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1、太阳能光热应用技术第四章,第 4 章 太阳能热水系统,20 世纪 70 年代能源危机的出现，全球环境污染的日益严重，加上各个领域新兴技术的迅猛发展，使得全球逐渐出现了太阳能利用的新高潮。太阳能热水系统一般由集热器、储热水箱和循环管道组成，根据需要还可以加配辅助能源，以供没有日照时使用。设置在屋顶的太阳能热水器可以将太阳能转化为热能并传递给液体，升温后的液体可以用做洗涮、淋浴或加热室内空间的生活用水。,4.1 太阳能热水器简介,4.1.1 太阳能热水器的发展状况1891 年，美国马里州的肯普发明了世界上第一台闷晒式太阳能热水器，并命名为“顶峰”热水器，它的特点是集热器和贮水箱合二为一，水在容器中
2、不能流动，依靠容器壁吸收太阳辐射能加热水。闷晒式太阳能热水器的优点是结构简单、成本低，缺点是装置保温性能差，热水必须在当天傍晚及时用完，因此应用范围受到很大限制。,随着世界范围内天然气和石油的大规模开采，燃油价格大幅度下降，太阳能热水器的发展在一个相当长的时期缓慢下来。第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。直到 20 世纪 70 年代，随着世界性能源危机日趋严重，迫使人们对太阳能的利用又重新重视起来，许多国家花了不少物力和人力，用于研究和开发太阳能利用技术，尤其是太阳能热水器。,作为平板型太阳能热水器的主要组成部分，平板集热器的设计不断得到改进。结构上从最早的管板式，到扁盒式、
3、铝翼式、铜铝复合翅片式等。表面吸收涂层从最早的非选择性涂层黑板漆，发展到各种选择性吸收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等。透明盖板从普通平板玻璃发展到钢化玻璃。集热器的性能也随之不断提高。,我国太阳能热水器的开发研究从 20 世纪 60 年代开始，并在平板太阳能热水器的开发上做了不少贡献。1958 年，天津大学有 12.6m2的太阳能浴室。1973 年世界能源危机，为了寻求可再生能源，我国在 20 世纪 70 年代末起，加大了研发与生产太阳能集热器。1979年前后我国有些单位研发全玻璃真空管集热器，它的结构就是一个拉长的暖棚，并且在内玻璃管上有一层选择性吸收涂层。,清华大学的发明专利就是铝-
4、氮/铝太阳选择性吸收涂层，其在世界上开创性用单个铝阴极通过磁控溅射制备红外低发射率底层、铝-氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和氮化铝减反膜三个部分。这是一种选择性吸收涂层的结构，吸收层每层只有 1030nm，低发射层是到 150nm，使得真空管集热器可在严寒、低太阳辐射下使用，适合多种气候。目前，全国已有几十家厂家生产全玻璃真空集热器和全玻璃真空管太阳能热水器。从总体上来说，无论是产量和质量均居世界领先水平。,太阳能热利用产业的发展，在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术后，通过产学研结合，生产出了性价比较高的介质。21 世纪以来，中国太阳能热水器进入成熟阶段，产量与市场保有量一直保持快速增长。200
5、6 年销售额近 300 亿元，提供就业机会 60 多万个。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍、北美的 4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年 2030的速度递增。,4.1.2 太阳能热水器的分类,1从结构来分类（1）紧凑式太阳能热水器：就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是市场中最常规的太阳能热水器。（2）分体式热水器：分体式热水器是将集热器与水箱分开，可大大增加太阳能热水器的容量，不采用落水式工作方式，扩大了使用范围。,2从集热部分来分类（1）玻璃真空管太阳能热水器可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式
6、、U 型管真空管式。常用的为全玻璃真空管式，其优点为结构简单易于制作、价格相对较低、环境温度低时效率仍然比较高，其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。,（2）平板型太阳能热水器平板型太阳能热水器特点：具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行、安全可靠、吸热体面积大、易于与建筑相结合、耐无水空晒性强等优点，其热性能也很稳定；但对安装方向角度有较高的要求且成本高。平板式太阳能热水器由于盖板内为非真空、保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差，环境温度低或要求出水温度高时热效率较低，适合冬天不结冰的南方地区选用。,3从水箱受压来分（1）承压式太阳能热水器：太
