CN104764230A - 防冻太阳能供水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防冻太阳能供水装置，包括太阳能集热箱、水箱以及混水阀，所述太阳能集热箱的出水口和水箱的出水口分别通过套管连接在混水阀的热水入口和冷水入口上，在所述套管上还安装有一吸热放热管，在该吸热放热管内充注相变介质；在所述太阳能集热箱的上端和水箱的上端还连接有一压差调节管，在该压差调节管上设置有一延所述压差调节管长度方向滑动的绝热调整片。本发明供水装置增加了吸热放热管和压差调节管，通过滑动绝热调整片在压差调节管的位置，从而平衡冷热水箱的压差，使冷水箱内冷水流入套管内，增大循环温差，促进管内水流动，起到防止水管冻住无法流动的目的。

Description

防冻太阳能供水装置
技术领域
本发明涉及单户冬季太阳能热水管路系统防冻，具体是一种新型利用太阳能热水温差驱动管路循环。
背景技术
寒冷地区冬季家用太阳能的使用受到环境的影响而不能正常使用是目前较为普遍的现象，为克服此问题市场上有伴热带，伴热带套在供回水管上以后再采用黑色保温棉做外保温，伴热带加热功率根据使用环境不同略有差别，平均在1W/m。根据太阳能集热器安装位置，一般安装在所居住房间屋顶，按照正常补水管道敷设距离为10m，用户侧供水管长5m。日功耗P＝15W/1000*24＝0.36kW*h。电能是高品位能源，直接用于加热是非常浪费的，而且伴热带能保证的最低水温是0℃以上，即补水管和用户侧供水管不结冻，冬季在使用太阳能热水时往往会因为水管内储存冷水而需要放掉这部分低温水，这样就造成水资源的浪费，在西北干旱寒冷的环境下放掉低温冷水不符合国家环保节能政策以及低碳生活的准则。
采用排空阀防冻的致命缺点是无法即时即用，同时补水侧排空势必造成水资源浪费。
有采用低速排放太阳能热水来防冻的装置,装置优点是操作简单易行,缺点是造成水资源和热量的双重浪费,浪费水量有可能超过排空浪费的水量。
申请号为201210361813.4名称为一种太阳能防冻管的发明专利也采用套管技术，但其是通过套管内部电阻丝达到防冻效果，太阳能的贮热水箱因为水温过高在夜间也会向周围环境散热，而这部分散失的能量可以用来加热供水管。
申请号为201320027618.8的专利通过采用变频微型泵防止管路冻堵，同时还采用了温度测控系统，这些都是耗电设备，不仅初投资较大，而且运行管理也不方便，此种方式也不能够节能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种成本低、无需能源且易于控制的防冻太阳能供水装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种防冻太阳能供水装置，包括太阳能集热箱、水箱以及混水阀，其特征在于，所述太阳能集热箱的出水口和水箱的出水口分别通过套管连接在混水阀的热水入口和冷水入口上，在所述套管上还安装有一吸热放热管，在该吸热放热管内充注相变介质；在所述太阳能集热箱的上端和水箱的上端还连接有一压差调节管，在该压差调节管上设置有一延所述压差调节管长度方向滑动的绝热调整片；在所述集热箱出水口的套管和水箱出水口的套管之间还连接有一温控支管，在该温控支管上设置有温控阀。
在所述吸热放热管内延长度方向上间隔的设置有隔离支架，所述石蜡被充注在相邻两隔离支架间。
在所述集热箱出水口的套管上还设置有一与所述混水阀联动控制的电磁阀。
所述相变介质为石蜡或酯酸。
压差调节管是冷热水箱上端的连接管，具有可滑动的绝热调整片，通过滑动绝热调整片在压差调节管的位置，从而平衡冷热水箱的压差，使冷水箱内冷水流入套管内，增大循环温差，促进管内水流动。
发明效果
双层隔热节能效果更明显，套管外的水也起到缓冲带的隔热作用，同时套管外的水所散失的能量储存到吸热放热管中，当管外水温度较低时，石蜡相变材料的热量可以传回套管。
充分利用存留在套管内水的热能，根据热管和冷管温度差达到管外水的加热和冷却效果，由于水的密度差从而产生压力差，形成管外水的循环流动。
可以同时保证供热水管和自来水管不结冻，适应农村地区紧凑式太阳能集热器用户。
吸热放热管外层采用黑色吸收材料白天可以吸收太能能热量，用来加热套管内循环水。
真正意义上的无电防冻技术。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2图1的A-A剖视图；
图3图1的B-B剖视图；
其中：1、套管，2、混水阀，3、压差调节管，4、温控阀，5、电磁阀，6、橡皮圈，7、石蜡层，8、太阳能集热箱，9、水箱，10、PVC管，11、隔离支架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
