CN107192139B - 高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉 - Google Patents

高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,包括太阳能集热器单元、储水箱,其特征是:储水箱是以中心轴为对称的立式箱体,在储水箱的侧壁上环绕储水箱的侧壁相互间隔的设有热循环连接管口;太阳能集热器单元为单管循环集热器单元,储水箱的每个热循环连接管口均能够独立连接一个太阳能集热器单元,所连接的太阳能集热器单元均为集热面与水平面平行的水平连接,直接与储水箱连接的太阳能集热器单元作为一级集热器单元。其优点是:无动力自然循环、集热器的管腔内不结垢、无杂质残留、热效率高、抗冻性好、结构紧凑、占地合理,能够形成大规模的集热场。

Description

高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉
技术领域
本发明涉及一种高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,属于太阳能锅炉技术领域。
背景技术
目前,国内太阳能热利用的产品很多,在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。就太阳能热水器而言,太阳能锅炉是太阳能热水器应用的一个分支。太阳能锅炉主要由太阳能集热器、锅炉体(储水箱)、循环管路等构成。太阳能锅炉的换热循环一般采用强制循环,集热器与储水箱之间都接有上下循环水管,利用泵实现循环。集热器的安装都是采用集热面与水平面呈倾斜角度的有角度安装,这样的安装方式使得集热器安装非常局限,采光面必须向南,才能使集热器吸收太阳能达到最大化,从而使得集热器安装对场地要求较高、占地面积较大,很难形成大规模的集热场;而且集热器安装采用与水平面呈倾斜角度的安装,会造成杂质、水垢、水锈等杂物沉积在集热管底部,或循环管路低处,随时间的推移,造成管路堵塞,集热性能下降。特别是在民用热水应用领域,当热水条件变差后,需清除杂质、水垢、管路堵塞,维修费用很大,维修过程中极易造成储水箱、集热器、集热管、循环管路的损坏、报废,及保温材料的浪费。现有的太阳能锅炉,循环管路较多、较长,保温材料使用也较多,成本高。高温运行时,管路长、热阻大,热量传送中热损失大;低温运行时,管路长,热损失也大。在寒冷地区使用,冬季管路易冻结、冻坏,造成故障或损坏,使系统不能正常运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种无动力自然循环、集热器的管腔内不结垢、无杂质残留、热效率高、抗冻性好、结构紧凑、占地合理,能够形成大规模的集热场的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉。
本发明的目的是通过以下方式实现的:
本发明包括太阳能集热器单元、储水箱,其特征是:储水箱是以中心轴为对称的立式箱体,在储水箱的侧壁上环绕储水箱的侧壁相互间隔的设有热循环连接管口;太阳能集热器单元为单管循环集热器单元,包括箱体或支架、主集热管,太阳能集热器单元的正投影为扇环形或等腰梯形,主集热管固定在箱体或支架的对称中心,主集热管的中轴线与太阳能集热器单元的集热面平行,主集热管仅在太阳能集热器单元的窄端开有对接管口,另一端封闭;储水箱的每个热循环连接管口均能够独立连接一个太阳能集热器单元,所连接的太阳能集热器单元均为集热面与水平面平行的水平连接,直接与储水箱连接的太阳能集热器单元作为一级集热器单元。
在所述储水箱的底部设有排污管口;
所述储水箱为圆柱形、台阶圆柱形、圆台形、正棱柱形、正棱台形,以及各侧面为弧面的正棱柱形或正棱台形,其中的一种;
所述环绕储水箱侧壁的热循环连接管口的中轴线位于同一高度,等间隔或不等间隔设置,各热循环连接管口连接的一级集热器单元的集热面能够形成一个水平的圆环面;
所述热循环连接管口的中轴线均过储水箱该高度横截面的圆心或横截面外接圆的圆心;
当储水箱为正棱柱形或正棱台形时,在储水箱的每个侧面设有一个热循环连接管口,且热循环连接管口的中轴线与所在侧面的纵向对称中心线垂直相交;
所述主集热管的横截面是圆形、椭圆形、多边形、四个角采用圆弧倒角的长方形中的一种;
