CN105571175B - 一种太阳能热水系统输水管解冻装置及其太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能热水系统输水管解冻装置以及太阳能热水器，包括热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在输水管中。本发明首次将热管应用于太阳能管路的解冻，减少了循环泵，避免了泵驱动增加系统运行的不可靠性，节省了成本，而且解冻装置是一个独立的装置，可以独立安装和拆卸。

Description

一种太阳能热水系统输水管解冻装置及其太阳能热水器

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能热水系统输水管解冻装置。

背景技术

目前太阳能热水利用系统在太阳能应用领域中发展迅速且在生产和生活中得到了普遍推广与广泛应用。但在冬季或高寒地区太阳能热水系统的使用仍存在很大制约，主要是由于太阳能热水系统的输水管路会因天气寒冷而结冰造成运行时间缩短或无法使用甚至会冻坏管路系统，因此太阳能热水系统在时间和空间上的更大范围使用受到制约，对太阳能的利用受到很大限制。

通常采用的在输水管外加裹保温材料的方法来防止输水管路冻结，但这样并不能够根本上解决寒冷天气被限制使用的问题。应用中也有采用加装伴热带，即将伴热带缠绕在易于结冰的水管外壁上，然后再包裹绝热材料，在水管冰冻时通过对伴热带通电加热，可以达到解冻的效果。还有一种方法就是利用流动水不容易结冰的特性进行防冻，即常开水龙头保持水流动，但这种方法会造成水资源的很大浪费，而且更低温度也不再适用。目前也已有一些专利提出了对太阳能热水系统输水管结冰问题的防治方案。如专利1(专利号CN201652923 U)采用在输水管内部插入“内置管”进行解冻，即系统通过电加热方式加热防冻液，并使用泵驱动防冻液循环流动，使防冻液在流过内置管时通过管壁散发热量到输水管中对输水管进行防冻解冻，其泵驱动会增加系统运行不可靠性。专利2(专利号CN101818952A)利用混水阀，水箱，溢流管，排空阀等元件实现对输水管的排空，混流等一体化操作以达到解冻防冻目的，但排空热水系统会造成水资源浪费且限制了对太阳能的利用。专利3(专利号CN201903188U)等一批专利技术利用双储水箱，即依靠储存热水在辅助水箱中并依靠阀门控制使热水流过输水管道进行防冻解冻，增加了系统复杂性且阀门冻坏的情况下仍会限制系统正常运行。以上这些专利技术普遍采用水泵驱动工作，采用阀门或辅助旁路/水箱等，安装难度大、操作繁琐，不易实施，综合节能、成本、便利和有效性等方面都存有明显缺陷。

针对上述问题，本发明提供了一种新的太阳能热水系统输水管解冻装置，从而解决太阳能管路冬天结冻问题。

发明内容

本发明提供了一种新的太阳能热水系统输水管解冻装置，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳能热水系统输水管解冻装置，包括热管和外壳，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在外壳中。

作为优选，还包括设置在外壳中的固定架，所述固定架包括内环和外环，所述内环固定在热管的冷凝端的外壁，所述外环固定在外壳的内壁上，所述内环和外环之间设置加强筋。

作为优选，所述外环为螺纹结构，所述外壳的内壁上设置有外环相配合的内螺纹结构。

作为优选，所述外壳的两端设置内螺纹。

作为优选，冷凝段与蒸发端为弯折结构，弯折的角度为120°～150°。

作为优选，还包括加热机构，所述加热机构为环绕在蒸发端外壁的热水，热水来自生产生活带有余热的废水。

作为优选，还包括加热机构，所述加热机构为围绕蒸发端外壁设置的热阻丝。

作为优选，所述热管是太阳能集热管，所述蒸发端直接吸收太阳能。

作为优选，冷凝端内设置内翅片，所述内翅片将冷凝端分为多个通道，所述内翅片上设置通孔，如果将通孔面积V设为距离冷凝端入口的距离x的函数，V＝F(X)，F'(x)<0,F”(x)<0,其中F'(x)、F”(x)分别是F(x)的一次导数和二次导数。

