CN103195956A - 一种真空管集热器阵列的自力式保护阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空管集热器阵列的自力式保护阀，包括波纹管、导压口、传压杆、调节螺母、拉伸弹簧、控制手柄、控制转轴、转盘、插槽、挡板、扭力弹簧、密封圈、阀芯、阀体以及两个测压接口。以管路中流体的压力为控制信号，依靠集热管损坏引起的管压变化来实现阀芯的自动闭合，从而截止供水干管向损坏支路输送流体，以避免水的大量泄漏和集热系统的停工。对真空管集热器阵列的保护效果好，实施成本较低，使用方便，避免水资源的浪费，维持真空管集热系统的稳定，在真空管太阳能集热系统中推广应用具有良好的经济及社会效益。

Description

一种真空管集热器阵列的自力式保护阀

技术领域

本发明属于太阳能热利用和阀门技术领域，涉及一种真空管集热器阵列集热管损坏时的自力式保护阀，主要用于解决真空管集热器在发生裂管和损坏时造成的大面积水泄漏和系统瘫痪等问题。

背景技术

近年来，太阳能热利用技术发展迅速，作为其核心部件的集热器，无论技术还是工艺方面，也都取得长足的进步，其中，全玻璃真空管集热器具有结构简单、性能优良、生产工艺先进可靠等特点，因而得到了广泛的应用。然而，全玻璃真空管集热器的材质为玻璃，放置在室外被损坏的概率较大（如冰雹、闷晒、强压等因素），特别是集热器阵列中，有众多的集热管，若无有效的管路保护措施，单一集热管损坏将造成严重的水资源及热量浪费，最终导致整个系统的瘫痪。

目前，真空管集热器阵列的集热器依然靠人工维护，若不能及时发现集热管损坏，必然造成严重的资源浪费，另外，更换损坏的集热管还需停止整个系统的运行，由此造成的停工会影响人们正常的工作及生活，不利于太阳能热利用系统的使用效果。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种真空管集热器阵列的自力式保护阀，与止回阀搭配使用可解决真空管集热器阵列中集热器损坏造成的水资源和热量浪费以及系统停工问题。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种真空集热器阵列的自力式保护阀，包括阀体和阀芯，其特征在于，在阀芯上有转轴，该转轴一端位于阀体底部，另一端穿出阀体与控制手柄连接，转轴上安装有转盘、扭力弹簧和密封圈，其中，扭力弹簧的一端与档板相接触，另一端与转盘上的插槽相接触；

在阀体上方还有由波纹管、传压杆、调节螺母和拉伸弹簧组成的感压元件；其中的传压杆的位置与插槽相对应；

传压杆受波纹管和拉伸弹簧的双重压力作用，可改变波纹管和拉伸弹簧的间距；

转盘受扭力弹簧、传压杆、挡板以及手柄的控制，转盘与阀芯的转轴为一体，可以逆时针旋转90°，使阀芯开启，或顺时针旋转90°，使阀芯闭合。

本发明的真空管集热器阵列的自力式保护阀与止回阀搭配使用，能自动封闭集热管损坏的支路，从而形成保护，而其他支路仍可继续工作，更换集热管时，也无需停止集热系统的运行，系统的稳定性得到提高，所带来的技术效果是：

1、解决真空管集热器阵列中集热器损坏时流体大量泄露的问题

通过安装本发明的真空管集热器阵列的自力式保护阀，当真空管集热器阵列中某支路有集热管损坏时，根据真空管集热器损坏前后管路中水压的变化，真空管集热器阵列集热管路的自力式保护阀自动闭合，及时截止流体向损坏支路的输入，减少水资源的浪费。