7、阳能热水器的出水是有压力的。一般为顶水式工作，不一定采用承压式水箱。（2）非承压式太阳能热水器：普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器，它的水箱有一根管子与大气相通，是利用屋顶和家里的高度落差，使用水时产生压力。其安全性、成本、使用寿命都比承压式要显著得多。,4从工质循环次数来分（1）一次循环热水器：直接循环或单回路循环。（2）二次循环热水器：间接循环或双回路循环。,5.从热水的使用时间来分（1）季节性太阳能热水器：无辅助热源。（2）全年使用太阳能热水器：有辅助热源。（3）全天候太阳能热水器：有辅助热源及自动控制仪表。,6从工质循环特点来分目前大多数太阳能热水系统操作简单，按集热器工质的循环特
8、点，主要分主动式和被动式两种类型，在此基础上衍生出其他一些种类。（1）主动式：需要泵和各种不同的控制装置促使传热介质在系统内部循环。（2）被动式：运行不依靠泵，仅依靠水的重力自然对流来提供动力。,4.1.3 太阳能热水器的优缺点及性能优势,在这里，我们将太阳能热水器与电热水器和燃气热水器的性能作一个比较。（1）热水产量方面：燃气热水器有 5L、7L、8L 等不同的型号，是指在 1 分钟内将水温升高 25时所产的热水量。电热水器的标注则是 30L、60L、90L 等，这是指电热水器的容水量。拿一个 8L 的燃气热水器与一个 40L 的电热水器相比较，8L 的燃气热水器可连续不断地产生每分钟 8L
9、 的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。如果这一罐水用完，还要等半小时左右。,太阳能热水器按照年平均气温 15.7、年日照时数 2014 小时、太阳总辐射总量年均为 111.59Cal/m2计算，如果集热面积为 2m2，年吸收太阳辐射能量为 9.37106kJ，按把水温升高 35计算（基础水温 10），全年可提供生活用热水（45）53.5 吨，每人每次洗澡用热水约需 50kg，则全年可洗 1070 人次，平均每天可洗 2.93 人次，也就是说，在 24小时内平均 8 个小时能提供 45洗澡用热水 50kg。,（2）加热速度方面：燃气热水器大多为快速热水器，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头
10、，热水就会流出来；而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用；太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在 68 层。,（3）使用费用方面：燃气热水器需要交纳燃气费与水费，电热水器也需要交纳电费与水费，而太阳能热水器仅耗水费，使用费用最少。,（4）安全性方面：燃气热水器使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗、通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故；燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法启动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。电热水器缺点是体积大、占用室内空间、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极
11、镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒需两年更换一次，给保养带来了麻烦。太阳能热水器安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年、全天候使用。,4.2 家用太阳能热水器,家用太阳能热水器根据集热器的不同，主要分为家用闷晒式太阳能热水器、家用平板式太阳能热水器、家用全玻璃真空管式太阳能热水器、家用热管真空管式太阳能热水器。下面对这四种家用太阳能热水器进行逐一介绍。,4.2.1 家用闷晒式太阳能热水器家用闷晒式太阳能热水器是一种结构比较简单、使用可靠及容易推广的太阳能热水器。其特点是集热器和水箱合为一体，冷热水的循环是在水