所述热管的蒸发端是扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁和侧壁，所述侧壁连接平行的管壁的端部，所述侧壁和所述平行的管壁之间形成流体通道，翅片设置在管壁之间，所述翅片包括倾斜于管壁的倾斜部分，所述的倾斜部分与平行的管壁连接，所述倾斜部分将流体通道彼此隔开形成多个小通道，相邻的倾斜部分在管壁上连接，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形；在倾斜部分上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通。

所述连通孔的形状为第一等腰三角形。

所述的相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形是第二等腰三角形，

第一等腰三角形的顶角为B，第二等腰三角形的顶角为A，则满足如下公式：

Sin(B)＝a+b*sin(A/2)-c*sin(A/2)²；

其中a,b,c是参数，其中0.582<a<0.594,1.656<b<1.758,1.783<c<1.856；

70°<A<150°；30°<B<90°。

作为优选，a＝0.5849,b＝1.6953,c＝1.8244；

85°<A<115°；50°<B<60°。

一种太阳能系统，包括前面所提到的解冻装置。

与现有技术相比较，本发明的太阳能热水系统解冻装置具有如下的优点：

1)本发明首次将热管应用于太阳能管路的解冻，减少了循环泵，避免了泵驱动增加系统运行的不可靠性，节省了成本。

2)本发明的解冻装置是一个独立的装置，可以独立安装和拆卸。

3)本发明的解冻装置可以广泛的使用多种热源，包括废水热源、太阳能等，克服了现有技术中仅仅利用电热的缺陷。

4)本发明通过定位架固定热管冷凝段，而且通过设置固定架的结构，既保证了太阳能管路中的流体的流动，同时还保证了冷凝段和太阳能输水管之间的固定。

5)通过定位架中增加加强筋，同时起到了固定和传热的双重效果。

6)本发明通过在热管的翅片上设置连通孔，保证相邻的小通道之间的连通，解决热管换热的情况下的内部压力不均匀的问题，提高了换热效率，提高了使用寿命。

7)通过通孔沿着冷凝段长度方向上的面积变化，既满足降低阻力的要求，同时还增加了强化传热的功能。

8)本发明通过大量的实验，确定了最佳的扁平热管的结构尺寸，从而使得保证换热阻力的情况下，使得换热效果达到最佳。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是配套定位架的连接示意图；

图3是本发明装置与输水管路的连接示意图；

图4是本发明优选的热管蒸发端横截面结构示意图；

图5是本发明一个图4蒸发端内肋片设置通孔位置处的横切面的结构示意图；

图6是本发明蒸发端设置通孔结构倾斜部分平面的示意图；

图7是本发明蒸发端设置通孔结构倾斜部分平面的另一个示意图；

图8是本发明的蒸发端三角形通孔结构示意图；

图9是本发明的冷凝端内翅片通孔结构示意图。

附图标记如下：

其中：1.外壳，2.热管，3.固定架，4.冷凝端，5.保温材料，6.蒸发端，7.螺纹，8.螺纹，9.内环，10.外环，11.输水管，12.螺纹连接件，13.解冻装置，14管壁，15通道,16倾斜部分，17内翅片，18通孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种太阳能热水系统输水管解冻装置13，如图1所示，包括热管2和外壳1，所述热管2包括蒸发端6和冷凝端4，所述冷凝端4设置在外壳1中。

本发明首次将热管应用于太阳能管路的解冻，减少了循环泵，避免了泵驱动增加系统运行的不可靠性，节省了成本。

与现有技术相比，本发明的解冻装置是一个独立的装置，可以独立安装和拆卸，需要解冻的时候，只要将其连接在输水管的管路中需要解冻的位置处，不需要解冻的时候，可以将其拆下。

作为优选，还包括设置在外壳1中的固定架3，所述固定架包括内环9和外环10，所述内环9固定在热管2的冷凝端4的外壁，所述外环10固定在外壳1的内壁上，所述内环9和外环10之间设置加强筋。

通过上述设置，一方面保证外壳内的流体的正常流动，避免产生很大的流动阻力，另一方面通过设置加强筋，在起到固定作用的同时，还可以进一步强化热管和外壳1中的流体的换热问题。而且能够防止热管末端位移过大，且不会造成管路堵塞。

