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太陽能熱水器管道排空閥防凍技術(shù)研究
李光全
（江蘇曉紅太陽能科技有限公司）
摘要 本文以太陽能熱水器管道排空防凍技術(shù)為研究對象，理論與實際相結(jié)合，經(jīng)過多年的實踐檢驗，在用戶試用基礎(chǔ)上，對市場上各種閥體進行對比試驗，得出結(jié)論，并證實通過電動磁芯閥與熱水器水箱一體化設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)是管道排空技術(shù)在熱水器中應(yīng)用的必然方向。
關(guān)鍵詞 太陽能熱水器 排空閥 防凍
在太陽能熱水器發(fā)展的二十幾年中，始終缺少一種能有效解決管道凍堵難題的技術(shù)方案和相應(yīng)產(chǎn)品。而采用電伴熱帶克服管道防凍，因其耗電大、存在失火危險等安全隱患受到限制；應(yīng)運而生的管道排空技術(shù)因具備安全、節(jié)能等優(yōu)點，得到太陽能熱水器企業(yè)的認同，但目前仍然存在控制閥體技術(shù)不成熟、設(shè)計不合理等問題，導(dǎo)致形成管道排空閥“有行無市”規(guī)?；茝V比較困難的局面。江蘇曉紅太陽能堅持技術(shù)創(chuàng)新，針對當(dāng)前太陽能熱水器管道排空防凍技術(shù)進行研發(fā)，取得了新的技術(shù)突破。
1 排空閥體的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和使用材料決定推廣的成敗
在排空技術(shù)發(fā)展初期，許多產(chǎn)品采用以電磁閥將管道與水箱進行截止并將管道里的水排空的技術(shù)設(shè)計，但隨著使用時間的延續(xù)，電磁閥很快就“罷工”了。經(jīng)過分析，是由電磁閥自身的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的故障：電磁閥的關(guān)閉靠彈簧作用實現(xiàn)，太陽能熱水器在使用過程中長時間、多頻次的開閉使彈簧疲勞老化，不能很好閉合；也會因管道內(nèi)存在水垢、沙粒等雜質(zhì)導(dǎo)致電磁閥失效，造成管道堵塞。還有的產(chǎn)品是將閥體設(shè)計成電動機帶動螺桿強制關(guān)閉的閘閥，但因為沒有考慮閥體的使用環(huán)境，也以失敗告終。造成這種故障的主要原因是，夏天正常情況下，水箱內(nèi)水溫經(jīng)?？蛇_到99℃以上，會形成水垢，一旦有一塊水垢堵塞閥體就導(dǎo)致閘閥不能閉合。為了改善這種情況，有的企業(yè)采用了電動球閥方案，但因其球體材料的耐磨性能難以滿足太陽能熱水器經(jīng)常開關(guān)的特殊要求，使用一段時間后出現(xiàn)關(guān)閉不嚴的現(xiàn)象，就開始漏水。
在潔具、水暖領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用的電動磁芯閥，因其閥芯采用氧化鋁等材料經(jīng)高溫?zé)贫?，?jīng)過后期切割、成形、打磨，無論在強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等方面都優(yōu)于其他材質(zhì)，即便被水垢阻塞，只要有足夠的動力仍然不影響旋轉(zhuǎn)開閉，使用壽命經(jīng)試驗驗證可達50萬次以上。但因其只是一個單純的閥體，這樣在冬季雖然管道排空了，但閥體本身卻被凍住了。由此可見，排空閥的成功推廣是一個系統(tǒng)的工程，必須結(jié)合熱水器的使用環(huán)境、水質(zhì)、閥體材料、耐高低溫、電動機的功率、扭力等各方面因素綜合考慮，設(shè)計出適合與熱水器水箱完美結(jié)合的產(chǎn)品。
