CN101324376A - 一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器 - Google Patents

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李文军
张义智
郭连考
郭长青
任福华
刘声普
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Abstract

本发明公开了一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，该太阳热水器采用多根全玻璃真空集热管，各根全玻璃真空集热管按倾斜方向横向插入一根旁集管，即每根全玻璃真空集热管的轴线与水平面有夹角α、α约是5°，从而组成悬挂在阳台矮墙外侧的集热管系统，集热管系统用两根循环管道(冷/热)、串联一台循环(水)泵与保温水箱构成流体循环回路，循环(水)泵输出口的冷流体通过安装在旁集管侧面的液体分配器与多根各全玻管独用冷流体管道连通以后、同时均匀地把冷流体直接输送至各全玻璃真空集热管管腔里部，从而置换出其中积存的热流体，最终汇集后输送至保温水箱构成一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器。本发明结构简单、热效率高、亦适用于高层建筑物。

Description

一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器
技术领域
本发明涉及一种通过冷/热水容积置换后获取热量的太阳(能)热水器，尤其是涉及一种改变传热方式来提高热效率的一种阳台分体式太阳热水器.
背景技术
当前太阳热水器采用的(太阳能)集热管有两类：一类是相变式“热管集热管”，其热效率高、传热方式简单，但价贵；另一类是全玻璃真空集热管(简称“全玻管”)，其热效率不及“热管”，但价廉并有百年多成功史，本发明用“全玻管”.
“强制循环”是指从集热管获取热量时需采用循环泵的一种获取太阳能的方式，在强制循环的太阳(能)热水器领域，通常采用的多种传热装置的共同特点是：“需要一种隔板”把传热流体与受热流体隔开，热量需穿过“隔板”才能完成传热，因而存在不小的热阻，热效率受影响.可通过提高流体流速来减小热阻、提高热效率，但“隔板”的存在使热阻仍然存在.本发明的目的之一是改变这种从集热管中获取热量的方式，改用循环泵把冷流体直接输送到集热管腔中已被热流体占据的空间，所谓“容积置换”，来获取热量、完成传热过程.这种传热过程不存在“隔板”，因而大幅度提高集热管的热效率.
“容积置换”方式取热的工作方法还可分成两类：一类是把从前一个全玻管腔中置换出的热流体顺序送入后一个集热管腔、置换出更热流体，按此串联方式从多根集热管腔获取热量，称“串联(式)容积置换取热”；另一类是同时把冷流体输送入几个全玻管腔、平行地同时置换出热流体，故称“并联(式)容积置换取热”，本发明是后者.
“串/并联容积置换取热”是一种工作原理，“并联容积置换取热”工作原理有人在太阳能热水系统中提出过(CN2190770Y)，但把它应用于“阳台分体式太阳热水器”却未有报导实，际上把“并联容积置换取热”应用于阳台分体式太阳热水器领域，却出现些新课题，而这些新课题至今未有人提出/解决.本发明的主导思想除了把“并联容积置换取热”原理应用于“阳台分体式太阳热水器”外，还要阐明与解决一些随之出现的新课题.
发明内容
本发明目的是提供“一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器”，为使这种“阳台分体式太阳热水器”得以实现，本发明必须解决在阳台分体式太阳热水器场合“并联容积置换取热”时，如何保持各根全玻管的热负荷(或流体流量)达到均衡匀(否则某些全玻管的热负荷会接近于零，等于失效！)；还需解决如何使循环泵的能耗降至最低，能耗低才能减小机器运转噪音，否则“并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器”的家居用户对它难以接受；最后还需解决该热水器如何在家居条件(特别是高层居家)下如何正常/平安运行.
阳台分体式的特点是保温水箱安放在阳台里侧，“集热管系统”悬挂在阳台“矮墙”外侧接受光照，保温水箱与集热管系统之间的流体由两根(热/冷)软循环管热连通，循环菅菅路中串联一台循环水泵.由于“矮墙”高度仅有1m，集热管系统中的多根全玻管一般均按(基本)水平方向布置；由于受矮墙“1m高度”限制，水平方向布置的全玻管总数不超过10根；这些全玻管的左或右侧必须有一根基本垂直方何布置的旁集管(联箱)把各根全玻管连接成一个整体，即各全玻管与一根旁集管组成一个集热管系统.这种“模式”已公认，本发明遵循它.
图1是“阳台分体式热水器”示意图(见后，).其图例说明汇集于下：1-保温水箱，2-热循环管路，3-循环水泵，4-各全玻管5-旁集管(又名联箱)，6-冷循环管路，4+5集热管系统.
