關(guān)于太陽能熱水器輸水管的防凍探究

常相進(jìn)

(河間市黎民居中學(xué) 河北 河間 062456)

物理學(xué)科作為自然科學(xué)是為人類發(fā)展而服務(wù)的，物理教學(xué)更是如此.“能源與可持續(xù)發(fā)展”作為九年級人教實(shí)驗(yàn)版的最后一章，更多關(guān)注對綠色無污染能源的開發(fā)和利用，加之考慮到增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的能力和動手能力，學(xué)習(xí)此章之后，筆者指導(dǎo)學(xué)生做了“關(guān)于太陽能熱水器輸水管的防凍探究”.

1 提出問題

太陽表面溫度約6 000℃，它以光和熱的形式照射我們的地球，據(jù)估計(jì)在過去漫長的11億年中，太陽僅消耗了它本身能量的2%.今后足以供給地球人類再使用幾十億年，真是取之不盡，用之不竭.

太陽能熱水器就是利用集熱器直接把太陽能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，它清潔、無污染、綜合成本低，所以國家大力推崇，用戶認(rèn)可度也高.但目前仍有不足，如在北方的冬天，現(xiàn)行的太陽能熱水器輸水管中的水常常會存在冰凍問題，這影響了用戶的正常使用.

2 分析問題

教師要求學(xué)生從實(shí)際入手，通過各種途徑觀察太陽能熱水器本身結(jié)構(gòu)，了解其工作原理，分析為什么會存在輸水管的冰凍問題.通過自身實(shí)踐，學(xué)生們了解到常見太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中沒有畫出加熱管).

圖1

所以

因此，對(4)式展開并取一級近似得

所以，反射光子頻率的相對變化量為

其中取入射光波長λ=663 nm.

以上只討論了光子與電子的一維對心碰撞.若光子與原子碰撞，或考慮非對心碰撞，或考慮微粒與光子碰撞前的速度，則反射光子頻率相對變化量會更小一些.康普頓只是在光子與石墨晶體中的電子作用的實(shí)驗(yàn)中測出了光反射前后的頻率變化，而其他情況下很難測出光反射前后的頻率變化.因此，一般情況下“光經(jīng)物體表面反射后頻率近似不變”.

原解由于近似計(jì)算

而使太陽帆獲得的沖力的相對變化量為

顯然，原解是一個(gè)精度極高的近似.這正是原解應(yīng)用動量定理求太陽帆獲得的沖力時(shí)認(rèn)為光子頻率不變的物理本質(zhì).

如果考慮太陽帆獲得的能量，就不能忽略反射光子頻率的微小變化，太陽帆增加的能量正是所有反射光子頻率的微小變化而減小的能量的累積.因此，太陽帆與光子相互作用的過程中能量守恒，只是原解中由于沒有明確說明是近似計(jì)算而使讀者發(fā)生了誤解.

從圖1可看出，由于采用的是從保溫水箱底部上水的方式供水，這樣在用戶停止用水時(shí)，輸水管中仍存滿水.這樣學(xué)生就自然而然地總結(jié)出了輸水管存在冰凍問題的兩個(gè)原因：

(1)外界環(huán)境溫度達(dá)到0℃以下；

(2)在停止用水時(shí)，輸水管中存有水，有水可凍.

3 解決方案

3.1 生產(chǎn)廠家解決方案及評估

太陽能熱水器生產(chǎn)廠家通過安裝人員采用在輸水管外面加一條伴熱帶并用保溫材料加以包裹的方法防凍.這樣處理不僅費(fèi)工、費(fèi)料、費(fèi)電，而且最糟糕的是氣溫一旦降到-15℃以下，輸水管伴熱帶很難防止輸水管中的水冰凍.這樣水管很易凍裂，導(dǎo)致用戶長期不能使用，因此也影響了太陽能熱水器的推廣和普及.

在此筆者特意設(shè)置了這樣的問題：廠家的做法是從輸水管存在冰凍問題的兩個(gè)原因中哪一個(gè)入手？效果怎么樣？

學(xué)生很容易答出：這樣做是從改變外界局部環(huán)境溫度入手，效果不是很理想.在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)：“我們能不能從另外一個(gè)原因入手，即在停止用水時(shí)，讓輸水管排空，管中無水可凍呢？你們既要運(yùn)用自己的智慧，又要學(xué)會合作探究，老師期待著你們的探究成果能申請國家專利，也為節(jié)能減排做出自己的貢獻(xiàn)！”幾天之后，學(xué)生們拿出他們的解決方案.

3.2 學(xué)生解決方案

對現(xiàn)有太陽能熱水器改裝，使其達(dá)到停止用水時(shí)，輸水管排空，使之無水可凍.改裝后的太陽能熱水器的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2

改裝時(shí),首先將輸水管從保溫水箱的底部進(jìn)出水口卸下，并將進(jìn)出水口封死.然后從保溫水箱的溢水孔插進(jìn)一根內(nèi)徑1.5 cm的PVC管到水箱內(nèi)底部，另一端連接緩沖瓶在中央位置的進(jìn)水口處，緩沖瓶的最上端為進(jìn)氣孔，它連一個(gè)密閉性好內(nèi)徑為0.5 cm的PVC管子(進(jìn)氣管)，在此管子下方(用戶方便控制的地方)安裝一個(gè)密閉性好的閥門(進(jìn)氣閥)；再用一根內(nèi)徑為1 cm的PVC管子一端連接緩沖瓶最下端的出水口處，另一端連接從保溫水箱底部出水口卸下來的原輸水管.在室內(nèi)，將原輸水管的上水閥和下水閥之間斷開，上端連接“220 V，80 W”抽水機(jī)的進(jìn)水口，下端連接抽水機(jī)的出水口，到此改裝完畢.

