分体阳台热水器教材-工程技术学院.doc

分体阳台热水器教材主编：皇明技术开发部目录一、 概念理解、组成部分、特点二、 运行原理、常见类型的结构三、 设计计算及设计案例第一课时：概念理解、组成部分、特点一、分体太阳能热水器简述：将集热器与储水箱分开安装，通过液态工作介质的自然循环或强制循环将集热器吸收太阳光而转化得到的热量传输到储水箱，从而得到热水的系统。其中包括直接加热热水的系统和进行多次换热的系统。二、分体太阳能热水器的组成：主要有集热器、储水箱、系统管路、控制系统、配件等组成。（见下图1）图1集热器：1）定义：吸收太阳辐射，并将产生的热能加热水回介质的装置。 2）分类：按照不同的方法，可以有多种分类。比如按照传热工质类型可分为液体集热器和空气集热器；按照进入采光口的太阳辐射是否改变方向可分为聚光型集热器和非聚光型集热器；按照集热器是否跟踪太阳可分为跟踪集热器和非跟踪集热器；按照集热器是否有真空空间可分为平板型集热器和真空管集热器，而真空管集热器又分为普通真空管集热器，热管型真空管集热器，U形管真空管集热器等；按照集热器的工作温度范围，可分为低温集热器（低于100度），中温集热器（100-200度），高温集热器（大于200度）。我们公司生产的集热器都是真空管式集热器，里面有U形管，循环工质在U形管中运行。3）U型工作原理：U型管真空集热器在运行过程中首先由吸收涂层将太阳光转化为热能，然后通过翅片和U型铜管以热传导的方式将热量输送给工作介质。介质通过循环泵强制循环，实现热量输出功能。与平板集热器比较，其具有热损率小，适应性强，膜层耐老化等特点。图3 集热器内胆结构图2 集热器 图 4图 5 真空管截面图储水箱：主要有水箱外皮、水箱内胆、保温材料、换热器、辅助加热器等组成。在这里主要讲一下水箱内胆和换热器。水箱内胆按照材质的不同可分为不锈钢内胆、搪瓷内胆和塑胶内胆等。我公司生产的水箱内胆主要有不锈钢内胆和搪瓷内胆，不锈钢内胆，我们已经应用了多年，加工工艺也已经非常完善，在这里我们不在赘述，我们主要讲一下搪瓷内胆。图6搪瓷内胆加工工艺：由专用的搪瓷钢板，经过开料、冲压、焊接等工序形成毛胚内胆（这与不锈钢内胆的加工工艺相同）。然后将毛胚内胆经过酸洗、碱洗、中和等多道工序，将内胆上附着的油污、铁锈等处理干净。再将处理干净的内胆进行涂搪处理，即将搪瓷瓷釉的釉浆均匀的涂覆在内胆的内表面上，再经过烘干处理后，进入搪瓷烧结炉经过850的高温进行烧结，从而使瓷釉和钢板互相渗透，紧密的融合在一起。烧结后的内胆内表面颜色呈蓝色，表面光滑细腻。搪瓷内胆的优点：1） 耐温性好，经测试搪瓷承压内胆可以承受60450范围 内的温度变化。2） 物理特性上，与金属基材具有良好的密着性，承压、耐热冲击， 瓷釉有弹性、膨胀系数和收缩系数与基材一致性好，电绝缘、自洁性好。3） 化学特性上，耐酸、耐碱、耐高温、耐水蒸汽，各种离子均不 能渗透其表层，防腐效果好，可以有效地保证水质不受污染。而这些优点正是我们储热水箱所所需要的。储水箱里面的另一个重要部件是换热器。换热器的主要作用是将传热工质带来的热量传递给储水箱中的水，从而使水温升高。换热器按材质不同一般分为铜盘管换热器和搪瓷盘管换热器。水箱内的换热器数量，根据不同的需要，可以有一个或多个。一个是主换热器，其它的为辅助换热器，辅助换热器只在特殊情况下使用。 图7图8图9控制系统：主要有控制泵站和控制器组成。