技术创新提升太阳热水器的功能与品质

1、技术创新提升太阳热水器的功能与品质            【摘要】紧凑式太阳能热水器从其诞生至今，已有20多年的时间了。在这20多年中，其结构形式几乎没有什么重大改变，一直延续其传统的结构，因此，其得热量一直没有什么重大提高。难道紧凑式太阳能热水器就没有改造提升的空间吗？答案是否定的，其改进空间还很大。 具体而言，传统紧凑式太阳能热水器存在着许多不足之处。比如，光照利用率不高，有效集热面积偏少，循环不畅，真空太阳集热管尾部散热，保温水箱缺水过热，进排气口散热严重，上下水水管冻塞，真空太

2、阳集热管结垢，太阳热水器过热沸腾，电加热耗能严重，用水等待时间长，水箱积存水垢等等。这些问题的逐步解决过程就是紧凑式太阳能热水器性能提升的过程。 山东海臣科技有限公司通过技术创新，获得多项国家专利，生产出了高效多功能太阳热水器，得到业内专家的高度评价。本文试图通过介绍他们对产品的革新，给广大太阳能和研发人员以启迪。 针对紧凑式太阳能热水器存在的问题，海臣科技有限公司一直努力创新，进行了长达十几年的研发。从结构形式的细节上改变了紧凑式太阳能热水器，使其性能大幅度提高。 仅缩口变径低尾耗太阳能真空集热管、顶紧式保温尾座和三叉戟支架三项技术的应用，就使其密排紧凑式太阳能热水器的集热面积较58管（80

3、孔距）传统太阳热水器增加23%。2007年6月15日，国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）对海臣太阳能热水器进行了检测。结果表明：贮热水箱内，集热结束时水的温度为51，日有用得热量为9.4MJ/m2，平均热损因数为13W/（m3·K）。相比国家标准，日有用得热量提高25.3%，保温性能提高41%，真正实现了太阳热水器的全地域、全年使用。海臣太阳能热水器在多项产品上都有创新，以下介绍的是主要的技术创新点。 1 缩口变径太阳真空集热管现有的太阳真空集热管其密封胶圈是套装在等径外玻璃管上的，由于水箱内胆强度和胶圈之间安装间隙的要求，致使管与管之间的管距较大，常规直径47 mm真空集热管

4、中心管距为70 mm，对应的吸热管直径为37mm，其光照利用率为52.86%；直径58mm真空集热管中心管距80mm，对应的吸热管直径为47mm，其光照利用率为58.75%，加之真空集热管靠密封胶圈的弹性密封，因此容易引起漏水等问题。缩口变径太阳真空集热管外管径为58mm，管口缩径为47mm，胶圈套装于47mm管口上。在满足水箱内胆强度和胶圈之间安装间隙要求的情况下，实现了管与管之间中心管距为65mm，对应的吸热管直径为47mm。其光照利用率为72.31%，较常规直径47 mm真空集热管光照利用率增加19.45%；较常规直径58 mm真空集热管光照利用率增加13.56%。而密封胶圈与真空集热管

5、为顶紧密封，因此根除了密封胶圈因为密封不严而漏水的问题。由于真空集热管采取顶紧密封，使水箱、真空集热管、尾座、尾托盒、支架连接固定为一个整体，强度大大提高，并剔除了反光板，风阻小，不易积雪。2 导流器有些企业说：真空集热管越长、越粗，集热面积越大，光照利用率越高，热水器制热水效果越好。这其实是一种误导。真空集热管中水的循环是靠冷热水之间的比重差实现水循环的，冷水比重大，热水比重小，因此冷水下降，热水上升。由于水在同一管腔内上下流动的过程中会产生湍流传导换热，使管内水温趋于一致，从而丧失水循环的动力，致使真空集热管热循环不畅，管内水温升高，内壁结垢严重。最后，真空集热管热辐射损失加大，热效率下降

