相变式蓄热太阳能热水器的原理分析

摘要 通过对新型相变式蓄热太阳能热水器的原理分析与现有太阳能热水器的对比，体现新型太阳能热水器在各方面的优势。 　　0 前言 　　随着人民生活水平的不断提高，太阳能热利用是新能源和可再生能源中商业化程度最高、应用最普遍的技术之一，它所带来的节能和环保效益是巨大的，我国的太阳能热水器产业初步形成于20世纪80年代后期，现在我国拥有太阳能热水器的家庭数量多，总拥有量占世界总量的 1/4，已被国际公认是太阳能热水器生产总量最多、潜在市场最大的国家。 　　现在传统的太阳能热水器是储水式的，它需要有一定容量的储水罐，由于太阳能循环管中长期存有水，北方地区冬季又比较寒冷，所以在冬季须防止将管冻裂。而使用相变式蓄热太阳能热水器能从根本上解决上述问题 。 　　这种太阳能热水器使用一种新型真空集热管，它的主要作用是接收太阳辐射并加热载热工质。载热工质种类很多，其中最常见的是水，但本文中介绍的真空集热管摒除了传统设计，其内部设有专用储热单元，使真空管具有吸热、储热的双重功能，它不依赖传统太阳能热水系统的储热水箱，也不需要与外部设备进行自然对流换热或机械循环换热，可独立进行太阳能的采集与储存，这一特点能够大大简化新一代太阳能热水系统的结构，降低设备成本，提高系统的可靠性。 　　1 新型太阳能热水器的工作原理 　　新型太阳能的真空管 (以Φ150 mm ×1800 mm 真空管为例) 内部需装专用蓄热体，其部件组成为：带涂层的金属筒、筒内装有一种相变材料、内附盘管式换热器。太阳辐射的热量经过管壳、真空层以后被太阳能吸收涂层所吸收，吸收的热量使蓄热体内的石蜡被加热，而石蜡是一种相变材料，其相变点为56℃ ，即温度达到56℃后，石蜡开始其固液相变过程，即积蓄热量，开始融化，并使其自身温度保持在 56℃，当外界用水经换热器流过蓄热体时，水即被加热，而且它能连续吸收、储存太阳热量，并将温度保持在 56℃，这是由它的相变特性所决定的(由于这些热量只在该专用蓄热体中逐渐蓄积，故不会烧坏其他部件)。 　　这种新型太阳能热水器应用相变潜热的吸、放为等温变化这一特点，其输出热水温度自动稳定，不需要其他的辅助温度控制装置，即使当太阳辐射较弱时，储热单元的温度及输出水温仍然与晴天时相同，只是由于热量较少，使得热水出水总量会少一些，这一特性对提高新一代太阳能热水系统的全天候性能和使用舒适性非常重要，因为只要输出水温不变，其输出热水就仍然有正常的使用价值。 　　由于新型太阳能热水器具有与专用蓄热体匹配的换热装置，能按用户需要立即加热并输出热水。即新型真空集热管经过充分日照后储存了很多热量，只要用户需要，立即就能通过换热装置加热并输出热水；如果暂时不需输出热水，可以让热量储存在专用蓄热体中备用。 　　新型太阳能热水器具有全新的工作方式：第一次正常使用前要先经过一段时间日照预热，使真空集热管的蓄热工质达到相变温度，然后就可以使真空集热管转入正常的储热、放热循环，使每个储热、放热过程都是蓄热工质的相变过程，也就是说在每个储热、放热的过程中只让蓄热工质的潜热发生变化。 　　2  新型太阳能热水器与传统太阳能热水器的优劣对比 　　第一，新型太阳能热水器与现有技术的差别是把储存热水变为直接储存热量，并且热量的接收、蓄积、储存等过程都能由真空集热管自主完成，不需要在太阳能设备中储存水充当蓄热工质。所以采用这种以相变材料为蓄热工质的太阳能热水器首先可以不设外部水箱及相关设备，使结构得以简化、可靠性提高、成本降低。 　　第二，新型太阳能热水器在绝大部分工作时间内都处于内部无水的状态，在此期间再也不会因遭遇恶劣天气而影响热水器的安全运行。只有当用户需要输出热水的短暂时刻，外界的水才会进入真空集热管的换热装置后被加热，然后迅速流出，直接供应用户，水几乎不在其中滞留。而现有技术下的太阳能热水器需要经常在严寒酷暑等恶劣天气中长时间工作，此时其内部储存的水也必然同时经历恶劣的天气，如果时间较长，热水器中的水被冻结或沸腾的危险性就很大，有可能使太阳热水设备受到严重损坏。例如严寒的冬季经常发生冻裂管道的事故，原因就是长时间的太阳辐射不足和严寒使热水器中长时间滞留的水在局部发生冻结所致，即使其外部使用较好的保温材料也不能完全避免此类问题。目前，要保障其在恶劣天气中安全工作，只能加装各种保障全天候安全运行的辅助装置，如电热带等，但这样会导致太阳能热水器变得非常复杂，可靠性下降、增加设备初期投资和运行成本。 　　第三，传统太阳能热水器真空集热管是把载热工质水同时又作为蓄热工质来使用，一旦意外失水后用于吸收热量的蓄热工质会大量减少或消失，从而导致热平衡被破坏，同时有可能烧坏太阳能热水器其他热水设备部件，而相变式蓄热太阳能热水器的真空集热管工作时不需要同时储存水来充当蓄热工质，水仅作为载热工质在需要时迅速流过太阳能热水设备，带走热量即可，从而保证了水的温度和使用安全。 　　3  结束语 　　相变式蓄热太阳能热水器利用相变材料吸收太阳能，是即热式热水器，其主要优点可概括为： 　　1.无需储水箱，成本低廉，结构紧凑，外形美观，安装方便。 　　2.它不用提前储水，随时用随时上水，水温稳定，操作简便。 　　3.蓄热体由金属材料制作，有很强的承压能力和抗热冲击能力。 　　4.性能优良，安全可靠，非常适合北方寒冷地区的应用。