CN101101149B - 小型热能设备之节能装置 - Google Patents

Abstract

一种小型热能设备之节能装置，是由盘管导水介质液导热组成一种节能装置，将其置于加热容器内通过介质液导热加热盘管中的给水，其介质液是一种组合液体，具有比热容小、热导率高，用常压加热容器即可获得较高饱和温度的汽水，将不同造型的盘管置于对应的加热容器内，同时将相应比例的介质液加入加热容器，通过导管将盘管的两端分别与给水设备和保温水箱连接，可构成介质液导热盘管导水的热水蒸汽锅炉和太阳能热水器，使太阳能成为家庭采暖、制冷、供热水的能源之一，节能效果显著。

Description

小型热能设备之节能装置

技术领域： 

本发明涉及一种节能装置，特别是涉及以水为工质的小型热能设备的一种节能装置。 

背景技术：

以水为工质的锅炉及与其相似的热能设备，大都是直接加热给水，以获得规定参数(压力、温度)的热水、蒸汽。参数中温度取决于压力，对应于某一饱和温度，必有一定的饱和压力，乞今，尚无其饱和温度高于对应饱和压力的热能设备或技术装置。 

发明内容：

本发明旨在提供一种节能装置，将其通过小型热能设备之加热容器，为家庭采暖、致冷、供热水直接利用太阳能，减少供应能原的用量以期达到节能之目的，所提供的节能装置是由甘油与水之混溶液导热，小管径铜管制作的导水盘管，设置在加热容器内，可获得较高饱和温度的热水、蒸汽，节能效果显著。查阅资料得知：甘油的燃点为523℃、沸点290℃、烟点179℃、比重1.2613可随意比例混溶于水，热导率大。且随其温度升高而升高，经实验得知：甘油与水之混溶液(以下简称介质量)的烟点升高，沸点显著降低，加热至80℃其液面紊流明显、蒸发加剧，随温度升高呈现饱和状态，其饱和温度与其水的含量成反比(见介质液饱和温度曲线图)，同时液体每一饱和温度与其液面以上空间的蒸气的饱和温度相等，可谓无过热过程的过热热。初步分析认为是两种物资的组合，在一定条件下产生预想不到的技术效果，其机制是由于两种物资的比重不同，沸点不同，比热容不同，但其热导率随温度升高而升高却相同，可随意比例相混溶，当其混溶液受热时各自的分子动能都加大、但能量不同，运动加快、但速度不同、温度升高、但幅度不同，致使分子的无序运动和相互撞击显著增强，能量增大，速度增快，必然导致升温快、温度高，热导率随之提升，混溶液中的水分子汽化加速，液面蒸汽压力上升，带动液化加速，当汽化与液化速度相等，建立汽化与液化而相平衡时，即呈饱和状态，即时的温度，既是其饱和温度并与其水的含量成反比。因此当混溶液之水的含量增加至所形成的饱和温度与纯水的饱和温度相差无几时，则是混溶液的最低饱和温度；相反，当其水的含量少至可产生的蒸汽，其压力不足于建立汽化与液化平衡所需时，其饱和温度就是其最高饱和温度，上述饱和温度的产生是两种物资组合，在一定条件下的自然现象，与加热容器的压力无关。因而就出现了其饱和温度高于对应饱和压力的现象，用常压加热容器既可获得较高饱和温度的热水、蒸汽，其节能效果显而易见。下面将实验中的相关数据提供技术实施之参考。①甘油与水之比1∶2的介质液其比热容为1.7856KJ/(kg.c)，是水比热容的23.4％。②加热容器容积与介质液容积之比为2∶1；③介质液容积与盘管容积之比为6∶1。④盘管长度与其管径之比为2000∶1。 ⑤制取热水的介质液甘油与水之比为1∶2——1∶3；⑥用于制取蒸汽的介质液可按设定之蒸汽出口温度参照介质液饱和温度曲线图提供的数据设定。上述数据相互推导可用于实施设计之参考。例如设计容量为10⁴kj/n的热水锅炉，所用介质液的比热溶为1.7856KJ/(kg.c)推算介质液的用量为24kg(约25L)则锅筒容积为50L，盘管容积为4L。其管径为16mm的铜管长度为20000mm。 

