相變式蓄熱太陽能熱水器的原理分析

摘要 通過對新型相變式蓄熱太陽能熱水器的原理分析與現(xiàn)有太陽能熱水器的對比，體現(xiàn)新型太陽能熱水器在各方面的優(yōu)勢。 　　0 前言 　　隨著人民生活水平的不斷提高，太陽能熱利用是新能源和可再生能源中商業(yè)化程度最高、應用最普遍的技術之一，它所帶來的節(jié)能和環(huán)保效益是巨大的，我國的太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)初步形成于20世紀80年代后期，現(xiàn)在我國擁有太陽能熱水器的家庭數(shù)量多，總擁有量占世界總量的 1/4，已被國際公認是太陽能熱水器生產(chǎn)總量最多、潛在市場最大的國家。 　　現(xiàn)在傳統(tǒng)的太陽能熱水器是儲水式的，它需要有一定容量的儲水罐，由于太陽能循環(huán)管中長期存有水，北方地區(qū)冬季又比較寒冷，所以在冬季須防止將管凍裂。而使用相變式蓄熱太陽能熱水器能從根本上解決上述問題 。 　　這種太陽能熱水器使用一種新型真空集熱管，它的主要作用是接收太陽輻射并加熱載熱工質(zhì)。載熱工質(zhì)種類很多，其中最常見的是水，但本文中介紹的真空集熱管摒除了傳統(tǒng)設計，其內(nèi)部設有專用儲熱單元，使真空管具有吸熱、儲熱的雙重功能，它不依賴傳統(tǒng)太陽能熱水系統(tǒng)的儲熱水箱，也不需要與外部設備進行自然對流換熱或機械循環(huán)換熱，可獨立進行太陽能的采集與儲存，這一特點能夠大大簡化新一代太陽能熱水系統(tǒng)的結構，降低設備成本，提高系統(tǒng)的可靠性。 　　1 新型太陽能熱水器的工作原理 　　新型太陽能的真空管 (以Φ150 mm ×1800 mm 真空管為例) 內(nèi)部需裝專用蓄熱體，其部件組成為：帶涂層的金屬筒、筒內(nèi)裝有一種相變材料、內(nèi)附盤管式換熱器。太陽輻射的熱量經(jīng)過管殼、真空層以后被太陽能吸收涂層所吸收，吸收的熱量使蓄熱體內(nèi)的石蠟被加熱，而石蠟是一種相變材料，其相變點為56℃ ，即溫度達到56℃后，石蠟開始其固液相變過程，即積蓄熱量，開始融化，并使其自身溫度保持在 56℃，當外界用水經(jīng)換熱器流過蓄熱體時，水即被加熱，而且它能連續(xù)吸收、儲存太陽熱量，并將溫度保持在 56℃，這是由它的相變特性所決定的(由于這些熱量只在該專用蓄熱體中逐漸蓄積，故不會燒壞其他部件)。 　　這種新型太陽能熱水器應用相變潛熱的吸、放為等溫變化這一特點，其輸出熱水溫度自動穩(wěn)定，不需要其他的輔助溫度控制裝置，即使當太陽輻射較弱時，儲熱單元的溫度及輸出水溫仍然與晴天時相同，只是由于熱量較少，使得熱水出水總量會少一些，這一特性對提高新一代太陽能熱水系統(tǒng)的全天候性能和使用舒適性非常重要，因為只要輸出水溫不變，其輸出熱水就仍然有正常的使用價值。 　　由于新型太陽能熱水器具有與專用蓄熱體匹配的換熱裝置，能按用戶需要立即加熱并輸出熱水。即新型真空集熱管經(jīng)過充分日照后儲存了很多熱量，只要用戶需要，立即就能通過換熱裝置加熱并輸出熱水；如果暫時不需輸出熱水，可以讓熱量儲存在專用蓄熱體中備用。 　　新型太陽能熱水器具有全新的工作方式：第一次正常使用前要先經(jīng)過一段時間日照預熱，使真空集熱管的蓄熱工質(zhì)達到相變溫度，然后就可以使真空集熱管轉入正常的儲熱、放熱循環(huán)，使每個儲熱、放熱過程都是蓄熱工質(zhì)的相變過程，也就是說在每個儲熱、放熱的過程中只讓蓄熱工質(zhì)的潛熱發(fā)生變化。 　　2  新型太陽能熱水器與傳統(tǒng)太陽能熱水器的優(yōu)劣對比 　　第一，新型太陽能熱水器與現(xiàn)有技術的差別是把儲存熱水變?yōu)橹苯觾Υ鏌崃?，并且熱量的接收、蓄積、儲存等過程都能由真空集熱管自主完成，不需要在太陽能設備中儲存水充當蓄熱工質(zhì)。所以采用這種以相變材料為蓄熱工質(zhì)的太陽能熱水器首先可以不設外部水箱及相關設備，使結構得以簡化、可靠性提高、成本降低。 　　第二，新型太陽能熱水器在絕大部分工作時間內(nèi)都處于內(nèi)部無水的狀態(tài)，在此期間再也不會因遭遇惡劣天氣而影響熱水器的安全運行。只有當用戶需要輸出熱水的短暫時刻，外界的水才會進入真空集熱管的換熱裝置后被加熱，然后迅速流出，直接供應用戶，水幾乎不在其中滯留。而現(xiàn)有技術下的太陽能熱水器需要經(jīng)常在嚴寒酷暑等惡劣天氣中長時間工作，此時其內(nèi)部儲存的水也必然同時經(jīng)歷惡劣的天氣，如果時間較長，熱水器中的水被凍結或沸騰的危險性就很大，有可能使太陽熱水設備受到嚴重損壞。例如嚴寒的冬季經(jīng)常發(fā)生凍裂管道的事故，原因就是長時間的太陽輻射不足和嚴寒使熱水器中長時間滯留的水在局部發(fā)生凍結所致，即使其外部使用較好的保溫材料也不能完全避免此類問題。目前，要保障其在惡劣天氣中安全工作，只能加裝各種保障全天候安全運行的輔助裝置，如電熱帶等，但這樣會導致太陽能熱水器變得非常復雜，可靠性下降、增加設備初期投資和運行成本。 　　第三，傳統(tǒng)太陽能熱水器真空集熱管是把載熱工質(zhì)水同時又作為蓄熱工質(zhì)來使用，一旦意外失水后用于吸收熱量的蓄熱工質(zhì)會大量減少或消失，從而導致熱平衡被破壞，同時有可能燒壞太陽能熱水器其他熱水設備部件，而相變式蓄熱太陽能熱水器的真空集熱管工作時不需要同時儲存水來充當蓄熱工質(zhì)，水僅作為載熱工質(zhì)在需要時迅速流過太陽能熱水設備，帶走熱量即可，從而保證了水的溫度和使用安全。 　　3  結束語 　　相變式蓄熱太陽能熱水器利用相變材料吸收太陽能，是即熱式熱水器，其主要優(yōu)點可概括為： 　　1.無需儲水箱，成本低廉，結構緊湊，外形美觀，安裝方便。 　　2.它不用提前儲水，隨時用隨時上水，水溫穩(wěn)定，操作簡便。 　　3.蓄熱體由金屬材料制作，有很強的承壓能力和抗熱沖擊能力。 　　4.性能優(yōu)良，安全可靠，非常適合北方寒冷地區(qū)的應用。