CN101629761B

CN101629761B - 一种太阳能热水器系统

Info

Publication number: CN101629761B
Application number: CN2009101842699A
Authority: CN
Inventors: 邵文远
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: CN101629761A

Abstract

本发明涉及一种太阳能热水器系统。包括集热器、储水箱、冷水管、热水管和呼吸器，储水箱与集热器连接，冷、热水管分别与储水箱连接，呼吸器至少由呼吸体和置于该呼吸体内的气泡组成；呼吸体是一刚性容器，设有进水口和出水口，其内置有水，在该进水口和出水口上分别设有单向阀；气泡是一其内置有低沸点物质的密闭柔性容器；冷、热水管分别通过对应的单向阀与呼吸器的进、出水口连接。本发明利用上述低沸点物质相态变化而引起的体积较大变化来产生水压变化从而使单向阀打开或闭合，实现冷、热水的循环，这样打开热水龙头时，能立即得到热水，而不需要排出大量冷水后才可得到，节约水资源，并提高太阳能热水器的使用效率。

Description

一种太阳能热水器系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水器系统。

背景技术

现有太阳能热水器的结构如图1所示，集热器和储水箱一般置于便于接受太阳能的高处，如屋顶上。集热器中的水经集热器吸收太阳能加热后(或者在储水箱中电辅助加热)，内循环至高处与之连通的储水箱中，储水箱通过热水管将热水送到用户家里，供用户使用。储水箱的进水旦连接冷水管，则不断向集热器补充冷水。

上述的这种太阳能热水器存在如下的不足：处于高处储水箱中的热水与处于低处用户家中热水管内的冷水，无法自动进行循环。一般情况下，尤其冬天，一段时间不用热水后，热水管中的水自然冷却，再次使用热水需要将热水管中已冷却的冷水放完才能放出热水。也就是说，要想随时打开热水龙头及时得到热水是不可能的。除非有电动泵专用于排空管中的冷水，这将增加使用成本和能耗。

发明内容

本发明的目的是提供能使高处热水与低处冷水实现循环的一种太阳能热水器系统，它通过下述技术方案得以实施：

包括集热器、储水箱、其上设有进水口的冷水管和其上设有出水口的热水管，储水箱与集热器连接，所述热水管和冷水管分别与储水箱的出水口和进水口连接，还包括呼吸器，该呼吸器至少由呼吸体和置于该呼吸体内的气泡组成；所述呼吸体是一刚性容器，设有进水口和出水口，其内置有水，该进水口和出水口上分别设有单向阀；所述气泡是一其内置有低沸点物质的密闭柔性容器；冷、热水管分别通过对应的单向阀与呼吸器的进、出水口连接；在呼吸器内的水温高于所述低沸点物质的沸点时，该物质呈气相，气泡体积变大，呼吸器内压增大，出水单向阀打开，呼吸器内的水向所述冷水管排出；在呼吸器内的水温低于所述低沸点物质的沸点温度时，该物质呈液相，气泡体积变小，呼吸器内压减小，进水单向阀打开，所述热水管的水进入呼吸器；使热水管中的水与冷水管中的水通过呼吸器进行循环。。

上述设计方案中的进一步设计在于，呼吸器还包括启动加热器，该启动加热器由加热电阻、储水箱温控开关及呼吸器温控开关组成，三者相互串接。

上述设计方案中的进一步设计在于，低沸点物质采用环戊烷，还可采用异戊烷或正戊烷。

上述设计方案中的更进一步设计在于，呼吸器外侧的保温层采用比所述热水管外侧保温层更易于散热的材料，或呼吸器外侧不置保温层，使得呼吸器内的水比热水管内的水更快降温。

本发明利用一种低沸点物质，该物质在常压下低于沸点温度T4时，呈液相(态)，体积为V_L，当超过T4时，该物质吸收热量，由液态变为气相(态)，体积扩大数百倍，即V_G＝nV_L(n一般为几百，不同物质有所不同)；当温度小于T4时，该物质释放热量，由气态变为液态，体积回到原来的体积V_L。

本发明利用上述低沸点物质相态变化而引起的体积较大变化来产生水压变化，从而使单向阀打开或闭合，实现冷、热水的循环。由此产生这样的有益效果：实现低成本、低功耗的冷热水循环，这样即使在寒冷的冬季，随时打开热水龙头时，也能立即得到热水，而不需要排出大量冷水后才可得到。节约水资源，并提高太阳能热水器的使用效率，促进太阳能热水器的更充分、广泛地应用。

