精品无码三级在线观看视频,国产成人久久AV免费,够了够了已经满到高c了多人网站,bbbbbxxxxx欧美性

摘要：家用太陽能熱水系統(tǒng)以其低廉的運(yùn)行成本為廣大用戶所接受，目前在我國已形成近3000萬平方米集熱器的年產(chǎn)量。家用太陽能熱水系統(tǒng)防凍脹方案的開發(fā)，可大大拓展其使用的地域范圍。本文通過對國內(nèi)、國外形成商業(yè)化的幾種常見防凍脹方案進(jìn)行分類回顧，重點(diǎn)介紹了主動式防凍脹方案、被動式防凍脹方案，及幾種具有抗凍脹功能的結(jié)構(gòu)形式。認(rèn)為主動式防凍脹方案存在導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降、成本升高、且在斷電時，可能會出現(xiàn)失效等問題，因此并不適合我國國情；目前存在的一些被動式防凍脹方案和抗凍脹結(jié)構(gòu)，也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高等缺點(diǎn)，在小型熱水系統(tǒng)中使用尚可，但不適用于大型熱水工程。本文詳細(xì)介紹了熱管防凍脹技術(shù)目前的發(fā)展?fàn)顩r，指出熱管防凍脹技術(shù)是一種被動式、高可靠性、高效的方案，既適合小型熱水裝置、也適合大型熱水工程使用，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 太陽能熱水系統(tǒng)；防凍脹；熱管
0.介紹
太陽能熱水器行業(yè)作為我國重要的綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，具有四大發(fā)展優(yōu)勢：我國擁有豐富的太陽能資源、擁有獨(dú)立自主的自主知識產(chǎn)權(quán)、廣闊的市場空間以及國家大力的政策支持，因此近年來取得了快速的發(fā)展。目前太陽能熱水器企業(yè)數(shù)量達(dá)到近4000家，經(jīng)銷商大約有10萬家，行業(yè)從業(yè)人數(shù)達(dá)到了250萬人。
目前太陽能熱水裝置使用相對比較集中的多為我國中部和南方地區(qū)，而北方大部分地區(qū)，特別是日光資源非常豐富的西北地區(qū)，太陽能熱水裝置使用情況并不理想。其原因是多種多樣的，單從技術(shù)角度分析，防凍問題是阻礙太陽能熱水裝置進(jìn)入北方市場的重要原因之一。
由于太陽能裝置有部分流道在室外，在北方使用可能發(fā)生冰凍現(xiàn)象。如果陽光充足，這種現(xiàn)象在冬季也不會發(fā)生，但連續(xù)雨雪天氣或集熱器表面被積雪遮蔽，則可能發(fā)生冰凍現(xiàn)象。一旦發(fā)生冰凍現(xiàn)象，熱水器的表面和水箱結(jié)構(gòu)則可能受到較大損傷，導(dǎo)致系統(tǒng)失效。因此家用太陽能熱水系統(tǒng)向北方市場挺進(jìn)，防凍脹問題是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)[2]。
本文將分別介紹四類太陽能熱水系統(tǒng)防凍脹系統(tǒng)：主動式防凍脹方案、具有防凍能力的結(jié)構(gòu)、被動式防凍脹結(jié)構(gòu)和熱管防凍脹方案。
1.主動式防凍脹方案
所謂主動防凍脹方案是當(dāng)發(fā)生凍脹或可能發(fā)生凍脹時，需要傳感器、電磁式水泵等控制機(jī)構(gòu)或人工干預(yù)的裝置，控制系統(tǒng)。
1.1.輔助加熱
