CN111964277A - 一种对流换热的真空管太阳能热水器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对流换热的真空管太阳能热水器及其控制方法，包括水箱以及与水箱连通的多个真空管；水箱包括箱体以及置于箱体一侧的进水管、置于箱体另一侧的出水管，进水管的一端连接有循环组件；真空管内具有倾斜设置的导流板，导流板将真空管分为冷水舱和热水舱，导流板的下端向着热水舱平滑延伸有导流部，导流板的侧端与金属内管的内壁之间设有多个翅片，多个翅片由上至下分布，热水舱内的翅片的开口朝向真空管的开口端设置，金属内管的内壁底部具有螺旋面。本发明具有如下优点：采用特殊结构的真空管，使水经过真空管传热时形成旋流，提高与真空管的接触面，加快真空管的传热效率，通过加设循环组件，提高水箱内部对流换热效率。

Description

一种对流换热的真空管太阳能热水器及其控制方法

技术领域：

本发明属于太阳能集热器领域，具体涉及一种对流换热的真空管太阳能热水器及其控制方法。

背景技术：

太阳能是一种分散性和间歇性的能源，要想充分利用它就需要用到储能技术将白天充足的太阳能储存起来，以供夜间或阴天使用。太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能的装置，通过吸收一定波长的太阳辐射，将太阳辐射转化为其它形式的能量。目前用于太阳能集热器的真空管结构采用双层玻璃管，一端开口一端成封闭状态的长圆柱形管道，封闭端朝下放置，开口端与太阳能集热器的联箱连接，双层玻璃管之间的空气夹层做真空处理，减少由空气流动造成的热损。

现有的真空管太阳能热水器中，水箱中的冷水较真空管内的热水比重大，水经过真空管传热后，温度升高，密度减小，从而真空管内的热水向水箱移动，而水箱中的冷水向真空管移动，在真空管与水箱连接的区域，有热流体流射、冷流体入流以及冷热流体混流，水箱底部存在温度分层现象，水箱平均温度低，为解决这一问题，人们想出在真空管内设置导流板的技术方案。

如专利号201110153073.0真空管导流循环装置中，在双层玻璃真空管的端部安装导流罩，在导流罩的外部套装集管盒，导流罩向真空管内插入隔板，通过隔板将真空管分隔成冷水通道和热水通道，这种结构存在如下缺陷：1、水流在真空管端口部流动空间小，使得整个水箱的对流换热效果仍不够理想；2、隔板的上端通过导流罩与真空管实现固定，隔板的下端延伸至真空管内，当水流在真空管循环换热时，对隔板产生一定冲击，隔板在真空管内出现晃动的现象，严重的甚至是隔板从导流罩上脱落至真空管内，对真空管同样造成冲击损坏；3、真空管的底端水流动性差，真空管底端受热应力作用极易发生炸裂。

发明内容：

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种对流换热的真空管太阳能热水器及其控制方法，采用特殊结构的真空管，使水经过真空管传热时形成旋流，提高与真空管的接触面，加快真空管的传热效率，通过加设循环组件，提高水箱内部对流换热效率，减少水箱底部温度分层，提高水箱平均温度。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种对流换热的真空管太阳能热水器，包括水箱以及与水箱连通的多个真空管，多个真空管平行且对应设置；

水箱包括箱体以及置于箱体一侧的进水管、置于箱体另一侧的出水管，进水管的一端连接有循环组件，循环组件包括与进水管连通的第一管路、第二管路；第一管路上分别向多个真空管的开口端处延伸有分管；第二管路的一端向一侧垂直延伸有第一出水分管以及向另一侧垂直延伸有第二出水分管；

真空管由金属内管以及玻璃外管熔接而成，金属内管与玻璃外管之间为真空层，真空管内具有倾斜设置的导流板，导流板将真空管分为冷水舱和热水舱，冷水舱的宽度由真空管的开口端向底端方向逐步递减，热水舱的宽度由真空管的开口端向底端方向逐步递增，同时分管伸入热水舱的开口端内，导流板的下端向着热水舱平滑延伸有导流部，导流部为开口朝向热水舱的圆弧状结构，导流板的侧端与金属内管的内壁之间设有多个翅片，多个翅片由上至下分布，翅片呈圆弧状结构，冷水舱内的翅片的开口朝向真空管的底端设置，热水舱内的翅片的开口朝向真空管的开口端设置，金属内管的内壁底部具有螺旋面。

本发明的进一步改进在于：水箱内的水由上至下经过冷水舱内的翅片形成涡流状结构，再经过螺旋面导流由下至上向热水舱内的翅片流动。

本发明的进一步改进在于：第一出水分管水平分布，且第一出水分管的一端向上设置，第一出水分管的另一端向下设置；第二出水分管水平分布，且第二出水分管的一端向前设置，第二出水分管的另一端向后设置。

本发明的进一步改进在于：进水管上设有第一阀门，出水管上设有第二阀门，进水管位于水箱内部具有循环泵，第一管路上设有第三阀门，第二管路上设有第四阀门，箱体内壁上设有温度传感器，箱体内具有液位仪，箱体外部设有控制单元，控制单元分别与第一阀门、第二阀门、循环泵、第三阀门、第四阀门、温度传感器以及液位仪电连接。