附图说明

图1现有热水器的结构示意图。

图2是本发明一实施例的结构示意图。

图3是本发明另一实施例的的结构示意图。

图4是呼吸器的结构示意图。

图5是环戊烷的温度与蒸汽压的关系曲线。

图6是正戊烷的温度与蒸汽压的关系曲线。

图7是异戊烷的温度与蒸汽压的关系曲线。

具体实施方式

本发明的太阳能热水器系统的一实施例如图2所示，主要由集热器D、储水箱S、热水管H、冷水管C和呼吸器B组成。冷、热水管上分别设有进水口P_C、P_H。储水箱S的下端与集热器D上端连接，热水管H上端与储水箱S的出水口连接，冷水管C与储水箱S的进水口连接。热水管H和冷水管C分别与呼吸器B连接。

呼吸器B至少由容纳水的呼吸体B1和置于该呼吸体B1内的气泡B2组成。呼吸体B1是一不易变形的刚性密闭容器，例如用PVC材料制作。如在呼吸器B的外侧包裹保温材料，则该保温材料应比热水管外侧的更加容易散热，保证呼吸器B内的水比热水管内的水更快地冷却。在呼吸器B的上端设有进水口，在该进水口上安装进水单向阀U1；在呼吸器B的下端设出水口，在该出水口上安装出水单向阀U2。热水管H的下端通过进水单向阀U1与呼吸器B的进水口连接，冷水管C通过进水单向阀U2与呼吸器B的出水口连接。

呼吸器B还可由上述的呼吸体B1和气泡B2，再加启动加热器构成。启动加热器由加热电阻R和与之串联的储水箱温控开关SW1及呼吸器温控开关SW2组成。温控开关SW1置于储水箱中，温控开关SW2置于呼吸器内部。这种呼吸器在储水箱水温高于T1时，SW1闭合(低于T1时，由于储水箱中水温低，没有必要水循环)；呼吸器内的温度低于一设定温度T3时SW2闭合，加热后水温高于一设定温度T2时温控开关SW2断开，便于系统产生冷热水循环和降低功耗。图2所示系统采用该呼吸器B。

气泡B2是用聚乙烯材料制成的密闭容器(也可以用其他类似材料制成)，其内置有一定量的低沸点物质——环戊烷(其放入的质量能保证在其全部汽化时可以涨大到B2的极限体积以内)。环戊烷的分子式是C5H10，分子量70，密度0.75克/毫升，是低毒性的物质，用于非饮用热水应对人体是安全的。它在常压下的沸点为T4＝49.3℃，常温常压下气泡B2内的环戊烷呈液体，体积很小，在温度超过沸点温度T4的常压状态下，汽化为气体，体积约为液体的240倍左右，其蒸汽压和温度关系曲线如图4。环戊烷沸点温度及汽化后的体积与外部压力有关。在外部压力大于1个大气压、温度超过沸点温度的状态下，汽化后的气泡体积与液化的气泡体积之比小于240倍，但仍然是一个很大的膨胀系数。低沸点物质此外还有正戊烷和异戊烷等，它们可置于气泡内，使气泡产生较大的体积变化，图5、图6分别是正戊烷和异戊烷所对应的蒸汽压和温度关系曲线。丛图4～6可以看出，在同一沸点温度下环戊烷气化时所对应的压力最小，而异戊烷对应的压力最大。所以在选择低沸点物质时，主要根据储水箱与呼吸器之间的垂直高度差和热水出口的水温来确定。

气泡可以一个，也可以多个地置于呼吸器B内，且保证气泡完全膨胀时，气泡B2最大限度充满呼吸器B内部，在保证呼吸器B正常工作的同时而不影响单向出水阀的工作。采用多个气泡则安全性更好，这样每个气泡内所含低沸点物质就更少(一般在液化状态下只有1～5ml)，一旦气泡破损，泄漏量十分有限，对人体不会形成任何危害。