作为优选，所述的外壳1是保温材料。所述加强筋、内环和外环是导热材料。

作为优选，所述外壳1外部设置保温材料。

作为优选，所述外环10为螺纹结构，所述外壳的内壁1上设置有外环10相配合的螺纹结构。通过螺纹结构，可以进一步固定。

作为优选，所述外壳1的两端设置螺纹。作为优选是内螺纹或者外螺纹。输水管11连接外壳的两端的位置设置与外壳1的两端螺纹相配合的螺纹。

作为优选，冷凝段4与蒸发端6为弯折结构，弯折的角度为120°～150°。通过设置弯折结构，可以保证蒸发端的加热方便，避免蒸发端设置在壳体1中，此外，也可以使得蒸发端充分吸收太阳能，增加了蒸发端的太阳能利用。作为优选，所述热管是太阳能集热管，所述蒸发端直接吸收太阳能。

作为优选，还包括加热机构，所述加热机构为环绕在蒸发端外壁的热水，热水来自生产生活带有余热的废水。

作为优选，还包括加热机构，所述加热机构为围绕蒸发端外壁设置的热阻丝。

作为优选，如附图9所示，冷凝端4内设置内翅片17，所述内翅片17将冷凝端分为多个通道，所述内翅片上设置通孔18，如果将通孔18面积V设为距离冷凝端入口的距离x的函数，V＝F(X)，F'(x)<0,F”(x)<0,其中F'(x)、F”(x)分别是F(x)的一次导数和二次导数。

作为优选，最大的通孔18的面积是最小的通孔的面积的1.1-1.3倍，优选为1.23倍。

通过设置连通孔，保证相邻的通道之间的连通，从而使得压力大的通道内的流体可以向邻近的压力小的通道内流动，解决扁平管换热的情况下的内部压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，提高了换热效率，同时也提高了热管的使用寿命。

在热管的换热过程中，在冷凝段，因为随着流体的不断冷凝，导致冷凝段的压力不断的下降，因此，随着流体的流动，流体的压力分配也越来越均匀。通过减少通孔面积，可以在保证压力均匀的同时，进一步增加换热面积，提高换热效率。

通过实验发现，通过通孔面积的逐渐变小以及变小的幅度的变化，与面积完全相同相比，可以进一步提高换热效率，大约提高10％左右，同时流动阻力基本没有增加。

作为优选，如图8所示，通孔形状为等腰三角形，所述等腰三角形的底边的中点到顶角的方向与流体蒸发流动的方向相同。

作为优选，冷凝段和蒸发端优选为圆形，如附图2、9所示，当然也可以选择其他形状。

作为优选，如图4所示，所述热管的蒸发端是扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁14和侧壁，所述侧壁连接平行的管壁14的端部，所述侧壁和所述平行的管壁14之间形成流体通道，翅片17设置在管壁14之间，所述翅片17包括倾斜于管壁的倾斜部分16，所述的倾斜部分16与平行的管壁14连接，所述倾斜部分16将流体通道彼此隔开形成多个小管壁15，相邻的倾斜部分16在管壁上连接，所述相邻的倾斜部分16以及管壁14之间构成三角形；在倾斜部分16上设置连通孔18，从而使相邻的小管壁15彼此连通。

作为优选，所述连通孔18的形状为等腰三角形，所述等腰三角形的底边的中点到顶角的方向与流体的蒸发流动方向相同。

作为优选，所述的相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形是等腰三角形，以后简称第二等腰三角形。通过设置成为等腰三角形，可以保证流体流动均匀，提高换热效果。

在实验中发现，通孔的面积不能过大，过大的话会导致换热面积的损失，降低换热效率，过小的话，造成局部压力分配依然不均匀，同理，相邻管壁14的距离不能过大，过大会导致换热效率的降低，过小会导致流动阻力过大。根据实验发现，第一等腰三角形的顶角和第二等腰三角形的顶角为一定规律的变化，例如第二等腰三角形顶角变大，从而导致换热通道的小通道面积增加，相应的流动阻力变小，因此此时第二等腰三角形的流通面积就要变小，这样可以减少通孔18的面积，同时保证流动阻力的情况下，提高换热效率。因此第一等腰三角形和第二等腰三角形顶角之间存在如下关系：