6、。特别是在真空集热管背部有反光板、真空集热管较长的情况下，这种现象更加严重。管子粗，虽然集热面积增加了，但同时辐射面积也增大了。而且管子越粗，蓄水量越大，太阳能在启动时做出的无用功越大，管子的热辐射损失越大，造价越高，机械强度越低，破碎率越高。人们通过在管内加封闭管腔的方式，试图解决蓄水量大、热启动慢这一问题，但是并没有根除管内冷热水温度趋于一致、管体结垢严重、水循环通道阻塞的问题，相反使销售商维护量加大，给用户带来了不便。导流器是利用热虹吸原理，将电厂锅炉的循环系统嫁接到太阳能热水器上， 使真空集热管中的冷热水分流，冷热水腔之间的温差及压差使水流加速。导流器支撑安装固定在真空集热管内，使其不

7、至于上浮。导流器管体根据真空集热管直径的不同对应有一定的体积，以减少真空集热管的蓄水量。导流器的封闭容腔或为圆柱状或为环腔状，半圆喇叭状汇流管口安装在导流器上管口上，下管口悬空安装在真空集热管底部，构成类似电厂锅炉的循环系统：汽包、下降管、下联箱、水冷壁、汽包的循环。导流器将水箱底部的冷水引到导流器下降管内，流到真空集热管底部联腔，使其沿上升管吸热上升，到达水箱上部，构成热虹吸对流循环。管子越长，热水与冷水的静压差越大，热虹吸对流循环动力越强劲，水的流速越快，对管壁的冲刷能力越强，管壁越不易结水垢。水流将受热产生的水垢带到水箱内，使管底不存水垢。因此，真空集热管内安装了导流器，将使得真空集热管

8、不管是置有反光镜，还是管子变粗变长，都变成正面影响，使水流循环畅通，让热水喷涌奔腾。3 低尾耗真空集热管目前的太阳能真空集热管自诞生以来其尾部自由端都安装有一弹性金属支撑卡，它在完成支撑等功能的同时，也架起了散热的桥梁。此金属支撑卡与环境之间只要存在温差，它就不停地向外传递热量。温差越大、支撑点越多、金属支撑卡外表面越大，热损失越多。这极大的影响了太阳能集热元件的保温特性，使太阳能热水器保温性能下降。特别是在冬季，由于气温降到4以下，因为04之间水的比重差别很大，从而构成快速水对流逆循环，致使真空集热管的传导热损失极大。如遇高寒下雪天气，雪埋真空集热管尾部，则会使热水器的热损失更加严重。低尾耗

9、真空集热管是在太阳能真空集热管的内集热管的尾部安装有保温管腔，形成内集热管与保温管腔一体的安装定位自由端。太阳真空集热管尾部的外玻璃管封闭端头内壁与金属支撑弹卡支撑接触，金属支撑弹卡与保温管腔外壁支撑接触。由于玻璃的导热系数非常低，加之金属支撑弹卡与保温管腔外壁为点接触，因此使其散热量大大下降，在不影响真空集热管效率的同时，解决了其尾端散热的问题。 4 顶紧保温尾座真空集热管尾部通过金属支撑卡散热是非常严重的，虽然低尾耗真空集热管能够使其热量损失减少，但其放热量仍不可忽视。 顶紧保温尾座由托座以及与托座螺纹连接的螺帽等组成，其托座由托碗、托杆组成，托碗的形状与太阳真空集热管尾配合，托碗的尾部与

10、托杆缩径连接，托碗与托杆或为分体，托碗的底部上有与托杆套装于一起的插头，螺帽安装在托杆上，螺帽上有与尾托盒冲孔吻合的定位边沿。螺帽上设有与太阳真空集热管尾部支撑钢卡对应吻合、与太阳真空集热管尾部有一定间隙的保温管套，保温管套的开口处与太阳真空集热管之间安装有密封挡圈。将尾托设计成具有间隙空气保温层的保温顶紧尾托，不但创新了太阳能真空集热管的安装方式，而且更具有良好的保温特性，使真空集热管的尾端热损失极大地降低。采用这种结构后，通过螺帽的旋紧，压紧缩径真空集热管的末端，使缩径真空集热管稳固锁定于太阳能热水器的水箱与尾托盒之间。当需要更换真空集热管时，仅需将螺帽旋松，然后用专用工具将真空集热管抽出

