CN104566616A - 基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统 - Google Patents

基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,包括户外集热组件和户内控制组件,户外集热组件包括集热器箱体以及设置在集热器箱体内的吸热板芯、蒸发换热管以及蒸发室;户内控制组件包括储热水箱、螺旋管式冷凝器、积液杯、温度传感器、流量控制泵、气液分离器、冷热交换器、进气扇、进气扇管道、出气扇以及出气扇管道;所螺旋管式冷凝器置于储热水箱内部,螺旋管式冷凝器设有进流口和出流口;螺旋管式冷凝器的进流口一端与蒸发气体出口连接,螺旋管式冷凝器的出流口与冷凝液入口连接。发明采用分离热管技术,保证了系统热效率高,同时解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题。

Description

基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统
技术领域
[0001] 本发明属于太阳能利用领域,尤其涉及一种分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统。
背景技术
[0002] 随着社会的发展,人们的物质文化生活水平得到了显著的提高,太阳能热水器作为一种改善人民生活条件的家用供热供暖设备,无论在城市还是农村都得到了广泛的应用。科学家说认识新能源和正确地运用能源,就意味着认识通往未来的路。目前资源与能源问题日益严重,在保证舒适、健康要求的同时,如何有效且合理分配,利用资源,减少常规能源消耗成为人们不得不面对的问题;近年来国内市场经济飞速发展、企业、行业的产品结构在不断变化,市场竞争激烈,受市场供求关系的影响,中国太阳能热水器行业发展迅速,现今市场上太阳能热水器其容量巨大,主要有平板太阳能热水器和真空管型太阳能热水器;普通平板型太阳能热水器没有防冻功能,不适用于北方;而真空管型太阳能热水器虽然适用于北方,但由于真空管易炸裂,因此维修率高;另外市场还有一种热管平板热水器,该热水器的储热水箱和集热器是连在一起,既可适用于南方也可适用于北方,但其结构复杂,制造成本高,只能安装在平房屋顶多层楼房的楼顶,这样楼房的低层用户在使用热水时,出热水时间缓慢,增加了生活用水的浪费现象。
发明内容
[0003] 发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种新型分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,采用分离热管技术将平板太阳能集热器箱体与储热水箱分离开来,热管的蒸发端设置在集热器箱体内,热管的冷凝端布置在室内储热水箱内,热管蒸发端与冷凝端之间采用热介质输出管和冷凝液回流管连接,形成集热、放热循环管路,通过蒸汽压力和微型流量控制泵的工作原理,实现热介质远程传递。
[0004] 技术方案:为实现上述目的,本发明的技术方案如下
基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,其特征在于:包括户外集热组件和户内控制组件,所述户外集热组件包括集热器箱体以及设置在所述集热器箱体内的吸热板芯、蒸发换热管以及蒸发室,在所述的集热器箱体上还设置有蒸发气体出口和冷凝液入口,所述的蒸发气体出口与所述的蒸发室连接,所述的蒸发换热管延所述蒸发室的长度方向平行设置且与所述的冷凝液入口连接,在所述的蒸发换热管下端还设置有集热器背板和保温材料,在所述吸热板芯上还设置有透明盖板;所述户内控制组件包括储热水箱、螺旋管式冷凝器、积液杯、温度传感器、流量控制泵、气液分离器、冷热交换器、进气扇、进气扇管道、出气扇以及出气扇管道;所述螺旋管式冷凝器置于储热水箱内部,所述螺旋管式冷凝器设有进流口和出流口 ;所述螺旋管式冷凝器的进流口一端与所述气液分离器的顶部端口连接,气液分离器的旁路端口通过一热介质输出管与所述的蒸发气体出口连接,所述螺旋管式冷凝器的出流口与所述积液杯顶部端口连接,积液杯底部端口连接所述流量控制泵;所述流量控制泵通过一冷凝液回流管与所述的冷凝液入口连接,所述的户外集热组件形成分离式热管的蒸发端,所述的螺旋管式冷凝器和冷热交换器形成所述分离式热管的冷凝端,所述蒸发端和冷凝端通过热介质输出管和冷凝液回流管形成一个循环通道;积液杯的旁路端端口连接所述气液分离器;在所述螺旋管式冷凝器的空心圆柱内设置所述的冷热交换器,所述冷热交换器的一端与所述进气扇连接,所述冷热交换器的另一端与所述出气扇连接。
[0005] 在所述储热水箱上设置有进水管,在进水管上设有自动给水电磁阀,在所述储热水箱的一侧内壁上端还设有水位控制器,水位控制器的信号输出端与自动给水电磁阀的信号输入端连接。
[0006] 在所述储热水箱的一侧还设置温度传感器,所述温度传感器的信号输出端与流量控制泵的信号输入端连接用于控制所述流量控制泵的调整冷凝液回流管内冷凝液的流量。
[0007] 有益效果
1.采用管翼式满液蒸发器和分离热管技术,将平板太阳能集热器箱体与储热水箱分离开来,集热器与储热水箱之间采用热介质输出管和冷凝液回流管连接,形成集热循环管路,通过蒸汽的压力和微型流量控制泵辅助冷凝回流,实现热介质远程传递;其热传输功率比普通热管高,是普通热水器自然循环和强制循环热效率的数倍,利用相变介质能保持和防止在分离热管不工作时热能的散失,同时解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题。
[0008] 2.采用流量泵控制冷凝液的回流量,保证系统的安全性,通过温度传感器控制微型流量泵的工作状态,确保循环管路的稳定性;由于采用了集热与供热的循环管路,因此平板太阳能集热器与储热水箱的布置可以非常灵活方便,平板太阳能集热器既可以放置在高层楼房的窗台向阳的地方,也可以布置在多层楼房的楼顶和平房的屋顶,甚至可以采用壁挂式安装灵活方便,能满足或适应建筑一体化要求。
[0009] 3.本发明采用自然循环与强制循环原理提高了系统的换热效率,充分利用太阳能资源,这样为楼房的底层用户太阳能热水器的使用提供了方便,出热水的时间快,减少生活用水的浪费现象,同样储水箱既可以设置在浴室,也可以布置在厨房,这样可以保证生活用水的清洁,又能彻底解决管路的冻裂和集热器的结垢的问题。
附图说明
[0010] 图1为本发明系统结构示意图;
图2为本发明系统集热器内部结构图;
图3为本发明供暖装置的室内布局构造图;
图中:太阳能吸热板芯1、蒸发换热管2、集热器框架3、蒸发室4、集热器背板5、透明盖板6、热介质输出管7、冷凝液回流管8、储热水箱9、气液分离器10、螺旋管式冷凝器11、冷热交换器12、冷凝过度管13、积液杯14、流量控制泵15、储热水箱进水管16、电子进气阀17、水位控制器18、进气扇19、进气扇管道20、出气扇21、出气扇管道22、日常用水出水管23、温度传感器24、保温材料25。
具体实施方式
[0011] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明