第一等腰三角形的顶角为B，第二等腰三角形的顶角为A，则满足如下公式：

Sin(B)＝a+b*sin(A/2)-c*sin(A/2)²；

其中a,b,c是参数，其中0.582<a<0.594,1.656<b<1.758,1.783<c<1.856；

70°<A<150°；30°<B<90°。

作为优选，a＝0.5849,b＝1.6953,c＝1.8244；

85°<A<115°；50°<B<60°；

通过上述的公式，可以确定第一等腰三角形和第二等腰三角形顶角之间的最佳关系，在此关系下能够保证在满足流动阻力的情况下，达到最佳的换热效率。

作为优选，H＝7-15mm。进一步作为优选，9<H<12mm。

作为优选，第一等腰三角形底边的长度为h，满足如下公式：

0.22<d*(h/H)<0.33；其中d是参数，0.7<d<1.4；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离。

作为优选，0.9<d<1.1。

作为优选，随着顶角为A的增加，所述的d变小。

作为优选，随着H的增加，所述的d变小。

管壁的宽度为W，优选为4.6<W/H<7.4，进一步优选，5.6<W/H<6.8。

通过上述的优化设计，可以进一步提高热管的换热性能，同时降低流动阻力。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下(10MPa以下)，在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的扁平管管壁的尺寸优化关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下(10MPa以下)，在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的扁平管管壁的尺寸优化关系。

对于通孔尺寸沿着流体流动方向或者沿着从热管横截面管壁的中间向侧壁2不断改变的情况下，也依然适用于上述公式，可以通过调整系数或者选择其他通孔尺寸来满足。

作为优选，所述的同一排的相邻的等腰三角形通孔的底边都在一条线上，同一排相邻的通孔距离为S1，所述2.9×h<S1<3.3×h，其中S1是以相邻两个等腰三角形通孔的底边的中点的距离。优选为3.2×h＝S1。

作为优选，相邻排的通孔的等腰三角形的底边互相平行，等腰三角形的顶点到底边中点的距离为L，相邻排的距离S2为3.8*L<S2<4.8*L。优选为S2＝4.4*L。

相邻排的等腰三角形的底边不同时，采取两条底边的加权平均数来计算。

采用上述的最佳尺寸关系，能够保证在满足流动阻力的情况下，达到最佳的换热效率。

对于其余的尺寸按照通常的进行设计即可。

该太阳能热水系统输水管防冻解冻装置的安装使用具体步骤如下：

1)根据用户需要和环境工况，完成解冻装置的各部件尺寸的设计与制作；

2)选取太阳能热水系统的输水管路上水管的较低部分，截取相应长度，通过螺纹连接将解冻装置固定在输水管路；

3)根据热源可用情况，确定热管加热段的热源施加方式并具体实施；

4)热源应施加控制调节装置，以实现与防冻需要或解冻需要相匹配的热源输入与调节。

5)解冻装置安装和使用中，应做好对装置本体做好保温防冻等安全保护措施。

本发明的工作原理是：基于热管工作原理利用可用热源对太阳能热水系统的输水管路进行解冻和防冻。具体原理如下：本发明装置通过螺纹连接件固定接入到太阳能热水系统管路，在热管加热段与可方便获得的热源进行热连接和固定后，施加热负荷以使得热管内部的低温工质吸热，温度升高并进一步蒸发变为气相，蒸汽依靠密度差作用会上浮到热管冷凝段，并在此遇冷释放热量变为液态工质，随后由重力驱动或毛细作用力驱动回流至蒸发段，液体再次吸收热量变为蒸汽，如此循环工作，可以实现热量从热源和热管蒸发段到热管冷凝段和输水管内冰/水的传递。热量从热管冷凝段传递到其周围的输水管内的冰，对冰进行加热使其融化，从而达到解冻的效果。同时，热量源源不断在此释放，冰溶化成水后水温继续升高，由于本装置安装在输水管路的底部，在冷热水密度差的驱动下，热量又可以在输水管内底部的局部高温区域和上部的冰冻或低温区域形成自然对流，使热量从局地高温区上升传递到上部的冰冻区或低温区，进而可以对上部的冰进行解冻或对上部的低温水进行加热以防止结冰。由此实现对太阳能热水系统的输水管全部长度区域的解冻和防冰作用。