顺便说明，若按该图面所示，该保温水箱(1)只能按“落水式”供应热水；若保温水箱(1)另外附设加热装置(夹套或盘管)，而循环管(热/冷)仅与该附设的加热装置连通，则保温水箱(1)可按“承压式”供应热水.这已是共识、不多述.
图2是“并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器”的集热管系统示意图(见后，图2).
各全玻管(4)基本按水平方向“横向”插入一根旁集管(5)，图2所示各全玻管(4)的轴线与水平面之间夹角为α，当α＝0时各全玻管(4)严格按水平方向直插入旁集管(5)；当α≠0时各全玻管(4)按倾斜方向直插入旁集管(5)(全玻管口向上倾斜).现图面所示是各全玻管(4)按倾斜方向直插入旁集管(5)(全玻管口向上倾斜).
图示(4f)为最上部一根全玻管、(4l)为最下部一根全玻管.请注意在“阳台分体式太阳热水器”场合，(4f)与(4l)之间虽最多间隔8根全玻管，但它俩间的垂直距离接近1m(如在“热水系统”场合，其垂直间距仅0.2m)，即当“阳台分体式太阳热水器”的集热管系统充液工作时，(4l)出口端承受的液体静压强要比(4f)高出“1m液柱静压”！这个数值将严重影响到随后谈到的“各根全玻管(4)的热负荷不均衡”.这是“热水系统”中不存在的，只在阳台分体式太阳热水器才存在的特征课题.(6)是循环泵(3)出口端冷流体进入旁集管(5)的冷循环管路，当按“并联容积置换”方式从各全玻管(4)置换出热流体时，冷循环管路(6)中的冷流体必须经过一个安装在旁集管(5)侧面的流体分配器(7)，把冷流体均匀分开成“与全玻管总数相等的份数”、然后分别由“各全玻管独用冷流体管道(4a)”把冷流体直接输送入各全玻管(4)管腔内部，把原先积存在各全玻管(4)管腔内部的热流体置换出来，然后汇集于旁集管(5)的顶部出口端(5t)，然后由热循环管路(2)送至保温水箱(1)，完成“并联容积置换方式取得热量”.
由图2知，最下面一根全玻管(4l)管腔中流体出口端承受的流体静压要比最上面一根全玻管(4f)管腔中流体出口端承受的流体静压，高出“1m液柱静压”.由于全玻管内腔不耐压，致使不能选用扬程较大的循环泵(3)，一般选扬程小于“4m液柱”的循环泵(3)，即这“1m液柱静压”占循环泵(3)总扬程的25％！假如各全玻管独用冷流体管道(4a)的管径与长度亦相同，流体阻力降将相同，则最下面一根全玻管(4l)管腔中的全玻管独用冷流体管道(4a)的流量Q-1要远小于最上面一根全玻管(4f)管腔中的全玻管独用冷流体管道(4a)的流量Q-f，甚至形成Q-1＝0，即该全玻管“断流”(或热负荷为零！).为解决这一在“热水系统”中不存在的新课题，本发明采取的方法是：在各(4a)中串联一段“流体阻力调节段(4c)”，其实质是“变径段”或是采取长度不等的管道，从而保证各全玻管的热负荷(流体流量)相同.本发明采用“变径段”.这是在“阳台分体式太阳热水器”中采用“并联容积置换取热”原理获取热量所出现的特征课题.
为使循环泵(3)的能耗降低，本发明采用如下一些方法.第一，各全玻管独用冷流体管道(4a)的管径要缩小，不能按“热水系统”中采用“管径是全玻管径的1/2”(ZL200420043638.5)，即管径是18-23mm.本发明管径仅为8-10mm，或管道截面积仅是“热水系统”中的25％以下.管径愈小，循环泵(3)的能耗及噪音就愈小，才适用于居家使用.第二，各全玻管(4)或(4f)(4l)等的轴线与水平面夹角不等于零(α≠0)，α取值范围为0°至15°，一般取α≈5°，即全玻管口均向上倾斜接近5°，这有助于全玻管腔中的冷流体自发下流、热流体自发上浮，使部分冷/热流体置换自发进行，节省能耗.第三，正因α≈5°以后，“全玻管腔中的冷流体能自发下流、热流体能自发上浮”，故各(4a)没有必要象“热水系统”中那样深深插到“接近底端”(ZL200420043638.5)，插入深度只需接近全玻管长度的1/2已够.本发明插入深度选用“全玻管长度的1/2至4/10”，即不超过“1/2”.这些均与“热水系统”中的做法相差极大.流体流动管程愈短、流动阻力愈小，才使循环泵(3)能耗降低.第四，在某一全玻管(4)管腔中部安放一个热电偶、保温水箱(1)内腔安放另一热电偶，当这两个热电偶指示温度之差(“温差”)超过某值，如15℃时，启动循环泵(3)；当“温差”小于某值，如5℃时，制动循环泵(3).即“很少启动循环泵(3)”，达到节电能.第五，为减小各全玻管独用冷流体管道(4a)中的流体流动阻力、降低能耗，各全玻管独用冷流体管道(4a)的选材采用表面光滑的材质制成，诸如聚丙烯、氟塑料、硅橡胶或硅酸盐制品.
