CN103225910A - 一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，由差压式自力控制阀和止回阀两部分组成，其中差压式自力控制阀由阀体、导压管、调压螺栓、伸缩弹簧、密封材料、传压杆、阀瓣、感压膜、三个测压接口组成。利用流体的机械能守恒原理，依靠集热管损坏引起的管路差压变化来实现阀组的自动闭合，及时封闭支路，以避免水的大量泄漏和集热系统的停工。本发明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

一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组

技术领域

本发明属于太阳能热利用及阀门技术领域，涉及一种压差控制的真空管集热器阵列集热管损坏时自力式保护阀组，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，真空管集热器阵列中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

为了解决真空管集热器阵列中由于集热管损坏造成的水资源、热能资源浪费以及系统停工等问题，本发明的目的在于，提供一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，当真空管集热器阵列集热器损坏时，能自动对集热管路形成保护。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，其特征在于，由差压式自力控制阀和止回阀两部分组成；

所述的差压式自力控制阀安装在真空管集热器阵列各并联支路的起始端，它包括阀体，该阀体有进水口和出水口，进水口和出水口之间由阀瓣连通，阀瓣上连接有传压杆，该传压杆设置在水流的垂直方向上，传压杆的一端连接在感压膜上，另一端通过密封材料连接伸缩弹簧，在伸缩弹簧上方连接有调压螺栓，所述的传压杆受感压膜和拉伸弹簧的双重压力作用，带动阀瓣处于开启或闭合；

在感压膜上方的空腔上通过第二测压接口连接至阀体之外，感压膜下方的空腔通过导压管与阀体上的进水口相连通，在导压管上还设有第一测压接口。

所述的止回阀通过第三测压接口安装在真空管集热器阵列各并联支路的末端。

本发明的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，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的流体大量泄露的问题

采用本发明的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，当真空管集热器阵列中某支路有集热管损坏时，根据真空管集热管损坏前后管路中水压的变化，差压式自力控制阀和截止阀组成的阀组自动闭合，及时控制流体泄露的问题，避免水资源和热量的浪费。

2、应用方便，操作性强

该差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组的结构简便，易于获取和安装。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。

3、提高真空管集热阵列的稳定性

当真空管集热器阵列中某支路有集热管损坏时，差压式自力控制阀和截止阀组成的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，自动封闭该支路，从而形成保护，其他支路仍可继续工作，检修时也不用停止整个系统的运行，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组在真空管集热器阵列中的安装示意图；

图2是差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组的结构图；

图3是真空管集热器阵列集热支路的测压原理图；

图中的标号分别表示：1、阀体，2、导压管，3、调压螺栓，4、伸缩弹簧，5、密封材料，6、传压杆，7、阀瓣，8、感压膜，9、测压口，10、第一测压口、11、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

本发明的技术思路是，利用流体的机械能守恒原理，依靠集热管损坏引起的管路的差压变化来实现阀组的自动闭合，及时封闭支路，以避免水的大量泄漏和集热系统的停工。当真空管集热器阵列中有集热管破损时，破损管中的水流直接同大气相接，压力也同大气压一致，破损集热管处的水压与其所在支路起始端的压差增大，支路中的水流由此加速流出，管路中的压力也发生变化。支路起始端由于水流加速而动压增大，静压减小；支路末端水流变小，甚至出现倒流。

在真空管集热器阵列各并联支路的起始端，安装一个差压式自力控制阀，该阀门的动作机构与管路的感压装置以及可调压弹簧相连，动作机构具有可调的启闭压力值，当集热器阵列完好时，动作机构受力平衡且阀瓣处于开启位置，水流正常通过，当集热管损坏时，动作机构的受力平衡被破坏，感压装置推动阀门动作机构至闭合位置，水流截止；在真空管集热器阵列各并联支路的末端安装止回阀，该止回阀为单向流通阀，当干管中水向支路倒流时，止回阀自动闭合。

参见图1，在真空管集热器阵列并联支路的起始端和末端分别安装差压式自力控制阀02和止回阀01，止回阀01通过第三测压接口11安装在真空管集热器阵列各并联支路的末端，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、第三测压接口11、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，支管末端的第三测压接口11处的水流量变小，甚至造成倒流。

图2为差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组结构图，由差压式自力控制阀02（图左）和止回阀01（图右）两部分组成。其中，差压式自力控制阀02包括阀体1，该阀体1有进水口和出水口，进水口和出水口之间由阀瓣7连通，阀瓣7上连接有传压杆6，该传压杆6设置在水流的垂直方向上，传压杆6的一端连接在感压膜8上，另一端通过密封材料5与伸缩弹簧4相连接，在伸缩弹簧4上方连接有调压螺栓3，所述的传压杆6受感压膜8和拉伸弹簧4的双重压力作用，带动阀瓣7处于开启或闭合；