2、结构简单易安装，使用方便，操作性强

该真空管集热器阵列的自力式保护阀结构简单，易于制作和安装。只需安装在真空管集热器阵列各支路上，无需外界动力及监控系统，便可保护集热器阵列的稳定运行。

附图说明

图1是本发明的真空管集热器阵列的自力式保护阀在真空管集热器阵列中的安装示意图；

图2是真空管集热器阵列的自力式保护阀的结构图；

图3是阀门动作机构的横向剖面图；

图中的标号分别表示：1、波纹管，2、导压口，3、传压杆，4、调节螺母，5、拉伸弹簧，6、控制手柄，7、转盘、8、档板，9、扭力弹簧，10、转轴，11、插孔，12、密封圈，13、阀芯，14、阀体，15、第一测压口，16、第二测压口。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的设计思路是，当真空管集热器破损时，破损管中的水流直接同大气相接，压力降至大气压，集热管破损处的水压与其所在支路起始端的压差增大，集热支路中的水由此加速流出。支路起始端水流的的位能不变，动压由于水流加速而增大，根据“伯努利原理”，流体的机械能守恒，因而水流的压力势能降低，相应地测压管压力降低；支路末端水流量变小，水流压力势能降低，甚至出现倒流。依据支路中压强的变化，利用感压元件来实现阀门的自动闭合。

在真空管集热器阵列各并联支路的起始端安装一个真空管集热器阵列的自力式保护阀（以下简称自力式保护阀），该自力式保护阀的传动机构带有感压元件，由感压元件接收阀后管路的压力信号，随着压力变化带动传压杆上下运动。阀芯依靠阀杆的转动来实现启闭。当集热器阵列正常运行时，传压杆位置靠下，锁住阀门的动作机构，使阀芯处于开启状态；当出现集热管破损时，感压元件接受的压力变小，传压杆在拉伸弹簧的作用下向上移动，失去对阀芯的锁定，阀芯随扭力弹簧转动，并带动阀芯至闭合位置。

参见图1，真空管集热器阵列的自力式保护阀（以下简称自力式保护阀）安装在真空管集热器阵列并联支路的起始端，支路起始端和末端的O、Q点分别设置测压口15、测压口16，不会妨碍集热器整列的正常运行。

图1中标有三个位置，支管起始端O、支管末端Q、集热管破损点K。支管中水流依靠水压推动，当集热管损坏时，破损点K处水流的压力降至大气压力，O、K管段间压差ΔP增大，该管段内水流加速流出，动能增大。根据“伯努利原理”，流体的机械能守恒，即：动能+重力势能+静压势能=常数，对于支管起始端O处，水流动能增加，位能不变，所以静压势能减小。由于水流外泄，支管末端Q处的水流量变小，甚至造成倒流。

图2为自力式保护阀的结构，基本部件包括阀体14和阀芯13，在阀芯13上有转轴10，该转轴10一端位于阀体14底部，另一端穿出阀体14与控制手柄6连接，转轴10上安装有转盘7、扭力弹簧9和密封圈12，其中，扭力弹簧9的一端与档板8相接触，另一端与转盘7上的插槽11相接触；

在阀体14上方还有由波纹管1、传压杆3、调节螺母4和拉伸弹簧5组成的感压元件，其中，波纹管1上连接有导压口2，传压杆3的位置与插槽（11）相对应，如图2（右）所示。

导压口2与第一测压口15相连，接收自力式保护阀的阀后压力信号，传压杆3受到波纹管1和拉伸弹簧5的双重压力。自力式保护阀安装完成后，转动控制手柄6使阀芯13处于开启位置，上调调节螺母4使传压杆3下端处于插槽11内，转盘7被卡住，并受到扭力弹簧9的扭力，阀芯13处于常开状态。依据第一测压口15、第二测压口16的测压值计算拉伸弹簧5的预压缩长度，利用调节螺母4调节波纹管1与拉伸弹簧5的间距，使传压杆3受力平衡，且下端仍位于插槽11内。