12、箱内部进行的，经过一天的闷晒（内部自然循环）可将容器中的水加热到一定的温度。由于闷晒式太阳能热水器结构简单、物美价廉、一次投资、多年受益，从而深受城乡人民的欢迎。,家用闷晒式太阳能热水器是一种结构比较简单、使用可靠及容易推广的太阳能热水器。其特点是集热器和水箱合为一体，冷热水的循环是在水箱内部进行的，经过一天的闷晒（内部自然循环）可将容器中的水加热到一定的温度。由于闷晒式太阳能热水器结构简单、物美价廉、一次投资、多年受益，从而深受城乡人民的欢迎。,4.2.2 家用平板太阳能热水器平板型太阳能热水器以其简单、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳能集热器由透明盖板、吸热板、流体
13、管道、保温层、箱体及支架等组成。当太阳照射到集热器时，集热器中的工质被加热，密度变低，产生“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环，即只要有太阳照射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器底部上升至顶部，再经上循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部，如此循环，使整个水箱中的水温升高。家用平板太阳能热水器如图 4-2 所示。,平板型太阳能集热器的基本结构如图 4-3 所示，主要由吸热面、透明盖板、隔热层和壳体 4 个部件组成。,4.2.3 家用全玻璃真空管太阳能热水器,随着人们对太阳能热利用领域研究的深入，人们开始在平板型太阳集热
14、器的基础上利用真空中热量不易散失的原理研制新一代太阳能集热部件全玻璃真空集热管。将玻璃罩管和集热面之间的空气抽出后利用玻璃的热塑性进行收口，使玻璃罩管和集热面之间形成真空，起隔绝热传导的作用，玻璃良好的透光性又保证了集热面能最大限度地吸收太阳辐射的热能。家用全玻璃真空管太阳能热水器如图 4-4 所示。,这种集热器的优点是结构简单、集热效率高、保温性能好、使用寿命长，缺点是价格昂贵、承压能力差、易在玻璃内结垢等，不易与太阳能建筑一体化。,4.2.4 家用热管真空管太阳能热水器热管真空管集热器是继闷晒式、平板式、全玻璃真空管集热器后的第四代太阳能集热产品，在太阳能领域得到了广泛的应用。该类型太阳能
15、热水器如图 4-6 所示。,目前，热管真空管有 3 种结构形式如图 4-8 所示。,第一种采用热压封接技术将带有平板翼片的、具有抗冻性能的铜-水热管封装在单层真空管内；第二种将带有圆筒形翼片的热管封装在全玻璃真空管内，通过管内热空气向紧贴内管表面的翼片传热；第三种将热管封装在全玻璃真空管内，真空管内腔和热管外壁之间注入高沸点液态传热介质。,热管真空管集热器及部件如图 4-9 所示，它由热管、保温箱、隔热体、吸热翼片、真空管、反射板、尾架组成。,与闷晒型、平板型和全玻璃真空管集热器相比，热管真空管集热器具有下列特性：（1）热管传热，管内不进水，从根本上避免了平板集热器及全玻璃真空管内因结水垢而引
16、起水道堵塞不能运行和管内结垢影响输出功率等问题；（2）特殊防冻技术，即使在50的严寒条件下，仍无冻坏之忧，避免管内长期存水，受严寒冰冻，在热胀冷缩情况下易碎管的问题；（3）热管式真空管热容小、启动快，在阳光下 2 分钟即可启动输出能量；,（4）在天气阴晴多变的情况下，比其他热水器产生更多的热水；（5）高性能选择性吸收镀层及真空保温技术，保证在多云天气及相对温差大的地区仍有较高的热效率，所以在冬天性能尤为突出；（6）集热板封装于真空玻璃管内，即使在潮湿地区也不受腐蚀，使用寿命长；,（7）承受力强，当连接成大面积集热系统时能承受循环泵的压力，因而在承压热水系统推广中独具优势；（8）热管式真空管太阳
17、能集热管抗冷热冲击好，运行安全可靠，避免因一支集热管损坏而损坏整个系统。,由于集热元件的限制，热管集热器也存在一定的不足：（1）单层真空管的连接形式对玻璃金属的封接技术要求较高；（2）全玻璃真空管内插入热管，会因能量的多次转换而影响热效率；（3）热管和真空管为双真空复杂结构，造价较高。,4.3 太阳热水系统,太阳能热水系统（如图 4-10 所示）一般由以下部分组成：安装在屋顶上的真空管集热系统、泵、储水箱和换热器。,4.3.1 热水系统数学模型的介绍,前人对热水系统进行了大量研究，不少学者提出了许多有建设性的模型，并利用这些模型来分析太阳能热水系统。下面介绍两个比较著名的热水系统模型：Clos
18、e 模型和 Ong模型。许多太阳能热水系统建模均是建立在这两个模型的基础上的。,4.3.2 自然循环太阳能热水系统,自然循环太阳能热水系统是国内最早采用的一种系统，具有结构简单、运行安全可靠、不需要循环水泵、管理方便等优点，目前仍是大量应用且值得推广的一种太阳热水系统。由于自然循环系统热虹吸压力较小，因而其较适用于中小型太阳能热水系统。自然循环太阳能热水系统如图 4-12 所示。,自然循环定温放水系统如图 4-13 所示。当水箱上部水温升高到预定界限时，置于水箱上的电接点温度计发出讯号，通过继电器打开出水管上的电磁阀，将热水存于储水箱内。同时循环水箱内有冷水补入，当水温低于规定界限时，电磁阀关
