太陽能熱水器的原理,筒單說,就是隔著雙層玻璃管之間的真空把水曬熱。
大家知道,在冬天不可能把一盆冷水曬到燙手的程度,這是因為盆里的水曬得稍有熱,就立刻會散發(fā)到寒冷的環(huán)境中,所以總也曬不熱。要想把水曬得足夠熱,就必須設(shè)法阻止曬熱的水向外散熱。于是有人設(shè)計出一種雙層玻璃管,雙層玻璃管之間的空隙抽成真空形成真空管,這樣陽光可以透過真空曬熱真空管內(nèi)的水,而真空管內(nèi)曬熱的水卻無法透過真空向外散熱。真空管內(nèi)不斷地吸收太陽能加熱而無處散熱,其溫度必然會不斷上升。
真空管里的水被曬熱后會因熱脹而減輕比重,繼而上浮到真空管頂端的水箱中;原水箱中相對較涼的水,會因為比重較大而下沉到真空管。如此不斷的熱水上升冷水下沉,最終把太陽能水箱里的自來水全部加熱。
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陽光穿過吸熱管的第一層玻璃照到第二層玻璃的黑色吸熱層上,將太陽光能的熱量吸收,由于兩層玻璃之間是真空隔熱的,傳熱將大大減小(輻射傳熱仍然存在,但沒有了熱傳導(dǎo)和熱對流),絕大部分熱量只能傳給玻璃管里面的水,使玻璃管內(nèi)的水加熱,加熱的水便輕沿著玻璃管受熱面往上進(jìn)入保溫儲水桶,桶內(nèi)溫度相對較低的水沿著玻璃管背光面進(jìn)入玻璃管補(bǔ)充,如此不斷循環(huán),使保溫儲水桶內(nèi)的水不斷加熱,從而達(dá)到熱水的目的。
太陽能熱水器是由真空集熱管、保溫水箱、支架、連接管道等組成的。
太陽能熱水器工作原理大概可分三個步驟:
1、吸熱過程
太陽輻射透過玻璃蓋板,被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高,比重減小而上升,形成一個向上的動力,構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部,同時通過下循環(huán)管不斷補(bǔ)充溫度較低的水,如此循環(huán)往復(fù),最終整箱水都升高至一定的溫度 。 現(xiàn)有的平板式集熱器,基本上都采用結(jié)合良好的多管組合方式,如滾壓或壓延方法等,其中走水管子與吸熱板之間的熱阻幾乎可以忽略。影響平板式集熱器板芯性能的主要因素,一是結(jié)構(gòu)設(shè)計,二是表面吸收涂層。設(shè)計良好的集熱器的板芯肋片效率應(yīng)該在93%以上。集熱器的板芯肋片效率與板芯結(jié)構(gòu)、表面處理以及集熱器整體結(jié)構(gòu)有關(guān)。集熱器整體結(jié)構(gòu)的影響可以用總傳熱系數(shù)來描述,其影響程度與自身的幾何尺寸(肋片厚度、材質(zhì))是一樣。也就是說,在同等效率的情況下,集熱器熱損小時板芯可以薄一些。選擇性吸收表面可以提高集熱效率,但是市面上這類產(chǎn)品為了提高經(jīng)濟(jì)效益,往往肋片較薄。用于熱水器場合時,這類產(chǎn)品的實(shí)際集熱效果與選擇性差一些(甚至沒有選擇性)但肋片厚一些的集熱器不會有太大的區(qū)別。
2、循環(huán)
家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作,沒有外在的動力,設(shè)計良好的系統(tǒng)只要有5~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下,自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力,局部阻力的影響要小得多,其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當(dāng)水溫升高后,由于運(yùn)動粘度減小,沿程阻力變小,局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi),當(dāng)主管管徑不變時,加大支管管徑,不僅沿程阻力迅速減小,而且局部阻力也將跟著減小。一般地,支管的水力半徑應(yīng)在10mm以上。當(dāng)主管管徑達(dá)到一定值以后,增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大。
3、頂水式使用過程
家用太陽能熱水器的用水方式分為落水式和頂水式。落水使用方式不受自來水供水影響,其缺點(diǎn)是使用過程中水溫先低后高,掌握不好的話容易造成突然缺水的尷尬。頂水方式則是水溫先高后低,容易掌握,使用者容易適應(yīng),但是要求自來水保持供水能力。在自來水有保證的情況下,推薦使用頂水方式。 家用太陽能熱水器設(shè)計成頂水方式時,必須對水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計,以保證出水均勻,避免形成水路“短路”或死角。使用管路最好設(shè)計成可以轉(zhuǎn)換成落水式的連接方式,在自來水壓力不足或停水時應(yīng)急用。
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