为解决其技术问题，本发明所采用的技术方案是：一、节能装置与加热容器组合制造热水、蒸汽锅炉和太阳能热水器(一)用一定管径、一定长度的铜管制成可置于锅筒内的螺旋形盘管，将其入水端通过活瓣阀门与给水箱连接，其出水端通过活页阀门与保温水箱连接，锅筒之出水通过导管与供热水设备和采暖装置连接，在锅筒顶盖部设三用管口，(用于介质液加入、排气减压、温度测试)，将制取热水用的介质液加入锅筒，既构成热水锅炉。将锅筒加高至其液面以上的空间不少600-800mm用作蒸汽锅筒，以增加蒸汽容量，提高蒸汽压力，保证蒸汽品质。将液体流量表、三用管口、气压表、液体流量表设置在锅炉机组的相应部位，将蒸汽输出导管与用汽装置连接，将用于制取蒸汽的介质液加入锅筒，即构成蒸汽锅炉，将热水锅炉的出水导管与蒸汽锅筒的入水导管连接，既是介质液导热盘管导水为特征的热水蒸汽锅炉，对热水锅筒加热制取热水，对两个锅筒同时加热制取蒸汽。(二)用小管径铜管按聚焦之平行管型太阳能集热器之集热管的支数、管径、长度制做U形短管，取其管径略大于U形短管的铜管两段，用作入水干管与出不干管，按集热管的间距将U形短管的两端，分别与入水干管和出水干管连接，同时将入水干管的末端和出水干管的始端封闭，既构成U形导水盘管，将U形部分，置入对应的集热管内，以管式盖帽将各集热管的开口端整体封闭，使之成为连通结构，在盖帽的顶面设三用管，将入水干管通过活瓣阀门与给水箱连接，出水干管通过活页阀门与保温水箱连接，将制取热水的介质液加入集热管，既是平行管型集热器。用两层金属薄板制作其面积略大于平行管型集热器采光面积的浅水箱，将其内面涂成黑色，用小管径铜管制作曲线形盘管，将其固定在水箱内，在水箱顶面设三用管口，将制取热水的介质液加入水箱，盘管的两端分别通过活瓣阀门与给水箱连接，通过活页阀与保温水箱连接，既是平板型集热器。将平行管集热器与平板型集热器以前后重叠之方式组为一体，既构管板复合型集热器，上述三种集热器可组成三种以介质液导热盘管导水为特征的太阳能热水器，收集热器通过专用支架设置在用户南墙之外壁易于采光处，其导水盘管通过活瓣阀门与室内的给水箱和通过活页式阀门与室内的保温水箱连接。本发明的热水蒸汽锅炉和太阳能热水器的运行，均以自然水循环为动力，推动相关阀门的自动开关，实施给水、加热、热水储存自动运行。 

集热器专用支架的结构与安装是制做其支撑面大于集热器面积的金属支架，在其底面的两端，设置弧型之滑轮轨道槽，取比当地地理纬度小10度的倾角(与地平面的倾斜)固定在用户南墙外壁之易于采光处，集热器顶面的两端用活页(或轴套)与支架的顶面连接，其底面的两端，设有小型滑轮，和支架底面的滑轮轨道槽相契合，将长杆螺旋之一端用轴套结构固定在滑轮附近，其另一端 穿过墙体之一点与固定在墙体内壁的其外径嵌入轴承内径的螺母相啮合，转动螺母螺杆又随之伸缩，拉动集热器底面的滑轮沿弧型轨道糟滑动，使集热器底面可升可降，以调节集热器接收面之倾角的大小(或称倾角的加减)。 

给水箱的入水阀是将阀堵通过杠杆与水位浮球连接，浮球随水位升降拉动阀门开关(其似卫生间冲洗便池之水箱结构)。活瓣式阀门是将弹性金属薄片按阀室的形状、大小，制成叶片状阀堵，将其一侧固定在阀室内壁之一侧呈半开放状态，受压力推动而开关(类似某些动物之心脏瓣膜)。活页式阀门之阀堵是用金属薄片制成，以活页式连接法固定在阀室内，微动力既可启开，无动力自行关闭。当热水锅炉内和太阳能集热管内的介质液受热将热量传递给盘管内的给水，使之升温形成自然循环，导致水循环管路的压力改变，推动相关阀门自动开关，实施给水，加热(热水蒸汽锅炉系人工加热)，热水储存自动运行。 

