CN106556165A - 一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，包括太阳能集热器，带有定型PCM的蒸汽蓄热器，用汽装置和供水箱。其特征在于太阳能集热器采用商用太阳能热管式真空玻璃集热管，平铺于厂房屋顶上，太阳能热管式真空玻璃集热管上端通入集热器汽包中，集热器汽包外部套保温桶。集热器汽包上端开口用连接软管与蒸汽蓄热器相连。蒸汽蓄热器顶部开口与用汽装置连接，用汽装置排液进入供水箱。整体系统由多个部件串联连接，可以根据需要，添加PCM蓄热箱数量。也可以由多个集热器和一个蓄热器匹配。整体系统在蓄热和放热阶段都不需要辅助动力，蒸汽在系统内部的重力和压力作用下自动流动，节约电力，运行操作简单可靠。

Description

一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统

技术领域

本发明属于蓄热领域的技术，具体为适应厂房屋顶的太阳能集热和蒸汽蓄热系统。

背景技术

由于当前全球人口增长以及经济持续发展，常规的石油、天然气、煤炭等不可再生的化石能源逐渐短缺，价格快速增长，加之全球气候变暖、环境恶化的压力，人类逐渐将可再生能源的开发、利用作为解决上述生存困境的主要手段。可再生能源包括风能、水电、太阳能、潮汐能等，这其中太阳能是目前最理想、最具商业开发价值、技术相对较成熟的技术，其具有典型的清洁、无污染且辐射总功率巨大、取之不尽用之不竭的优点，对太阳能进行开发和利用是世界各国政府大力提倡的能源方案，对人类走出自身的能源、环境困境具有重要意义。

目前对于太阳能的利用形式有光伏发电，热发电和直接利用太阳能热量。但是太阳能的利用存在一些局限性，太阳光照只在白天才有，简单的太阳能利用方式在夜晚是没有能量输出的。解决太阳能的不可持续输出的问题是一个重要的课题，蓄热器的加入可以有效地弥补这一缺陷。

针对特定的应用场合，设计出专用的太阳能利用系统也是太阳能开发利用的一个方向，目前国内有许多专利结合具体的应用场合给出了不同的太阳能利用系统，如发明专利号：CN201310512923.0，一种饮用水型太阳能集热系统，公开了一种利用太阳能集热系统加热自来水到达沸点，并结合保温供水箱控制水温，提供饮用水的系统。发明专利号：CN201310281839.2，循环式太阳能集热系统，发明了一种用导热油循环来提高太阳能集热系统加热效率的方法。发明专利号：CN201610482050.7，适用于水产养殖的太阳能集热系统，公开了一种适用于水产养殖的太阳能集热系统，该系统利用太阳能电池板供给电能，太阳能集热储热系统给养殖室供热。综合文献和专利调查，还未发现有适用于安装在倾斜厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统。

发明内容

本发明主要考虑厂房屋顶大片的采光面积上的太阳能的蒸汽蓄热问题，提出了新型太阳能集热和蒸汽蓄热装置。主要由下列部分组成；热管型真空玻璃集热管和汽包组合的太阳能集热器，利用定型固液相变材料(PCM)和水共同进行蒸汽蓄热和放热的扁平形状蒸汽蓄热器，用汽装置(本专利以溴化锂制冷机为案例)，以及供水泵和供水箱等。太阳能集热器安装在蒸汽蓄热器下方，之间采用一根软管连接用于供汽和回水，蓄热器采用扁平化的设计减少厂房屋顶承受的压强。蓄热器内定型PCM与水共同蓄热放热，增加了单位体积的蓄放热能力，系统安装方便，运行电能消耗少，适合中小型太阳能集热和蓄热场合使用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种安装于厂房屋顶的太阳能集热和蒸汽蓄热系统，包括太阳能集热器，内部安装有定型PCM的蒸汽蓄热器，用汽装置(本专利以溴化锂制冷机为案例)，以及供水泵和供水箱等。其中，集热器中的太阳能真空集热管采用商用太阳能真空集热管，平铺于厂房屋顶上，集热管上端密封插入通入圆筒形汽包中，汽包外部套圆筒形保温桶，其形状和结构与太阳能集热器相似，但汽包是压力容器，它向蓄热器提供中压饱和水蒸汽。汽包上端开口用耐压软管与集热器上方安装的PCM蒸汽蓄热器相连，集热器和蓄热器之间的能量和质量交换机理如同一个重力型热管运行机理，集热器相当于蒸发部，蓄热器相当于冷凝部，耐压软管相当于绝热部。蒸汽蓄热器顶部开口与用汽装置连接，饱和蒸汽在压差作用下由蓄热器流经用汽装置，放出热量冷凝为过冷水，自动排液进入供水箱，供水箱中的水储满后，给供水泵启动将存水打回蓄热器。蒸汽蓄热器的供汽供水如同一般的水塔运行。