在所述太阳能集热器单元的主集热管两侧设有吸热板,或在主集热管两侧连接有支集热管,每支支集热管均为一端开口另一端封闭的盲管,每支支集热管的开口端均独立与主集热管联通,且所有支集热管的中轴线均与水平面平行;
所述支集热管可以是真空集热管;
所述主集热管的封闭端采用法兰连接的堵头封闭;
在所述每个一级集热器单元的外部能够连接一个二级集热器单元,所述二级集热器单元为与一级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,二级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于一级集热器单元的正投影面的短弧或短边,二级集热器单元的主集热管的对接管口与一级集热器单元的主集热管的封闭端联通,一级集热器单元和二级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且二级集热器单元的集热面与水平面平行;同理,在每个二级集热器单元的外部能够连接一个三级集热器单元,每个三级集热器单元的外部能够连接一个四级集热器单元,……,每个n级集热器单元的外部能够连接一个n+1级集热器单元,n为正整数;所述n+1级集热器单元为与n级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,n+1级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于n级集热器单元的正投影面的短弧或短边,n+1级集热器单元的主集热管的对接管口与n级集热器单元的主集热管的封闭端联通,n级集热器单元和n+1级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且所有集热器单元的集热面均与水平面平行;
在所述储水箱下方设有第二储水箱,储水箱与第二储水箱之间连接有上下水管,在上下水管上设有阀门。
本发明的优点是:太阳能集热器单元与储水箱间连接管路短,结构紧凑,需要的保温材料少,且避免了因循环管路长而造成的热损;太阳能集热器采用单元拼接式结构,每个太阳能集热器单元或由n级集热器单元拼接的太阳能集热器单元组与储水箱独立连接,太阳能集热器单元可根据场地和需要灵活设置,能够形成大规模的集热场;所有太阳能集热器单元均水平安装,吸收太阳能无角度限制,太阳能利用率高;每个太阳能集热器单元或太阳能集热器单元组的主集热管与储水箱只有一个接口,主集热管的进水口和出水口为同一个口,同样,主集热管上连接的各支集热管与主集热管间也只有一个接口,支集热管的进水口和出水口为同一个口,而所有集热管均为水平布置,每个主集热管与储水箱之间形成水平运行的单管自然循环,每支支集热管与主集热管间也形成了水平运行的单管自然循环,水平运行的单管自然循环温差小、热阻小,可实现沸腾传热,有超强的传热速度和连续传热的动力性,有空泡形成和破灭机制,使得集热管腔体内壁不结垢、集热管中不易留存杂质,所以对水质要求不高,所有运行中的杂质、浮垢都会被水带到储水箱中并沉落于底部,储水箱的底部设有排污管口,可随时或定期排放;水平运行的单管自然循环,水的循环动力来自于外界温度差,水在管腔内自行有序的循环,无需额外增加动力,循环非常顺畅,不存在憋管现象,能够使储水箱中的水达到较高温度,并可用于生产蒸汽;如果在储水箱下方设有第二储水箱,还可以在夜晚将储水箱中的水全部排放到第二储水箱,同时,太阳能集热器单元中的大部分水也会回流到第二储水箱中,这样,在比方冬季无论气温多低都不会冻坏太阳能集热器单元。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明的剖视的结构示意简图;
图3是本发明的安装示意简图;
图4是本发明的在储水箱侧壁的同一高度环绕储水箱的侧壁连接的不同规格的一级集热器单元的结构示意简图;
图5是本发明的安装有两级集热器单元的锅炉结构示意图。
具体实施方式
