太陽(yáng)能集熱器水循環(huán)式防凍解凍裝置設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能集熱器上下水管路易凍冰的問(wèn)題，介紹3種常用的防凍方法，同時(shí)設(shè)計(jì)一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，闡述其結(jié)構(gòu)及工作原理，選定微型水泵型號(hào)。應(yīng)用表明，該裝置可有效解決太陽(yáng)能集熱器上下水管路凍冰的問(wèn)題，為寒冷地區(qū)太陽(yáng)能集熱器的使用提供了方便。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能集熱器； 防凍； 解凍； 水泵； 管路

中圖分類(lèi)號(hào)：TK515；TU822.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）06-0046-03

面對(duì)全球資源匱乏的挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能作為一種可再生能源，能夠有效緩解和改善能源危機(jī)[1]。作為清潔能源的代表，太陽(yáng)能以其清潔無(wú)污染、取之不盡等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最理想的能源[2]。太陽(yáng)能熱水器是一種常見(jiàn)的太陽(yáng)能利用方式[3]，從太陽(yáng)能熱水裝置的使用情況上看，集熱管、水箱防凍技術(shù)已基本解決，但上下水管路防凍與解凍是太陽(yáng)能熱水裝置在低溫環(huán)境中使用的瓶頸和障礙[4]，這在冬季氣溫低的地區(qū)尤為突出。很多學(xué)者提出一些解決方法，如湯先祥等[5]提出在上下水管路鋪設(shè)伴熱帶、水循環(huán)等；李志辰[6]研制了一種基于微電腦控制的太陽(yáng)能熱水器防凍裝置；趙舵[7]對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)的防凍進(jìn)行了研究。針對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能集熱器上下水管路易凍冰的問(wèn)題，介紹幾種常用的防凍裝置，設(shè)計(jì)一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，闡述其結(jié)構(gòu)及工作原理，并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。

1太陽(yáng)能集熱器常用的防凍方法

太陽(yáng)能集熱器由煙筒口、上下水管路、儲(chǔ)水桶、進(jìn)出水口、太陽(yáng)能集熱管、機(jī)架等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。進(jìn)出水口和煙筒進(jìn)口之間的上下水管路外漏部分雖設(shè)置了保溫層，但天氣寒冷時(shí)仍然容易凍冰。

1.1滴水法

天氣寒冷時(shí)稍微打開(kāi)室內(nèi)太陽(yáng)能集熱器上下水管路的水龍頭，使上下水管路內(nèi)部的水輕微流動(dòng)，從而達(dá)到防凍的目的。由于水龍頭的口徑較大，難以精確控制其開(kāi)口大小，若水龍頭開(kāi)口大，則水流量大，導(dǎo)致太陽(yáng)能集熱器儲(chǔ)水桶的存水量下降太快；若水龍頭開(kāi)口小，則上下水管路內(nèi)部的水流流速太慢甚至不流動(dòng)而達(dá)不到防凍的目的。為此，在水龍頭進(jìn)水口處安裝一個(gè)錐型排氣閥，如圖2所示。由于錐型排氣閥尺寸小、開(kāi)口精度較高，可解決滴水量不易控制的問(wèn)題。氣溫高于冰點(diǎn)時(shí)應(yīng)關(guān)閉錐型排氣閥。

1.2伴熱帶法

在上下水管路的外漏部分鋪設(shè)伴熱帶，伴熱帶的外囊為保溫材料并用鋁箔材料固定，冬季需要時(shí)進(jìn)行不間斷加熱，以防止上下水管路內(nèi)的水凍冰，若凍冰也可通過(guò)加熱伴熱帶來(lái)快速解凍。其缺點(diǎn)是耗電量大、加熱效率低、存在安全隱患[8]。

1.3排空法

天氣寒冷時(shí)可將上下水管路內(nèi)的水排空，以避免凍冰。排空裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。在儲(chǔ)水桶的進(jìn)出水口處安裝一個(gè)電磁閥A，電磁閥A的出口處安裝一個(gè)三通，三通的一通連接電磁閥A，二通連接上下水管路，三通連接電磁閥B。電磁閥A常開(kāi)，電磁閥B常閉。需要排空時(shí)，關(guān)閉電磁閥A，切斷上下水管路與儲(chǔ)水桶的連接。打開(kāi)電磁閥B，三通的一端開(kāi)始通氣，用水端與通氣端相通，此時(shí)打開(kāi)下面的水龍頭，將水排盡。需要用水時(shí)，打開(kāi)電磁閥A，關(guān)閉電磁閥B，儲(chǔ)水桶與上下水管路相通，三通的通氣端關(guān)閉，開(kāi)始正常用水。

2水循環(huán)式防凍裝置設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水循環(huán)式防凍裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，由煙筒口、三通A、電磁閥A、三通B、電磁閥B、直流微型水泵、循環(huán)水進(jìn)口、循環(huán)水管路等組成。