2 將閥體與水箱結(jié)合，解決整體保溫
實踐證明，再好的排空閥如果不考慮冬季自身的保溫、防凍因素，將不可能得到很好的發(fā)展。現(xiàn)在很多閥體生產(chǎn)廠家存在認識誤區(qū)，只考慮閥體自身的保溫，認為只要閥體不凍就可以萬無一失了。殊不知在寒冷的北方地區(qū)，冬季最低氣溫零下10℃以下是經(jīng)常的事情，太陽能熱水器放在房頂上，一旦排空功能失靈，則影響使用效率。
另外還有一個重要因素就是排氣管的保溫問題：很多閥體都采用外置排氣口結(jié)構(gòu)，這種閥體結(jié)構(gòu)在冬季閥體關(guān)閉進行管道排空時，因管道內(nèi)水流下泄形成吸力會將外界冷空氣吸入管道，結(jié)果將閥芯凍死，如果閥體不能及時解凍，也會造成排空失靈。最好的解決途徑是將排氣管放置在水箱內(nèi)部，這樣在排空時吸入的是水箱里的熱空氣，就不會將閥體磁芯凍住。
江蘇曉紅針對現(xiàn)有排空閥的不足之處，提出新的太陽能熱水器排空防凍系統(tǒng)設(shè)計方案，將閥體與水箱進行有機結(jié)合，形成保溫聯(lián)合體，利用水箱保溫層對閥體形成防凍保護，從根本上解決了閥體凍堵的弊端，即便下面的管道無保溫措施也不會凍堵，冬天照樣有熱水。因此，將閥體與水箱結(jié)合形成一體化保溫系統(tǒng)，是解決閥體冬季失靈的有效途徑。
3 管道排空閥的應(yīng)用，還應(yīng)考慮安裝簡單便捷、維護方便
管道排空閥因其使用環(huán)境、使用壽命的約束，發(fā)生故障進行維修是不可避免的，廠家在設(shè)計之初就應(yīng)該考慮現(xiàn)場安裝、調(diào)試、維護、更換的可操作性。現(xiàn)在，大多數(shù)太陽能熱水器企業(yè)都承諾為用戶提供全天候服務(wù)，也經(jīng)常會碰到急需維修的情況。在北方，冬季經(jīng)常是北風(fēng)凜冽，因此，必須在排空閥的設(shè)計上滿足現(xiàn)場短時間、便捷更換的需要。實踐證明，排空閥閥體采用插接式與水箱連接，要比螺紋連接維修快捷、簡便得多，也便于現(xiàn)場維修。通用性閥體最好將接口直接做成直徑47mm的插入式接頭，這樣在大多數(shù)太陽能熱水器預(yù)留的排污口、電加熱口等位置都可以使用，且更換方便簡單，有利于此項技術(shù)的推廣和應(yīng)用。此外，信號線纜也最好采用防水插頭連接以防氧化。此種方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計還有一個優(yōu)點就是不容易造成凍堵，降低維修率。
4 閥體與水箱結(jié)合還應(yīng)考慮水垢與高溫等使用環(huán)境對閥體造成的影響
閥體與水箱有機結(jié)合必將引起管道排空防凍技術(shù)的重大變革，為家用太陽能熱水器的普及應(yīng)用，乃至冬天好用鋪平了道路。但是應(yīng)該清醒地認識到，盡管現(xiàn)在閥體質(zhì)量有了明顯提升，使用壽命得到了很好保障，但終因使用環(huán)境嚴酷，對閥體的配套生產(chǎn)提出了更高要求。通過回訪發(fā)現(xiàn)，在用戶使用太陽能熱水器過程中，使用環(huán)境和頻次都不相同，在夏天使用頻次一般相對較低。在一個水溫相對較高的環(huán)境里，磁芯周圍較容易附著水垢，阻礙閥芯旋轉(zhuǎn)運行，因此采取必要的防垢措施無論對閥體自身的使用壽命還是熱水器整體效果來說，都是有百利而無一害的。此外水箱內(nèi)膽與閥體緊密接觸，且在一個密閉的環(huán)境中，必須經(jīng)得起90℃以上高溫的考驗，采用劣質(zhì)材料或不考慮溫度因素，都將對產(chǎn)品造成致命損壞。如電動馬達燒毀或動力不足是常有的事，因此電動閥體的馬達必須與閥體進行隔熱處理且馬達自身要耐高溫。