参照附图1、2、3,本发明包括太阳能集热器单元、储水箱1,储水箱为圆柱形立式箱体,储水箱壁设有保温层,在储水箱侧壁的同一高度环绕储水箱的侧壁等间隔的设有8个热循环连接管口3;在储水箱下方设有第二储水箱8,第二储水箱8的容积远大于储水箱1的容积,储水箱与第二储水箱之间连接有上下水管,在上下水管上设有阀门和水泵,第二储水箱安装在锅炉房9中,储水箱下部用支架支撑,使得储水箱从锅炉房顶部伸出,储水箱的热循环连接管口位于锅炉房顶上方,太阳能集热器单元为单管循环集热器单元,包括箱体7、主集热管4,箱体的集热面上设有透明玻璃盖板5,主集热管的横截面是圆形的,太阳能集热器单元的正投影为扇环形,扇环形的圆心角为45°,主集热管固定在箱体的对称中心,主集热管的中轴线与太阳能集热器单元的集热面平行,主集热管仅在太阳能集热器单元的窄端开有对接管口,另一端封闭,在太阳能集热器单元的箱体中设有保温层;储水箱的每个热循环连接管口均独立连接一个相同规格的太阳能集热器单元,所连接的太阳能集热器单元均为集热面与水平面平行的水平连接,直接与储水箱连接的太阳能集热器单元作为一级集热器单元2。所有太阳能集热器单元形成一个水平的圆环面,可以吸收任何角度的太阳能辐射。当然,也可以根据场地环境,有选择的在储水箱的热循环连接管口连接太阳能集热器单元或太阳能集热器单元组(由多级集热器单元连接而成)。
在所述太阳能集热器单元的主集热管两侧设有吸热板,或在主集热管两侧连接有支集热管6,每支支集热管均为一端开口另一端封闭的盲管,每支支集热管的开口端均独立与主集热管联通,且所有支集热管的中轴线均与水平面平行;所述支集热管可以是真空集热管;所述主集热管的封闭端采用法兰连接的堵头封闭。
参照附图4,在储水箱侧壁的同一高度环绕储水箱的侧壁连接的一级集热器单元也可以是圆心角不同的扇环形集热器单元,但各热循环连接管口连接的一级集热器单元的集热面能够形成一个水平的圆环面。
参照附图5,在所述每个一级集热器单元的外部能够连接一个二级集热器单元10,所述二级集热器单元为与一级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,二级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于一级集热器单元的正投影面的短弧或短边,二级集热器单元的主集热管的对接管口与一级集热器单元的主集热管的封闭端联通,连接时,将一级集热器单元的主集热管封闭端法兰连接的堵头卸掉,将二级集热器单元的主集热管的对接管口与一级集热器单元的主集热管的封闭端用法兰11连接,连接后形成一根新的单端开口的主集热管;一级集热器单元和二级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且二级集热器单元的集热面与水平面平行。同理,在每个二级集热器单元的外部能够连接一个三级集热器单元,每个三级集热器单元的外部能够连接一个四级集热器单元,……,每个n级集热器单元的外部能够连接一个n+1级集热器单元,n为正整数;所述n+1级集热器单元为与n级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,n+1级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于n级集热器单元的正投影面的短弧或短边,n+1级集热器单元的主集热管的对接管口与n级集热器单元的主集热管的封闭端联通,n级集热器单元和n+1级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且所有集热器单元的集热面均与水平面平行;这样就可以形成一个大规模的集热场。在太阳能集热器单元的下部根据需要可以设置支撑杆来支撑太阳能集热器单元。
在所述第二储水箱上设有补水管,在储水箱上设有向外输送热水的管路。在第二储水箱中设有潜水泵,潜水泵用管路与储水箱连接。在储水箱与第二储水箱之间连接的上下水管上设置的阀门可以是人工控制的阀门,也可以是自动控制的电磁阀。当需要给储水箱供水时,开启潜水泵将第二储水箱中的水送入储水箱,直至达到设定的水量。在比方的寒冷冬季,当傍晚到来时,由感光传感器控制上下水管上的电磁阀开启,或由人工控制阀门开启,使储水箱中的水在重力作用下流入第二储水箱中,由于太阳能集热器单元的集热管均为水平设置,所以集热管中大部分的水也会回流到第二储水箱中,这样就不会使集热管冻坏。
在气温较高的地区无需设置第二储水箱。
在所述储水箱的底部设有排污管口;由于集热管腔体内壁不结垢、集热管中不易留存杂质,所有运行中的杂质、浮垢都会被水带到储水箱中并沉落于底部,储水箱底部设有排污管口,可随时或定期排放。
上面的实施例介绍了在储水箱侧壁上同一高度环绕储水箱的侧壁等间隔的设置热循环连接管口的情形,这是一种比较理想的结构。但是,对于大型的储水箱而言,也可以在不同的高度分层连接多层太阳能集热器单元;对于受环境、场地影响,无法将环绕储水箱侧壁连接的太阳能集热器单元都设置在同一高度,也可以高低错落的设置。