所述蒸汽蓄热器由多个带有定型PCM的PCM蒸汽蓄热箱和一个没有定型PCM的储汽箱组成，各箱体间用耐压软管或钢管串联连接，没有定型PCM的储汽蓄热箱安装在最上面。每个箱体都是不锈钢制水平圆筒形状，箱体外部套圆筒形保温层，这些蓄热箱被安放在扁平的蒸汽蓄热器中，空隙用保温材料填充。

所述PCM蒸汽蓄热箱为一水平圆筒形压力容器，内部通过两个垂直隔板的固定，放置填充PCM的水平铜管管束，隔板上端有开口使蒸汽能够流出。每个蓄热箱底部设有水平蒸汽喷射管，同样安装在隔板上。蓄热箱外面的进汽管连接蒸汽喷射管，下面的蓄热箱流出的蒸汽由此进入本箱体。而蒸汽出汽口设于箱体顶部，通过管路连接到上面蓄热箱的进汽口。所有的PCM蒸汽蓄热箱内部充满饱和水。

所述没有定型PCM的储汽箱为一水平压力容器，底部设有进汽口，顶部设有出汽口和进液口，容器下部充满饱和水，上部充满饱和蒸汽。

所述PCM材料相变温度在120-150摄氏度左右。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

太阳能热管式真空玻璃集热管顺厂方屋顶平铺，铺设数量根据设计集热功率而定。蒸汽蓄热器为多个PCM蒸汽蓄热箱和一个储汽箱串联的扁平化结构，可以有效减少厂房屋顶承压。PCM蒸汽蓄热器内部盛放装有定型相变蓄热材料(PCM)的铜管管束，PCM与水共同蓄热，提高了单位体积的蓄热量。用铜管做PCM填充容器，填充和安装拆卸方便，可以增大蓄放热时的热交换面，提高蓄放热的速度。

整体系统由多个部件串联连接，可以根据需要，添加PCM蓄热箱数量。也可以由多个集热器和一个蓄热器匹配。

整体系统在蓄热和放热阶段都不需要辅助动力，蒸汽在系统内部的重力和压力作用下自动流动，节约电力，运行操作简单可靠。在蓄热器内水位低于某一液位或底面供水箱中的水高于某一也为后，给供水泵自动启动将供水箱内存水打回蓄热器,供水泵启动时间短暂有限。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的安装结构图；

图3为本发明的蒸汽蓄热器结构图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明。下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技术方案的前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。

图1为系统示意图，主要包括太阳能集热器9，蒸汽蓄热器6，用汽装置3，供水箱1等部件。太阳能集热器9与蒸汽蓄热器6之间用耐压软管连接，蒸汽蓄热器出口接四通阀5，四通阀5连接用汽装置3，安全阀4和给供水泵10。由于供水箱开口，长期运行过程中会有工质损失，设置了自来水补水阀2，用于供水箱补水。

图2为太阳能集热器与蒸汽蓄热器的安装结构图，图3为蒸汽蓄热器结构图。太阳能热管式真空玻璃集热管26平铺于厂房屋顶11上，用集热器固定支架12固定，并适当调整角度。太阳能热管式真空玻璃集热管上端插入集热器汽包25内，加热集热器汽包内的水，产生饱和蒸汽，蒸汽从集热器汽包顶端引出，通过连接软管24通到蒸汽蓄热器6底部的PCM蓄热箱。所述集热器汽包25外部套保温桶13，以减少热量损失。所述蒸汽蓄热器6由三个水平圆筒形状的PCM蒸汽蓄热箱22和最上面的一个储汽器16组成，如图3所示，各容器用耐压软管或钢管串联连接。所述PCM蓄热箱22内部焊有两个竖立的隔板23，隔板上端切除，用于蒸汽流通，隔板上开孔用于安装内部充满PCM7的铜管管束8。所述PCM蓄热器22底部布置一根蒸汽喷射管14，连接进汽口，所述蒸汽喷射管14四周开孔，用于将上一级的蒸汽喷射到整个蓄热箱中，提高换热效率。蒸汽喷射管14同时也是各级PCM蓄热箱的回液管，在蒸汽压力不足时，上级PCM蓄热箱内的水可以在重力作用下回流到下级PCM蓄热箱，以使各级PCM蓄热箱内有足够存水。所述PCM蓄热箱22顶部设有出汽口20，其中中间和上面两个PCM蓄热器顶部布置有水位报警器21，用于指导给水过程。