如图1图2所示,一种新型分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,包括户外集热组件和户内控制组件。户外集热组件包括平板太阳能集热器箱体、蒸发换热管2、集热器框架3、集热器背板5、保温材料25、透明盖板6和蒸发室4 ;蒸发室4包括集热器吸热板芯I和蒸发换热管2 —体构成的分离热管管排的蒸发端;热管蒸发端的蒸发换热管2,通过热介质输出管7连接热管冷凝端螺旋式冷凝器11的进流口 ;集热器吸热板芯I表面为太阳能选择性吸热涂层;户内控制组件包括储热水箱9、热管冷凝端螺旋管式冷凝器11、积液杯14、微型流量控制泵15、气液分离器10、冷热交换器12、进气扇19、进气扇管道20、出气扇21和出气扇管道22 ;螺旋管式冷凝器置于储热水箱9内部;螺旋管式冷凝器11设有进流口和出流口,螺旋管式冷凝器11的进流口一端穿过储热水箱9的外壳与气液分离器10的顶部端口连接,气液分离器10的旁路端口连接热介质输出管7的一端,热介质输出管7的另一端连接太阳能集热器的蒸发室4 ;螺旋管式冷凝器11的出流口穿过储热水箱9的底部端板与积液杯14顶部端口连接,积液杯14底部端口连接流量控制泵15 ;流量控制泵15连接冷凝液回流管8的一端,冷凝液回流管8的另一端连接蒸发室热介质通道的进口,积液杯14的旁路端端口连接气液分离器10。
[0012] 在储热水箱的螺旋管式环绕成的冷凝器空心圆柱内还设有冷热交换器12,冷热交换器12的一端进气端穿过储热水箱9的顶部端板与外界的进气扇管道20 —端连接,进气扇管道20的另一端连接进气扇19 ;冷热交换器12的另一端出气端穿过储热水箱9的底部端板与出气扇管道22连接,出气扇管道22的另一端连接出气扇21。
[0013] 集热器的蒸发室4通过热介质输出管7连接储热水箱9内的螺旋管式冷凝器11的进流口,冷凝器的出流口连接流量控制泵15,流量控制泵连接冷凝液回流管8,冷凝液回流管8连接太阳能集热器;分离式热管平板太阳能集热器安装在户外房顶或窗台、阳台向阳的地方,集热器蒸发室的位置可以低于冷凝器,也可以平行于冷凝器,还可以高于冷凝器;平板太阳能集热器内设有吸热板芯I和蒸发换热管2,吸热板芯和蒸发换热管一体构成分离热管蒸发端,且形成蒸发室4的热介质通道,在集热器的上端分别设置有蒸汽排出口和冷凝液回流口 ;蒸汽排出口连接热介质输出管7的一端,热介质输出管7的另一端连接热管冷凝端的螺旋管式冷凝器11的进流口 ;冷凝器的出流口连接冷凝液回流管8的一端,冷凝液回流管8的另一端连接太阳能集热器的冷凝液回流口。
[0014] 储热水箱9为圆筒体结构,内筒体材料采用不锈钢板制作,外壳体采用塑钢制作;内筒体和外壳之间填充满保温材料;螺旋管式冷凝器11置于储热水箱9的内部,完全浸置于水箱内的换热水中;螺旋管式冷凝器11设有进流口和出流口 ;螺旋管式冷凝器的进流口一端穿过储热水箱9的一侧外壳与气液分离器10的顶部端口连接,气液分离器10的旁路端端口连接热介质输出管7的一端,热介质输出管7的另一端连接太阳能集热器蒸发室4的蒸汽排出口 ;螺旋管式冷凝器11的出流口一端穿过储热水箱9的底部端板与积液杯14顶部端口连接,积液杯14底部端口连接流量控制泵15 ;流量控制泵15连接冷凝液回流管8的一端,冷凝液回流管8的另一端连接集热器的冷凝液回流口。
[0015] 在热介质输出管7的管路设置有气液分离器10 ;气液分离器10为三通式筒体,且设有三个端口,筒体顶部端口与螺旋管式冷凝器11的进流口连接,筒体底部端口通过过度管13与积液杯14的旁路端口连接,筒体的旁路端端口连接热介质输出管7的一端,热介质输出管7的另一端连接太阳能集热器蒸发室的蒸汽排出口。蒸发的制冷剂在热介质输出管7中汇集然后进入气液分离器10,蒸汽中夹带的液体在重力作用下集聚在气液分离器10下部,通过过度管13气液流入积液杯14,蒸汽是通过分离器10顶部端口进入设置在储热水箱9中的螺旋管式冷凝器11 ;螺旋管式冷凝器11通过冷凝放热来加热储热水箱9中的冷水,冷凝液测在重力作用下进入积液杯14,再经冷凝液回流管8补充蒸发室4中被蒸发的液体,这样就完成了一个集热器热管蒸发端与储热水箱9的热管冷凝端之间远程传热工质循环。