5 實現(xiàn)自動化控制是防凍排空閥一體化配套發(fā)展的必然
隨著太陽能控制技術(shù)的發(fā)展，及人們生活節(jié)奏的不斷加快，自動化控制將成為一種時尚需求。太陽能管道排空防凍技術(shù)也毫無例外地適應(yīng)這種潮流和需求而采用電動控制，否則既增加用戶產(chǎn)品購買成本，也因使用不便不利于排空技術(shù)的推廣應(yīng)用。現(xiàn)階段的排空閥控制僅限于目前的單獨控制閥體，諸如水溫、水位顯示，自動上水、自動排空等功能必需進行有效兼容。在實踐中會經(jīng)常遇到解決管路“U”型彎的問題，這在與太陽能一體化配套、自動化控制方案中也是首先要克服的。在程序設(shè)計上，必須將室內(nèi)室外兩個電動閥設(shè)計為不同步運行，即用水時室內(nèi)排氣閥優(yōu)先開啟便于管道內(nèi)水流將空氣壓出，或者排氣閥延時關(guān)閉都將有效解決室內(nèi)管路“U”型彎的問題?！?/SPAN>U”型彎的問題解決了，自動排空也就迎刃而解了。只要將控制程序設(shè)計合理，將管道排空與自動化控制有機結(jié)合，太陽能熱水器的普及推廣必將更上一個新臺階。
6 結(jié)論
綜上所述，將管道排空閥應(yīng)用于家用太陽能熱水器的管道防凍領(lǐng)域是一項系統(tǒng)工程，不是某一個專家或某一個廠家所能完成的。必須本著集思廣益、相互學(xué)習(xí)、共同進步的態(tài)度，堅持互利共贏的原則，走排空閥與熱水器一體化設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)的路子，才是管道排空閥防凍技術(shù)發(fā)展的必然方向。
內(nèi)置管道排空太陽能
可行性分析報告
隨著真空管太陽能熱水器的用戶越來越多，然而在使用中，有個問題總是困擾著太陽能熱水器生產(chǎn)廠家，影響太陽能推廣和用戶使用，由于太陽能熱水器自身的結(jié)構(gòu)特點使得太陽能水桶與用水龍頭之間的管道在冬季容易凍堵，如果20米管道，中間只要有2公分的冰塊就會導(dǎo)致太陽能熱水器“冬眠”（嚴寒的東北地區(qū)尤其嚴重）。管道中的涼水無法排出，要使用太陽能的熱水，每次要先放一面盆涼水出來，既浪費水又降低了熱水的利用率，還不方便，管線越長冷水越多，其實管道內(nèi)的冷水也是水箱內(nèi)的熱水時間長了由熱變冷的，眾多的樓房低層住戶因為這個原因放棄了節(jié)能環(huán)保的太陽能。使用管道排空技術(shù)徹底解決管道結(jié)冰凍堵的問題，變相增加了熱水器的熱水量，節(jié)約了水資源，提高了太陽能熱水器和同行的競爭力。本專利產(chǎn)品（申請?zhí)枺?/SPAN>200720022437.0）經(jīng)過長期的試驗和改進，取得了太陽能管道排空技術(shù)的重大突破，簡捷的操作，使用更加方便、輕松。
第一節(jié) 分析
無水不結(jié)冰是本產(chǎn)品的開發(fā)理念，堵住水箱內(nèi)的水給管道進氣是思路。
太陽能熱水管道系統(tǒng)是一個特殊的系統(tǒng)，熱水器的進出水口是熱水管道系統(tǒng)的最高點，在熱水系統(tǒng)內(nèi)也能找出熱水管道的最低點。
