CN102235762A - 太阳能热水器导流板 - Google Patents

Abstract

太阳能热水器导流板涉及一种太阳能热水器，尤其是能够使集热管的热水进入储水箱后，有效进行热交换的热水导流装置。期望从源头上解决太阳能热水器中热水和冷水的对流问题，使集热管内管的热水沿着向阳面顺利上行，进入储水箱后沿着导流板迅速上浮，在更大的空间与冷水进行热交换，储水箱的冷水顺利进入集热管，沿着背阴面下行，填补留下的空间。导流板由连接环和热水通道组成，热水通道是沿着连接环轴向伸展的一个弯曲的弧面，该弧面的两个侧边向下垂，弧面的凸出方向向上，弧面的尾部上翘，伸向储水箱的热水区。常规太阳能热水器安装导流板，能够改善集热管和储水箱中的水的对流，提高水循环速度，提高集热效率。

Description

太阳能热水器导流板

技术领域

本发明涉及一种太阳能热水器，尤其是能够使集热管的热水进入储水箱后，有效进行热交换的热水导流装置。

背景技术

1995年北京清华大学太阳能电子厂发明全玻璃真空太阳能集热管，专利号95215311.4。采用该专利技术的集热管下端封闭，上端开口，上端插入储水箱，成为太阳能热水器的典型结构。水在集热管内管中吸收热能，水在集热器内管与储水箱之间自然循环，储水箱中的水逐步变热。此后，对太阳能热水器性能改进方面的研究和探索方案不断出现，针对热水器中的水的对流方面的研究显得尤为突出。

专利1，200420005284.5，一种太阳能集热管。该专利技术在集热管内管中设置了有传热翅片的金属管，并在该金属管内插入一隔条将其分为阴面、阳面两个流道，该金属管上部插入储水箱，金属管在储水箱底部和上部都有开口，在储水箱底部开口使冷水进入金属管，沿着阴面流道下行，直接送到集热管内管的下端，热水沿着阳面流道上行，最后在储水箱上部的开口流出，期望提高水的对流速度，提高热效率。该技术中采用金属管，金属材料的导热系数很高，沿着阳面流道上行的水的温度高，沿着阴面流道下行的水的温度低，即使它们初始状态的温度差异较大，也会因为迅速发生热交换，温度趋同，所以，下行的水会很快失去下行的动力，并在阴面流道内产生向上的回流，不可能到达集热管的下部，同样道理，上行的水也会很快失去上行的动力，并在阳面内产生向下的回流，不可能到达储水箱上部的热水区，即使进入热水区，也会因为同样原因无法溢出管口，流入储水箱内。应用该技术达不到提高对流速度，提高热效率的目的。

专利2，98227332.0，太阳能真空管热效率提高装置。该专利技术在集热管内管中设置一根细长的管子为低温水进水管，直接将储水箱中底部的冷水，引入集热管内管的底部，被加热的热水从内管上端出口处的高温水出水管上行，进入储水箱的上部热水区，期望提高对流速度，提高热效率。

专利3，00244726.6，自循环太阳能集热管，该专利技术在集热管内管中设置了粗的管子为进水管，直接将储水箱中底部的冷水下行，引入集热管内管的底部，被加热的热水上行从内管上端出口，进入储水箱的上部热水区，期望实现冷热水的分流循环，提高热效率。

论文1，《不同朝向全玻璃真空太阳能集热管的热性能比较》，孙清、李剑等，太阳能2007-12，20页。研究结果表明：自然循环时，不同朝向真空管具有不同的集热性能，倾斜真空管系统日总得热量为1.17×10⁶J，水平及垂直真空管系统总得热量为1.12×10⁶J和0.88×10⁶J，各占倾斜管总得热量的96.35％和75.56％。