[0016] 在冷凝液回流管8的管路设置有积液杯14 ;积液杯14为三通式杯体,且设有三个端口,杯体顶部端口连接螺旋管式冷凝器11的出流口,杯体底部端口与流量控制泵15的入流口连接;流量控制泵15的出流口连接冷凝液回流管8的一端,冷凝回流管8的另一端连接太阳能集热器的冷凝液回流口。
[0017] 在储热水箱9的一侧内壁上端设有水位控制器18 ;进水管16上设有自动给水电磁阀17,水位控制器18的信号输出端与自动给水电磁阀17的信号输入端连接。当集热水箱中的水量低于或高于某一设定值时,可以自动给水或停止供水。
[0018] 在储热水箱9的一侧设置水温传感器24,在冷凝液回流管路还设有流量控制泵15,微型流量控制泵的入口连接积液杯14,流量控制泵15的出口连接冷凝液回流管8的一端,冷凝液回流管8的另一端连接太阳能集热器的冷凝液回流口 ;温度传感器24的测量端伸入至储热水箱9的换热水中,测得储热水箱9的水温低于或高于某一设定值,将信号传递到流量控制泵15,决定流量控制泵15的开启或关闭,温度传感器24控制流量控制泵15的工作状态;温度传感器24的信号输出端与微型流量控制泵的信号输入端连接。
[0019] 分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,其集热器包括所述集热器吸热板,集热器吸热板芯表面为太阳能选择性吸热涂层;吸热板芯I上或吸热板芯内设置有蒸发换热管2和吸热翅片;蒸发换热管2与吸热翅片连接成一体,构成集热系统的蒸发室4 ;分离式热管的蒸发端与吸热板芯一体成型;分离式热管的冷凝端设计成螺旋管式冷凝器11,布置在储热水箱9内。
[0020] 平板太阳能集热器蒸发室的上端设有热介质输出管7和冷凝液回流管8,在正常工况下集热器蒸发室通过热介质输出管7将热介质输送到热管冷凝端的紫铜螺旋管式冷凝器,热介质放热冷凝成液态,工作介质冷凝放出的热量加热储热水箱9中的冷水,实现远程传热。换热冷凝后的冷凝液经过冷凝液回流管8连接太阳能集热器蒸发室,在储热水箱9内还设置有冷热交换器12,配有进气扇19和出气扇21实现室内供暖,在储热水箱9 一侧底端设有日常用水出水管23,保证日常洗涤用水和洗浴用水的供应。
[0021] 如图2所示,蒸发室4包括蒸发换热管2、吸热板芯1、框架3、保温背板5、透明盖板6 ;吸热板芯I的上部安装有透明盖板6,吸热板芯的背部安装有背板5和保温层25,在蒸发室4四周设置有边框。吸热板芯I上设置有蒸发换热管2和吸热翅片,换热管与吸热翅片连接成一体,多个吸热翅片相互之间连接成一个整板。
[0022] 换热管采用导热金属制成,由多根蒸发换热管并联组成蒸发室的吸热板芯1,蒸发室4的换热管的两头分别与热介质输出管7和冷凝液回流管8连接。
[0023] 太阳能集热器是整个集热传热系统的重要部分,系统在初始状态时,分离热管启动前,在蒸发室4内部通道注满制冷剂,这时蒸发室4内制冷剂的压力和温度为环境温度下制冷剂的饱和压力和饱和温度;随着吸热板芯吸收太阳辐射能量,吸热板芯温度上升,内部通道内制冷剂开始蒸发,压力和温度开始上升。工作介质在换热管的蒸发形成为满液式蒸发,一方面满液式蒸发有效提升了分离热管蒸发端的换热效率,使得分离热管的热传输效率得到了较大的提升;另一方面蒸发均匀充分,保证了整个吸热板芯表面温度均匀。
[0024] 如图1和图3所示,太阳能集热器内的热管蒸发端和室内储热水箱9内的热管冷凝端是通过热介质输出管7、冷凝液回流管8和微型流量泵来完成集热和放热从而实现远程传热工质循环;首先阳光通过透明盖板照射到吸热板芯上,这时吸热翅片上太阳能选择性吸收涂层由于吸收太阳能辐射并转化为热能,同时将热量传递给换热管内部的工作介质,通过相变介质的作用,使管内的液态吸热后变成气态,形成热管蒸发端;其次经过蒸发后的热介质,通过热介质输出管和气液分离器10进入热管冷凝端的螺旋管式冷凝器11,经过气态放热冷凝成液态,介质冷凝放出的热量加热储热水箱中心的冷水;热介质的液态在重力作用下经过过度管流入积液杯14,再经冷凝液回流管8,微型流量泵,进入蒸发器,再次吸收热板芯转换的太阳能热能,这样循环往复完成热量传输。