张义胜 肖荣宝 董雷 李雷 李素云

摘要：传统太阳能集热器中由于没有设置排水垢装置和排空装置，所以清除水垢费时、费力且容易损坏集热管。若集热管内的水排不掉，在寒冷天气容易造成管体内的水冻结，损坏集热管。为此，设计一种集热管两端反方向安装太阳能集热器，并介绍新型集热器的结构、安装程序及工作原理。该太阳能集热器避免了人工清理水垢的麻烦，省时省力，提高了集热效率，且底部水垢可随时排出，避免了水桶和集热管冻裂现象的發生。

关键词：太阳能集热器；水垢；太阳能集热管；排垢；排空

中图分类号：TK513   文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2023）06-0041-03

“双碳”目标下，可循环利用的新能源取代传统能源已是不可逆转的大趋势[1]。面对全球资源匮乏危机，太阳能作为一种可再生能源，能够有效缓解和改善能源危机[2]。作为清洁能源的代表，太阳能以其清洁无污染、产量取用无尽等优点，成为目前最理想的能源[3]。其中，太阳能热水器是一种常见的太阳能热利用方式[4]。自来水或地下水在60 ℃及以上温度时容易产生以钠镁离子为主要成分的沉积物，这种沉积物就是“水垢”[5-6]。在使用过程中，太阳能集热器内部会产生大量水垢等有害沉淀物，其会沉淀于全玻璃热管真空太阳集热管内壁或依附于储水桶内壁上[7]，从而成为最大的污染源，不仅会降低水的质量[8]，还会降低集热管的集热效率。现有太阳能集热器除水垢的唯一办法，就是拆卸太阳能集热管，再将水垢倒掉，但这需要维修人员爬至楼顶，不仅费时、费力，而且容易损坏集热管。如遇上寒冷天气，集热管内的水排不掉，还容易造成管体内的水冻结，损坏集热管。对此，设计一种集热管反方向安装太阳能集热器，即可在室内轻松解决集热器排垢排空的问题。

1 结构

1.1 传统结构

传统的太阳能集热器由排气口、保温层外壳、保温层、储水桶、硅胶密封圈、防尘圈、太阳能集热管、热管托架、机架、进出水口等组成，如图1所示。

进出水口在储水桶的下面。太阳能集热管一端是密封的，时间一长，集热管内会存有大量水垢，严重影响集热效率。要想清除水垢，只有拆卸掉集热管这一处理方法。然而，硅胶密封圈的安装十分费劲，且容易损坏集热管。此外，天气寒冷时，由于集热管下端是密封的，会导致排水不干净，集热管易冻裂。

1.2 改进结构

针对存在的问题，设计一种集热管两端反方向安装太阳能集热器，如图2所示。

集热器由排气口、保温层外壳、保温层、主水箱、硅胶密封圈、防尘圈、进出水口、副水箱、硅胶密封圈、机架、集热管、集热管进排水管、主水箱进出水口等组成。其结构特点是将集热管的两端反方向安装，即将集热管的密封端朝上安装，而集热管的下端集热管托架改为一个容积很小的副水箱。该水箱的作用是将集热管的下端开口并联起来，使进出水口在副水箱的底部，这样一来，进出水就能全部通过该副水箱，而在

使用过程中产生的水垢也会集中在副水箱的底部，随用随可清除水垢，而不用到楼顶拆卸集热管才能除垢。遇到寒冷天气，在室内就能排水彻底，可避免水桶和集热管发生冻裂。

如图3所示，副水箱与集热管的联接结构由太阳能集热管、防尘圈、硅胶密封圈、副水箱、保温层、保温层外壳、进出水口、集热管进出排水管等组成。

如图4所示，集热管进出排水管结构由硅胶直管、集热管进排水管、三通、接头、总进排水管等组成。安装在集热管内部的硅胶进排水管，其顶部加工成尖型，目的是防止管的端部与集热管接触以发生堵塞现象。

2 安装程序

首先将副水箱固定在机架的下部，然后将硅胶密封圈装入副水箱的各个孔内。进出水口拧紧在副水箱下部的螺孔内，之后安装固定好集热管进排水管。将主水箱固定在机架上部，然后将硅胶密封圈装入主水箱的各个孔内。排气口拧紧在主水箱上部的螺孔内。将上下两个防尘圈分别对称套在太阳能集热管的外圆上。安装太阳能集热管时，首先将集热管插入上端的主水箱各个内孔，可适当多插入一段，然后将集热管的下端对准副水箱的内孔，一边向外抽动集热管，一边将集热管的下端插入副水箱的内孔。集热管安装到位后，将上下两个防尘圈分别插入相应的孔内。注意集热管要与上下硅胶密封圈配合好，调整好安装角度，使之密封完好，以防止硅胶密封圈脱落，影响密封性能。集热管的下端，不能插到副水箱的底部，否则，集热管的下端会被堵死，使该集热管内的水不能流动。将总进排水管的下端连接在副水箱的接头出口处，上端连接在主水箱的进出水口上。固定好机架，使进出水口与自来水连接。至此，太阳能集热器便安装完毕，可开始使用。

3 工作原理

由于集热管的上下端改为反向安装，集热管下端的托架改为一个容积很小的副水箱，该副水箱将集热管的下端敞口并联起来，使进出水全部通过该副水箱，而产生的水垢则集中在副水箱的底部。太阳能集热器在使用时，水垢随时排除，而不用拆卸集热管来除垢。

集热器上水时，水从集热管的开口端向上流动，集热管满水后，水流通过硅胶进排水管顶部的开口进入，之后该水流依次通过集热管进排水管、硅胶直管、三通、接头、总进排水管，最终进入主水箱。

使用集热器时，首先使用副水箱内部的热水，待副水箱内部的热水使用部分后，主水箱内部的热水依次通过总进排水管、接头、三通、硅胶直管、集热管进排水管再流入集热管，然后流入副水箱内部来补充副水箱内部的缺水空间。当主副水箱的水使用完毕，水垢就完全排除。

如遇上寒冷天气，可将集热管内的水全部排空，以避免储水桶和集热管冻裂。

4 结论

该太阳能集热器避免了人工爬至楼顶清理水垢的麻烦，不易损坏集热管，省时、省力，大幅提高了集热管的集热效率。在使用太阳能集热器的同时，集热管底部的水垢可随时排出。天气寒冷时，可将集热管内的水全部排空，避免了水桶和集热管冻裂现象的发生。该研究结果可为太阳能集热器的研发提供理论参考和技术支撑。

参考文献

[1] 孟醒.太阳能利用的新方向[J].中国工业和信息化，2022（4）：22-27.

[2] 张二保.高热流密度下直接蒸汽集热管性能研究[D].兰州：兰州交通大学，2019.

[3] 李旋.内插流道太阳能真空集热管热效率提升研究[D].石家庄：河北科技大学，2021.

[4] 刘志东.太阳能槽式集热器性能的影响因素数值模拟研究[D].北京：华北电力大学，2021.

[5] 刘洪绪.太阳能热水器水垢的危害及解决办法[J].太阳能，2010（8）：61-64.

[6] 刘洪绪，李小芬.太阳能热水器水垢的解决办法[J].现代家电，2010（11）：65-66.

[7] GB/T 26975-2011， 全玻璃热管真空太阳集热管[S].

[8] 梁笃荣.水垢对太阳能热水系统的危害及解决措施[J].太阳能，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：张义胜（1962—），男，正高级工程师，从事粮食种植及收获机械方面的研究。