輔助加熱技術(shù)是最常見的防凍技術(shù)。該方案的思路是：在可能發(fā)生凍脹的位置布置電加熱帶，當(dāng)溫度低于某設(shè)定值時，開啟電加熱帶，保持內(nèi)部水溫不發(fā)生凍結(jié)。該方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。但與其它輔助熱源的防凍脹方案 類似，仍存在一定的缺點(diǎn)。如遇到暴雪成災(zāi)，電力供應(yīng)發(fā)生局部斷路時，防凍裝置將無法工作。另外，電加熱帶一般只是在局部布置，如遇高寒天氣，集熱器可能發(fā)生整體凍結(jié)，則無法很好的達(dá)到防凍的效果。因此該方法一般適用于冬季的冰凍天氣不多的地區(qū)，而在高寒地區(qū)，則成本和效果均不佳。
1.2.二次回路系統(tǒng)
二次回路系統(tǒng)防止太陽能熱水器發(fā)生凍脹的方案思路是：將放置在室外工作的介質(zhì)由具有防凍能力的介質(zhì)替換，而系統(tǒng)中使用的水僅在室內(nèi)循環(huán)兩相之間通過。換熱器進(jìn)行熱量交換，如圖1所示。其工作機(jī)理為：在集熱器的回路中，熱載體一般采用乙二醇、丙二醇或其它具有防凍功能的工作載體，當(dāng)集熱器中溫度與換熱器中溫度之差達(dá)到一定值時，泵啟動，將熱量不斷傳遞到換熱器。換熱器的結(jié)構(gòu)可能是盤管式、板式等。換熱器的另一側(cè)介質(zhì)為使用的水。通過換熱器的不斷熱交換，水被加熱。該方案中，室外工作的防凍載體與室內(nèi)使用的熱水通過換熱器分開，不會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，且系統(tǒng)可靠，即使斷電，也不會損壞集熱器，因此得到廣泛的使用。


圖1 二次回路系統(tǒng)示意圖
但二次回路系統(tǒng)也存在著明顯的不足，主要表現(xiàn)在成本和效率方面。由于增加了二次循環(huán)換熱過程，集熱器的溫度升高，系統(tǒng)散熱增加，熱交換器的流體傳熱熱阻增大，直接導(dǎo)致系統(tǒng)熱效率下降，及系統(tǒng)投資成本增加。另外由于二次回路系統(tǒng)中集熱器在較高的溫度下運(yùn)行，對于一些對溫度敏感的集熱器形式，還會影響其使用壽命。
1.3.排空方案：
排空方案（drain back）是目前比較流行的防凍脹方案。該方案的思路是：當(dāng)集熱器的溫度低于某一設(shè)定值時，通過控制器控制電磁閥，將集熱器中的水排到一個膨脹桶中，使集熱器在低溫工況下無水可凍，達(dá)到防凍脹的效果。該系統(tǒng)在設(shè)計時，為了防止斷電造成控制失靈，一般具有斷電自動排空功能，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生斷電時，無論集熱器的溫度是多少，自動將集熱器中水排空，以避免發(fā)生斷電期間凍傷集熱器。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 排空系統(tǒng)示意圖
另外，Joseph R. Frissora提出了一種針對全玻璃真空管式太陽能集熱系統(tǒng)的防凍脹結(jié)構(gòu)，對于在我國使用全玻璃真空管集熱器來說是一種可以考慮的方案。該方案提出了一種可以完全排空的玻璃真空管式家用太陽能系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)的全玻璃真空管開口朝下，回水內(nèi)置一根一定直徑的管，形成套管式換熱器的結(jié)構(gòu)。水由外層進(jìn)入集熱器，由內(nèi)管回流。內(nèi)管應(yīng)足夠粗，以確保集熱器中水進(jìn)入內(nèi)管的方式為溢流。集熱器上部應(yīng)置有一定量空氣或惰性氣體，作為緩沖，以免水壓波動對集熱器造成損害，當(dāng)出現(xiàn)冰凍時，可以通過進(jìn)水管將水排干，達(dá)到防凍的效果。該防凍方案屬于主動防凍系統(tǒng)，需要一些輔助設(shè)備，增加了系統(tǒng)的設(shè)備投資[26]。