綜合分析：在管道最高點安裝一個閥門（排空閥），打開（水下），關(guān)閉（下水停止），在管道最低點安裝一個水龍頭（排水閥），這樣就形成了一個上面進氣口打開，下面排水閥打開，利用高度落差（水往低處流）不需要任何外來力，就可以實現(xiàn)管道排空的系統(tǒng)。要實現(xiàn)水箱內(nèi)水是滿的，管道內(nèi)不能有水，就要有一個給管道進氣的通道，在上面的排空閥處于關(guān)閉狀態(tài)，進氣管暢通，下面排水閥打開，利用重力作用，水的自然落差排出管道系統(tǒng)，就實現(xiàn)管道排空了。
給管道進氣有兩種方法；水箱外部進氣和水箱內(nèi)部進氣
分析：進氣管能進氣也能出水，當(dāng)下面的排水閥打開、水箱的出水口關(guān)閉、進氣口打開時，從水箱到管道最低點排水閥這段管道內(nèi)的水就會自然排出管道系統(tǒng)，水排出了，水的體積就要大氣補充，大氣從溢流口進入太陽能水箱內(nèi)，再從漂浮在水面上的進氣管進入管道系統(tǒng)，如果進氣管堵塞或凍堵，不能進氣，管道系統(tǒng)內(nèi)就會形成真空狀態(tài)，自然水就不能排出管道，就會形成管道排空失敗。
在上水狀態(tài)，如果排空閥沒有打開，水在高壓下也會從進氣管出來，因為進氣口在排空狀態(tài)是打開的，如果進氣口在外部，水就會從進氣口直接流出管道系統(tǒng)，有水就會結(jié)冰，如果進氣口凍堵，排空就會失敗。
進氣管在水箱內(nèi)部，就不會發(fā)生進氣口凍堵，由于水箱內(nèi)有溫度，所以永遠也不會凍堵。
管道氣堵的形成和解決方案;
在實際使用管道排空閥中，有一個管道自然現(xiàn)象，下水不暢、不下水或流量不夠，這是由于管道的末端或低洼處有存水，在水箱出水口到存水處中間的空氣沒法排出，形成一種管道‘氣堵’。
形成原因：形成氣堵的條件，在太陽能熱水管道系統(tǒng)中100%有‘U’型彎，如果沒有排水閥或排水閥安裝位置不合理，就會在‘‘U’型彎低部形成一段積水，排空閥打開，出水的壓力小于積水的重量，中間有氣體占領(lǐng)了下水的空間，氣體沒有出口就會形成氣堵。
解決辦法：在管道適當(dāng)?shù)牟课唬惭b一個自動排氣閥或在管道的最低點安裝一個排水閥，使排水閥有一定的延時關(guān)閉，等上面的水有了一定的壓力和重量，排水閥關(guān)閉，就可以把“U’’型彎內(nèi)的存水從用水口壓出，解決管道氣堵。
最理想的方法，排水閥采用電動閥門，可以實現(xiàn)遠程控制，利用儀表內(nèi)存程序控制打開或關(guān)閉的時間，延時3秒關(guān)閉，這樣管道內(nèi)的氣體就可以從排水閥的出口排出，關(guān)閉后出水口下來的水就足夠把低洼管道內(nèi)的存水壓出，氣堵問題解決。采用電動排水閥還可以實現(xiàn)無人操作自動排空管道內(nèi)的水，利用儀表內(nèi)存技術(shù)設(shè)置定時打開或關(guān)閉閥門，就可以自動排空管道內(nèi)的水。
第二節(jié) 排空閥的安裝
將帶有浮球的硅膠管插入水箱的輸水管內(nèi)，然后將閥門管口與輸水
管通過螺紋連接密封，將閥門上的電源線與控制儀的電源線，同同
顏色對接或灰對紅白對黃即可
外置安裝：沒有排空閥預(yù)留口的太陽能熱水器都是外置安裝：外置排空閥安裝的位置離熱水器水箱內(nèi)筒的距離最近也有7公分，排空閥的閥體也怕低溫，如果不做保溫，在零下18度就會凍住，給閥體部分做簡單的保溫就可以抗寒達到零下20-25度。
