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抗冻太阳能热水器的工作原理0刻度尺

2022年11月09日

抗冻太阳能热水器的工作原理

抗冻太阳能热水器的工作原理 2011年12月04日来源：平板太阳热水器在冬季温度低于0℃时，因集热器中的水结冰膨胀将管子胀裂，影响了它的全年使用。为解决这一问题，目前国内外通常采用双回路系统，即集热器内充入防冻液，并与水箱中的换热器构成循环回路，对水进行间接加热，由于双回路系统增加了换热器，造成成本上升10％以上，热效率下降7％～10％，故该解决方案并不十分理想。我们在分析研究防冻机理的基础上，提出了顺序冻结的机理，并成功地生产出了抗冻太阳热水器。

我们知道，0℃水的比容为1.0002cm3／g，0℃冰的比容为1.0901cm3／g，体积膨胀率约为10％，若继续降温，冰的比容随之减小。在－20－－1℃时冰的体膨胀系数为1.125×10－4／K，比钢（3.6×10－5／K）和铜（5.1×10－5／K）都大。集热板及管道等水容器的破坏，主要是在0℃时由于水发生相变而引起的，一旦完成相变过程，即使继续降温，容器也不会破坏。水凝固为冰需要有一个过程，不是瞬息完成的，如果采用一定的措施，控制集热器管道中水的冻结顺序，将先冻结并被冰占据了空间的那部分水顺利排走，这样就可以避免因相变体积膨胀而引起的破坏，一旦相变完成，即使温度继续下降，集热器也不会被胀裂，这就是顺序冻结抗冻的基本原理。如何能达到顺序冻结呢？为了回答这一问题，我们先做一个小实验。取两根相同长度和直径的钢管，一端用钢板封焊，管内充满水，其中一根竖放在室外低温环境中，另一根开口端向上，插入盛满水的热水瓶中。测试两根钢管的温度变化发现：第一根管两端的温度低于中间的温度，这表明该管两端将先冻结而后逐渐过渡到中间冻结，这是一种自然冻结顺序，也是许多存水容器在低温下被冻坏的原因；第二根管从热水瓶端向另一端温度逐渐下降，这表明管子的冻结顺序将由低端向热水瓶方向进行，由于热水瓶（热库）的存在，热流的方向发生了反转，因而改变了原来的冻结顺序。第二根管所经历的冻结过程中，管中的水因冻结成冰而产生的体积膨胀，将未冻结的水自下而上地逐渐挤入热水瓶，故不会将管子胀裂。这一实验表明，热源可以调整管子中水的冻结顺序。水在管子及带肋片管子中的冻结次序，由管壁开始顺序到达中心。完成冻结的时间与管子内径及肋片有关，带肋片时冻结速度加快。因此可以利用热源的位置、管径的大小和增加肋片等多种途径来实现集热器中水的顺序冻结。我们设计的抗冻热水器，其上下集管和循环管均采用橡胶材料，而排管则采用高效铜铝复合条带，由于上下橡胶集管直径大，容水多，且散热性能远远低于带有肋片、传热性能好的排管，这样上下集管相对于排管而言起到了热源的作用，从而实现了排管由中部向两端的冻结顺序。排管中膨胀排出的水排到集管中，因上下循环管的上端与储水箱相连，故水箱对循环管起着热源的作用。冻结过程从下部开始，逐渐向上，冻结膨胀所排出的水流入水箱，上下集管最后完成冻结，其中余下的一小部分水冻结膨胀，由于橡胶具有弹性，不会被胀裂。抗冻太阳热水器利用顺序冻结的原理设计制成，达到了冻而不坏的抗冻目的，其热性能十分优良。抗冻太阳热水器的基本要求是在冬季也能产生热水，达到全年使用的目的。由于其集热器的容水量很小，冬季夜间被冻结的水在次日太阳升起不久很快就会被全部融化（一般北京冬季早晨8：30集热器中的水可全部融化），并开始循环加热。由于集热板芯采用高效铜铝复合条带，加上铝阳极氧化选择性涂层，大大提高了集热效率，一般冬季一天就可将6℃的冷水提高到40℃。北京市太阳能研究所研制的抗冻太阳热水器已获得国家发明专利，该技术属世界首创，国际领先，除已进行批量生产外，还引起了不少外国公司的浓厚兴趣，产品已开始销往国外。