在儲(chǔ)水桶頂部安裝直流微型水泵，水泵的出水口連接儲(chǔ)水桶，進(jìn)水口與循環(huán)水管路連接。在上下水管路進(jìn)入煙筒口處，將上下水管路截?cái)啵虚g用三通A連接起來(lái)。三通的另一出口連接電磁閥A，電磁閥A的出水口與循環(huán)水管路的進(jìn)口連接。三通B連接在循環(huán)水管路下部，電磁閥B的進(jìn)水口與三通B的出水口連接。三通、電磁閥、直流微型水泵、循環(huán)水管路和上下水管路均做保溫處理。

2.2工作原理

電磁閥A和電磁閥B為常閉式結(jié)構(gòu)。防凍裝置的控制端在室內(nèi)。防凍裝置啟動(dòng)時(shí)，首先打開(kāi)電磁閥A，使上下水管路中的水通過(guò)三通A流入循環(huán)水管路進(jìn)口處，然后啟動(dòng)直流微型水泵，水泵會(huì)將循環(huán)水管路中的水抽入到儲(chǔ)水桶中，而儲(chǔ)水桶中較熱的水通過(guò)進(jìn)出水口自然流入上下水管路中，用以填補(bǔ)上下水管路中的空缺處，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水桶中的熱水在循環(huán)水管路中來(lái)回循環(huán)。熱水在上下水管路的外漏部分、循環(huán)水管路、儲(chǔ)水桶之間循環(huán)，可有效防止水在上下水管路中凍冰。

防凍裝置停止運(yùn)行時(shí)，首先關(guān)閉電磁閥A，使上下水管路中的水不能進(jìn)入循環(huán)水管路。然后，關(guān)閉直流微型水泵，打開(kāi)電磁閥B，再放掉循環(huán)水管路中的存水，可避免循環(huán)水管路凍冰。

2.3相關(guān)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

2.3.1水泵的選擇 太陽(yáng)能集熱器高度一般在2m 以?xún)?nèi)，水泵安裝在儲(chǔ)水桶頂部，因此水泵揚(yáng)程需大于2 m。

水在循環(huán)水管路中微循環(huán)流動(dòng)，因此水泵流量要小，且能避免產(chǎn)生負(fù)壓，使水泵夜間連續(xù)作業(yè)。根據(jù)工作需要選擇DC30A-1223型直流微型水泵，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求。直流微型水泵的參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3.2循環(huán)水流速計(jì)算 循環(huán)水管路中水的流速為：

式中：ν—流速，mm/s；Q—水泵流量，3 L/min；r—水泵進(jìn)出口半徑，5 mm。

由式（1）計(jì)算ν =76.3 mm/s。

3水循環(huán)式解凍裝置設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水循環(huán)式解凍裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，由煙筒口、三通、電磁閥、熱水管路、熱水出水口、進(jìn)出水口、微型直流泵等組成。儲(chǔ)水桶底部安裝熱水出水口，頂部安裝熱水回水口和微型直流泵。熱水出水口和回水口用U型熱水管路串聯(lián)起來(lái)。U型熱水管路纏繞在太陽(yáng)能上下水管路上并做保溫處理。電磁閥A和電磁閥B均為常閉式結(jié)構(gòu)。

3.2工作原理

太陽(yáng)能上下水管路的外漏部分凍冰時(shí)，會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)水桶內(nèi)部水溫較高但凍冰部分仍不能解凍的現(xiàn)象，導(dǎo)致儲(chǔ)水桶內(nèi)部的熱水無(wú)法使用。此時(shí)開(kāi)啟解凍裝置，打開(kāi)電磁閥B，關(guān)閉電磁閥A，使儲(chǔ)水桶內(nèi)部的熱水進(jìn)入U(xiǎn)型熱水管路中。開(kāi)動(dòng)微型直流泵，熱水從出水口經(jīng)U型熱水管路、回水口回到儲(chǔ)水桶，此時(shí)熱水在U型熱水管路內(nèi)部和儲(chǔ)水桶之間開(kāi)始循環(huán)，給太陽(yáng)能上下水管路的外漏部分加熱，進(jìn)而起到輔助解凍的作用。

當(dāng)解凍工作完成時(shí)，關(guān)閉電磁閥B，使儲(chǔ)水桶內(nèi)部的熱水無(wú)法進(jìn)入U(xiǎn)型熱水管路中，同時(shí)打開(kāi)位于U型熱水管路底部的電磁閥A，通過(guò)三通的出水口排掉熱水管路內(nèi)部的存水，以防止再次凍冰。

3.3相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

水循環(huán)式解凍裝置選擇DC30A-1223型直流微型水泵，其流量、流速、揚(yáng)程等各項(xiàng)性能指標(biāo)與水循環(huán)式防凍裝置所選用的直流微型水泵相同，均可滿足熱水循環(huán)的使用要求。

4結(jié)論

針對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能集熱器上下水管路易凍冰的問(wèn)題，介紹3種常用的防凍方法，設(shè)計(jì)一種水循環(huán)式防凍和解凍裝置，介紹其結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)水循環(huán)管路的水流量、流速、揚(yáng)程等主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，選定循環(huán)水泵型號(hào)。應(yīng)用表明，水循環(huán)式防凍裝置和解凍裝置既可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用，能夠有效解決太陽(yáng)能集熱器上下水管路易凍冰的問(wèn)題，為寒冷地區(qū)太陽(yáng)能集熱器的使用提供了便利。