圖3 全玻璃真空管式排空方案
2.幾種抗凍脹結(jié)構(gòu)
所謂抗凍脹結(jié)構(gòu)是指并不能完全避免凍脹事故的發(fā)生，而是能夠延緩凍脹發(fā)生或減少凍脹事故造成損失的結(jié)構(gòu)，不像具有防凍脹功能的方案，具有在可能達(dá)到的低溫環(huán)境中經(jīng)過足夠長時間，溫度升高后而性能不變的特性。因此本文將其單列一節(jié)，名為抗凍脹結(jié)構(gòu)。
2.1.全玻璃真空管集熱器
全玻璃真空管集熱器本身具有防凍的效果，這是由于雙層玻璃管及其內(nèi)層的選擇性吸收涂層均具有良好的導(dǎo)溫效果，一旦出現(xiàn)連續(xù)無日照的冰凍天氣，內(nèi)部熱量向外散失很慢，可以在一定的時間內(nèi)不結(jié)冰，但由于水箱和集熱器連接位置及水箱本身的保溫效果等因素的影響，該結(jié)構(gòu)的防凍性能可靠性值得懷疑，只能說該結(jié)構(gòu)可以抵抗一定的低溫天氣，不能說該結(jié)構(gòu)具有防凍功能。盡管有研究結(jié)果表明，全玻璃真空管集熱器可以在-78℃環(huán)境中經(jīng)受120小時而不受到損傷，但在該試驗中，集熱器的接頭部分并未受到低溫環(huán)境的考驗，而僅僅是將部分集熱管放入干冰中，其結(jié)論的工程價值值得進(jìn)一步研究。另外，該結(jié)構(gòu)是由玻璃構(gòu)成，玻璃是典型的脆性材料，系統(tǒng)可靠性不高，不利于長期穩(wěn)定的運(yùn)行。
2.2.緊湊式集熱器
William J Larkin提供了一種緊湊結(jié)構(gòu)的太陽能熱水裝置，其將集熱器、流道和水箱集成在一個楔形體內(nèi)，通過管線的連通，實現(xiàn)換熱，如圖4所示。當(dāng)環(huán)境溫度降低到冰點(diǎn)以下，且無日光照射時，水箱內(nèi)的熱水可以通過傳導(dǎo)和輻射等方式加熱其上部的集熱器，使其具有一定的防凍功能，該裝置可以說具有防凍能力，但不能說具有防凍功能。
2.3.壁面加強(qiáng)形抗凍脹結(jié)構(gòu)
Peter D Reed提供了一種可以在一定程度上防凍裂事故發(fā)生的太陽能集熱器形式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在集熱器的下半邊加了一個保護(hù)槽，可以在管內(nèi)水發(fā)生凍脹時，加強(qiáng)傳熱管強(qiáng)度，延續(xù)其發(fā)生凍脹的時間。在集熱管處（集熱管的蛇管），增加膨脹管，膨脹管端部布置有保護(hù)帽，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到一定程度時，保護(hù)帽可被自動頂開，保護(hù)集熱器不被凍脹破壞。

圖4 一種緊湊式集熱器
3.被動式防凍脹方案
被動防凍脹方案無需外界介入，而利用自然結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，全天候運(yùn)行或者由環(huán)境因素觸發(fā)，完成防凍功能。被動系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠而受到人們的關(guān)注。本文集中選取相對比較成熟，實踐證明可靠的被動式防凍脹方案，加以介紹。
3.1.彈性集熱管方案
