集热管可调式太阳能热水器的研究与开发

2011-10-21贾后省石恩嘉贾卓美任建举

大众科技 2011年5期

关键词：中国矿业大学热水器热管

贾后省孙婧石恩嘉贾卓美董羽任建举

(1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083；2.中国矿业大学（北京）管理学院，北京 100083；3.南昌大学环境与化学工程学院，江西南昌 330031）

集热管可调式太阳能热水器的研究与开发

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集热管可调的太阳能热水器是在原有太阳能热水器的基础上进行结构改造，可以通过调控架调控集热管的转动，进而调节集热管的采光面积。文章着重介绍了可调集热管的设计原理、可行性分析等方面，并阐述了集热管可调式分体太阳能热水器的开发的意义和推广前景。

集热管；太阳能；热水器

（一）引言

该项目的目的是提供一种集热管可调的悬挂式太阳能热水器。随着国内住房的日趋紧张，高层楼房的不断增多，居民选用的热水器多为电热水器和燃气热水器，造成严重的能源浪费，即便使用太阳能热水器，也只能是将热水器置于天台，不仅占用天台空间，而且供水系统复杂，维修不便。集热管可调式分体太阳能热水器就是为了解决上述问题而设计的，设计思想是把保温水箱置于室内，集热管悬挂于窗外，充分利用室内空间，可通过集热管的调节，改变集热管的采光面积，并随之调节了室内光线。另外，该太阳能热水器可以调节集热管的采光面积，因而它能控制通过集热管的光的强度，因此他适合挂在阳台、以及向阳窗户的外墙壁上，这又使它具有了防盗窗以及在夏季降低室内温度的功能。

（二）产品背景

太阳能热水器是一种利用太阳能为人们的生活提供热水的器具。一般情况下，人们将其置于楼顶进行采光，但随着太阳能热水器使用数量的增加，楼顶的空间逐渐不能满足人们的需要，另外，置于阳台受外界影响较多，不易照看和维修，管路系统复杂，如图 1所示，置于房顶的太阳能热水器被风吹倒，并且占用了天台空间。如图 2所示，有时由于楼房太高，也会给下层用户安装太阳能热水器带来不便。因此设计一种能够既能解决上述问题，又能不影响人们正常生活的太阳能热水器将具有很好的市场价值。集热管可调式分体太阳能热水器在原有太阳能热水器的基础上进行结构改造，可以通过调控架调控集热管的转动，进而调节集热管的采光面积，使得这种热水器适合安装在阳台以及窗户的外墙面上，图2所示的阳台条件正适合这种太阳能的安装与应用。

（三）设计原理

太阳能热水器的原理是收通过真空管收太阳收集太阳光发出的热量，把水加热。太阳能是辐射能量，真空管是内表面涂有吸收辐射的涂层，管中有传热效果良好的金属（铜）通过热传导传至水箱，在水箱中有换热器，通过换热加温凉水，水通过对流在进行热交换，如此循环这一箱水就热了。如图 3所示，当该热水器安装之后，集热管呈垂直状态，理论上将更利于这种循环，从而使加热效果更好。由于真空管是两层且真空的，又使得热量不易散发到外面，这样就实现了保温功能。

图1 置于天台的热水器占用天台被风吹倒

图2 高层楼房的阳台外观

图3 热水器整体结构示意图

1.可调式集热管

图4 集热管的结构示意图

集热管是系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，利用冷水下降，热水上升的原理。

如图 4所示，集热管的截面呈板状，上端与保温水箱相连，接口处的设计见图中202，可实现板状集热管的转动。下端与调控架相连，用专门的连接件，如图中205所示的结构。调控架可根据需要设计成自动和手动，通过操作调控架，就可以改变集热管的受热面积，也使室内光线得到了调节。

2.副水箱与管路系统

图5 管路系统示意图

由于保温水箱的水温可达70℃～90℃，设置副水箱就可以任意调节所需温度，副水箱可置于室内，副水箱的容积应与保温水箱的容积相当，副水箱的材质要耐腐蚀，保证使用寿命和水质的清洁。

管路系统如图所示，开关1打开，调节恒温阀2，即可正常使用淋浴喷头，开关1打开，同时关闭开关4和开关7，打开水源，就可以向副水箱供水，同样的道理，开关 4打开，同时关闭开关1和开关7，打开水源，就可以向保温水箱供水。管道必须有很高的质量，同时热水管道必须做保温处理。

（四）具体实施方式与可行性分析

1.具体实施方式

图6 整体结构示意图

图7 集热管转动控制装置示意图

集热管可调的太阳能热水器，其包括：储水箱1、集热管2、调控架3及支架4组成。储水箱1可以固定在外墙壁上，集热管2与其相连，支架4用来支撑集热管2。集热管2的横截面205为板状，通过上端接口202与储水箱1相连，通过下端接口204与支架4相连，与储水箱1相连的一端有通水孔201，并且可以相对储水箱1和支架4转动。调控架3和集热管2相连，调控手柄303与导杆302相连，拖动爪301固连在导杆302上，可以带动集热管2转动。支架4上有供安装下端接口204的安装孔401。

使用这种集热管可调的太阳能热水器，在家中无人或不需要太多光照时，可以通过调控手柄303调节集热管2的转角，使其大面203面向阳光，太阳光都照射到集热管2的面板上；当家中有人时，通过调控手柄303调节集热管2的转角，使其棱边向阳光，太阳光可以通过集热管 2间的间隙照进室内。

2.可行性分析

（1）升温效果

保温水箱初步设计为 80L，可装水的质量大约 80kg。为初始水温为15℃，保温水箱可达到70℃，则保温水箱里的水升至所需温度所需要的热量Q1为：

Q1= C0M(t2- t1)=4.2×103×80×55=1.85×107J

C0—水的比热容，取4.2×103J/(kg×℃)；

M—水的质量；

t1—初始水温；

t2—所需水温。

由上式可知，保温水箱里的水升至所需温度所需要的热量为 1.85×107J，按照平均日照情况，集热管设计每小时可提供热量2.8×106J，则水温升至70℃，需要6～7个小时，合乎用户需求。

（2）喷头水压

初步设计输水管直径为25mm，喷头管的直径为20mm，压力根据伯努利方程：