中国太阳能网 - 中国太阳能网,太阳能行业门户网站 !

商业资讯: 国内动态 | 国际动态 | 新品·专利 | 市场观察 | 企业动态 | 技术交流 | 太阳能建筑 | 访谈 | 热水工程 | 科普知识

你现在的位置: 首页 > 商业资讯 > 太阳能知识 > 双真空分离承压式热管太阳能热水器系统的设计

双真空分离承压式热管太阳能热水器系统的设计

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:145

  工作原理
  1.内部换热热管
  整个集热器相当于“单支热管”,集热器内部的集热关键部分焊接成一个密封的连通整体,用真空泵从排气孔处将其抽成真空,再将工质充入真空密封腔体内。相当于蒸发段的各个吸热管将热量集中于联集器内,加热工质上升到相当于冷凝端的汽化筒,冷水在“冷凝端”内部与工质换热后进入保温式贮水箱。工质一般为水,如采用热管专用工质会更好。
  2.集热——换热器
  集热器的真空玻璃管直接吸收太阳光能并转换为热能,管内的工质受热升温,经联集器与汽化筒内汽化准备换热,冷水(设温度为T1)经冷水预热器进入置于汽化筒内的换热器,与气态工质进行热交换,水温逐渐升高。当集热器内的水温达到上限温度(T2)时,电磁阀打开,补进冷水;同时换热器中热水被顶入保温贮水箱中(顶水压力可由增压泵或直接以自来水提供)。当换热器内水温低于下限温度(T3)时,停止补水,储存在换热器内的水继续受太阳辐射加热,如此循环,不断定温放水,如图1所示。
  如果当天日照良好或多日连续产热水量超过上限水位(H2)设定容积,低于保温式贮水箱额定容积(V),即可继续产生热水,补冷水系统停止工作后,再采用强制循环继续接受太阳能,为热水加热。
  3.?PTC管道式辅助加热
  当气温偏低、连续阴天时,可自动由PTC管道式辅助加热。PTC(Positive?Temperature?Coefficient,正温度系数热敏电阻)是一种具有温度敏感性的半导体热敏电阻,超过一定温度时它的电阻值随着温度的升高几乎呈指数增高,因此PTC具有恒温发热、无光耗、热转换率高(≥98%)、受电源电压影响极小、自然寿命长(3万小时以上)等优点。
  系统设计
  本系统按照GB/T19141-2003(家用太阳热水系统技术条件新标准)的要求设计,并对常用性能进行了测试。
  系统的集热以定温放水为主,强制循环为辅。集热器右端连接温度传感器、冷水补给管和强制循环管路。集热器接受太阳辐射,并快速集热,集中加热金属真空吸热管,充装其中的工质,在真空状态下受热后,经联集器进入汽化筒汽化,迅速加热S型换热器内经预热后的自来水冷凝成液态,再吸热汽化与换热器换热。当传感器测得水温达到上限温度(T2)时,打开电磁阀,经设在补水管上的变频电磁除垢仪,将由冷水预热器预热升温后的自来水,补进集热——换热器将热水顶入保温式贮水箱中备用;当换热器内水温低于下限温度(T3)时,关闭电磁阀停止补水,在换热器内的水继续受热,如此不断地定温放水。
  保温式贮水箱同联集器和汽化筒一样外面包有聚氨酯保温材料,其上端设一个自动排气阀,下端设一个排污阀,两端设热水进口和出口。由于采用定温上水和集热一贮水分离式设计,保温式贮水箱容积大于理论最大贮水量,额定容量(最大容量)为460升,但当水量达到上限容积(设定为400升)时便不再进水,而进行强制循环模式。
  如果当天日照良好或多日连续产热水量超过上限容积,仍有可用太阳能,关闭电磁阀不再补冷水,对贮水箱内热水进行保温升温。系统自动提高上限温度(T2’)和下限温度(T3’)5℃,温差强制循环。水温高于上限温度时,再将上下限温度上调5℃。强制循环的另一个作用是保护管路。
  1.集热——换热器和工质
  单组集热——换热器由汽化筒、S型换热器、联集器、金属真空吸热管、工质、玻璃真空管和保温层等组成。汽化筒由3mm不锈钢卷制焊接,两端再用等壁厚的不锈钢板焊接密封。联集器和吸热管取材无缝钢管,而换热器采用铝翅片管(或紫铜管),换热效率高出无缝钢管7%以上(但成本为其4~8倍)。集热部分采用双排横置式真空管和吸热管2×24组,集热面积为4.5m2,产热水量60?L/m2×d~90L/m2×d,贮水箱的额定容积460L。