對于平板集熱器，水由連箱管分配到7-8毫米的吸熱管，吸熱管一般為壁厚不超過0.5毫米的銅管構(gòu)成，太陽輻射到與吸熱管直接連接的吸熱片（翅片）上，通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞到吸熱管的水中。熱彈性集熱器的連箱吸熱管均采用彈性更好的材料，可以在內(nèi)部的水發(fā)生凍結(jié)、體積膨脹時，通過自身的彈性形變將這部分膨脹量消除。當(dāng)溫度升高水融化后，在彈性的作用下，可以完全恢復(fù)原來的形狀。這種方案的一個缺點(diǎn)是，一般熱彈性材料的導(dǎo)熱系數(shù)不高，無法像銅材那樣完成熱傳導(dǎo)任務(wù)。另外，一些計算的標(biāo)準(zhǔn)、計算程序不再適用。如何從材料和結(jié)構(gòu)角度解決防凍問題，成為大量商業(yè)推廣的關(guān)鍵。
3.2.三季運(yùn)行方案
另一個被動式防凍脹的方案是在冬季的時候，將家用太陽能熱水器的水放掉，停止使用，即所謂的三季運(yùn)行。與常年運(yùn)行系統(tǒng)相比，有兩點(diǎn)需要注意，首先，三季運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計方案和優(yōu)化方案將調(diào)整。原來的最佳角度系統(tǒng)功率匹配，設(shè)計過程均考慮了冬季運(yùn)行的情況。而三季運(yùn)行系統(tǒng)主要是在春、夏、秋三季運(yùn)行，太陽能熱系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化、設(shè)計，不考慮冬季效率，而將三季效率提高，以獲得更好的使用效果。其次冬季的太陽入射能量沒有水帶走，如果持續(xù)晴朗的天氣，可能導(dǎo)致系統(tǒng)溫度較高，影響吸熱面壽命。但三季運(yùn)行系統(tǒng)可以省略一次回路循環(huán)，直接加熱使用水，因此春、夏、秋三季的運(yùn)行效率會高于二次回路系統(tǒng)，且由于減少了一個系統(tǒng)，熱水裝置的成本也大大下降。從設(shè)計角度來看，三季運(yùn)行系統(tǒng)在一些地區(qū)還具有良好的效率和經(jīng)濟(jì)效果，特別是在中低緯度地區(qū)，如沿海地區(qū)（指東南沿海地區(qū)）效率可能會比較高，但在高緯度或山區(qū)效果不太明顯。由于該方案系統(tǒng)在冬季不運(yùn)行，因此年平均效率降低，其總效率和性能價格比與二次回路相比是否占優(yōu)，需根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件而定。
3.3.被動防凍閥
Charles J Cromer提出了一種閥結(jié)構(gòu)，如圖5所示，結(jié)構(gòu)中內(nèi)置一個膨脹球，膨脹球內(nèi)液體隨著溫度變化體積壓縮或膨脹，實現(xiàn)控制閥門開啟的功能。該形式的閥門可用在太陽能熱水器的防凍裝置和傳動裝置上，具有無需電能、被動操作的優(yōu)點(diǎn)。

圖 5 被動防凍閥
4.熱管防凍脹技術(shù)
4.1.介紹
熱管是一種高效的被動傳熱元件，在航空、航天、電子、熱控制、工業(yè)節(jié)能等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。
近廿年，隨著能源緊張和節(jié)能要求的不斷提高，熱管在家用太陽能熱水器中的使用越來越受到重視，融合熱管技術(shù)的家用太陽能熱水器系統(tǒng)在近十年內(nèi)逐漸興起。熱管式家用太陽能熱水器較之普通型熱水器，具有可靠性高，熱利用充分，能量利用合理等優(yōu)勢，在歐美國家為用戶普遍接受，在我國市場份額也逐漸提高。熱管式太陽能熱水器的基本原理如圖6所示。

圖6 熱管式太陽能熱水裝置示意圖
4.2.熱管凍脹過程分析
由于太陽能熱水裝置中集熱部分，即熱管所在位置，在室外使用，如果在高緯度或高原地區(qū)，冬季連續(xù)無光照天氣，集熱器溫度可能會低于0℃，因此熱管本身會發(fā)生凍脹。