本实施例的呼吸体B1的容积为1000ml，内部充满水W并置有4个气泡B2，请参见图4。4个气泡B2完全气化膨胀后的体积约为750～900ml，4个气泡B2内置环戊烷大约3～10ml，气泡膨胀后会挤压水，使呼吸器的内压增加，气泡B2向上浮起，为防止气泡B2浮在呼吸器上部堵塞进水单向阀，或气泡B2收缩后下沉堵塞出水单向阀，在进、出水单向阀的进、出水处置有防堵网N，防堵网N或是半球形的过水网，不易变形，分别安装在进、出水单向阀所在的进、出水口处，使得气泡无论在任何状态都不能堵住单向阀，而水可以通畅流入、流出。

本发明的太阳能热水器系统的另一实施例如图3所示，没有启动加热器的呼吸器B安装在热水出口P_H垂直位置的上面。冷水管C和热水管H外壁安装保温材料，减少热量损失(正常工作后，冷水管中的水也不再是冷水)。而呼吸体B1则用比冷水管和热水管外壁更容易散热的保温材料，或者不装保温材料，其目的是使呼吸器B的散热比热水管H来得快。呼吸器B的体积与热水管H的体积之比最好在0.1～1的范围内

下面以含有启动加热器的太阳能热水器为例说明本发明系统工作的过程：

系统开始工作时，只要打开冷水入口和热水出口，可以使整个系统内充满冷水。呼吸器B中的汽包B2处于很小的体积，气泡内环戊烷(以环戊烷为例)为液体。SW1由于储水箱中的水温低于T1，处于断路状态，启动加热器不工作。

当集热管吸收热量或者储水箱中的加热器工作，储水箱的水温升高到T1(T1一般至少70℃)后，SW1接通。此时，呼吸器B2的水温低于设定温度T3(T3一般取低于呼吸器压力下环戊烷的沸点温度T4约4～5℃)，SW2接通。启动加热器中的加热电阻R开始加热。加热的效果除抵消呼吸器B与外部的热交换和环戊烷汽化需要的热量外，还使得呼吸器B内水温升高。

当水温超过T4(T4是在呼吸器压力下环戊烷的沸点，T4的温度大于常压下环戊烷的沸点)，气泡A内的环戊烷汽化，体积急剧膨胀，呼吸器B内部压力增加，出水单向阀U2打开，呼吸器B中的冷水持续流入冷水管C中。

当呼吸器B的水温大于设定温度T2(T2一般取高于呼吸器压力下环戊烷的沸点温度T4约4～5℃)时，SW2断开，启动加热器R停止加热，热平衡后，出水单向阀U2关闭。此时的状态是：气泡B2体积最大，呼吸器B内的水量很少，水温是T2，两个单向阀关闭，启动加热器R停止，这种状态保持一段时间。

因呼吸体B1的热传导效果较好，使呼吸器B内的水温较快下降，当水温低于T4时，气泡B2气态的环戊烷液化，释放热量(由于环戊烷的质量很小，释放和吸收的热量都非常有限)，气泡B2的体积逐步减小，呼吸器B中的压力减小，热水管H中的冷水通过进水单向阀U1向呼吸器B内持续注水，气泡B2体积持续减小、环戊烷持续液化，直到进水单向阀U1两侧的压力相等，进水单向阀U1关闭。

如果热水管H的容积V_H与呼吸器B的容积V_B相当，即V_H∶V_B≈1，经过一个循环过程，热水管H中已经充满热水。建议热水管H的容积与呼吸器B的容积在一个数量级，即V_B∶V_H≤10，这是考虑到V_B的体积不能太大，要便于安装，而V_H的体积依赖于热水管的长度和截面积。

如果热水管H的体积大于呼吸器B的体积，则需要两个或多个循环：进水单向阀U1附近的水温为T5，低于储水箱温度T6(T6＞T1)但高于环戊烷沸点温度T4。此时呼吸器B内的水是从原来热水管H中流入的冷水，如低于设定温度T3，启动加热器中的加热电阻R再次工作，气泡B2再次膨胀，把呼吸器B内的冷水通过出水单向阀U2注入冷水管C。在水温达到T2时，加热电阻R停止加热。此时气泡B2保持膨胀状态，两个单向阀U1、U2关闭，加热电阻R停止加热，呼吸器B内部的水温为T2，而且水的数量很少。整个系统处于静态，热水管中的水温在T5与T6之间。