二、构建家庭采暖、制冷、供热水系统，通过导管将热水锅炉之出水和太阳能热水器之出水与同一个保温水箱连接，同时将二者的入水与同一个给水箱连接，再将热水锅炉之出水与蒸汽锅炉之入水连接，使太阳能之热水通过热水锅炉用于采暖，供热水和吸收式制冷机，通过蒸汽锅炉用于食品加工，消毒和压缩式制冷机，据相关资料介绍，人居房屋的制冷均在0℃以上，用于加热吸收式制冷机的热水的温度上限为100℃，通过再生、凝结、蒸发、吸收四个过程而制冷，目前小型水——溴化锂系吸收制冷机已投放市场。压缩式制冷机是用过热蒸汽驱动热机做功用于压缩、冷凝、膨胀、蒸发四个过程而制冷。本发明的热水锅炉和蒸汽锅炉的工质出口温度附合吸收式制冷和压缩制冷机的要求，故可用于家庭的制冷。 

本发明的有益效果是：节能装置中的介质液其比热容小，饱和温度高，热导率大，锅炉效率达89％，根据加热容器形状，制成相应造型的盘管，从而构成介质液导热盘管导水之热能设备，节能效果显著。 

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明 

图1是本发明热水蒸汽锅炉的纵剖面示意图 

图2是本发明太阳能热水器的纵剖面示意图 

图3是本发明太阳集热器专用支架示意图 

图4是本发明家庭采暖、制冷、供热水示意图 

图5是本发明给水设备示意图 

图6吸收式制冷机循环示意图 

图7压缩式制冷机循环示意图 

图8本发明介质液饱和温度曲线图 

图中：1、热水锅筒2、螺旋型盘管3、三用管口①4、排污阀①5、活瓣式阀门6、给水箱7、活页式阀门8、保温水箱9、供热水设备10、采暖设备11、保温水箱出水与热水锅炉入水连接导管12、热水锅炉出水与蒸汽锅炉入水连接导管13、液体流量表，14、三用管口②15、汽压表16、蒸汽输出导管，17、液体流量表18、用汽装置19、冷凝水回流管20、排污阀②21、蒸气锅筒22、浅水箱23、曲线形盘管24、三用管口③25、管式盖帽26、三用管口④，27、聚焦型集热管28、U型盘管29、金属支架30、管板复合型集热器31、大螺钉32、活页(或轴套)33、长杠螺旋之一端34、轴承加螺母35、轴套36、滑轮37、滑轮轨道槽38、吸收式制冷机39、压缩式制冷机40、给水箱入水阀41、水位浮球42、活瓣阀门之阀堵43、活页阀门之阀堵44、再生器45、冷凝器46、蒸发器47、吸收器48、热机49、压缩机50、凝凝器51、膨胀机52、蒸发器 

具体实施方式：

一、制造介质液导热盘管导水为特征的热水锅筒和太阳能集热水器(一)用小管径铜管制造对应干热水锅筒(1)的螺旋型盘管(2)在锅筒顶面和侧面设三用管口①(3)和排污阀①(4)将盘管之入水端通过活瓣阀门(5)与给水箱(6)连接，出水端通过活页阀门(7)与保温水箱(8)连接，保温水箱之出水通过导管与热水锅筒之入水连接(11)并与供热设备(9)采暖设备(10)连接，同时将热水锅炉之出水管(11)与供热水设备(9)和采暖设备(10)连接，既组成热水锅炉之水循环管路。将锅筒加高至其液面以上的空间不少于600-800mm用作蒸汽锅筒(21)将热水锅炉之出水与蒸汽锅炉之入水连接(12)将液体流量表(13)三用管口②(14)气压表(15)汽体流量表(17)排污阀②(20)设置在锅炉机组的相应部位，将蒸汽输出导管(16)与用汽装置(18)连接，将制取热水和制取蒸汽的介质液，分别加入热水锅筒和蒸汽锅筒。对水锅筒加热制取热水，两个锅筒同时加热制取蒸汽，用热水锅炉之出水作为蒸汽锅炉之入水，以保证蒸汽锅炉之饱和汽水的供应。用汽装置(18)之冷凝水通过导管(19)回流蒸汽锅炉。介质液的排污与更换通过排污阀(4、20)实施。以上既是热水蒸汽锅炉之结构机制和运行过程。(二)用小管径铜管，按平行管型集热器之集热管的支数、管径、长度制做U型短管，取管径略大于U型管之铜管两段用作入水干管与出水干管，按集热管之间距将U形短管之两端与入水干管和出水干管连接，同时将入水干管之末端和出水干管之始端封闭，既组成U型导水盘管(28)将其U形部分，置入相对应之集热管内，入水干管通过活瓣阀门(5)与给水箱(6)连接。出水干管通过活页阀门(7)与保温水箱(8)连接，将各集热管之开口端以管式盖帽(25)整体封闭使之成为连通结构，在盖帽之顶面设三用管口④(26)从而构成平行管型集热器之水循环管路。用两层金属薄板制作其面积略大于平行管集热器采光面积的浅水箱(22)，将其里面涂黑色，用小管径铜管制作曲线形盘管(23)固定在浅水箱内，盘管的入水端通过活瓣阀(5)与给水箱(6)连接，出水端通过活页阀(7)与保温水箱(8)连接，构成平板型集热器的水循环管路。将平行管型集热器与平板型集热器以前的重叠之方式组成一体，两个之入水和 出水与同一个给水设备和同一个保温水箱连接，构成一种管板复合式集热器(29)将用于制作热水的介质液，通过三用管③(24)三用管口④(26)将用于制作热水的介质液加入浅水箱(22)和聚焦之集热管(28)内，从而组成以盘管导水介质液导热为特征的太阳能集热器，上述三种集热器通过专用支架(29)设置在用户南墙之外壁易于采光处，通过导管与室内的给水设备(5、6)和保温水箱(7、8)连接，组成三种(聚焦之平行管型、平板型、管板复合型)以介质液导热盘管导水为特征的太阳能集热器的太阳能热水器。 