控制泵站有外壳和控制部件组成，外壳体积小，重量轻；内部核心控制部件能够自动实现温差循环、定温循环等功能，具有自动化程度高、模块一体化，使用寿命长等特点。外形结构见下图。 图10 图11控制器: 整个系统通过巡检电路采集信号,并传到控制器，控制器作出判断，向太阳能泵站传出命令，从而控制泵站的启闭，以达到控制整个系统的目的。图12系统管路：系统管路主要分为两部分，一部分为集热循环管路部分，这里面承载着换热工质，主要起传递热量的作用；另一部分为用水管路部分，直接与室内用热水的水龙头、喷头等连接，将水箱中的热水输送出去。 配件：主要有散热器、安全阀、及各种接头等。三、分体系统太阳能热水器的特点:1）分体安装，承压运行，操作简单。2）智能化控制系统。3）集热单元与建筑完美结合，适合各种建筑风格，各种角度的坡屋面、阳台等。4）预留辅助能源接口。5）安装方式多样，运行可靠，满足家用、工程等个性化需求。第二课时：运行原理，常见类型结构一、分体太阳能热水器的运行原理：系统按照工质在管道中的循环方式，主要分为自然循环、强制循环两种。自然循环系统（没有泵站）依靠集热器与储水箱中的温度不同使循环工质产生密度差，从而实现温差循环（热虹吸循环），以加热水箱中的水；强制循环由控制器根据工质温度的高低，实现泵站启动或关闭，从而控制工质的循环，以加热水箱中的水。我们以强制循环系统为例，来介绍一下分体太阳能热水器的运行原理。图13以上系统有三套管路运行，主要实现温差循环、定温循环、辅助能源加热三种功能。温差循环：集热器、水箱下部的换热器和太阳能泵站中左边的泵及其相连接的管路构成温差循环管路。当集热器出口处与储水箱的温度差达到控制仪设定值时，泵开始启动，抽动管路中的工作介质流动，工作介质通过换热器将热量输送到储水箱；当集热器与储水箱的温差小于2时，泵停止运转。如此往复循环，不断将集热器中的热量输送到储水箱中，将水箱内的水加热。定温循环：储水箱、泵站中右边的泵及其相连接的管路，构成定温循环管路，当取水管路中的温度降低到控制仪设定的最低温度时，泵开始启动，将管路中的冷水压入储水箱，储水箱中的高温水与管路中的冷水再次混合出满足设定条件的热水。辅助能源加热（有的系统不配备）：燃油燃气锅炉、水箱上部的换热器及其相连接的管路构成辅助热源部分，用于太阳能不足时或水温要求较高时的热量补充。（有的辅助能源用电加热代替）整个系统通过巡检电路采集信号并进行判断，从而控制太阳能泵站的启闭，以达到控制整个系统的目的。系统中的膨胀罐、散热器和泵站中的安全阀对循环管路分别起到缓冲压力和限定温度、限定压力的作用，确保循环系统的安全运行。二、常见分体太阳能热水器的结构类型根据太阳能集热器与建筑物结合部位的不同而分为屋面式和阳台式两种。1、与屋面结合的分体集热器又称功能一体化集热器。它具有以下特点：a)把集热器作为建筑的一部分，实现集热器建筑化、标准化、系列化。b)集热器与建筑屋面有机镶嵌，完美结合。C)集热器具有集热、装饰、建筑化等功能。d)集热器可以与屋面成任意角度。e)坡屋面结合时可采用架空或镶入的方式。图14阳台式分体太阳能：按集热器的放置方式可分为横置集热器和斜置式集热器。它具有以下特点：a) 适用于小高层的楼房安装。b) 防冻传热介质，解决管路的防冻问题。c) 真空管不走水，避免了炸管问题。d) 集热器挂置在墙上，节约了空间。图152、根据循环方式系统分为：强制循环与自然循环热水器图16 自然循环3、根据水箱换热方式系统分为：盘管换热、夹套换热、小内胆换热系统。 