11、即可，操作十分方便。 5 防过热保温进排气溢流管组件目前的太阳热水器保温水箱的排气溢流管为单管设置，在水箱上或为上开口， 或为侧开口，或为下开口。上开口由于直通大气，热气体上升，冷空气下降，形成对流，使太阳能热水器水箱保温性能比较差；而且在温度低时容易在排气口结露成冰，堵塞进排气溢流口，造成热水器放水抽扁水箱的故障。侧排和底排虽较上排保温性能有所改善，但仍存在进排气口处结露成冰，堵塞进排气溢流口的问题，且保温性能欠佳。而热水器排气装置由于直通大气，水箱内外压力接近，致使高温热水产生的水蒸气不断溢出，造成水量损失。当太阳热水器中的水排空断水时，水箱内温度升高，其温度可高达200以上，致使保温材料

12、因高温收缩粉化，破坏了太阳热水器水箱的保温性能。太阳热水器防过热保温进排气溢流管组件为U型管水封。水箱内的水蒸气通过水封隔绝，使冷空气不易进入，热的水蒸气不易泄出。本装置中的冷气导流管在正常使用的状态下，下管口浸没在水中，使水中的热量不易泄出。而当水箱水位下降到一定程度之后，水箱外的冷空气可以直达水箱下部，与U型管中的进排气溢流管装置构成对流循环，将水箱内的热量不断排出，使水箱内的温度控制在一定范围内，不构成对保温材料的过热损伤。冷气导流管外接排气口的排气导向装置可确保冷空气不易进入到管内，确保U型进排气溢流管与冷气导流管的保温特性。而U型进排气溢流管与冷气导流管的复合式安装方式，可使进气溢流

13、管的安装孔减少为一个。本装置结构简单，便于制作和安装，限使用性能好。它可以通过水封减少蒸发，从而杜绝在排气管口结露成冰，堵塞进排气通道的问题，克服了热水器进排气口冬季保温性能差、结冰阻塞、放水抽扁水箱的现象。1          6 蒸馏水器由于承压热水器不能控温控压， 太阳能热水器在长期不用或使用不及时的情况下，会造成热水器内水的沸腾，大量的水分以水蒸气的方式排放，致使水质浓缩恶化，同时浪费大量的优质水。 海臣太阳能的负压沸腾器可使太阳能热水器的热水低温沸腾，通过冷凝器将蒸汽收集，最后可得到饮用蒸馏水。

14、如果通过矿化器，便可得到矿泉水，从而又把热水器加上了饮水机的功能，使人们的饮用水得了安全保障。 7 电导线伴热保温上下水管现在的太阳能热水器，上下水管或复合有伴热带，或复合着常规保温。伴热带由于为功能塑料，寿命短，能耗高，价格贵，使用不够安全和方便。而常规保温在无伴热带伴热的情况下，会使上下水管道冻塞，即使是室外环境温度提高，热量也难以传到管道内，致使热水器内有热水却无法使用。 海臣太阳热水器采用了低电压自伴热恒温给取水管。给取水管为缠绕电导线后再加上复合保温层的复合管，采用与电热毯同样的工作原理，通过变压器将电导线上的电压控制在36伏安全电压以内，通过自动温控装置对管道定时或长期加热。有了这