Claims (8)

1.一种高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,包括太阳能集热器单元、储水箱,其特征是:储水箱是以中心轴为对称的立式箱体,在储水箱的侧壁上环绕储水箱的侧壁相互间隔的设有热循环连接管口;太阳能集热器单元为单管循环集热器单元,包括箱体或支架、主集热管,太阳能集热器单元的正投影为扇环形或等腰梯形,主集热管固定在箱体或支架的对称中心,主集热管的中轴线与太阳能集热器单元的集热面平行,主集热管仅在太阳能集热器单元的窄端开有对接管口,另一端封闭;储水箱的每个热循环连接管口均能够独立连接一个太阳能集热器单元,所连接的太阳能集热器单元均为集热面与水平面平行的水平连接,直接与储水箱连接的太阳能集热器单元作为一级集热器单元;所述环绕储水箱侧壁的热循环连接管口的中轴线位于同一高度,等间隔或不等间隔设置,各热循环连接管口连接的一级集热器单元的集热面能够形成一个水平的圆环面;在所述每个一级集热器单元的外部能够连接一个二级集热器单元,所述二级集热器单元为与一级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,二级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于一级集热器单元的正投影面的短弧或短边,二级集热器单元的主集热管的对接管口与一级集热器单元的主集热管的封闭端联通,一级集热器单元和二级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且二级集热器单元的集热面与水平面平行;同理,在每个二级集热器单元的外部能够连接一个三级集热器单元,每个三级集热器单元的外部能够连接一个四级集热器单元,……,每个n级集热器单元的外部能够连接一个n+1级集热器单元,n为正整数;所述n+1级集热器单元为与n级集热器单元形状和结构相同的平板式单管循环集热器单元,n+1级集热器单元正投影面的短弧或短边大于等于n级集热器单元的正投影面的短弧或短边,n+1级集热器单元的主集热管的对接管口与n级集热器单元的主集热管的封闭端联通,n级集热器单元和n+1级集热器单元的正投影面的两侧边位于同一扇形面的两侧边上,且所有集热器单元的集热面均与水平面平行。
2.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:所述储水箱为圆柱形、台阶圆柱形、圆台形、正棱柱形、正棱台形,以及各侧面为弧面的正棱柱形或正棱台形,其中的一种;在所述储水箱的底部设有排污管口。
3.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:所述热循环连接管口的中轴线均过储水箱该高度横截面的圆心或横截面外接圆的圆心。
4.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:当储水箱为正棱柱形或正棱台形时,在储水箱的每个侧面设有一个热循环连接管口,且热循环连接管口的中轴线与所在侧面的纵向对称中心线垂直相交。
5.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:所述主集热管的横截面是圆形、椭圆形、多边形、四个角采用圆弧倒角的长方形中的一种。
6.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:在所述太阳能集热器单元的主集热管两侧设有吸热板,或在主集热管两侧连接有支集热管,每支支集热管均为一端开口另一端封闭的盲管,每支支集热管的开口端均独立与主集热管联通,且所有支集热管的中轴线均与水平面平行。
7.根据权利要求1所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:所述主集热管的封闭端采用法兰连接的堵头封闭。
8.根据权利要求1~7任一权利要求所述的高温抗冻高效率自然循环太阳能锅炉,其特征是:在所述储水箱下方设有第二储水箱,储水箱与第二储水箱之间连接有上下水管,在上下水管上设有阀门。
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