19、闭。这样周而复始地向储水箱中输送恒定温度的热水以供使用。,该系统的优点是，位于集热器上部的热水箱只具有循环的功能，而让安放在较低位置的储水箱去储存热水，这样容易使水温提高到所要求的温度，因而能充分利用日照较强阶段的太阳辐射来增加热水产量，提高了系统的热效率；缺点是，系统中增加了电磁阀，工作可靠性不如自然循环，而且还增加了一个循环水箱，增加了投资成本。,4.3.3 强制循环太阳能热水系统,强制循环式太阳能热水系统如图 4-14 所示。这种热水器利用水泵使水在集热器与储水箱之间循环。当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动，水泵入口处有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，
20、引起热损失。这种热水器的流量已知（由水泵流量定），容易预测性能。加热水量一定时，在同样设计条件下，较自然循环式可得较高温度的水，但是必须采用水泵。这样就会存在水泵电耗、维护以及控制装置失灵等问题。因此，除大型热水器或需要较高水温时采用强制循环外，大多都采用自然循环或直流式热水器。,4.3.4 直流式太阳能热水系统,直流式太阳能热水系统如图 4-15 所示。这种系统为开放式、一次流动系统。冷水直接进入集热器，其流量由装在集热器出口处的电接点温度计通过控制器作水泵或电磁阀来控制，以维持出口热水的温度在所需界限内。这种系统具有自然循环定温式防水系统的优点，同时还去掉了循环水箱，使屋顶露面负荷大为减轻
21、。,4.3.5 二次换热太阳能热水系统,在寒冷地区，为了防止集热器在冬季被冻坏，在集热器与贮水箱之间设置换热器，构成双循环系统，如图 4-16 所示。,集热器和换热器构成一个循环回路，回路中充以防冻循环工质，集热器吸收太阳辐射能不断加热防冻液工质，加热工质在换热器里再加热水箱里的生活用水。图 4-16 所示的是换热器放在水箱中，而在大型太阳能热水系统中，通常把换热器和水箱分开，采用强制循环管壳式换热器，如图 4-17 所示。,4.3.6 中央太阳能热水系统,长期以来，太阳能在建设工程项目中的应用越来越受到人们的关注。建筑物的中央热水供应系统中，采用太阳能结合常规能源作为热水系统热源，成为中央热
22、水系统降低能源消耗、节约运行费用、减少环境污染的一个有力的措施。,1太阳能中央热水系统的适用范围太阳能中央热水系统是大面积太阳集热系统，主要用于各种低温热水的应用领域，如社会会所、公寓、宾馆、饭店等热水中心，学校、机关、部队、工厂、招待所、医院、养老院、幼儿园等的浴室、游泳池等，既可作为生活热水，也可以作为工业生产作业热水、开水预热等。,太阳能中央热水器置于顶楼，晴天不用燃气、不用电，利用太阳能把水加热，然后贮存在保温水箱里，通过热水管道可向多个浴室同时供热水，全自动运行，不需要人工操作。在阴雨天，有自动辅助电加热（或燃油热水炉辅助加热），保证源源不断供应热水。,设计时，需综合考虑太阳能集热形
23、式、热量储存、管路防冻、辅助加热形式以及供热方式等多种因素。典型的直流式太阳能热水系统主要由集热器组、储热罐、恒温水箱、辅助加热设备、控制器、循环泵、管路等组成（如图 4-18 所示）。,2几种典型的太阳能中央热水系统性能对比（1）平板集热器太阳热水系统应用比较早的一种太阳能热水系统形式，因防冻问题以及其本身集热性能受季节和环境影响较大，在我国北方应用较少，主要集中在南方地区。,（2）全玻璃真空管集热器太阳热水系统早期的规模比较小的项目多采用此种集热器，或将采用全玻璃真空管集热器的家用太阳热水器串并联组成集中热水系统。因其投资较低，在太阳热水工程市场上占有相当比重。,（3）U 形管真空管集热器
24、太阳热水系统U 形管真空管集热器替代全玻璃真空管集热器在工程中的应用，解决了系统承压运行问题，但因系统阻力大、热性能不理想及安装维护等因素，使用较少。（4）热管真空管集热器太阳热水系统热管真空管集热器从根本上解决了其他类型太阳集热器在热效率、承压能力、防冻性能、安装维护等方面存在的问题，价格适中，是目前太阳热水工程中最理想的集热器形式。,下面以热管真空管太阳中央热水系统为例进行简单讲解。在实际的太阳能中央热水系统工程应用中，需要综合考虑太阳能集热系统的形式、热量的储存、系统管路防冻、辅助加热设备的选用以及热水供应的方式等各种因素。图 4-19 所示为典型的热管真空管太阳中央热水系统。,本系统设