熱管發(fā)生凍脹，同樣也可能使熱管殼體發(fā)生破裂，導(dǎo)致熱管失效。如果熱管具有防凍脹功能，不僅可以確保自身的使用安全，也可以有效保護(hù)熱水裝置的整體安全?？梢哉J(rèn)為采用防凍脹熱管的民用太陽能熱水系統(tǒng)，即為防凍型太陽能熱水系統(tǒng)。其不僅解決了熱管本身的凍脹問題，還開發(fā)出新型太陽能熱水裝置。
熱管的凍脹是在熱管蒸發(fā)段所處的環(huán)境溫度低于工作介質(zhì)的冰點(diǎn)時發(fā)生的，對于以水為工作介質(zhì)的熱管來說，當(dāng)熱管蒸發(fā)段所處溫度低于0℃，即有發(fā)生凍結(jié)的可能。如果發(fā)生凍結(jié)，則相變首先發(fā)生在相變核心位置或最容易發(fā)生相變的位置，出現(xiàn)小的冰晶，在過冷液體中向低溫區(qū)域生長，形成冰層。對于家用太陽能熱水器使用的銅水重力熱管來說，由于其水質(zhì)較純，熱管內(nèi)壁面處理的相對光滑（生產(chǎn)過程中為了避免不凝性氣體殘留和可能產(chǎn)生不凝性氣體的成分殘留，一般要經(jīng)過嚴(yán)格清洗工藝過程），所以從相變動力學(xué)角度分析，只有在三相交界線附近最易產(chǎn)生冰晶，并首先向徑向擴(kuò)展，形成冰蓋，將下部的水封于固定容積內(nèi)。
熱管蒸發(fā)段冰蓋下的液體繼續(xù)散熱，結(jié)冰，體積膨脹，由于液相體積已被周圍殼體和冰蓋包圍，所以膨脹過程可能引起頂部冰蓋和周圍殼體的變形。如果頂部冰殼本身的強(qiáng)度，以及冰蓋和壁面之間結(jié)合力大于殼體的強(qiáng)度，則熱管殼體首先發(fā)生變形。家用太陽能熱水裝置使用的熱管，殼體一般為無氧銅，其在0℃下強(qiáng)度較小，所以實際情況是，熱管殼體發(fā)生明顯變形。由于銅作為一種金屬材料，具有一定的彈性變形能力，只要水轉(zhuǎn)化為冰過程中的膨脹量小于管壁材料的彈性變型極限，一旦融化，則變形可以消除，如果膨脹量大于管壁材料的彈性變型極限，則發(fā)生塑性變型，即使冰融化，也不會完全恢復(fù)，造成永久形變，壁厚減薄。經(jīng)過幾次凍融循環(huán)，熱管蒸發(fā)段殼體變形處壁面不斷減薄，甚至發(fā)生破裂，從而造成熱管失效。
4.3.混合工質(zhì)型防凍脹熱管
此方案以降低工作介質(zhì)融點(diǎn)為思路，采用兩種可能降低水冰點(diǎn)的物質(zhì)：有機(jī)介質(zhì)和無機(jī)介質(zhì)。兩個方案從機(jī)理上存在較大差異。
有機(jī)混合工作介質(zhì)的方案中主要涉及甲醇、乙醇、乙二醇等有機(jī)物及其水溶液作為熱管工作介質(zhì)的性能研究和分析。試驗結(jié)果表明[46]：低凝固點(diǎn)有機(jī)工作介質(zhì)的加入對于熱管管壁的防凍裂有明顯的作用，熱管在-20oC~+40oC的溫度范圍循環(huán)60次，蒸發(fā)段液池部位的管外徑無明顯變化，說明低凝固點(diǎn)有機(jī)工作介質(zhì)可以使熱管在0oC以下不發(fā)生凍脹現(xiàn)象，但當(dāng)熱管的工作溫度超過120oC時，有機(jī)工作介質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性明顯下降，當(dāng)達(dá)到200oC時，工作20min后，性能開始下降，直至完全失效。