所述用汽装置3为用汽装置--溴化锂制冷机，设计功率10KW，每天开机6小时；平均太阳能辐射密度设定为800w/m²，一天有效辐射时间设定为6小时，集热效率0.3，则铺设面积为50m²为宜。根据本发明，PCM材料需要有较高的相变潜热，适宜的相变温度120-150℃左右。根据上述要求，本专利推荐在制冷机用汽温度范围选取赤藓糖醇(Erythritol)作为PCM材料，也可以根据用汽温度范围选取其他相变材料。赤藓糖醇相变温度118℃，相变潜热339.8kJ/kg，密度1300kg/m³，导热系数0.326w/m/K.盛放PCM材料的铜管内部直径40mm。PCM蒸汽蓄热箱外径400mm，长度3m。

所述一种安装于厂房屋顶的太阳能PCM蒸汽蓄热系统的工作过程可分为三个阶段，加热阶段，用汽阶段和给水阶段。

加热阶段，太阳能热管式真空玻璃集热管吸收太阳能温度升高，加热集热器汽包内水，产生蒸汽，蒸汽通过连接软管进入蒸汽蓄热器内的第一个PCM蓄热箱的蒸汽喷射管，在蒸汽喷射管的分散作用下，蒸汽遍布整个PCM蓄热箱底部，并在重力作用下向上运动，与PCM铜管换热，部分凝结，放出热量被PCM吸收，使PCM发生固液相变，以PCM潜热的方式将热量储存下来。剩余蒸汽通过出汽口流到下一级PCM蓄热器中，重复这个过程，蒸汽在流经三级PCM蓄热器的过程中全部凝结为饱和水。

用汽阶段，四通阀接通出汽口，关闭给水口，蒸汽蓄热器内的压力为118℃下水对应的饱和压力1.8057bar，在压差的作用下，蒸汽蓄热器内的蒸汽流入用汽装置冷凝交换热量，变为饱和水或过冷水。由于蒸汽流出蒸汽蓄热器，压力下降，饱和水发生闪蒸相变，部分水蒸发为蒸汽，大部分剩余水的温度下降到PCM相变温度以下。PCM发生相变，放出热量，在铜管表面的水发生沸腾换热，水汽化产生蒸汽，流出蒸汽蓄热器，各PCM蓄热箱内液面逐渐下降。这一过程一直持续到PCM相变结束。

给水阶段，安装于中间与上部PCM蓄热箱的水位报警器分别为低位报警器和高位报警器。低位报警器报警时，四通阀接通给水口，关闭出汽口，打开给供水泵，进行给水操作。高位报警器报警时，关闭给供水泵，四通阀。为保证蒸汽质量，用汽与给水过程不同时进行。

Claims (4)

1.一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，包括太阳能集热器，内部安装有定型PCM的蒸汽蓄热器、太阳能真空集热管、用汽装置、供水泵和供水箱,其特征在于:太阳能集热器中的太阳能真空集热管平铺于厂房屋顶上，太阳能真空集热管上端密封插入圆筒形汽包中，汽包上端开口用耐压软管与集热器上方安装的带有定型固液相变材料的蒸汽蓄热器相连，蒸汽蓄热器顶部开口与用汽装置连接，饱和蒸汽在压差作用下由蓄热器流经用汽装置，放出热量冷凝为过冷水，自动排液进入供水箱，供水箱中的水储满后，供水泵启动将存水打回蓄热器。

2.根据权利要求1所述的一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，其特征在于：所述蒸汽蓄热器由多个带有定型PCM的PCM蓄热箱和一个储汽箱串联组成，各箱体间用耐压软管或钢管连接；各箱体外部套保温桶后，安装在一个扁平结构的箱体内组成一个完整的蒸汽蓄热器。

3.根据权利要求2所述的一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，其特征在于：所述PCM蓄热器为水平圆筒形状压力容器，内部通过两个竖直隔板水平安装内部充满PCM的铜管管束，容器底部设有在隔板上固定的蒸汽喷射管，每一级的蒸汽喷射管的入口即为PCM蓄热器进汽口，和下面一级PCM蓄热箱的出汽口连接，每级PCM的出汽口设于容器顶部，容器内部充满饱和水，蒸汽喷射管在补水阶段也是各级PCM蓄热箱的回水管。

4.根据权利要求3所述的一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，其特征在于：所述PCM材料相变温度在120-150摄氏度左右，所述PCM材料为赤藓糖醇。