太阳能集热器的专用支架，(29)是用大螺钉(31)固定在用户南墙之外壁易于采光处，将集热器(30)顶面之两端，用活页(32)与支架面顶面连接，其底面之两端设置小型滑轮(36)，恰与支架底面之滑轮轨道槽(37)相结合，将长杆螺旋(33)之一端用轴套结构(32)固定在滑轮附近。其另一端穿过墙体之一点与室内的螺母(34)相啮合，转动螺母时螺杆即随之伸缩，拉动滑轮沿其轮道滑动，使集热器的底面可升可降，以调节其接收面的倾角。滑轮轨道槽和螺杆与螺母啮合之长度，是取集热器的高度为半径，再取其20度的弧线距离和直线距离，即是滑轮轨道槽之弧线长度和螺杆与螺母啮合之直线长度。以高度为1500mm的集热器为例，其20度的弧线距离为732mm，直线距离为450mm，其螺杆伸缩225mm，滑轮既可沿弧型轨道槽运行336mm，因为集热器接收面的倾角之调节，是以加10度和减10度的方式进行。滑轮和螺杆均需作双向运动，所以滑轮轨道槽和螺杆与螺母啮合之长度，应按20度的弧线距离和直线距离设计。集热器接收面之倾角的设置与调节，可按地球之运行与太阳在天空的位置的自然规律设定，在2、8月的中上旬，集热器接收面的倾角与当地地纬度相等，并以此倾角为基础，在5月的上中旬减10度，在11月的上中旬加10度，使其接收面更接近与阳光垂直，高纬度地区，集热器接收面之倾角的设置与调节，均不能大于45度为宜。 

二、构建家庭采暖、制冷、供热水系统：将热水锅筒之盘管(2)和太阳能集热器之盘管(28、23)的入水端，通过各自的活瓣阀门(5)与同一个给水箱(6)连接，其出水端通过活页阀门(7)与同一个保温水箱(8)连接，将保温水箱之出水与热水锅炉之入水连接(11)，使太阳能之热水通过热水锅炉用于供热水(9)采暖(10)和吸收式制冷机(38)的加热。通过蒸汽锅炉用于食品加工。消毒(18)和压缩制冷机(39)从而构成家庭采暖制冷、供热水系统。 

吸收式制冷机的运行是用75-100℃的热水回热通过再生器(42)凝结器(43)蒸发器(44)吸收器(45)循环制冷。压缩式制冷机是用过热蒸汽驱动热机做功用于压缩、冷凝、膨胀、蒸发四个过程而制冷。 

Claims (2)