处于静态下的呼吸器B向外界散热，其散热速度比热水管快，即温度下降得较快。一旦呼吸器B的水温小于T4，汽包A内的环戊烷液化，呼吸器B内的压力减小，进水单向阀U1打开，热水管H中的水温为略低于T5的热水(有保温材料，温度下降有限)注入呼吸器B，呼吸器B内的水温上升，汽包内的环戊烷汽化，体积膨胀，压力增加，出水单向阀U2打开，呼吸器B底部的水注入冷水管C，直到汽包A膨胀到该环境下的最大值，系统再次进入静态，单向阀U1、U2关闭。这个过程中，启动加热器不工作。

只要储水箱中有温度大于T1的热水，启动一次(或数次)启动加热器，使得热水管H内充满热水，以后这种间歇性的冷热水循环可以自动进行，启动加热器将不再作用。如果长期没有阳光，储水箱中的水温低于T1，启动加热器不工作，系统不能进行循环。也就是说，只有储水箱中有高温热水时，冷热水循环才可进行，启动加热器才工作，可节约能源。由于呼吸器B间歇性地从热水管输入温度为T5的热水、向冷水管输出温度T4左右的热水，就像呼吸一样不断地吸入、排出。

如要降低成本，本发明可采用无启动加热器的呼吸器B。那么，在储水箱中有热水而热水管中是冷水时，需要在第一次开启热水开关时，放掉热水管中的冷水，此后只要储水箱中有高于一定温度的热水，水循环会自动进行。但是一旦储水箱中水温低于T4时，也必须打开热水开关放冷水后，才能实现高处热水和低处冷水的自动循环。

呼吸器B可以安装在热水出口的垂直位置上面，也可以安装在热水出口的垂直位置下面。一般来说，如果热水管中有多个热水出口，呼吸器放在最下面的热水出口的垂直位置之下较好。如果不安装启动加热器，则呼吸器必须安装在最低的热水出口的上面(图3)。

呼吸器B的体积可以根据热水管的体积，做成不同的尺寸，在安装便利的情况下尽量接近热水管的体积，可以减少功耗损失。

如果呼吸器不装保温材料，散热较快，整个系统的热效率会下降，如果呼吸器体积较小，则不装问题不大，如果体积较大，建议使用比热水管保温效果差的材料。

根据不同的安装高度差，可以选用环戊烷、异戊烷和正戊烷，也可以选择其他类似的物质。

本发明中的呼吸器B，单向阀U1、U2、温度开关SW1、SW2和加热电阻R的价格都低廉，汽包B2制作简单、成本低。所以，通过冷热水循环，实现随时打开热水龙头即能得到T4左右的热水所附加的装置价格十分低廉，而且是低功耗，同时达到节约水的目的，提高了太阳能热水器的使用效率，促进太阳能热水器更充分、更广泛地应用。

Claims

1.一种太阳能热水器系统，包括集热器、储水箱、设有进水口的冷水管和设有出水口的热水管，储水箱与集热器连接，所述热水管和冷水管分别与储水箱的出水口和进水口连接，其特征在于还包括呼吸器，该呼吸器至少由呼吸体和置于该呼吸体内的气泡组成；所述呼吸体是一刚性容器，设有进水口和出水口，其内置有水，该进水口和出水口上分别设有单向阀；所述气泡是一其内置有低沸点物质的密闭柔性容器；冷、热水管分别通过呼吸器的进水口和出水口上的单向阀与呼吸器的进、出水口连接；在呼吸器内的水温高于所述低沸点物质的沸点时，该物质呈气相，气泡体积变大，呼吸器内压增大，出水单向阀打开，呼吸器内的水向所述冷水管排出；在呼吸器内的水温低于所述低沸点物质的沸点温度时，该物质呈液相，气泡体积变小，呼吸器内压减小，进水单向阀打开，所述热水管的水进入呼吸器；使热水管中的水与冷水管中的水通过呼吸器进行循环。

2.根据权利要求1所述一种太阳能热水器系统，其特征在于所述呼吸器还包括启动加热器，该启动加热器由加热电阻、储水箱温控开关及呼吸器温控开关组成，三者相互串接。

3.根据权利要求1或2所述一种太阳能热水器系统，其特征在于所述低沸点物质采用环戊烷，还可采用异戊烷或正戊烷。

4.根据权利要求1或2所述一种太阳能热水器系统，其特征在于所述呼吸器和冷、热水管外侧包裹保温材料，呼吸器外侧的保温材料采用比所述热水管外侧保温材料更易于散热的材料，或呼吸器外侧不置保温层，使得呼吸器内的水比热水管内的水更快降温。