论文2，《全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究》，雷进波，浙江大学硕士论文，2004年2月，54页。研究结果表明：当集热管水平放置时，由于没有了轴向自然对流，所以整个集热管在轴向温度一致，303K-304K，与其他倾斜角度中间处的温度相当，但是在集热系统中，如果没有了温度梯度，则真空管内的水不会很好地与水箱内的水实现热交换，不利于换热。倾斜角度为30°到90°之间时，自然对流已经充分建立，不会影响集热管和水箱的换热。

论文3，《全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究》，钟建立、付丽霞等，浙江大学学报(农业与生命科学版)，2005年，31期，354页。当集热管内管的涂层的热量经玻璃内管传给水时，最靠近壁面的部分最先受热，温度升高，密度下降，所以从底部上升；在圆周方向上，靠近壁面的速度稍小于里面一点的速度，速度达到最大后又逐步下降，直至为零，然后是中间部分的水流，速度方向向下；在轴向方向上，中间是强烈对流换热部分，速度最大约为3×10^-3m/s，底部为滞止状态，热交换很弱。

在以上专利1-3、论文1-3中，针对应用下端封闭、上端开口的全玻璃真空太阳能集热管制造的太阳能热水器的性能分析和技术改进的方案，存在两个不妥当的地方，其一是没有考虑到作为集热管内管的材质是玻璃，它和水都是热的不良导体，内管总是存在被太阳照射的向阳面和背面的背阴面，这是两个热学状况不同的部分，向阳面接受到太阳的热辐射温度高，背阴面温度低；其二是没有重视集热管上端开口附近的热学状态，开口处既是集热管的上端，热水的出口，温度应当最高，也是储水箱的底层，水温实际最低，此处的热学状况是问题的关键所在。

由于从集热管中上行的热水一出管口就遇到储水箱底层的冷水，热水与冷水迅速进行热交换，使下行的冷水温度上升，几乎与管口的热水相同，下沉的动力变小，下行的速度降低，这种状态更有利于继续与上行的热水进行热交换，于是温度更高，下行速度更慢，甚至最终停顿，造成集热管下部循环微弱，这种情况在集热管垂直放置状态最为严重。

水也是热的不良导体，从热传导的角度看，效率低于玻璃，由于水是流体，可以通过对流进行热传递，通常不会注意到热传导的效率低。集热管内管由玻璃制成，它的热传导效率高于内管中的水，如果水的热对流减弱到足够小，热传导成为热传递的主要途径，玻璃材质的集热管就会在热传递上取得对于水的优势。在这种情况下，集热管内管向阳面接受的太阳能就优先向集热管的背阴面传递，最终形成集热管内管背阴面的温度也高于管中的水的状态，热能于是可以从背阴面和向阳面两个面向管中的水进行热传递。这就是以上文献中集热管内管中水的对流模式的形成原因。

按照以上文献中的这种对流模式，似乎可以在集热管内管中设置一根长管，将冷水直接送至集热管下部，这就是文献中技术改进的基本思路。由于这一冷水流道处于外部热水的包围之中，冷水在下行的过程中不断被加热，下行速度不断降低，极有可能中途停止，并在这一冷水下行流道中产生向上的回流，同样道理，外部的热水温度降低，产生向下的回流，造成集热管水循环速度严重降低，热效率严重下降。实际上，如果真能将冷水直接送到集热管内管的下端，极有可能会因为过大的温差，超出了玻璃的热膨胀范围，造成集热管内管下端破裂。

专利1、专利2和专利3采用了相同的引导集热管中的热水进出储水箱的热水区的方法，由于在热水沿着热水上行通道流动的同时，与储水箱中较冷的水之间的热交换一直进行，管中的热水不断降低温度，密度增大，上行的动力减小，最终停滞，不可能从管口溢出流入储水箱的热水区。

论文1与论文2中，关于集热管水平放置状态，对集热能力的描述存在矛盾，集热能力与倾斜管相比，论文1认为相差不大，论文2认为差别悬殊。产生这一矛盾的原因在于集热管管口热学状态的差异。如果在管口存在有效地对流，论文1正确，如果对流被阻碍，论文2正确。