作为优选，热管内部的工作介质应采用氟利昂等低温工质，应可确保极寒温度下热管正常工作。

作为优选，本发明装置应安装在系统上水管底部位置，可以获得最佳工作效果。

本发明实施过程，若对已正常安装完毕的太阳能热水系统中应用本发明。则要首先选择截取太阳能热水系统输水管靠底部的竖直或水平管路的一部分管道并置换为与本发明的外壳1连接，通过外壳1上面设置的螺纹7和螺纹8和螺纹连接件12(对丝或套筒)完成与输水管路的固定连接；对于(PPR、PVC等)塑料材质的管路和外壳也可通过热连接实现固定。实施过程应尽可能使本发明装置位于输水管底部和外部热源方便利用的地方，同时在布置本发明装置时对特定热管(如重力热管等)应保证热管的加热段位于冷凝段的下面。对于正在安装过程的太阳能热水系统应用本发明，则在连接输水管路阶段直接连接本发明即可，需注意事项同上所述。

本发明所陈述的太阳能热水系统输水管解冻装置是一个独立的装置，可以方便地连接在热水系统的输水管路上；其主体由热管构成，且热管的冷凝段部分与热水系统输水管道相匹配，连接形成固定管路单元，可方便连接在任何需要解冻的太阳能热水系统的输水管道；热管加热段通过热源施加热负荷，热量依靠热管工作原理无需任何机械转动部件即可传到冷凝段，对输水管路内的冰可以进行解冻。

本发明装置与太阳能热水系统的管路连接方便，可以通过螺纹等连接方式实现快速方便连接。

热管可采用包括重力热管、槽道热管和毛细芯热管等在内的多种形式的热管。

进一步地，施加在热管加热段的热源可以包括电能、太阳能和余热资源等在内的任何可用热源，具体施加方式应根据热源不同而进行选取。

热管的加热段和冷凝段应维持在一定特定角度，以保证热管的最佳工作性能；冷凝段应在输水管的轴线中心位置。

定位架对热管和外壳的固定约束通过螺纹和密封材料实现，可方便地拆装与维护。

装置的外壳材料可以根据所连接输水管材料不同而选择金属材料(铜、钢、不锈钢等)或塑料材料(如PPR、PVC等)制造。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种太阳能热水系统输水管解冻装置，包括热管和外壳，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在外壳中；

其特征在于，还包括设置在外壳中的固定架，所述固定架包括内环和外环，所述内环固定在热管的冷凝端的外壁，所述外环固定在外壳的内壁上，所述内环和外环之间设置加强筋；

所述外环为螺纹结构，所述外壳的内壁上设置有外环相配合的内螺纹结构；

所述外壳的两端设置螺纹；

冷凝端内设置内翅片，所述内翅片将冷凝端分为多个通道，所述内翅片上设置通孔，如果将通孔面积V设为距离冷凝端入口的距离x的函数，V＝F(X)，F'(x)<0,F”(x)<0,其中F'(x)、F”(x)分别是F(x)的一次导数和二次导数。

2.如权利要求1所述的太阳能热水系统输水管解冻装置，其特征在于，冷凝段与蒸发端为弯折结构，弯折的角度为120°～150°。

3.如权利要求1所述的太阳能热水系统输水管解冻装置，其特征在于，还包括加热机构，所述加热机构为环绕在蒸发端外壁的热水，热水来自生产生活带有余热的废水。

4.如权利要求1所述的太阳能热水系统输水管解冻装置，其特征在于，还包括加热机构，所述加热机构为围绕蒸发端外壁设置的热阻丝。

5.如权利要求1所述的太阳能热水系统输水管解冻装置，其特征在于，所述热管是太阳能集热管，所述蒸发端直接吸收太阳能。

6.一种太阳能系统，其特征在于，包括权利要求1-5之一的解冻装置。