針對有機(jī)工作介質(zhì)高溫分解的缺點(diǎn)，其后進(jìn)行了無機(jī)鹽類添加劑工作介質(zhì)防凍脹的試驗研究，主要采用氯化鈣、重鉻酸鉀、硝酸鉀等無機(jī)鹽作為防凍添加劑，分別針對各種無機(jī)鹽在不同配比形式下的凍結(jié)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氯化鈣和重鉻酸鉀的防凍脹效果比較明顯。當(dāng)溫度降低時，無機(jī)鹽類水溶液固化形成的固體物質(zhì)為膏狀物，對壁面幾乎沒有壓力，可以實現(xiàn)太陽能熱水器熱管的防凍裂要求，并且在高溫（240oC）情況下連續(xù)工作4小時，未出現(xiàn)明顯的性能下降，工作性能穩(wěn)定，基本可以滿足太陽能熱管的要求。但其傳熱熱阻與純水作為工作介質(zhì)的熱管相比，有比較明顯的增加。盡管其傳熱性能能夠滿足家用太陽能熱水器對熱管的最低要求，但能量利用率和熱水器效率均不高。對于國外一些要求比較高的客戶，性能很難滿足。這是由于一些無機(jī)鹽在水溶液中可能導(dǎo)致混合工作介質(zhì)的表面蒸氣壓下降，從而導(dǎo)致工作介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)下降。
另外，無機(jī)混合工作介質(zhì)還存在一個比較嚴(yán)重的問題-環(huán)境相容性的問題。對于民用產(chǎn)品來說，有些無機(jī)鹽類是不允許使用的，例如重鉻酸鉀。盡管其能夠很好的滿足防凍裂、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，但一旦有少量重鉻酸鉀漏入水箱，將會對用戶造成人身傷害。因此該方案仍在進(jìn)一步的研究中。目前混合工作介質(zhì)的應(yīng)用尚未形成市場化，處于繼續(xù)研究過程中，研究重點(diǎn)是尋找一種具有環(huán)境友好性高、化學(xué)穩(wěn)定性高，且可以滿足熱管工作介質(zhì)要求的添加劑。
4.4.管壁加強(qiáng)型防凍脹熱管
前文已經(jīng)介紹過，當(dāng)熱管的液池內(nèi)工作介質(zhì)凝固膨脹時，只有當(dāng)膨脹力大于管壁材料的屈服極限時，才可能出現(xiàn)管壁的永久變形。如果膨脹力在管壁的彈性變形區(qū)內(nèi)，當(dāng)液池內(nèi)的工作介質(zhì)融化后，管壁可以回彈而不發(fā)生永久變形，也就不會出現(xiàn)多次循環(huán)而凍裂熱管的現(xiàn)象?；谠撍枷耄M(jìn)行了三種熱管管壁機(jī)械強(qiáng)度的強(qiáng)化研究：錐形管、接管和復(fù)合管。
錐形管是指在蒸發(fā)段，通過機(jī)加工方法，使其具有一定錐度，壁面厚度增加，同時相當(dāng)于對金屬管壁采取了冷作硬化措施，達(dá)到提高壁面材料強(qiáng)度的效果；接管形式是指在銅管材下方的液池位置通過焊接方式連接一根不銹鋼；復(fù)合管形式是指將液池位置的銅管通過機(jī)加工方法使其管徑縮小，在該位置增加高強(qiáng)度套管。
通過試驗發(fā)現(xiàn)三種防凍裂形式在設(shè)計合理的情況下，均可以實現(xiàn)防凍裂的效果，且經(jīng)過50次凍融循環(huán)未發(fā)現(xiàn)熱管出現(xiàn)脹裂現(xiàn)象，且熱管的傳熱性能與未加強(qiáng)熱管相比，稍有下降，但完全可以滿足太陽能熱水器使用的要求。
但管壁加強(qiáng)熱管的設(shè)計過程中，涉及比較復(fù)雜的熱應(yīng)力計算。同時該防凍方案對于機(jī)加工技術(shù)有比較特殊的要求，特別是縮管技術(shù)、脹管技術(shù)和封口技術(shù)。縮管技術(shù)是指將銅管壁通過機(jī)加工方式使其管徑縮小，以形成錐度或滿足外部套管內(nèi)徑的要求，目前常用的機(jī)加工方法獲得的錐形管，防凍脹穩(wěn)定性不高，可能存在5%-10% 的失效率；脹管技術(shù)是指鋼制套管與熱管銅管壁的縮徑部分連接時的過盈配合工藝；封口技術(shù)是指熱管下封頭的制造工藝。另外如果采用普通低碳鋼作為接管，且未經(jīng)科學(xué)的處理，會導(dǎo)致鋼-水之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在很短時間內(nèi)出現(xiàn)不凝性氣體，致使熱管失效。