“一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器”适用于高层建筑，但因此必须考虑到：全玻管(4)一旦破裂，如何防止玻璃碎片及热水坠落伤害行人？本发明的解决方法是：每根全玻管(4)单独用一个底端“封闭”的圆柱形细丝网套(8)、把各全玻管(4)“兜住”.该网套由金属/工程塑料细丝编织而成，网套孔格的平面尺寸(mm)与3*3至6*6的方形面积相当；同时用2-3根直径1-3mm的不锈钢丝连系住各全玻管(4)的各网套(8)、并绑定在就近的牢固支架上，从而防止玻璃碎片伤人，同时又不影响全玻管(4)采热.至于如何防止热水伤人？本发明的措施是：在集热系统(4)+(5)的下面安装一个投影面积呈矩形的“平底盆”(9)，集热系统(4)+(5)对地面的投影恰在其盆腔内.“平底盆”由耐光照的工程塑料玻璃钢构成，自重很轻，同时固定在阳台“矮墙”外壁.“平底盆”(9)底部有孔道与住房雨水下泄管路连通，从而防止“热水伤人”.
最后，考虑到一些家庭会有一段时间内“无人照管热水器”的情况，本发明把可自由装/卸的“防晒布罩”安装于集热管系统(4+5)的迎光面，防晒罩采用浅色或银色膜式材料制成，其效果是在必要时阻挡阳光照射到集热管系统(4+5)，使本发明的“阳台分体式太阳热水器”停止工作.
现把图2的图例说明汇集于下：
2-热循环管路，4f-(旁集管)最上面一根全玻管，4l-(旁集管)最下面一根全玻管，4a-各全玻管独用冷流体管道，4c-各全玻管独用冷流体管道的流体流动阻力调节段，5-(各全玻管的)旁集管(又名联箱)，5t-旁集管顶端热流体出口，6-冷循环管路，h-h水平面/线α-全玻管(4)轴线与水平面/线夹角，7-(冷)流体分配器，8-圆柱外形细丝网套，9-投影面积呈矩形的“平底盆”.
实施方式
制作一个能“直插”9支直径58mm、长度1.8m全玻管(4)的旁集管(5)，旁集管(5)的另一侧面设置一个流体分配器(7).流体分配器(7)的一端有一个冷流体进口管口，它与公称直径25mm的聚乙烯管连接后再与循环泵(3)出口端连通；流体分配器(7)的另一端伸入旁集管(5)管腔，该端口有9个直径8mm的管口相联通，这9个管口均各有一根直径8mm的聚四氟乙烯管连通后，成为各全玻管独用冷流体管道(4a)，共9根，它们从旁集管(5)管腔中的9个“直插”9支直径58mm全玻管的圆孔分别引出后，分别插进一根全玻管(4)管腔，直至接近“1/2”深处.另外在各全玻管独用冷流体管道(4a)中部连接一段特定直径的聚四氟乙烯管道，构成各全玻管独用冷流体管道的流体流动阻力调节段(4c).当把9支全玻管(4)分别插入旁集管(5)后，即组成集热管系统.把它安装在阳台“矮墙”外侧时，使每根集热管(4)的轴线与水平面夹角α≈5°(有5°的倾斜)；而旁集管(5)的轴线与铅垂线亦有接近5°的倾斜.每根全玻管(4)单独用一个底端“封闭”的、不锈钢细丝编织成的圆柱形细丝网套(8)“兜住”.