25、两个热水箱，一个太阳能储热水箱和一个恒温供水箱。太阳能直接对储热水箱加热，由恒温供水箱向热水用户供热，恒温供水箱由太阳能储热水箱补充热水，当热水供水温度不能满足使用要求时，启动辅助加热设备进行加热，保持供水温度维持在一个相对恒定的范围。液位控制器和电磁阀 1 联合控制太阳能储热水箱的上下限水位。电磁阀 2和热水循环泵联动。两个水箱的容积应根据热水系统的功能和用水特点确定。一般的生活热水系统用水高峰多集中在晚间和早晨，所以太阳能储热水箱应能储存晴好天气全天 80%以上的热能，两只水箱应能满足热水系统的设计供水需求。,热管真空管可以耐50低温，正常使用环境下，无结冻隐患。太阳能热水系统的防冻措施主
26、要针对系统管路。除了完善的保温处理外，集热系统一般采用排空法进行防冻，即储热水箱安装于系统最低点，在系统顶端设自动排气阀，当循环泵停止运行后，集热系统里的水全部回流入水箱。该方法实施简单、安全可靠，起到防冻作用的同时也避免了管道内存水造成的热损失。在储热水箱的设计中应考虑到最高补水位之上能够容纳防冻回流水量。,热管真空管太阳集热器因具有高效、承压、抗冻、安装方式灵活（具有普通型和水平型两类产品）等诸多优点，在工程应用中具有更大的适应性，可以应用于各种大面积太阳集热系统中，通过各种形式的安装易于实现与建筑的结合。根据不同的建筑情况，热管真空管太阳集热器一般水平或倾斜安装于无遮挡的建筑物南向屋面，
27、特殊情况也可安装于南立面墙、阳光屋顶、景观走廊或融入各种建筑造型之中。为保证系统的集热效率，需要合理的确定热水出水温度和各集热器组之间的串并联方式、配管管径、循环泵的型号等。,4.4 太阳热水器的设计与生产,4.4.1 太阳热水器的设计为促进太阳能热水器产业的可持续发展，1998 年 10 月国家经贸委和建设部在昆明召开了“太阳能技术与建筑技术研讨会”，提出了我国太阳能系统建筑一体化问题，分析了太阳能系统建筑一体化的必要性及紧迫性。2001 年 12 月建设部在南京再次研讨了如何实现太阳能热水器与建筑有机结合这一设计理念。在这种设计理念的指导下，国内太阳能热利用领域和企业都在努力寻求更加完善的
28、太阳能热水器设计方案。,4.4.1.1 太阳热水器的防冻设计,实现太阳热水器与建筑一体化，是太阳热水器产业发展的必然趋势，也是太阳热水器技术发展的主要方向。无论从整体外形还是结构强度来看，最有利于太阳热水器与建筑一体化的是平板型太阳集热器。,实现平板型太阳热水器与建筑一体化的主要任务之一就是在有霜冻的地区能够解决好集热器的防冻问题。太阳热水系统中的集热器及其置于室外的管道，在严冬季节常常因积存在其中的水结冰膨胀而胀裂损坏。尤其是高纬度寒冷地区，必须从技术上考虑太阳热水系统的“越冬”防冻措施。,目前常用的防冻措施大致有以下几种：（1）选用热管式集热器或全玻璃真空管集热器。由于采用了高真空技术，与
29、平板集热器相比，真空管集热器的热损大大降低，具有较强的防冻性能，但在持续多天的严寒天气条件下，也有可能被冻坏。,（2）用防冻液作集热器传热工质的双循环系统。为了防止平板集热器在冬季被冻坏，在集热器与贮水箱之间设置换热器，构成双循环系统。集热器和换热器构成一个循环回路，回路中充以防冻液，集热器吸收太阳辐射能不断加热防冻液工质，加热工质在换热器里再加热水箱里生活用水。由于采用了二次循环系统，流经集热器的是介质，从而可以方便地在介质中加防腐、防垢和防冻剂，较好地解决了系统的防冻、防腐、防垢等问题，提高了集热器的使用寿命。,（3）设计落水式强制循环系统。落水式强制循环太阳热水系统的贮水箱通常置于室外，
30、循环水泵的安装位置必须低于贮水箱的液面，在系统的最高点处管路上设置连通大气阀，根据集热器吸热体和水箱壁之间的温度差控制水泵的运转。当夜晚水泵停止工作后，控制器联动开启连通大气阀，这时集热器和管路中的水，由于重力作用全部返回水箱。,（4）设计贮水箱内的热水在夜间形成自动循环系统。贮水箱中热水再循环式防冻措施，是在集热器吸热体的下部埋设温度敏感元件，接至控制器。当集热器内的水温接近冻结温度时，控制器启动水泵，将贮水箱内的热水送往集热器，集热器温度升高，当吸热体温度升高到整定值时，控制器关断电源，水泵停止工作。这类防冻系统只适用于非严寒地区偶尔排放或压力式太阳热水系统。,（5）采用集热器及其管道中的
31、存水自动排空系统。自动排空式防冻措施，是在集热器吸热体的下部埋设温度敏感元件，接至控制器。当温度降至 3.54.5时，控制器将根据温度敏感元件传送的信号，开启排放阀和连通大气阀，将集热器和室外管路中的水排放到系统外。这类自动排空系统只适用于非严寒地区偶尔排放或压力式太阳热水系统。,4.4.1.2 太阳能热水器中换热器的设计换热器是用来使工质（即防冻液）在集热器和换热器组成的循环回路里循环，使热量从热流体传递到冷流体，从而不断加热水箱里水，起到防冻的作用，以满足规定的工艺要求的装置。,换热器可以按不同的方式分类。按换热器操作过程可将其分为间壁式、混合式及蓄热式（或称回热式）三大类。在间壁式换热器
