集熱管反方向安裝太陽能集熱器設計研究

張義勝 肖榮寶 董雷 李雷 李素云

摘要：傳統太陽能集熱器中由于沒有設置排水垢裝置和排空裝置，所以清除水垢費時、費力且容易損壞集熱管。若集熱管內的水排不掉，在寒冷天氣容易造成管體內的水凍結，損壞集熱管。為此，設計一種集熱管兩端反方向安裝太陽能集熱器，并介紹新型集熱器的結構、安裝程序及工作原理。該太陽能集熱器避免了人工清理水垢的麻煩，省時省力，提高了集熱效率，且底部水垢可隨時排出，避免了水桶和集熱管凍裂現象的發生。

關鍵詞：太陽能集熱器；水垢；太陽能集熱管；排垢；排空

中圖分類號：TK513? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2023）06-0041-03

“雙碳”目標下，可循環利用的新能源取代傳統能源已是不可逆轉的大趨勢[1]。面對全球資源匱乏危機，太陽能作為一種可再生能源，能夠有效緩解和改善能源危機[2]。作為清潔能源的代表，太陽能以其清潔無污染、產量取用無盡等優點，成為目前最理想的能源[3]。其中，太陽能熱水器是一種常見的太陽能熱利用方式[4]。自來水或地下水在60 ℃及以上溫度時容易產生以鈉鎂離子為主要成分的沉積物，這種沉積物就是“水垢”[5-6]。在使用過程中，太陽能集熱器內部會產生大量水垢等有害沉淀物，其會沉淀于全玻璃熱管真空太陽集熱管內壁或依附于儲水桶內壁上[7]，從而成為最大的污染源，不僅會降低水的質量[8]，還會降低集熱管的集熱效率。現有太陽能集熱器除水垢的唯一辦法，就是拆卸太陽能集熱管，再將水垢倒掉，但這需要維修人員爬至樓頂，不僅費時、費力，而且容易損壞集熱管。如遇上寒冷天氣，集熱管內的水排不掉，還容易造成管體內的水凍結，損壞集熱管。對此，設計一種集熱管反方向安裝太陽能集熱器，即可在室內輕松解決集熱器排垢排空的問題。

1 結構

1.1 傳統結構

傳統的太陽能集熱器由排氣口、保溫層外殼、保溫層、儲水桶、硅膠密封圈、防塵圈、太陽能集熱管、熱管托架、機架、進出水口等組成，如圖1所示。

進出水口在儲水桶的下面。太陽能集熱管一端是密封的，時間一長，集熱管內會存有大量水垢，嚴重影響集熱效率。要想清除水垢，只有拆卸掉集熱管這一處理方法。然而，硅膠密封圈的安裝十分費勁，且容易損壞集熱管。此外，天氣寒冷時，由于集熱管下端是密封的，會導致排水不干凈，集熱管易凍裂。

1.2 改進結構

針對存在的問題，設計一種集熱管兩端反方向安裝太陽能集熱器，如圖2所示。

集熱器由排氣口、保溫層外殼、保溫層、主水箱、硅膠密封圈、防塵圈、進出水口、副水箱、硅膠密封圈、機架、集熱管、集熱管進排水管、主水箱進出水口等組成。其結構特點是將集熱管的兩端反方向安裝，即將集熱管的密封端朝上安裝，而集熱管的下端集熱管托架改為一個容積很小的副水箱。該水箱的作用是將集熱管的下端開口并聯起來，使進出水口在副水箱的底部，這樣一來，進出水就能全部通過該副水箱，而在

使用過程中產生的水垢也會集中在副水箱的底部，隨用隨可清除水垢，而不用到樓頂拆卸集熱管才能除垢。遇到寒冷天氣，在室內就能排水徹底，可避免水桶和集熱管發生凍裂。

如圖3所示，副水箱與集熱管的聯接結構由太陽能集熱管、防塵圈、硅膠密封圈、副水箱、保溫層、保溫層外殼、進出水口、集熱管進出排水管等組成。

如圖4所示，集熱管進出排水管結構由硅膠直管、集熱管進排水管、三通、接頭、總進排水管等組成。安裝在集熱管內部的硅膠進排水管，其頂部加工成尖型，目的是防止管的端部與集熱管接觸以發生堵塞現象。