因此，目前該方式的防凍脹方案在設(shè)計計算、可靠性和加工成本方面仍在進(jìn)行進(jìn)一步的探索工作。
4.5.改變結(jié)晶順序型防凍脹熱管
所謂改變結(jié)晶順序型防凍脹熱管是一項基于結(jié)晶動力學(xué)的新技術(shù)，主旨是改變熱管液池內(nèi)水結(jié)冰的結(jié)晶順序。對于一般的結(jié)晶過程來說，首先要在母相中形成新相核心，成為形核。水結(jié)冰過程是典型的在一定基底上形核的非均勻形核相變結(jié)晶過程。在固液相變的非均勻形核過程中，核心與基底之間的界面結(jié)構(gòu)和能量起到主要作用。在凝固過程中，非均相形核的原子遷移過程主要是原子吸附在基底上，表面擴(kuò)散至基底，然后以一定起伏進(jìn)行二維成核。在水結(jié)冰過程中，液相水作為相變的母相，首先利用現(xiàn)成的質(zhì)點(diǎn)、籽晶或合適的模壁作為基底。形核往往在能量耗用最低、相變驅(qū)動力最大的地方最先發(fā)生。由于在液相中原子擴(kuò)散迅速，因此凝固時一旦形核，晶體就很快長大（1cm/s以上），直至全部結(jié)冰為止。對于傳統(tǒng)的家用太陽能熱水器中使用的熱管，其形核阻力最小的位置位于三相接觸線附近，晶胚首先在液池的上部形成，逐漸向液池內(nèi)部生長。根據(jù)經(jīng)典的結(jié)晶動力學(xué)理論，如果液池內(nèi)部某個位置出現(xiàn)更適合形核的質(zhì)點(diǎn)、籽晶或合適的模壁作為基底，則晶胚將首先在該位置形成，而不是在液池上部的三相接觸線附近首先形成。
正是基于該思路，首先應(yīng)確定可以滿足家用熱水器熱管防凍裂添加劑的基本性質(zhì)：
a)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能承受較大的溫度沖擊，在高溫下（350oC）不分解，在各種使用溫度范圍內(nèi)不與水、銅等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)
b)密度大于水，使適合形核的質(zhì)點(diǎn)沉在液池下部，改變晶胚的形成位置，晶體生長的位置和方向。
c)結(jié)構(gòu)致密，不易形成多孔介質(zhì)，內(nèi)部含氣量少，不會在熱管制成后放出不凝性氣體。
d)不易溶于水，對水的蒸汽壓影響較小，對水的熱物理性質(zhì)改變較小。不易形成水合物或形成難揮發(fā)溶液。
e)無毒、無害，不會對用戶和環(huán)境造成危害。
f)成本低廉，容易獲得，便于儲運(yùn)。
在初步分析和研究的基礎(chǔ)上，選擇瓷珠、銅粉、石英砂為類晶核作為銅水熱虹吸管的防凍處理劑。目前，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了根據(jù)此原理加工的防凍脹型熱管，取得了良好的效果。
5.結(jié)論
本文通過對家用太陽能熱水裝置在北方市場應(yīng)用過程中出現(xiàn)的凍脹問題，分類回顧了主動式防凍脹方案、幾種抗凍脹結(jié)構(gòu)、被動式防凍脹方案和熱管防凍脹的研究進(jìn)展。闡述了各種防凍脹形式的實現(xiàn)形式和各自優(yōu)缺點(diǎn)，并說明了使用過程中可能出現(xiàn)的各種問題。本文認(rèn)為，防凍脹熱管方案是解決家用太陽能熱水系統(tǒng)凍脹問題的重要手段，是實現(xiàn)無風(fēng)險、無運(yùn)行成本、低投入的防凍脹方案，是今后的主要發(fā)展方向。

文章如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除

 

分享到：