热应用工程 11 5.安装注意事项 喷射器可安装在蒸汽供应管道上或直接安装在水箱壁上的内螺纹接口上。对于非常大的设备，要安装多个喷射器。喷射器安装在水槽中较低的位置，最好是位于中线,水平喷射蒸汽。管道可以在水槽内也可以在水槽外，蒸汽管道必须固定良好，防止振动和水槽壁的应力。建议在螺纹接口使用合适的胶粘。管道的口径与喷射器的口径相同，管道口径如下:喷射器管径表 喷射器数量 型号 最小管径 2 IN15 20mm 2 IN40M 65mm 3 IN40M 80mm 两个喷射器或蒸汽喷射器与水槽壁之间至少要保证 150mm 的距离,同时喷射器的出口则应尽可能的远离水槽壁.。附：斯派莎克蒸汽喷射器安装维修指南：太阳能光热应用工程 12 太阳能光热应用工程 13 太阳能光热应用工程 14