內(nèi)置安裝：只有熱水器廠家才有機會做內(nèi)置安裝，方法是在內(nèi)筒出水口中心點為基點，向一測27.5毫米（A邊），從A邊向?qū)γ婢嚯x141毫米，（B邊），以內(nèi)筒出水口中心點為基點，向左右各38毫米，就是 A B 邊的長，在外筒開一個141mm*76mm長方型預(yù)留口，保溫桶的保溫層一般都是50mm左右，我們的排空閥直徑是60mm，保溫層的空間不夠，在預(yù)留口外蓋增加30mm，這樣就有80mm的空間了，而且每邊都有一公分的保溫層了，在水箱發(fā)泡保溫層時，在預(yù)留口處放置一個和排空閥閥體一樣的模具，就可以一次成型，提前做好了一半閥體的空間，用另外一套模具做好外蓋處的發(fā)泡塊，這樣就可以在水箱做好后，放入排空閥，放入外殼保溫塊、水箱和外蓋的密封墊、外蓋，用6顆螺絲固定外蓋，內(nèi)置管道排空閥就安裝完成。
由于內(nèi)置安裝，閥體離內(nèi)筒的距離只有1-2公分，水箱內(nèi)部的熱量就會容易傳輸給閥體，外界溫度再低也不會因閥體凍住影響使用，只要水箱內(nèi)的水不結(jié)冰就不會影響使用。
萬一排空閥有什么問題，也不會影響太陽能水箱整體性能，因為它不是一次成型發(fā)泡在保溫層內(nèi)，是后續(xù)安裝進去的只要打開預(yù)留口就可以對閥體進行維修，而不會影響太陽能的整體美觀。
沒有安裝管道排空的太陽能熱水器，要使用太陽能的熱水，每次要先放一面盆涼水出來，既浪費水又降低了熱水的利用率，還不方便，眾多的樓房低層住戶因為這個原因放棄了節(jié)能環(huán)保的太陽能。
第三節(jié) 各種排空閥的原理
電動陶瓷芯排空閥的原理：本產(chǎn)品采用12V W微型電機,通過齒輪變速,輸出增大的動力帶動有硅膠墊的陶瓷閥芯,堵住水箱中的水,同時在水箱內(nèi)的通氣孔打開與大氣連通,使管道中的水流到容器中,從而實現(xiàn)＂管道排空防凍＂；再次使用時，由于管道是空的，一打開電源開關(guān)，有硅膠墊的陶瓷閥芯逆向打開出水口，水箱中的水幾乎以自由落體的速度流下，從而實現(xiàn)＂一開即出熱水＂
電磁閥的工作原理：
常開，當(dāng)線圈通電時，產(chǎn)生磁場力，銜鐵在磁力作用下下移，推動副閥閥杯下移，副閥關(guān)閉，隨著主閥閥內(nèi)上下壓差趨向相等，主閥膜片由彈簧力及自重壓向密封面，閥門關(guān)閉。當(dāng)線圈斷電后，磁力為零，銜鐵和副閥閥杯由于彈簧作用上升，副閥打開，主閥膜片上腔內(nèi)介質(zhì)經(jīng)副閥流走，壓力下降，當(dāng)壓力降到一定值后，主閥由上下壓差作用向上升起，主閥打開，閥門開啟。電磁閥 介于電磁閥的結(jié)構(gòu)，如果在關(guān)閉平面有水垢或雜物就會關(guān)閉不嚴，就漏水 ，導(dǎo)致排空失敗。
電動球閥工作原理： 選用優(yōu)質(zhì)變速電機，齒輪變速箱，閥體采用黃銅，高純度不銹鋼球芯和不銹鋼或塑鋼外殼組合而成，它有安裝簡單，使用方便的優(yōu)點。它使用220V交流電變壓，輸出6-12V直流電壓供電，不得超壓使用，撥動正負壓轉(zhuǎn)換開關(guān)，起到閥的開或關(guān)的作用，關(guān)閉閥門為排空狀態(tài)，打開淋浴頭即可排空。
介于電動球閥的結(jié)構(gòu)：球閥的工作狀態(tài)使用的杠桿力打開的，需要很大的動力才能打開，它的進氣口也是外部進氣，有蒸汽排出，遇低溫就可能結(jié)冰，結(jié)冰就易導(dǎo)致閥體打不開， 排空失敗
水垢問題的解決：
太陽能水箱的溫度環(huán)境溫度高，水位變化頻繁，根據(jù)水質(zhì)的不同，很容易形成水垢，結(jié)合使用發(fā)現(xiàn)：排空閥的結(jié)構(gòu)對水垢的要求也不同，對比結(jié)果：電磁閥不能有水垢，有了就關(guān)閉不嚴，造成漏水，排空失敗。電動球閥和電動陶瓷芯快開閥，同是電動機驅(qū)動。但需要的動力大小不一樣，如果在夏季停用排空功能，電動球閥再次使用就有可能打不開了。陶瓷芯閥體就不一樣了，它是水密封，輕接觸，就會很輕松的打開，陶瓷本身也不易結(jié)水垢。