32、中，冷、热两种流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。,在混合式换热器中，冷、热流体通过直接接触、互相混合来实现换热。火力发电厂中的冷却塔、化工厂中的洗涤塔等属于这一类。这种换热器在应用上常受到冷热两种流体不能混合的限制。,冷、热两种流体依次交替地流过同一换热表面而实现热量交换的设备称为蓄热式换热器。在这种换热器中，固体壁面除了换热以外还起到蓄热的作用：高温流体流过时，固体壁面吸收并积蓄热量，然后释放给接着流过的低温流体。显然，这种换热器的热量传递过程是非稳态的。,在三类换热器中以间壁式换热器应用最为广泛，下面简单介绍间壁式换热器的主要类型。（1）肋片管或光管换热器这是最简单的一种间壁式换热器
33、，依据两种流体的流动方向不同而又有顺流布置及逆流布置之别。这类换热器适用于传热量不大或流体流量不大的情形。如图 4-23 所示，在水平或垂直水箱里加一根或几根管子（或肋片管），这种结构易实现自然循环，但换热效率较低。,目前，这种结构的换热器在太阳热水系统中使用较少。,（2）螺旋管或盘管换热器如图 4-24 所示，这种结构的换热器通常放在垂直水箱里，采用强制循环的方式。它有利于水箱温度分层，并且换热表面系由两块金属板卷制而成，冷、热流体在螺旋状的通道中流动，所以这种换热器的换热效果较好。但由于螺旋管或盘管流动阻力较大，所以这种结构的换热器不宜采用自然循环的方式，并且换热器的密封比较困难。,（3）
34、管壳式换热器管壳式换热器是间壁式换热器的一种主要形式。它的传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内，外壳两端有封头。一种流体从封头进口流进管子里，再经封头流出，这条路径称为管程；另一种流体从外壳上的连接管进入换热器，在壳体与管子间流动，这条路径称为壳程。管程流体和壳程流体互不掺混，只是通过管壁交换热量。,如图 4-25 所示，这种结构把换热器和水箱分离，工质循环则采用强制循环，水循环可采用强制循环也可采用自然循环。Parent（1990）对水采用自然循环的这种结构进行了研究，指出换热器效率为 40%99%。这种换热器通常应用于大型的太阳热水系统中，如化工厂中的加热器、
35、冷却器，电厂中的冷凝器、冷油器等都是管壳式换热器的实例。,（4）夹层水箱换热器这种换热器由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。板式换热器拆卸清洗方便，故适合于含有易结垢物的流体（如牛奶等有机流体）的换热。如图 4-26 所示，工质在集热器和夹层组成的封闭循环回路循环，加热内水箱里的水。,夹层水箱换热器通常有两种形式：水平夹层水箱换热器，如图 4-26 所示。它通常用于自然循环系统中，提高工质进口位置，可提高水箱温度分层及系统性能，但工质进口位置高会增加晚上回流热损，而且会降低工质循环流速。垂直夹层水箱换
36、热器，如图 4-27所示。它通常用于强制循环系统中，进口位置通常位于夹层顶部，这种结构易实现水箱分层。如果水箱中装有电加热器，工质进口必须低于电加热器所在位置。这种结构的换热器只适用于家用型的小水箱，对于大型水箱则不适用。,夹层水箱换热器在太阳能热水系统中已有较好的应用，它有以下优点：结构简单，换热器与水箱合为一体；换热面积大，相当于 8 根铜管的换热面积的 2.5 倍；换热效率高，Furbo（1993）比较了各种换热器的换热性能，得出垂直夹层水箱换热器的系统性能最好。这种结构的换热器只适用于小型水箱，对于大型水箱则不适用夹层换热器。,（5）交叉流换热器根据换热表面结构的不同又可分为管束式、管
37、翅式及板翅式等。锅炉装置中的蒸汽过热器、省煤器、空气预热器、汽车发动机的散热器等都是交叉流换热器的例子。,4.4.2 太阳能热水器生产工艺,太阳能热水器水箱发泡工艺浇注发泡是聚氨酯硬泡常用的成型方法，即就是将各种原料混合均匀后，注入模具或制件的空腔内发泡成型。聚氨酯硬泡的浇注成型可采用手工发泡或机械发泡，机械发泡可采用间歇法及连续法发泡方式。机械浇注发泡的原理和手工发泡的相似，差别在于手工发泡是将各种原料依次称入容器中，搅拌混合；而机械浇注发泡则是由计量泵按配方比例连续将原料输入发泡机的混合室快速混合。硬泡浇注方式适用于生产块状硬泡、硬泡模塑锅炉制品，在制件的空腔内填充泡沫，以及其它的现场浇注