论文4，《真空管太阳能热水器热效率及经济性研究》，王刚，天津大学硕士论文，2002年6月，15页。研究结果表明：倾斜放置于水箱中的真空管，吸收来自太阳辐射的能量，传给内部载体水，使水由于温度上升膨胀而密度变小产生浮力。当一定时间管内形成稳定的对流后，对于大部分倾角下，圆管内的介质流动表现为两层的轴向上升流和下降流，以及圆截面上环形上升流和中心下降流。在集热管与储水箱交接处，轴向流受抑制而减弱，圆截面流动得到强化并达到最高水平。因管内流动诱导的箱内流动比较复杂，热的强上升流沿较高的壁面流动，驱动较冷的箱内流体以较小的速度流向真空管内。

在论文4中，描述了集热管和储水箱中的水对流状况，但是得到的结论是确定集热管的倾角，需要综合考虑纬度因素和热对流因素，并没有得出对从集热管进入储水箱的热水进行导流，改善热学状态，进而改变集热管内的对流状态和储水箱中水的对流状态的结论。

综上所述，提高太阳能热水器的热交换效率，需要提高集热管内管中的水的对流速度和储水箱中的水的对流速度，所以，必须引导进入储水箱的热水迅速上行，促进储水箱的冷水进入集热管，沿着背阴面下行，不断补充受热上升回流的空间，并且上行热水进入储水箱后，能在更大的空间与冷水进行热交换，温度降低的热水能够有下沉的通道，对进入储水箱的热水进行导流是解决整个问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于从源头上解决太阳能热水器中的热水和冷水的对流问题，使集热管内管的热水顺利沿着向阳面上行，进入储水箱后迅速上浮，在更大的空间与冷水进行热交换，储水箱的冷水顺利进入集热管，沿着背阴面下行，填补留下的空间。提高水循环速度，提高热水器的热效率，避免集热管爆裂。

本发明的技术方案是在储水箱内集热管开口处设置导流板，改善热水和冷水的对流状态。导流板由连接环和热水通道组成，热水通道是沿着连接环轴向伸展的一个弯曲的弧面，该弧面的两个侧边向下垂，弧面的凸出方向向上，弧面的尾部上翘。导流板一端对准集热管的管口，与该处的轴线重合，另一端伸向储水箱的热水区。沿着集热管内管的向阳面进入储水箱内部的热水，继续沿着导流板的热水通道上浮，流入储水箱上层的热水区。

热水在沿着热水通道上浮的过程中，不可避免与储水箱中的冷水发生热交换，热水的温度降低，密度增大，由于没有遮挡，密度增大的水可以下沉，汇入冷水区，随后上浮的热水填补留下的空间。

考虑到集热管是由玻璃制造，承受应力的能力较低，需要在导流板的连接环上开口，作为伸缩间隙，以便与互有差异的集热管管口配合，并且为热胀冷缩留出膨胀空间。

考虑到尽可能减小热水通道外的冷水与热水通道内的热水之间发生的热交换，热水通道有必要采用隔热能力强的材料制造。

考虑到有可能出现无水空晒的极端情况，连接环的材质应当耐受空晒的高温，一般低于300℃，连接环不能变形损坏，尤其是产生有害毒素。

本发明的有益效果是太阳能热水器通过加装导流板，集热管的热水进入储水箱后能沿着热水通道迅速上浮，为随后流出的热水让出空间，集热管中热水的上行速度提高。

使用隔热能力强的材料制造热水通道，使热水的温度不会迅速降低，相对密度较小的状态能够保持较长时间，所以，上浮的速度更快，上浮的距离更远，热水与冷水发生热交换的空间增大了，有利于提高热交换的效率，并且有利于提高集热管的热水的上行速度。

由于热水通道是一个弧面，热水在弧面内部上浮的过程中，不断与下面的冷水发生热交换，温度不断降低，密度不断增大，弧面的下方是敞开的空间，没有遮挡，密度变大的水可以顺利下沉，汇入储水箱的冷水中。