在所述储热水箱内的螺旋管式环绕成的冷凝器空心圆柱内还设置有冷热交换器,冷热交换器12设有进气端口和出气端口 ;冷热交换器12的进气端穿过储热水箱9的顶部端板与外界的进气扇管道20 —端连接,进气扇管道20的另一端与进气扇19连接;冷热交换器12的出气端穿过储热水箱9的底部端板与出气扇管道22的一端连接,出气扇管道22的另一端与出气扇21连接。系统在室内供暖过程中,进气扇管道20通过进气扇19从外界(室内)抽取空气,通入储热水箱9内的冷热交换器12,经过换热后的气体,再由出气扇管道22将制热后的气体输送到室内(房间或客厅中);进气扇19和出气扇21均安装在室内,所有入墙管道和外露管道的外壁均包覆有保温材料。

Claims (3)

1.基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,其特征在于:包括户外集热组件和户内控制组件,所述户外集热组件包括集热器箱体以及设置在所述集热器箱体内的吸热板芯(I)、蒸发换热管(2)以及蒸发室(4),在所述的集热器箱体上还设置有蒸发气体出口和冷凝液入口,所述的蒸发气体出口与所述的蒸发室(4)连接,所述的蒸发换热管(2)延所述蒸发室(4)的长度方向平行设置且与所述的冷凝液入口连接,在所述的蒸发换热管(2)下端还设置有集热器背板(5)和保温材料(25),在所述吸热板芯(I)上还设置有透明盖板(6);所述户内控制组件包括储热水箱(9)、螺旋管式冷凝器(11)、积液杯(14)、温度传感器(24)、流量控制泵(15)、气液分离器(10)、冷热交换器(12)、进气扇(19)、进气扇管道(20)、出气扇(21)以及出气扇管道(22);所述螺旋管式冷凝器(11)置于储热水箱(9)内部,所述螺旋管式冷凝器(11)设有进流口和出流口 ;所述螺旋管式冷凝器(11)的进流口一端与所述气液分离器(10)的顶部端口连接,气液分离器(10)的旁路端口通过一热介质输出管(7)与所述的蒸发气体出口连接,所述螺旋管式冷凝器(11)的出流口与所述积液杯(14)顶部端口连接,积液杯(14)底部端口连接所述流量控制泵(15);所述流量控制泵(15)通过一冷凝液回流管(8)与所述的冷凝液入口连接,所述的户外集热组件形成分离式热管的蒸发端,所述的螺旋管式冷凝器和冷热交换器形成所述分离式热管的冷凝端,所述蒸发端和冷凝端通过热介质输出管(7)和冷凝液回流管(8)形成一个循环通道;积液杯(14)的旁路端端口连接所述气液分离器(10);在所述螺旋管式冷凝器(11)的空心圆柱内设置所述的冷热交换器(12),所述冷热交换器(12)的一端与所述进气扇(19)连接,所述冷热交换器(12)的另一端与所述出气扇(21)连接。
2.根据权利要求1所述基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,其特征在于:在所述储热水箱(9)上设置有进水管(16),在进水管(16)上设有自动给水电磁阀(17),在所述储热水箱(9)的一侧内壁上端还设有水位控制器(18),水位控制器(18)的信号输出端与自动给水电磁阀(17 )的信号输入端连接。
3.所述根据权利要求1所述基于分离式热管平板太阳能集热器耦合室内供暖系统,其特征在于:在所述储热水箱(9)的一侧还设置温度传感器(24),所述温度传感器(24)的信号输出端与流量控制泵(15)的信号输入端连接用于控制所述流量控制泵(15)的调整冷凝液回流管(8)内冷凝液的流量。
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