15、种措施，可实现打开水龙头便出热水，冬季管道永不冻堵。8 即热式电加热器 即热式电加热器有一定长度的导流管道，它们之间有流道相互套装在一起。电加热器放热面在导流管道内，布置于导流管道的下部，导流管的上段为水浮子牵引的软管，组成对流加热水装置。对流加热水装置的进水口位于保温蓄水箱下部，出水口通过水浮子牵引在水面下，加热器放热面进水口低于加热器放热面出水口，组成流体对流循环通道。冷水通过给水管补入保温蓄水箱底部，热水通过取水管从保温蓄水箱顶部取出。其结构简单可靠，安全性高，造价低，加工容易，节能。由于能使热水器快速启动，可以即开即用。 9 静电防结垢真空集热管静电防结垢真空集热管，利用其真空腔内管的

16、吸热膜具有的导电特性，与通过外层玻璃管玻璃封结的金属电极连接，并将电极连接直流电源的负极，直流电源的正极通过导体和水体电连接，确保负极与正极绝缘，正极接地。在直流电压足够高的前提下，吸热导电薄膜、真空集热管玻璃内管、与内管内外壁接触的水体就组成了电容充电电路。此电路使得与玻璃管表层接触的水体感应出显酸性的正电荷氢离子，并根据电压的高低决定氢离子的多寡，从而防止了钙垢在玻璃上的生成，解决了现有真空集热管内管壁结垢的顽疾。由于电容的特性，在绝缘良好的情况下高压直流电源电流极小，因此，需要的电源功率很小，成本很低。 10 漂浮选择式给取水器给取水管连接的紧固管件与在同一腔体的两组启闭相反的水动逆止阀

17、门构成自动选择式三通阀；水浮子、水浮子下部的取水汇水腔、取水口、取水软管通过连接构成漂浮式取水器与自动选择式三通阀组成太阳能热水器用漂浮选择式取水、补水装置。当热水器给水时，自来水经给水管，到达自动选择式三通阀，给水的压力将自动选择式三通阀取水阀关闭，将三通选择阀门补水阀打开，实现了太阳能热水器在其底部的阻流补水。当热水器取热水时，热水通过漂浮式取水器的汇流进水口，汇流到达热水取水软管，漂浮式取水器水漂浮于水面之上，保证取水汇流腔在漂浮式取水器下侧。当热水经过汇流后，通过热水取水软管到达自动选择式三通阀体，水的压力将三通阀的取水阀打开，进入自动选择式三通阀体，自动选择式三通阀补水阀在水的压力和

18、阀门弹力的作用下关闭，热水通过取水管放出。这样所放的热水，均由漂浮式取水器从水箱上部表层放出，达到了补水不影响水温、取水不混凉水的效果。 11 水箱内外桶支撑环为了解决因水箱内缺水、温度较高而造成保温材料的收缩和粉化，使整机保温效果下降的问题，设计了内外水桶保温定位装置。通过支撑环开口胀塞的作用，使内外桶保持同心定位。并通过发泡材料的进一步定位，实现热水器在顶紧密封状态下内外桶一体，使其保温性能和机械强度提高。 12 三叉戟支架、发发支架三叉戟太阳能热水器支架，采用了四边形对角线连接；发发太阳能热水器支架，为等腰三角稳定结构，通过中间连杆固定前后构成稳定结构。这两种太阳能热水器支架结构简洁，能够满足缩口变径真空集热管顶紧式安装密封的要求，而且节约成本、强度高、装配简单、造型美观，是充分运用了结构力学的设计。 海臣科技有限公司是一个善于在技术上精益求精， 在产品上挖潜创新的民营。前期一直致力于技术开发，取得了丰硕的成果，到目前为止仅在太阳能领域的专利就有100多项。目前，他们已经开始了将技术成果转化成产品，实现产业化大的时期。据了解，海臣科技有限公司不仅在技术上创新，他们在经营管理上也有崭新的经营理念。他们愿意将自己的专利技术和广大的国内太阳能企业分享，采取相互合作、连锁加盟的方式，推广自己的新技术、新产品，避免重复建设和恶性竞争的局面。他们提供专利技术，协作厂