太陽能生產(chǎn)廠家無需增加多少成本就增加了太陽能的賣點和市場競爭力，做一個排空閥預(yù)留口不需要放閥進去，（一個保溫塊2元、一個外蓋4元），用戶就有了選擇安裝排空和不安裝排空的選擇權(quán)，用戶需要什么功能就安裝什么功能，不論什么功能的配置，排空閥都是一樣的。這樣就增加了廠家和別人不一樣的功能，又沒有增加成本用戶也有了多功能的太陽能安裝選擇機會，如果用戶需要啥功能，就可以自由組合安裝，內(nèi)置管道排空是太陽能行業(yè)的發(fā)展趨勢，以前的排空閥沒有成功，與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、原理、做產(chǎn)品的思路有很大的關(guān)系，陶瓷閥芯的排空閥已經(jīng)經(jīng)過了冬季 夏季的使用，沒有返回廠家維修的，到目前還不知道那個零件是易損件，我們在采購零件時選用最好的，一個產(chǎn)品如果做到不需要售后服務(wù)，哪它的利潤就是最大的。沒有售后服務(wù)的產(chǎn)品是我們的目標(biāo)，做好售后服務(wù)是我們的立足之本，為廠家提供最具競爭力、用戶提供功能人性化的產(chǎn)品是我們的發(fā)展之路。
金凌皇太陽能管道排空測控系統(tǒng)主要功能：儀表開機自檢、水溫水位顯示、水位預(yù)置、缺水報警、缺水上水、手動上水、溫控上水、定時上水、強制上水、低水壓上水、防溢流保護、防高溫上水保護、自動管道排空、強制管道排空、停電記憶、兩次定時加熱、冬夏季模式轉(zhuǎn)換。在自來水壓力低或農(nóng)村使用水泵加壓的地區(qū)，用戶不需要手動操作啟動水泵，可以通過測控儀，一鍵操作實現(xiàn)自動啟動和關(guān)閉水泵?；虿恍枰僮鲗崿F(xiàn)定時上水等一切自動上水功能。
以上功能供用戶任意選擇組合。不論多少外部功能，一個熱水系統(tǒng)只需要一個排空閥、一個排水閥。其他功能都在儀表部分分出。
太陽能管道排空閥裝配流程（僅供參考）
1. 調(diào)好單機角度:定位銷垂直電機定位孔90度(紅線左 黃線右)
2. 單機線焊接紅線在左 黃線在右
3. 焊接微動開關(guān)請注意二極管方向（二極管白色應(yīng)在開關(guān)內(nèi)心方向）
4. 安裝電機，在安裝時請注意電機定位孔和黑色閥芯定位芯對齊定位銷應(yīng)在黑色定位板最低點的中心，上緊卡箍。
5. 安裝閥桿（先上手感墊再套O型圈用硅油）
6. 安裝動片、再安裝靜片。靜片、動片要涂上硅油（靜片在安裝前要裝好硅膠管及銅卯芯，銅卯芯的平面應(yīng)低于靜片0.5mm），排氣管和閥芯進氣口對齊壓入。裝上紅色硅膠墊，閥芯套上O型圈。
7. 閥體和閥芯連接，（在連接時要注意閥芯平面和閥體平面要到位，以免壓緊余量不足造成內(nèi)漏）。
8. 電機運轉(zhuǎn)檢驗，（檢驗電源紅電夾對應(yīng)電機紅線，檢驗電源藍夾對應(yīng)電機黃線），按電源轉(zhuǎn)換鍵，看電機運轉(zhuǎn)情況。到位后再按轉(zhuǎn)換鍵一次，到位后加水檢驗氣密性
問題和處理：1.電機運轉(zhuǎn)中停住不前。 靜片銅卯芯高出靜片平面。
2.電機到位后，不返回。 對面的微動開關(guān)有沒有松開、二極管的方向、
二極管是否短路。
9. 外接電源線焊接：紅對紅線 綠對綠線或黃對紅 綠對黃。
10.浮球（先上小螺母再裝銅墜/浮球）
白生平
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