在感压膜8上方的空腔上通过第二测压接口10连接至阀体1之外，感压膜8下方的空腔通过导压管2与阀体1上的进水口相连通，在导压管2上还设有第一测压接口9。

差压式自力控制阀02安装在集热器阵列支路的起始端，差压式自力控制阀02内的A、C处流体由导压管2相连，两处的全压一致。B、D处流体的静压一致，C、D处流体之间设有感压膜8。传压杆6上、下端分别接受到伸缩弹簧4、感压膜8的压力，还有自身重力与水流浮力的作用，其中重力和浮力保持不变，因而传压杆6受伸缩弹簧4、感压膜8控制上下位移，从而带动阀瓣7的位移，以达到启闭阀门的目的。

当支路上的集热管均完好时，通过调压螺栓3调节伸缩弹簧4的预压缩量，使传压杆6受力平衡，且阀瓣7处于开启位置。当支路上有集热管损坏时，图2中A、B处水流速度加快，则动压增大，静压减小，全压不变，C处流体压力与A处的全压相同，因而保持不变，D处流体由于静压减小，对感压膜8的压力变小，传压杆6原来的受力平衡被打破，受到额外向上的力，传压杆会向上移动，当D处静压的减小量达到设定限值ε时，阀瓣随传压杆上移到闭合位置。与此同时，支路末端的止回阀受到倒流的作用，自动闭合，支路与供回水干管间形成封闭状态。

当破损集热管被更换后，检修人员只需打开第一测压口9泄压，此时感压膜8对传压杆6向上的压力大幅减小，传压杆6带动阀瓣7向下移动，阀瓣7便可恢复开启状态。被修复集热管路流通后，关闭第一测压口9，则集热管路和差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组便恢复正常运行状态。

阀门闭合压力限值ε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所示，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。阀门闭合压力限值ε应保证最不利位置的集热管损坏时，阀门仍能准确闭合，则ε应低于离O处最远位置集热管损坏所引起的O处管段的静压变化量，即ε小于Min（P_L）。

参见图3，由于集热管中水流微小，最不利位置K处的压力等于联箱M处静压，即Min（P_L），而集热联箱上不便设置测压口，联箱出口管段Q处的静压略低于M处的静压，且该位置测压方便，因而选取联箱出口管段Q处为测压点，测得压力作为ε，该方法简单可行。

以下通过举例对本发明做进一步的说明。

有一集热器阵列支路，需安装本发明的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组。差压式自力控制阀的相关参数已知：传压杆6及阀瓣7的质量m为0.02kg，体积v为5×10^-6m³，感压膜8的面积s为5×10^-3m²，伸缩弹簧4的劲度系数f_n为1000N/m，第一测压口9测得集热支路起始端的全压为30kPa，第二测压口10测得支路起始端静压为28.5kPa，第三测压口11测得支路末端的静压（ε值）为6kPa。

正常情况下，感压膜8对传压杆6的压力为：

F=s·ΔP=5×10^-3×（30000-28500）=7.5N；

最不利位置集热管损坏时，感压膜8对传压杆6的压力增加量为：

ΔF=ε·s=6000×5×10^-3=30N；

传压杆6的重力为：

G=m·g=0.02×10=2N；

传压杆6收到的浮力为：

F_p=1000×10×5×10^-6=0.05N；

使传压杆6受力平衡，且处于开启状态，则伸缩弹簧4对传压杆6弹力应为：

F_T=7.5+30-2+0.05=35.55N；

则安装差压式自力控制阀时，拉伸弹簧4的预压缩量为：

Z=F_T/f_n=35.55/1000=0.035m。

Claims (3)

1.一种差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，其特征在于，由差压式自力控制阀（02）和止回阀（01）两部分组成；

所述的差压式自力控制阀（02）安装在真空管集热器阵列各并联支路的起始端，它包括阀体（1），该阀体（1）有进水口和出水口，进水口和出水口之间由阀瓣（7）连通，阀瓣（7）上连接有传压杆（6），该传压杆（6）设置在水流的垂直方向上，传压杆（6）的一端连接在感压膜（8）上，另一端通过密封材料（5）与伸缩弹簧（4）相连接，在伸缩弹簧（4）上方连接有调压螺栓（3），所述的传压杆（6）受感压膜（8）和拉伸弹簧（4）的双重压力作用，带动阀瓣（7）处于开启或闭合；

在感压膜（8）上方的空腔上通过第二测压接口（10）连接至阀体（1）之外，感压膜（8）下方的空腔通过导压管（2）与阀体（1）上的进水口相连通，在导压管（2）上还设有第一测压接口（9）。

2.如权利要求1所述的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，其特征在于，所述的止回阀（01）通过第三测压接口（11）安装在真空管集热器阵列各并联支路的末端。

3.如权利要求1或2所述的差压控制的真空管集热器阵列自力式保护阀组，其特征在于，所述的止回阀（01）为单向流通阀。

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