如图1所示，本发明防冻太阳能供水装置，包括太阳能集热箱8、水箱9以及混水阀2，其中太阳能集热箱8提供通过太阳能加热的热水，而水箱9提供冷水。在太阳能集热箱8的上端和水箱9的上端还连接有一压差调节管3，在该压差调节管上设置有一延压差调节管长度方向滑动的绝热调整片。太阳能集热箱8的出水口和水箱9的出水口分别通过套管1连接在混水阀2的热水入口和冷水入口上，在太阳能集热箱出水口的套管和水箱出水口的套管之间还连接有一温控支管，在该温控支管上设置有温控阀4，在集热箱出水口的套管上还设置有一与混水阀联动控制的电磁阀5；在套管1上还套有一吸热放热管3，该吸热放热管3采用PVC管10，在PVC管10内填充有相变介质，相变介质采用石蜡。为了使得石蜡层同时吸热和放热，在石蜡层延套管长度方向上等间隔设置有隔离支架11，参见图3。
工作过程：用户侧供水管采用套管，从水箱侧壁开孔，套管外套有石蜡相变材料(参见图2)，石蜡外层采用黑色吸热材料，在最后一次热水使用之后，热管内热水向石蜡传热并最终达到平衡，由于热水的密度低于冷水在自然重力下持续流回热水箱，为了防止冷水过多流入太阳能集热箱，可通过电磁阀6控制，混水阀4关闭后，电磁阀6也关闭。暴露在室外的水管由于黑色材料的吸热使石蜡融化，温度升高，夜间随着套管内水温降低，会出现石蜡加热套管水的现象，由于室外管环境温度较低更容易结冻，采用石蜡相变材料贮热之后，可延迟管内水温降低。在室外管水温降低前，监测管内水温，当低于限值，打开温控阀5，实现热水管和冷水管的闭式循环。为了防止热桥现象和达到密封要求，在用户侧出口处安装绝热橡皮圈，在使用热水时橡皮圈堵住套管连接处使水箱内热水只沿着内管流出，内外管连通，由于内管水温在刚使用之后水温接近水箱水温，而外管继 续向石蜡传热，这样会导致内管和外管之间的温差，水温在30-80℃范围内时，密度随水温变化的梯度是-0.42kg/℃，温度为0-20℃时，单位温度降下密度梯度为-0.083kg/℃，热水箱水温一般在50-80℃，在30-80℃这个范围内，而且温度越高，密度变化越大。
套管结构：靠近外管壁处的石蜡首先融化，液相石蜡会产生静压作用导致底部石蜡层融化速度较快，然后逐步上移，从而导致底部形成热桥，为了防止石蜡融化后静压的影响，可以在套管外与PVC管之间安装隔离支架可以起到固定和分割作用，使石蜡均匀融化，极端换热情况下也需要保证石蜡层距离外界环境有1cm的厚度，以石蜡60为例，固相石蜡导热系数为0.558W/K，液相导热系数为0.335W/K。保证石蜡不全部融化是为要使最外界石蜡起到隔热作用。
可行性分析计算
微重力作用下的水力计算：
假定流速为0.001m/s，平均水温50℃看，管壁粗糙度0.009，运动粘度0.556×10-6m2/s,阻力损失： 
pl——沿程阻力，Pa；
pf——局部阻力，Pa；
R——比摩阻，Pa/m；
采用当量法计算P＝0.68Pa；
当循环水初始温度60℃，循环终了水温40℃，温差为20℃时，ρ60＝983.2kg/m3，ρ50＝988.0kg/m3，ρ40＝992.2kg/m3密度差所产生的动力为：
P＝Δρgh＝(990.1-986.5)×9.8×5＝220.5Pa
当循环水初始温度50℃，循环终了水温30℃，温差为20℃时， ρ50＝988.0kg/m3，ρ40＝992.2kg/m3，ρ30＝995.65kg/m3密度差所产生的动力为：
P＝Δρgh＝(993.93-990.1)×9.8×5＝187.67Pa
当循环水初始温度40℃，循环终了水温20℃，温差为20℃时，ρ40＝992.2kg/m3，ρ30＝995.65kg/m3，ρ20＝998.2kg/m3密度差所产生的动力为：
P＝Δρgh＝(996.93-993.93)×9.8×5＝147.0Pa。

Claims (4)

1.一种防冻太阳能供水装置，包括太阳能集热箱、水箱以及混水阀，其特征在于，所述太阳能集热箱的出水口和水箱的出水口分别通过套管连接在混水阀的热水入口和冷水入口上，在所述套管上还安装有一吸热放热管，在该吸热放热管内充注相变介质；在所述太阳能集热箱的上端和水箱的上端还连接有一压差调节管，在该压差调节管上设置有一延所述压差调节管长度方向滑动的绝热调整片；在所述集热箱出水口的套管和水箱出水口的套管之间还连接有一温控支管，在该温控支管上设置有温控阀。
2.根据权利要求1所述的防冻太阳能供水装置，其特征在于：在所述吸热放热管内延长度方向上间隔的设置有隔离支架，所述石蜡被充注在相邻两隔离支架间。
3.根据权利要求1所述的防冻太阳能供水装置，其特征在于：在所述集热箱出水口的套管上还设置有一与所述混水阀联动控制的电磁阀。
4.根据权利要求1所述的防冻太阳能供水装置，其特征在于：所述相变介质为石蜡或酯酸。
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