由于集热管中的热水上行速度提高，储水箱中的冷水下行速度也能相应提高，这一过程保证了集热管内管的背阴面处于相对低温状态，向阳面处于相对高温状态，集热管内管中的水能够顺利形成稳定的流动模式，靠近向阳面的热水上行流动和靠近背阴面的冷水下行流动，流动形态稳定，对流速度提高，热交换效率提高，并且确保温差达不到使集热管内管爆裂的程度。

附图说明

图1是导流板的立体图。

图2是安装了导流板的太阳能集热管插入储水箱中的剖面图。

图3是在储水箱内安装导流板的太阳能热水器的剖面图。

图1中，1.热水通道，2.连接环，3.伸缩间隙。

图2中，1.热水通道，2.连接环，4.储水箱，5.集热管。

图3中，1.热水通道，4.储水箱，5.集热管。

具体实施方式

在图1中，以立体图的形式表达了本发明的具体实施例，说明应用本发明制造的导流板的结构。

导流板由热水通道1和连接环2组成，热水通道1是沿着连接环2轴向伸展的一个弯曲的弧面，该弧面的两个侧边向下垂，弧面的凸出方向向上，弧面的尾部上翘。

考虑到集热管是由玻璃制造，承受应力的能力较低，需要在导流板的连接环2上开设伸缩间隙3，以便与互有差异的集热管管口配合，并且为热胀冷缩留出膨胀空间。

考虑到尽可能减小热水通道1外的冷水与热水通道内的热水之间发生热交换，热水通道1有必要采用隔热能力强的材料制造。

在图2中，以剖面图的形式表达了本发明的具体实施例，说明如何将安装了导流板的太阳能集热管，安装在太阳能热水器中。

将应用本发明制造的导流板安装在全玻璃太阳能真空集热管5的管口处，热水通道1在外，连接环2插入集热管5的管口内。将安装了导流板的集热管5插入储水箱4的集热管孔中，并按照常规工艺进行密封处理。

在插入储水箱4前，需要将集热管5有热水通道1的一侧作为向阳面，面朝当地正午太阳所在的方向安装。

在图3中，以剖面图的形式表达了本发明的另一个具体实施例，说明如何直接在太阳能热水器的储水箱中安装导流板，而继续使用原有的太阳能集热管。

热水通道1一端对准集热管5的管口，与该处的轴线重合，另一端伸向储水箱4的热水区。热水通道1可以采用普通的连接工艺装配在储水箱内部，在这种情况下，图1中的连接环2可以不用，或是按照安装工艺的要求改变形式。

在图2和图3所示的具体实施例中，热水沿着集热管5的内管的向阳面上行，进入储水箱4内部后，继续沿着导流板的热水通道1上浮，将热水引入储水箱4上层的热水区。

热水在沿着热水通道1上浮的过程中，不可避免与储水箱4中的冷水发生热交换，热水的温度降低，密度增大，由于没有遮挡，密度增大的水可以下沉，汇入冷水区，随后上浮的热水填补留下的空间。

Claims (5)

1.一种太阳能热水器导流板，由热水通道和连接环构成，其特征是：连接环与热水通道连接为一个整体，热水通道是一个弯曲的弧面，连接环上有伸缩间隙。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水器导流板，其特征是：热水通道上端位于储水箱上层热水区，下端与连接环相接。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水器导流板，其特征是：热水通道的形状是沿着连接环的轴向伸展的弯曲弧面，弧面的两个侧边向下，弧面凸出方向向上，弧面的尾部上翘。

4.根据权利要求1所述的太阳能热水器导流板，其特征是：在连接环上，热水通道相对的一侧，开设轴向伸缩间隙。

5.根据权利要求1所述的太阳能热水器导流板，其特征是：连接环的外径与集热管内管管口的内径相同。

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