  工质选用“CY速热防冻导热工质”,比热容为2.1kJ/(kg×℃),以乙醇为溶剂(占70%),适量配合无机化学原料。凝固点-60℃以下,沸点75℃,工质特点是汽化潜热大、无腐蚀性、基本不产生不凝性气体,与钢管和不锈钢都有较好的相容性,性能优于水和单一有机工质。
  工质采用大气压力法充入,先算出所需工质量10kg,按充液量经验比例,充液量到虚线位置为宜(图2)。一个三通卡具A端接充液管,B端接真空泵,C端软管接桶内工质,关闭阀门1,打开真空泵。压强达到-0.1MPa时,关闭真空泵和阀门2,打开阀门1充入工质;液压密封充液管。由于内部气压会上升,每年还应抽一两次真空,主要是抽出不凝性气体,以高真空度保证热管高效性。
  此法还可用于热管式真空管的工质灌充,相比现在常用的沸腾排气法(先充工质再排气)真空度和计量精度更高,工艺简单,运行时产生的不凝性气体也更少。
  2.?PTC辅助加热器
  现有的太阳能热水器或热水系统的电辅助加热普遍采用电热管容积式加热,电热管安全性差,使用寿命短。开启电加热器便是对整个贮水箱的水进行加热,而实际不一定要用那么多水,造成电能浪费。甚至由于电热管热效率低耗电量大,许多家用太阳能热水器成为“高耗能电器”。
  PTC发热元件可以做成任何形状和形式,本系统采用多组并联管道加热式。在出水管道上串联上一个三组并联的2?×?3kW?PTC管道加热器。①当保温式贮水箱内水量供应不足,系统强制注水;②保温式贮水箱内水温下降,系统根据实际情况启动加热器:当水温在25~40℃开启一组加热器,15℃~25℃时开启两组,0℃~15℃全开启并调节水的流速共同控制水温;用户也可根据需要手动设置。加热器应放置在离用水终端和控制系统较近的室内环境中,不仅降低了热电损耗,而且易于维护,延长使用寿命。
  3.其它辅助设备
  (1)变频电磁除垢仪
  系统采用F-15H/1.0变频电磁除垢仪,功率1W,最大流量2m3/h。将变频电磁除垢仪设于补冷水管上、强制循环管前,冷水先通过电磁除垢仪再进入集热——换热系统,最后进入贮水箱内保存,当运行强制循环时由控制系统控制启动电磁除垢仪。一般地说,磁化水的保持时间约为24小时,因此每日更换上水放水使用,防垢效果更佳。贮水箱下所设排污口用于排出水中的杂质。经磁化软化的水质明显好于未处理的水,而且洗浴舒适,对人身体健康也有很大益处。
  (2)冷水预热器
  常温自来水经过变频除垢仪前,将所有可以利用的废热和余热,经冷水预热器预热升温,进入集热——换热器。可以改善除垢效果提高除垢率,也缩短了常温自来水在集热一换热器内的加热时间,显著提高了热水产量。冷水预热器的制作,可根据热源的温度、热量及回收的难易程度制成各种样式。
  (3)启动保护器
  在集热——换热器的联集器下部加装一个小功率电热管和一只温度传感器,可起到以下作用:
  由于热管式太阳集热器的瞬时效率较低,且效率变化平缓。晴朗天气时,定温放水最早出水时间在9点左右;早晨8时控制打开启动保护器10分钟预热工质可提前30分钟出水。
  工质抗冻性在-50℃以上,但北方冬季室外水管容易结冻,当传感器测得工质温度小于0℃时,控制打开启动保护器间接加热换热器中的水配合循环泵给整条管路加热保温。
  结论
  l.实验系统制作完成后,通过对几个常用性能的测试发现,双真空分离承压式热水系统的集热效率略低于直插式太阳能热水系统,但夏天平均日产热水量为87升(设65℃出水)高于直插式;早上9时左右即可上水运行。这主要归功于集热器的“单热管”,设计与内部换热热管设计。本系统的关键部件的制作按锅炉制造标准采用焊接完成,不仅在使用中安全可靠,而且使用寿命可达25年。本系统的另外两个创新点是前期的电磁水处理,尤其是PTC管道式加热首次运用到太阳能热水系统中。在保证用水的洁净卫生前提下,实现了“最大限度利用太阳能,少用其它能源”的原则。
  2.系统也存在一些不足。对管路的保护采用的是不同于伴热带等的内部加热保护,性能稳定,不易出故障,但效率低且对相对更容易结冻的冷水补给管路不起作用;由于集热——换热器都是焊接而成,外加6cm厚的保温材料,与直插式太阳能热水器相比不易加工制作;另外控制器与市场成熟的产品相差甚远。本系统成本为六千元左右,高于现有太阳能热水系统,如果能改进工艺和批量生产会使其成本大大下降。


?

    ——本信息真实性未经中国太阳能网证实,仅供您参考