工作過程和原理解釋如下.

(1)使用熱水時(shí)將上水閥、進(jìn)氣閥關(guān)閉，打開下水閥，按下抽水機(jī)按鈕(按著時(shí)抽水機(jī)工作，松開手時(shí)抽水機(jī)停止工作)至有水從下水閥流出時(shí)就松開按鈕，熱水便可源源不斷地流下來.

原理：當(dāng)抽水機(jī)工作時(shí)，保溫水箱內(nèi)熱水被抽到下水閥.設(shè)保溫水箱內(nèi)水面到緩沖瓶的高度為h,大氣壓強(qiáng)為p0.當(dāng)松開按鈕后抽水機(jī)停止工作，設(shè)此時(shí)緩沖瓶內(nèi)剩余氣體壓強(qiáng)為p1，因?yàn)榇藭r(shí)仍有

p1

所以此時(shí)熱水仍源源不斷地從保溫水箱流入緩沖瓶，再流入輸水管(也可用聯(lián)通器原理解釋).又因緩沖瓶的作用保證了熱水不會從緩沖瓶流入進(jìn)氣管.

(2)不用熱水時(shí)，下水閥仍然保持打開，只需再打開進(jìn)氣閥即可阻斷熱水.

原理：打開進(jìn)氣閥后，緩沖瓶內(nèi)氣壓與保溫水箱內(nèi)氣壓相同，都為一個(gè)大氣壓p0，所以由保溫水箱到緩沖瓶管道內(nèi)熱水回流到保溫箱內(nèi)，緩沖瓶及輸水管內(nèi)熱水經(jīng)下水閥流出排空.

(3)往保溫箱內(nèi)供冷水時(shí)，關(guān)閉下水閥和進(jìn)氣閥，打開上水閥即可.

原理：若上水流量大于從緩沖瓶內(nèi)流入保溫箱內(nèi)水流量，同樣是上漲的水位使得緩沖瓶內(nèi)氣壓增大，可防止水流到進(jìn)氣管.上水流量若小則不需贅述.

4 改裝后的太陽能熱水器與原太陽能熱水器比較

(1)因改裝后太陽能熱水器輸水管在不用時(shí)呈排空狀態(tài)，所以輸水管不必再用保溫材料加以包裹，安裝技術(shù)要求降低.

(2)原太陽能熱水器用伴熱帶，按每戶平均使用2 m，功率為25 W/m,每天使用5 h，每年的冰凍天數(shù)為90 d計(jì)算，則每年消耗的電能大約為多少？改裝后的太陽能熱水器用的是抽水機(jī)，抽水機(jī)的功率為80 W,每次開啟按工作5 s，每天平均開啟30次，則每年消耗的電能大約為多少？學(xué)生能算出原太陽能熱水器用伴熱帶，則每年消耗的電能大約為23 kW·h，而改裝后的太陽能熱水器每年消耗的電能大約為1 kW·h，所以改裝后的太陽能熱水器比原來的節(jié)約電能.

(3)改裝后的太陽能熱水器不會因?yàn)閲?yán)寒有水管冰凍問題，使用時(shí)間更長，有利于推廣和普及.

5 新型太陽能熱水器的設(shè)計(jì)

在以上基礎(chǔ)上，為了延伸和拓展學(xué)生的知識層面，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生，“大家已知道在停止用水時(shí)，只要使輸水管排空，就不會存在輸水管冰凍問題.若讓你們根據(jù)這個(gè)原理制作新型太陽能熱水器，相信你們會交出一份滿意的答卷.”一星期后，各探究小組交來的作業(yè)五花八門，現(xiàn)把其中設(shè)計(jì)原理如圖3所示的做一展示.

它的工作過程和原理解釋如下.

(1)在非冰凍期內(nèi)，給根據(jù)潛水艇原理制成的沉浮器抽氣，沉浮器因充水而下沉.因進(jìn)出水口與沉浮器固定在一起，隨沉浮器到達(dá)熱水內(nèi).其使用方法同原來太陽能熱水器一樣.

(2)在冰凍期內(nèi)，使用時(shí)給沉浮器抽氣，讓沉浮器下沉，進(jìn)出水口隨沉浮器到達(dá)熱水內(nèi)，熱水隨即從下水閥流出.停止用水時(shí)，給沉浮器充氣，沉浮器帶著進(jìn)出水口浮出水面，進(jìn)出水管內(nèi)的熱水從下水閥內(nèi)流出排空.

(3)儲水瓶的作用是防止過量抽氣時(shí)把水抽到充抽氣管內(nèi).

總之，不論是改裝后的太陽能熱水器還是學(xué)生設(shè)計(jì)的新型太陽能熱水器，在冰凍期都可使輸水管排空，使之無水可凍，徹底解決了輸水管的防凍問題.這對太陽能熱水器的推廣和普及會起到積極作用.另外通過這次探究活動，學(xué)生們不僅對壓強(qiáng)差、物體的浮沉條件以及電學(xué)理解得更加深刻，同時(shí)也體會到物理知識與生活密切相關(guān)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的合作意識，提高了學(xué)生的實(shí)際動手能力.

圖3