图17 夹套 图18小内胆4、根据集热器类型分为：U管集热器、热管集热器、平板集热器系统图19U管图20热管 图21平板集热器配件：图22 排气阀图23 T/P阀图24 膨胀罐 图25减压阀第三课时：设计计算及设计案例设计分体太阳能热水系统时，主要对以下几个方面进行考虑和计算。一、 储水箱容积。二、 水箱内胆的强度。三、 集热器集热面积。四、 换热器换热面积。储水箱的容积：可根据客户对热水的需求量大小而定。水箱内胆的强度：主要是对内胆封头和内胆中筒的壁厚进行计算。不同样式的封头，其计算公式也不尽相同。现在市面上的水箱，其内胆封头形状大部分都是标准椭圆封头，内圆弧面承受压力，如图所示。我们以标准椭圆封头为例，讲解一下内胆封头和内胆中筒的计算公式。内胆封头壁厚计算：= +CPc：设计压力(MPa)Di:内胆内经(mm)t:使用温度下，材料的许用应力(MPa)：焊缝系数，是指金属强度与母材强度之比。双面焊一般取0.85，单面焊且底部有垫板的一般取0.8，单面焊底部无垫板的一般取0.7。C：壁厚附加量，考虑了材料的材料偏差（C1）、腐蚀作用（C2）、和加工影响必须增加的壁厚（C3）。集热器的集热面积：一般根据水箱容积的大小，集热器的样式，安装方式，及当地太阳的辐照度选择，具体公式如下。Ac=Ac:集热器采光面积，m2Qw:日用水量，KgT2:水箱内水的终止温度，T1: 水箱内水的起始温度，Jt:当地春分或秋分所在月集热器受热面上日均辐照量，kJ/m2N1:集热器全日集热效率，国标经验值取0.450.6N2:管路及储水箱热损失率，国标经验值取0.20.25换热器的换热面积：根据集热器吸收太阳光得到的能量同水箱换热得到的能量相平衡，进行计算。换热器主要有铜盘管换热器和搪盘瓷管换热器两种，铜盘管换热器的换热系数为650W/(m2.)；搪瓷盘管的换热系数为300W/(m2.)。下面我们举一个设计案例来说明一下。案例：山东烟台市有一客户要求我们给他的家中安装一套分体式太阳能热水系统，并要求水箱容积为500L，日用热水量大约需要500L温度为50度的热水，自来水温度25度。我们首先需要从以下几个方面进行设计计算。第一步：确定集热器的换热面积。我们要针对当地的日照情况和他家中的建筑结构方式，对集热器进行选择。经过现场勘查和计算，当地的日平均辐照量为16MJ。根据公式Ac=经计算得：Ac=500*4.2*（50-25）/16180*0.6*（1-0.2） =6.76 (m2)我们选定了集热器的规格为：50支直径为58mm的真空管，2.1m长，采取屋面式安装方式。单管集热面积约0.15，总集热面积为0.15*50=7.5。第二步：计算换热器的换热面积，我们的换热器采用直径为30mm的钢管，表面搪瓷处理。按照能量守恒定律，即集热器吸收的能量等于换热器所置换出的能量。可得能量守恒等式：A1M=A2T集热面积A1：7.5m2 换热面积A2：当地辐照度M：850W/m2 换热系数：300W/(m2.)集热器效率：60温差T：5将个参数带入公式A1M=A2T：可得A2=2.55 对应30的盘管，由A2=0.03L得：L =27m第三步：我们对水箱的强度进行计算。1. 封头计算封头材料选用SPCC冷板，100下许用应力 t =113Mpa，封头内直径Di650mm，设计压力Pc0.8Mpa，焊接系数0.85（单面全焊透）。1） 该封头为标准2：1椭圆形封头，厚度计算如下：=2.71mm钢板负偏差C10.15腐蚀余量C2忽略不计考虑到拉伸减薄，按