38、泡沫。,4.4.2.1 太阳能集热器的生产目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管，结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上。平板集热器较真空管集热器成本稍高。近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3 特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。,下面举例介绍全玻璃真空集热管的工艺流程，其特点有：原理简单，集热管像拉长的保温瓶一样；质量要求严格，必须有好的吸热层，吸热层的吸收率要高，热反射率要低，有好的保温防止热量向外对流、传递向
39、外辐射；一般要求吸收率 90%以上，反射率 9%以下；材料为高硼硅 3.3 玻璃，膨胀系数小于 3.3107。,其中吸气剂的成分为钡铝镍或钡钛，类型分为蒸散型吸气剂和非蒸散型吸气剂，其在真空集热管制造中的作用有：（1）在短时间内提高管内的真空度，有利于缩短排气时间；（2）吸除封离后管内剩余气体及器件在工作时处于高温状态下各部件所放出的气体；（3）吸除器件启动和反常工作时的突发性放气，以保证器件内良好的真空状态，延长使用寿命，提高器件可靠性。,4.4.2.2 太阳能保温水箱的生产保温水箱是储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存，防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使
40、用的水容量，不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器，其容量指可发生热交换的介质容量。,太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。水箱内胆是储存热水的重要部分，其材料的强度和耐腐蚀性至关重要，市场上有不锈钢、搪瓷等材质；保温层材料的好坏直接关系着保温效果，在寒冷季节尤其重要，目前较好的保温方式是聚氨酯整体发泡工艺保温；外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。保温水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁。,1水箱的结构原理（1）外循环圆柱形水箱上下循环管及进出气管如图 4-30 所示。下循环管要靠近水箱一端的下方，紧靠水箱底壁；上循环管放置于下循环管相对于另一端上方、大于水箱直
41、径的 2/3 处。进、出气管位于上循环管的上方，紧靠水箱上壁，也可将进出气管安放于水箱上部中间位置。,自然循环分离式水箱的容水量以每平方米采光面积 80kg 计算。1m2热水器水箱尺寸见表 4-2。,（2）内循环圆柱形水箱1m2、2m2循环水箱的尺寸相同于外循环水箱，不同的是循环管放置位置有所区别（如图 4-31 所示）。下循环管要紧靠水箱底壁，使箱内水能全部放完；上循环管的上口要处于水箱直径的 2/3 处。下循环管、上循环管之间的距离一定要与热水器上两循环管间距相等，伸在水箱壳体外面的接管与水平成 40夹角，与其支架斜度相同，以便于安装。,（3）组合式水箱按每平方米采光面积配 100kg 水
42、设计水箱容积，以长方体为好。要先计算好尺寸，用4 号角钢焊成一个相等尺寸的骨架。如果水箱容积超过 2 吨以上，需选用 5 号角钢焊制。角钢的夹角向内，沿两条平行的棱长，间隔 250nm 竖向焊一根角钢，平面向里，便于固定玻璃钢板材。主框架焊起后，需上一次防锈漆，以防锈蚀。循环管的放置有两种方案供选用，如图 4-32 所示。循环管一律用玻璃钢制成，管内直径为 27mm，壁厚 3mm。,2模具的设计与制作根据圆形水箱尺寸来设计模具。模具可以用木材、铁板等材料制成，如用木料制作选用泡桐木为好，用车床加工到所需形状和尺寸。为了脱模方便，底面需用 12mm 圆钢制成一对把手，如图 4-33 所示。1m2
43、水箱上、下循环管模用 16mm 圆钢，进出气管用 12mm圆钢，一律焊成如图 4-34 所示形状。,3验收（1）直观方法：详细察看水箱壳体有无明显孔洞，或管子有无松动现象、有无玻纤布纤维外露等，发现后都要用玻纤布粘树脂贴补或刷一层树脂。（2）试水方法：将水箱放在 1m 高的支架上，用橡胶套封死上循环管，然后接上自来水充水，水满后用手堵住排气管，不让水溢出，加大压力，观察漏否。如漏，画下记号，待修复。（3）补漏方法：将试过漏水的水箱放在阳光下晒干水气，剪稍大一点的玻纤布粘上树脂贴上两层，固化后即可交付使用。圆形水箱四周需包裹岩棉，装入镀锌铁皮桶内。长方体水箱同样四周要包上岩棉作保温层，外面再用铁
