[发明专利]真空管系统集成定补双循环太阳热水器

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光热—光伏综合利用领域。是一种以真空管自然循环系统集成为基础，光伏定补双循环自控为手段，能满足高标准“建筑一体化”安装要求的高效真空管太阳热水装置。

背景技术

传统的真空管共用热水系统，采用在纵向联箱两侧横向卧式口对口直插真空管组成的太阳能集热阵列，配置用浮球阀控制水位的大型高位保温储热循环水箱，再分别用冷水下循环管和热水上循环管与横卧真空管集热阵列纵向联箱的上下两端联通，从而构成了所谓的真空管自然循环共用热水系统。

严格说来，这种系统是在原有平板自然循环太阳热水器的基础上，用横卧真空管阵列简单替换平板集热器后，派生出来的一个分支体系。尽管这种系统已出现多年，也能勉强使用；但系统存在若干弊端，确实需要进行改进：首先，该系统光热转换效率低下；可得热产量远远低于同等规模的平板型热水系统。其次，所有的真空管热水器都会在“使用说明书”中坦言：不能在有太阳强日照的情况下加注冷水，或用顶水法取用热水，否则易造成真空管炸裂；不管系统大小，只要有一支真空管炸裂，整个系统立即“水淹七军”陷入瘫痪；这种系统也不例外，第三，系统难以实现“建筑一体化”安装。高高耸立在屋顶的大容积保温循环水箱和浮球补水箱，作为添加在屋顶上的违章建筑，既造成视觉污染，又存在安全隐患。第四，系统不具备基本的排污和抗结垢功能。无论是纵向斜插还是横卧直插的真空管集热阵列，不拨管就不能简单地将管中的污垢和泥沙清除干净。正常情况下系统运行一两个夏天之后，真空管内腔就开始结垢，联箱和管内也会积存下大量的泥沙和污垢，不清除将严重影响水质卫生，要清除不拨管就难以操作。第五，真空管家用或共用系统，在低度短时间的冰冻下，由于单孔盲肠状真空管管内结冰有伸缩有余，不一定会出大问题；但系统的冷、热水管道，浮球补水箱等极易被冻裂；在异常气象频发的条件下，突发深度冻害，包括真空管和水箱在内，一切皆有可能；如果现有系统仍然不设防，发生跑冒滴漏将成为新常态。

纵向斜插紧凑型家用真空管热水器是这样工作的：在太阳长时间的高温强辐射下，处于闷晒状态下的真空管内部分水分子被汽化；最初形成若干小水蒸汽泡，小汽泡在不断的合併和上浮运动中逐渐变大，最后以浮力冲出管口，同时挤压并带出部分热水进入到保温水箱内。与此同时，处于真空管管口上方水箱内的低温水分子，在重力作用下乘虚而入，填补真空，落入真空管内，歪打正着地实现了管内外局部区域的冷热水交换。这种间隙性的热交换方式，与真空管闷晒导致的高管温互为因果；其过程伴随着真空管严重结垢，辐射热损大，光热转换效率低；以及（如果此时）突遇冷水激降必发生炸管等后果。

在大型真空管共用系统中，真空管被成对的横卧侧向直插到联箱纵向通道的两侧所形成的基本构架，最大的单元组件双排并列50余支真空管集热器；更有甚者将2—4组大单元组件纵向串连，以显示热水工程之宏伟。这种超大型系统结构，使真空管所处工作环境，远比纵向斜插入水箱的紧凑型系统更为恶劣。因为真空管被横卧放置后，管内外水的温差循环换热机制被彻底破坏，真空管内被加热的水被半封闭地局限在横卧真空管腔内，无法通过自然循环对流进行有效的热交换，真空管内再高的闷晒温度，也难使被汽化的蒸汽泡和高温水能从水平横向管口处被轻易排出。根据“帕斯卡定律”：在密闭连通容器内处于静止状态的流体内所产生的压强，会大小不变均匀地传递到各个方向。联箱纵向通道左右两侧口对口安装的真空管，在同等安装和日照环境条件下，管内会产生同样大小，但方向完全相反的流体压强。真空管内所产生的高温热水在压力相当，方向相反的液体压强作用下，相互对恃，形成僵局。联箱底部从下循环管导入的低温大比重冷水，自然也就只能被压迫在通道底部，不可能被轻易被置换进入到横卧真空管内，去吸收太阳辐射能升温。这种非线性的僵恃局面，需要某种不可预测的随机偶然因素才能被打破。由于水是热的不良导体，在整个联箱内不同温度的冷热水分子质点相互混杂，处于紊流状态的流体，形不成有序的温度分层，从而难以建立起强势的温差对流循环运行机制，导致整个系统的热交换处于被阻隔、滞留和延误交换的混沌状态。众所周知，高温流体长时间地被滞留在通道内，必然会造成更多更大的辐射热损。