旁集管(5)的顶部有一公称直径25mm的出水管口，用聚乙烯管与保温水箱(1)底部连通，保温水箱(1)的底部另有一出水管口，用聚乙烯管与循环泵(3)的进口端连通.保温水箱(1)的内腔插进一个“铜/康铜”热电偶，在旁集管(5)的侧面插进另一“铜/康铜”热电偶、其测温端深深插至某一全玻管(4)管腔的深处.这两个热电偶按极性反接方式向循环泵(3)控制系统提供“温差电动势”，当“温差电动势”相当于15℃时启动(3)、当降至相当于5℃时停转(3).
在集热系统(4)+(5)的下面安装一个投影面积呈矩形的、工程塑料玻璃钢构成的、底部有孔道与住房雨水下泄管路连通的“平底盆”(9)，集热系统(4)+(5)对地面的投影恰在“平底盆”(9)的盆腔内.在集热系统(4)+(5)的迎光面安装一个可自由装/卸的、由银色膜式材料制成的“防晒布罩”.
与通用的“整体式”太阳热水器做对照试验显示，在同一个日照日测定相同时间段内两种热水器保温水箱中温(度)升(高)值ΔT1与ΔT2，其中ΔT1为本发明“一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器”的温升值.经折算成“等效相对热效率”后，对比数据表明本发明的“ΔT1”比“ΔT2”要高出15％以上.

Claims (9)

1.一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，由多根全玻璃真空集热管(“全玻管”)沿水平方向插入一根直立的旁集管组成分体式太阳(能)热水器的集热管系统，集热管系统用冷/热循环管与阴藏于建筑物里部的保温水箱连通后构成冷/热流体循环回路，流体循环回路中串联一台循环泵、把集热管系统中的热流体输送至保温水箱，其特征在于，多根全玻管(4)均沿倾斜方向插入一根倾斜的旁集管(5)组成集热管系统(4+5)，旁集管(5)的一个侧面设置一个流体分配器(7)，流体分配器(7)连接多根各全玻管独用冷流体管道(4a)，利用循环泵(3)的动力把冷流体均匀地输送入各(根)全玻管(4)管腔内部，置换出管腔内部的热流体后汇总输送入保温水箱(1)，各全玻管(4)外围有一圆柱形细丝网套(8)把全玻管(4)“兜住”，集热管系统(4)+(5)的下面安装一个玻璃钢构成的“平底盆”(9)，集热管系统(4)+(5)的迎光面安装防晒布罩，构成一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器.
2.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中多根全玻管(4)均沿倾斜方向插入一根倾斜的旁集管(5)，其特征在于，每根全玻管(4)的轴线与水平面的夹角为α，α的数值介于0°至15°之间，一般接近5°.
3.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中旁集管(5)的一个侧面设置一个流体分配器(7)，其特征在于，流体分配器(7)的功能是把循环泵(3)输送出的冷流体分开成多份冷流体，其具体数目恰与集热管系统(4+5)中各集热管(4)的数目相同.
4.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中流体分配器(7)连接多根各全玻管独用冷流体管道(4a)最终置换出各集热管(4)管腔中积存的热流体，其特征在于，各全玻管独用冷流体管道(4a)插入每根全玻管(4)管腔的深度是接近全玻管(4)管腔深度的1/2，一般取1/2至4/10深度范围.
5.根据权利要求1与权利要求4所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其特征在于，所述多根各全玻管独用冷流体管道(4a)的材质是氟塑料、聚丙烯、硅橡胶或是硅酸盐制品.
6.根据权利要求1与权利要求5所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其特征在于，所述多根各全玻管独用冷流体管道(4a)的管径数值仅是8mm至10mm，一般取8mm.
7.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中多根全玻管(4)均沿倾斜方向插入一根倾斜的旁集管(5)组成集热管系统(4+5)，其特征在于，每根全玻管(4)均用一个由金属/工程塑料细丝编织成的、被不锈钢丝绑定在支架上的圆柱外形细丝网套(8)“兜住”.
8.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中多根全玻管(4)均沿倾斜方向插入一根倾斜的旁集管(5)组成集热管系统(4+5)，其特征在于，集热管系统(4+5)下方安装有工程塑料玻璃钢制成的、对地面投影面积呈矩形的、底部具有排泄液体管口的“平底盆”(9).
9.根据权利要求1所述的一种并联容积置换取热的阳台分体式太阳热水器，其中多根全玻管(4)均沿倾斜方向插入一根倾斜的旁集管(5)组成集热管系统(4+5)，其特征在于，集热管系统(4+5)的迎光面的紧临上方安装可随意装/卸的“防晒布罩”.
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