当支路上集热管破损时，压力泄露，水流加速流出，支路起始端因水流加速而动能变大，且该处水的位能不变。根据“伯努利原理”，流体机械能守恒，则支路起始端的压力势能减小，波纹管1接收到的压力信号随之变小，传压杆3的受力平衡被破坏，且受到额外向上的力，因而传压杆3向上移动。参见图3，当导压口2的压力信号小于一定值P_lim时，传压杆3下端脱离插槽11，转盘7随扭力弹簧9旋转，直至被挡板8卡住，转轴10带动阀芯13至闭合位置，从而截止流体向损坏支路的传输。

当破损集热管被更换后，检修人员将调节螺母4向上调，顺时针转动手柄6使阀芯13处于开启位置，传压杆3滑入插槽11，自力式保护阀恢复开启状态。被修复集热管路流通后，再按照拉伸弹簧5的预压缩量Z将调节螺母4向下调，则集热系统和自力式保护阀便恢复正常运行。

压力限值P_lim的确定。集热器阵列的并联支路上，不同安装位置的集热管中的压力不一，如图3，离支路起始端O越远，集热管中的压力越小，管损坏所引起压力泄露P_L也越小，该泄露的压力值即为支路起始端静压的减小值。压力值P的确定应保证最不利位置的集热管损坏时，自力式保护阀仍能准确闭合，则P_lim应低于离O处最远位置集热管损坏时的O处管段测得的压力值。

参见图1，由于集热管中水的流速微小，可认为集热管中各处的的压强一致，则最不利位置K处的压强等于联箱M位置的压强，而集热联箱上不便设置测压口，联箱出口管段Q处的压强略低于M处的压强，且该位置测压方便，因而选取联箱出口管段Q处为测压点，测得压力记为P_Q，则P_lim可按下式确定：

P_lim=P₀-P_Q

式中，P₀、P_Q分别为集热管正常运行时，测压点O和测压点Q处测压值，Pa。

以下通过举例说明拉伸弹簧5预压缩量的简化计算方法。

有一集热器阵列支路，需要安装自力式保护阀。自力式保护阀的相关参数已知：波纹管1伸缩端的截面积为2×10^-4m²，拉伸弹簧5的劲度系数f_n为200N/m，插槽11深度为0.6cm，第一测压口15测得集热支路起始端的压强为28.5kPa，第二测压口16测得支路末端的压强为10kPa。

集热器阵列正常运行时，波纹管1对传压杆3的压力为：

F=s·P=2×10^-4×28500=5.7N；

最不利位置集热管损坏时，波纹管1对传压杆3的压力减少量为：

ΔF=ε·s=10000×2×10^-4=2N；

使传压杆受力平衡，且处于开启状态，则拉伸弹簧5对传压杆3弹力应为：

F_T=5.7-2=3.7N；

则安装自力式保护阀时，拉伸弹簧5的预压缩量为：

Z=F_T/f_n=3.7/200=0.019m。

Claims (1)

1.一种真空集热器阵列的自力式保护阀，包括阀体（14）和阀芯（13），其特征在于，在阀芯（13）上有转轴（10），该转轴（10）一端位于阀体（14）底部，另一端穿出阀体（14）与控制手柄（6）连接，转轴（10）上安装有转盘（7）、扭力弹簧（9）和密封圈（12），其中，扭力弹簧（9）的一端与档板（8）相接触，另一端与转盘（7）上的插槽（11）相接触；

在阀体（14）上方还有由波纹管（1）、传压杆（3）、调节螺母（4）和拉伸弹簧（5）组成的感压元件；其中，波纹管1上连接有导压口（2），传压杆（3）的位置与插槽（11）相对应；

传压杆（3）受波纹管（1）和拉伸弹簧（4）的双重压力作用，可改变波纹管（1）和拉伸弹簧（4）的间距；

转盘（7）受扭力弹簧（9）、传压杆（3）、挡板（8）以及手柄（6）的控制，转盘（7）与阀芯（13）的转轴（10）为一体，可以逆时针旋转90°，使阀芯（13）开启，或顺时针旋转90°，使阀芯（13）闭合。

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