44、板作保护层。也可以在岩棉外包上 3层塑料薄膜，然后再包两层 04 玻纤布，上而用氯丁橡胶防水涂料涂抹两次，效果也比较好。,4.4.2.3 支架、连接管道、控制部件的生产支架是支撑集热器与保温水箱的架子，要求结构牢固、稳定性高、抗风雪、耐老化、不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。连接管道是平板热水器将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的管道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能热水器至用户端也使用连接管道。热水管道必须做保温处理。,4.5 太阳热水器的安装与维护,4.5.1 太阳热水器的安装太阳
45、能热水器的性能与安装质量有较大关系。太阳能热水器一般安装在建筑物的屋面并向南（阳台壁挂式太阳能热水器安装在建筑南侧立面并有一定倾角），地脚要固定，必要时要拉固定绳索，如在建筑物最高处，还要将太阳能热水器与建筑避雷系统连接。,直插式真空管要用肥皂水润滑，保证玻璃管与密封圈贴合良好。管道连接要顺畅，尽量减少直角弯头，不要使用软管，如水箱为上排气的，排气孔不能直接向上，要安装三通变为侧排气，防止雨雪侵入，尤其是防止冰雪堵塞造成水箱吸瘪。,带电加热的太阳能热水器，要保证热水器接地良好，不得将控制器的三脚插头改成两脚插头，否则有危险。太阳能热水器安装后，要进行上水，检查是否漏水，启动控制功能，检查是否正
46、常。太阳能热水器若有问题，一般在使用初期就能发现。,太阳能热水器的安装简图如图 4-35 所示。,在安装之前先要确认场地尺寸是否满足需求，安装位置是否离室内最近，最好保证进出水管垂直走线，尽可能不要采用弯头来变向，另外一定要水平放置。位置选好以后就可以开始安装了。,安装步骤中有以下几个重要部分。1安装支架部分（1）选择安装位置一般为安装在屋顶，坐北朝南，正向南偏西 510，保证无阳光遮挡。尽量减少入户管线，增加日照时间。用指南针找到正南位置，做好标记。为了减少热量散失，整个系统应尽量放在避风口；为保证系统效率，连接管路应尽可能短，集热器、水箱直接放在浴室顶上或其他用热水的场所，尽量避免分得太散
47、，对自然循环式这一点格外重要。,（2）组装支架按照组装支架图 4-36，安装时要先把前片（斜梁、方盒、方盒支撑、地脚、前水平撑、前斜撑）和后片（后立腿、后水平撑、后水平梁、后斜撑）组装在一起。用扳手上紧螺丝，扭力适当，无松动即可。然后安装前后片的侧斜撑，作用是起到结构上的加固作用。,支架安装完以后要固定。一般的固定方法是用冲击钻打孔，然后钉入拉爆（就是膨胀螺钉），上紧螺钉，让拉爆里面撑开卡住钻孔。注意：支架连接完毕后，先不急于将螺钉坚固，需待水箱、真空管安装完毕后方可全部坚固。,2安装水箱部分水箱的高度要比入户的高度高 12m。水箱抬到支架组件的水箱托架上后（如图 4-37所示），将水箱下部的
48、连接螺栓插进水箱托架的连接孔内并带上螺母，但不要拧死，还要调节角度安装真空管。水箱内真空管口处固定好随机带的内置硅胶圈，并均匀涂抹含洗洁精的水润滑。调整水箱，使水箱和真空管托架上的真空管孔同心。最后，锁紧螺母。,3安装真空管部分安插真空管前先检查保温层水箱内胆上套着的密封硅胶圈是否安装到位，检查真空管工艺尾角是否破损，检查涂层透明度，检查管口是否有加工毛刺，检查圆度。把真空管外密封胶圈套入真空管，用肥皂水充分浸湿管口。右手把握真空管的尾端，一是为了保护工艺尾角，二是便于插管用力。垂直管口方向插入真空管，用力均匀轻旋推入水箱，插入后退回管座。如图 4-38 所示。,注意：带管路连接完毕，检验无漏
49、水现象后，把真空管外密封胶圈推至水箱连接处底部，密封严密；在晴天安装时，应用纸、布或其他遮阳物品遮挡真空管，避免阳光直接照射，直到水箱上水，以免真空管空晒后突然上水损坏真空管。,4接冷热水管部分要求进出水口缠生胶带，然后上好管件，连接太阳能专用管道。进出水口高度比入户高度高 12m。管道外侧用厚聚乙烯橡塑管壳做保温，外缠铝铂胶带保护层。电加热器的端口也需要做保温。安装完毕后，最后接通控制器电源，试运行。,太阳能热水器安装中的注意事项如下：（1）热水器主体朝阳，前上方无遮挡物，保证全日阳光照射，注意固定牢固，每年检查一次；（2）普通型水箱上部排气口不得堵塞，以免因进气或排气不畅而涨坏，抽瘪水箱；
50、（3）为了冬季安全运行，室外管路必须保温良好，以防冬季将管路冻坏，或者每日适量通水，防止管路结冰；,（4）严防缺水，断水空晒，断水空晒后不要在集热管闷晒温度很高时突然注入冷水，以免因温差过大管子炸裂，要在早晚无阳光时再注入冷水；（5）自来水压力过大的用户，上水时进水阀门请开小限压，自来水压力不足的用户可加装管道泵；（6）光电互补型产品，电加热器应有良好的接地，并且严禁带电洗浴。,4.5.2 太阳能热水器的维护,4.5.2.1 太阳能热水器的常见故障1自然循环太阳热水系统的常见故障自然循环太阳热水系统虽然运行安全可靠，但由于安装、设备或天气方面的原因，常常导致系统不能正常运行。下面就在运行中的常