2 安裝程序

首先將副水箱固定在機架的下部，然后將硅膠密封圈裝入副水箱的各個孔內。進出水口擰緊在副水箱下部的螺孔內，之后安裝固定好集熱管進排水管。將主水箱固定在機架上部，然后將硅膠密封圈裝入主水箱的各個孔內。排氣口擰緊在主水箱上部的螺孔內。將上下兩個防塵圈分別對稱套在太陽能集熱管的外圓上。安裝太陽能集熱管時，首先將集熱管插入上端的主水箱各個內孔，可適當多插入一段，然后將集熱管的下端對準副水箱的內孔，一邊向外抽動集熱管，一邊將集熱管的下端插入副水箱的內孔。集熱管安裝到位后，將上下兩個防塵圈分別插入相應的孔內。注意集熱管要與上下硅膠密封圈配合好，調整好安裝角度，使之密封完好，以防止硅膠密封圈脫落，影響密封性能。集熱管的下端，不能插到副水箱的底部，否則，集熱管的下端會被堵死，使該集熱管內的水不能流動。將總進排水管的下端連接在副水箱的接頭出口處，上端連接在主水箱的進出水口上。固定好機架，使進出水口與自來水連接。至此，太陽能集熱器便安裝完畢，可開始使用。

3 工作原理

由于集熱管的上下端改為反向安裝，集熱管下端的托架改為一個容積很小的副水箱，該副水箱將集熱管的下端敞口并聯起來，使進出水全部通過該副水箱，而產生的水垢則集中在副水箱的底部。太陽能集熱器在使用時，水垢隨時排除，而不用拆卸集熱管來除垢。

集熱器上水時，水從集熱管的開口端向上流動，集熱管滿水后，水流通過硅膠進排水管頂部的開口進入，之后該水流依次通過集熱管進排水管、硅膠直管、三通、接頭、總進排水管，最終進入主水箱。

使用集熱器時，首先使用副水箱內部的熱水，待副水箱內部的熱水使用部分后，主水箱內部的熱水依次通過總進排水管、接頭、三通、硅膠直管、集熱管進排水管再流入集熱管，然后流入副水箱內部來補充副水箱內部的缺水空間。當主副水箱的水使用完畢，水垢就完全排除。

如遇上寒冷天氣，可將集熱管內的水全部排空，以避免儲水桶和集熱管凍裂。

4 結論

該太陽能集熱器避免了人工爬至樓頂清理水垢的麻煩，不易損壞集熱管，省時、省力，大幅提高了集熱管的集熱效率。在使用太陽能集熱器的同時，集熱管底部的水垢可隨時排出。天氣寒冷時，可將集熱管內的水全部排空，避免了水桶和集熱管凍裂現象的發生。該研究結果可為太陽能集熱器的研發提供理論參考和技術支撐。

參考文獻

[1] 孟醒.太陽能利用的新方向[J].中國工業和信息化，2022（4）：22-27.

[2] 張二保.高熱流密度下直接蒸汽集熱管性能研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2019.

[3] 李旋.內插流道太陽能真空集熱管熱效率提升研究[D].石家莊：河北科技大學，2021.

[4] 劉志東.太陽能槽式集熱器性能的影響因素數值模擬研究[D].北京：華北電力大學，2021.

[5] 劉洪緒.太陽能熱水器水垢的危害及解決辦法[J].太陽能，2010（8）：61-64.

[6] 劉洪緒，李小芬.太陽能熱水器水垢的解決辦法[J].現代家電，2010（11）：65-66.

[7] GB/T 26975-2011， 全玻璃熱管真空太陽集熱管[S].

[8] 梁篤榮.水垢對太陽能熱水系統的危害及解決措施[J].太陽能，2015（3）：69-72.

Design and Research of Solar Collector Installed in Reverse Direction of Collector Tube

ZHANG Yisheng1， XIAO Rongbao1， DONG Lei2， LI Lei3， LI Suyun4

（1.Zibo City Institute of Agricultural Mechanization， Zibo Shandong 255086， China; 2. Boshan District Second Vocational Secondary Professional School， Zibo Shandong 255000， China; 3. Zibo Yuanshan Forest Farm ， Zibo Shandong 255000， China; 4. Zhangdian District Pannan Primary School， Zibo Shandong 255000， China）

Abstract：? Because there is no scaling device and emptying device in the traditional solar collector， the scaling removal is time-consuming， laborious and easy to damage the collector tube. If the water in the collector tube can not be drained， which is easy to cause the water in the tube body to freeze in cold weather and damage the collector tube. Therefore， a kind of solar collector is designed to be installed in the opposite direction at both ends of the collector tube. This paper introduces the structure， installation procedure and working principle of the new collector. The solar collector avoids the trouble of cleaning the scale manually， saves time and effort， improves the heat collection efficiency， and the scale at the bottom can be discharged at any time， avoiding the occurrence of freezing cracking phenomenon of bucket and collector tube.

Key words： solar collector; scale; solar collector tube; scale removal; emptying

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：張義勝（1962—），男，正高級工程師，從事糧食種植及收獲機械方面的研究。