1.一种小型热能设备，其是热水蒸汽锅炉和管板复合型太阳能热水器之组合装置，其特征是：用小管径铜管作导水盘管，用甘油与水之混溶液作导热介质组成节能装置，将其设置在加热容器内构成热水蒸汽锅炉和太阳能热水器，即用一定管径，一定长度的铜管制做容纳于热水锅炉之锅筒内的螺旋型盘管，将盘管的入水端通过活瓣阀门与给水箱连接，其出水端通过活页阀门与保温水箱连接，通过导管将热水锅炉之出水与采暖设备和供热水设备连接，在锅筒顶盖部设三用管口，用于介质液加入，排气减压，温度测试，将制取热水用的介质液加入锅筒，即构成热水锅炉，将锅筒加高至其液面以上的空间不少于600mm用作蒸汽锅筒，将液体流量表、气压表、气体流量表、排污阀设置在锅炉机组的相应部位，将蒸汽输出导管与用气装置连接，通过三用管口将制取蒸汽用的介质液加入蒸汽锅筒，即构成蒸汽锅炉，将热水锅炉之出水与蒸汽锅炉之入水连接，即构成设有节能装置的热水蒸汽锅炉，对热水锅炉加热制取热水，对热水锅炉和蒸汽锅炉同时加热制取蒸汽；同样，用小管径铜管按照平行管型太阳能集热器之集热管的支数、管径、长度制做U形短管，取两段其管径略大于U形短管的铜管，分别用作入水干管和出水干管，按集热器之集热管的间距将U形短管之两端分别与入水干管和出水干管连接，同时将入水干管的末端和出水干管的始端封闭，即构成U型导水盘管，将U形部分置入对应的集热管内，以管式盖帽将各集热管的开口端整体封闭，使之成为连通结构，在管式盖帽顶面设三用管口，将入水干管通过活瓣阀门与给水箱连接，出水干管通过活页阀门与保温水箱连接，通过三用管口将制取热水用的介质液加入集热管即构成平行管型太阳能集热器，用两层金属薄板制做其面积略大于平行管型集热器采光面积的浅水箱，将其内面涂成黑色，在浅水箱顶面设三用管口，用小管径铜管制做曲线形盘管，并将其固定在浅水箱内，盘管的入水端通过活瓣阀门与给水箱连接，出水端通过活页阀门与保温水箱连接，通过三用管口将制取热水用的介质液加入浅水箱，即构成平板型太阳能集热器，将平行管型集热器与平板型集热器以前后重叠之方式组成一体，将两者盘管的入水端与同一个给水箱连接，两者盘管的出水端与同一个保温水箱连接，即构成管板复合型太阳能集热器，并构成管板复合型太阳能热水器，将管板复合型太阳能集热器通过专用支架安装在用户之南墙的外壁易于采光处，通过导管将管板复合型太阳能集热器之盘管的入水端与室内的热水锅炉之给水箱连接，盘管的出水端与室内的热水锅炉之保温水箱连接，从而构成以自然循环为动力的水循环管路，当自然循环形成时，推动相关阀门的开关，实施给水、加热、热水储存自动运行，所述专用支架，是用金属材料制做，用螺钉固定在用户南墙之外壁的易于采光处，将管板复合型太阳能集热器顶面之两端用活页与支架顶面连接，在支架底面的两端设弧型的滑轮轨道槽，在管板复合型太阳能集热器底面的两端设小型滑轮恰与支架上的滑轮轨道槽相契合，将长螺杆之一端用轴套结构固定在管板复合型太阳能集热器底面之滑轮的附近，其另一端穿过墙壁之一点与设在室内的螺母相啮合，转动螺母则长螺杆伸缩，拉动管板复合型太阳能集热器底面的滑轮沿其轨道槽运行，使管板复合型太阳能集热器底面可升可降，以调节管板复合型太阳能集热器接收面倾角的大小，使其接收面更接近与阳光垂直。

2.根据权利要求1所述的一种小型热能设备，其特征是：热水蒸汽锅炉和管板复合型太阳能热水器之水循环管路的相关阀门可自行开关，给水箱的入水阀，是将其阀堵通过杠杆与给水箱内的浮球连接，浮球随给水箱之水位的升降而升降，可拉动阀门的开关，活瓣阀门是将其阀堵按照阀室的形状、大小用弹性金属薄片制成叶片状，将其一侧固定在阀室内壁、另一侧呈半开放状态，受压力推动而开关，活页阀门之阀堵亦用金属薄片制成以活页连接方式固定在阀室内，微动力即可开启，无动力自行关闭。

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