基本信息
- 项目名称：
- 集热管可调式太阳能热水器的研究与开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 此种集热管可调的太阳能热水器，可以通过调控架调控集热管的转动，进而调节集热管的采光面积，使得这种热水器适合安装在阳台以及窗户的外墙面上，这就使它还具有了防盗窗以及在夏季降低室内温度的功能。该热水器包括：储水箱、集热管、支架及调控架组成。储水箱可以固定在外墙壁上，集热管与其相连，支架用来支撑集热管。集热管的形状为板状，并且可以相对储水箱和支架转动，调控架和集热管相连，可以带动集热管转动。
- 详细介绍：
- 2.设计原理 太阳能热水器的原理是通过真空管收太阳收集太阳光发出的热量,把水加热。太阳能是辐射能量，真空管是内表面涂有吸收辐射的涂层，管中有传热效果良好的金属（铜）通过热传导传至水箱，在水箱中有换热器，通过换热加温凉水，水通过对流在进行热交换[2]，如此循环这一箱水就热了。如图3所示，当该热水器安装之后，集热管呈垂直状态，理论上将更利于这种循环，从而使加热效果更好。由于真空管是两层且真空的，又使得热量不易散发到外面，这样就实现了保温功能。 图3 热水器整体结构示意图 2.1可调式集热管 201：通水孔 202：上端接口 203：集热管 204：下端接口 205集热管横截面 图4 集热管的结构示意图 集热管是系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，利用冷水下降，热水上升的原理。 如图4所示，集热管的截面呈板状，上端与保温水箱相连，接口处的设计见图中202，可实现板状集热管的转动。下端与调控架相连，用专门的连接件，如图中205所示的结构。调控架可根据需要设计成自动和手动，通过操作调控架，就可以改变集热管的受热面积，也使室内光线得到了调节。 2.2副水箱与管路系统 1 副水箱开关 2恒温阀 3三向接头 4保温水箱开关 6 水源开关 图5 管路系统示意图 由于保温水箱的水温可达70℃—90℃，设置副水箱就可以任意调节所需温度，副水箱可置于室内，副水箱的容积应与保温水箱的容积相当，副水箱的材质要耐腐蚀，保证使用寿命和水质的清洁。 管路系统如图5所示，开关1打开，调节恒温阀2，即可正常使用淋浴喷头，开关1打开，同时关闭开关4和开关7，打开水源，就可以向副水箱供水，同样的道理，开关4打开，同时关闭开关1和开关7，打开水源，就可以向保温水箱供水。管道必须有很高的质量，同时热水管道必须做保温处理。 3.具体实施方式与可行性分析 3.1具体实施方式 1：储水箱 2：集热管 3：调控架 4：支架 图6整体结构示意图 301：拖动爪 302：导杆 303：手柄 401：204的安装孔 图7集热管转动控制装置示意图 结合图5、图6、图7，一种集热管可调的太阳能热水器，其包括：储水箱1、集热管2、调控架3及支架4组成。储水箱1可以固定在外墙壁上，集热管2与其相连，支架4用来支撑集热管2。集热管2的横截面205为板状，通过上端接口202与储水箱1相连，通过下端接口204与支架4相连，与储水箱1相连的一端有通水孔201，并且可以相对储水箱1和支架4转动。调控架3和集热管2相连，调控手柄303与导杆302相连，拖动爪301固连在导杆302上，可以带动集热管2转动。支架4上有供安装下端接口204的安装孔401。 使用这种集热管可调的太阳能热水器，在家中无人或不需要太多光照时，可以通过调控手柄303调节集热管2的转角，使其大面203面向阳光，太阳光都照射到集热管2的面板上；当家中有人时，通过调控手柄303调节集热管2的转角，使其棱边向阳光，太阳光可以通过集热管2间的间隙照进室内。 3.2可行性分析 3.2.1升温效果 保温水箱初步设计为80L，可装水的质量大约80kg。为初始水温为15℃，保温水箱可达到70℃，则保温水箱里的水升至所需温度所需要的热量Q1为： Q_1=C_0 M(t_2-t_1 )=4.2×103×80×55=1.85×107J 式中: C_0—水的比热容，取4.2×103J/(㎏×℃)； M—水的质量； t_1—初始水温； t_1—所需水温。 由上式可知，保温水箱里的水升至所需温度所需要的热量为1.85×107J，按照平均日照情况，集热管设计每小时可提供热量2.8×106J，则水温升至70℃，需要6～7个小时，合乎用户需求。 3.2.2喷头水压 我们初步设计输水管直径为25mm,喷头管的直径为20mm，压力根据伯努利方程： z_1+P_1/ρg+α_(1 ) (v_1^2)/2g=z_2+P_2/ρg+α_(2 ) (v_2^2)/2g+h_f （1） 式中：z1为水箱内水位高度，取3m； z2为喷头高度，取1.7m； P1、P2分别为水箱内的压力和喷头水压； α1、α2为修正系数。 设计管中流量0.3L/s，为由式Q= 1/4 πd^2 v可得，输水管中的水流速度v1为0.6115m/s，喷头管中的水流速度为v2为0.9554 m/s。 〖 h〗_f=（λ_1 l_1/d_1 +ξ_1+ξ_2+ξ_3+ξ_4 ） (v_1^2)/2g+λ_2 l_2/d_2 (v_2^2)/2g （2） 〖 λ〗_1=64/R_e （3） 〖 R〗_e=vl/ν （4） 式中：ξ_1、ξ_2为输水管的局部阻力系数，取0.5； ξ_3为三向接头的局部阻力系数，取0.1； ξ_4为恒温阀的局部阻力系数，取3； 〖 R〗_e为雷诺数； ν为水的粘度系数，取5.49×10-6。 由式（2）（3）（4）可计算得出总的阻力h_f为0.1608，带入（1）式的喷头水压大约为1.08kPa，由此可以得出，经过合理的安装，可以满足合适的淋浴用水的压力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：该项目的目的是提供一种集热管可调的太阳能热水器，该太阳能热水器可以调节集热管的采光面积，因而它能控制通过集热管的光的强度，因此他适合挂在阳台、以及向阳窗户的外墙壁上，这又使它具有了防盗窗以及在夏季降低室内温度的功能。 基本思路：集热管可调式分体太阳能热水器由储水箱、集热管、支架及调控架组成。储水箱可以固定在阳台、以及向阳窗户的外墙壁上，集热管与其相连，支架用来支撑集热管，支架也固定在墙壁上。集热管的形状为板状，并且可以相对储水箱和支架转动。调控架和集热管相连，可以带动集热管转动。，这样就能通过调节集热管改变集热管的采光面积，并控制通过集热管的光的强度。 创新点： 1、此种太阳能热水器，在原有太阳能热水器的基础上增加调节集热管的结构，具有可以调节通过集热管的光的强度的功能，因此可以在家中无人时将集热管展开，需要光时将集热管收起，这样热水器在提供热水的同时还起到窗帘的作用。 2、这种太阳能热水器可以安装在阳台、以及向阳窗户的外墙壁上，在一定程度上解决了楼顶采光面积不足以及高层建筑安装太阳能热水器不方便的问题。 3、这种太阳能热水器其机构及安装位置又决定它还具有防盗以及在夏季降低室内温度的功能。 技术关键： 集热管的制造以及安全可靠性，太阳能热水器的安装（包括保温水箱与板状集热管的连接、转动控制装置的安装、副水箱的固定等），管道系统的优化。
科学性、先进性
- 科学性:通过集热管收集太阳光发出的热量，把水加热，利用热水上升、冷水下降的原理，使热水不断流往保温水箱。集热管为板状，通过转动可改变集热管的采光面积；集热管是黑的,有利于吸收太阳光的辐射热；集热管是两层且真空的，又使得热量不易散发到外面。 先进性:把保温水箱置于室内，集热管悬挂于窗外，充分利用室内空间，可通过集热管的调节，改变集热管的采光面积，并随之调节了室内光线，适用于高层建筑，克服了普通热水器在高层建筑应用的局限性。
获奖情况及鉴定结果
- 暂无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- ppt,图纸，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术进步情况：目前关于太阳能热水器的研究日趋成熟，有普通式太阳能热水器分体式热水器承压式太阳能热水器，但是还没有可以调节集热管的太阳能热水器，因此集热管可调式分体太阳能热水器将具有较好的市场前景。 优势:把保温水箱置于室内，集热管悬挂于窗外，充分利用室内空间，可通过集热管的调节，改变集热管的采光面积，并随之调节了室内光线，适用于高层建筑，克服了普通热水器在高层建筑应用的局限性。 适应范围和推广前景： 该项目是把保温水箱置于室内，集热管悬挂于窗外，充分利用室内空间，并且可通过集热管调节室内光线。这种热水器适合安装在阳台以及窗户的外墙面上，这就使它还具有了防盗窗以及在夏季降低室内温度的功能。 另外，热水器的设计符合国家对“绿色节能建筑”的政策要求，是房地产商理想的配套产品，将成为城市节能建筑不可或缺的技术，为家庭和商务生活提供舒适的生活形态。
同类课题研究水平概述
- 该项目的目的是提供一种集热管可调的悬挂式太阳能热水器。随着国内住房的日趋紧张，高层楼房的不断增多，居民选用的热水器多为电热水器和燃气热水器，造成严重的能源浪费，即便使用太阳能热水器，也只能是将热水器置于天台，不仅占用天台空间，而且供水系统复杂，维修不便。集热管可调式分体太阳能热水器就是为了解决上述问题而设计的，设计思想是把保温水箱置于室内，集热管悬挂于窗外，充分利用室内空间，可通过集热管的调节，改变集热管的采光面积，并随之调节了室内光线。 国内外关于太阳能热水器的研究有很多，分体太阳能热水器和壁挂式太阳能热水器也有较大的发展，但是通过设计合理集热管结构来改变集热管采光面积和室内光线的方法还没有人深入研究。另外，该项目没有将集热装置与保温水箱分开，增加了产品的可靠性。因此，该项目将具有较好的推广前景。