一种对流换热的真空管太阳能热水器的控制方法，具体步骤包括如下：

S1、液位仪将检测到水箱内部的液位高度信息传递给控制单元，控制单元对该高度信息值与系统内部的预定阈值进行分析比较，预定阈值包括上阈值和下阈值；

S2、如果液位仪检测到的高度信息值大于下阈值，控制单元向第一阀门发出关闭的信号指令，此时控制单元向温度传感器发出检测指令，并将温度传感器检测到的温度信息值与系统内部的预定温度值进行分析比较，预定温度值包括上温度值和下温度值，如果温度传感器检测到的温度信息值在上温度值与下温度值之间，则向第三阀门、第四阀门发出关闭的信号指令，如果温度传感器检测到的温度信息值小于下温度值时，向第三阀门、第四阀门以及循环泵发出开启的信号指令，第一管路的各个分管对真空管内的热水进行加压抽取，并依次经过第一管路、第二管路向第一出水分管、第二出水分管向水箱内部各个方向进行流射，由于热水水温升高，密度减小，并向水箱上部进行运动，冷水逐步下降至各个真空管的冷水舱的开口端处，冷水由上至下经过冷水舱内的翅片形成涡流状结构，再经过螺旋面导流由下至上向热水舱内的翅片流动，经循环泵加压流向第一出水分管、第二出水分管，循环往复，直至温度传感器检测到的温度信息值达到上温度值，则停止运行；

S3、如果液位仪检测到的高度信息值小于等于下阈值，控制单元向第一阀门、第四阀门、循环泵发出开启指令，向第三阀门发出关闭指令，水经过进水管、第二管路流向第一出水分管、第二出水分管，实现对水箱的加水，直至液位仪检测到的高度信息值等于上阈值时，控制单元停止运行，继而开始重复步骤S2；

S4、控制单元收到出水的信号指令时，向第二阀门发出开启的信号指令，向第一阀门、第三阀门、第四阀门以及循环泵发出关闭的信号指令。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用特殊结构的真空管以及在水箱内加设循环组件，使水经过真空管传热时形成旋流，提高与真空管的接触面，加快真空管的传热效率，通过加设循环组件，将经过真空管加热后的热水快速抽离至水箱上层，避免真空管管口处产生热流体流射、冷流体入流以及冷热流体混流现象，真空管与循环组件结合使用，提高水箱内部对流换热效率，减少水箱底部温度分层，提高水箱平均温度，本发明将真空管与水箱的循环组件结合，加速了水箱内水流的速度，同时又相对延长了水在真空管内的传热时间，两者相结合，大大提高了太阳能热水器的对流换热效率，同时也避免真空管以及水箱内结垢。

2、真空管采用金属内管以及玻璃外管熔接的结构，在金属内管内的导流板通过翅片实现连接，使真空管端口处供水流通的空间大，翅片的设计具有三个优点，第一，对水流流向真空管以及水流流出真空管均具有一个导向作用，使水流在真空管内产生涡流，避免水流在真空管内形成一定程度的扰流从而对真空管内壁以及导流板产生一定程度冲击；第二，翅片连接金属内管与导流板，避免导流板下部随着水流而发生振动，提高导流板的连接稳定性；第三，翅片具有快速传热的作用，金属内管将太阳能热量快速传递给翅片，水流绕着翅片流动，加速水的传热效率。

3、真空管的底部为螺旋面以及导流板下端的导流部相结合，当水流经过真空管底部时，对水流具有良好的导向作用，使水在真空管底部产生涡流后快速向热水舱流动，避免真空管底部产生死水并使金属内管的底部热应力集中，同时螺旋面的设计可有效缓解真空管底部因热应力集中而产生的膨胀，保证真空管的使用寿命。

附图说明：

图1为本发明一种对流换热的真空管太阳能热水器的结构示意图。

图2为本发明一种对流换热的真空管太阳能热水器的真空管的结构示意图。

图3为图2的A-A向示意图；

图4为图2的B-B向示意图；

图5为本发明一种对流换热的真空管太阳能热水器的第一出水分管、第二出水分管与第二管路的连接俯视图。

图6为本发明一种对流换热的真空管太阳能热水器的第一出水分管的侧向示意图。

图中标号：

1-水箱、2-真空管；

11-箱体、12-进水管、13-出水管、14-循环组件、15-第一阀门、16-第二阀门、17-循环泵、18-第三阀门、19-第四阀门、120-温度传感器、121-液位仪；

141-第一管路、142-第二管路、143-分管、144-第一出水分管、145-第二出水分管；

21-金属内管、22-玻璃外管、23-真空层、24-导流板、25-冷水舱、26-热水舱、27-导流部、28-翅片、29-螺旋面。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示方位或位置关系，如为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或单元必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有 “连接”“设有”“具有”等术语应作广义去理解，例如可以是固定连接，可以是拆卸式连接，或一体式连接，可以说机械连接，也可以是直接相连，可以通过中间媒介相连，对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的基本含义。

如图1示出了本发明一种对流换热的真空管太阳能热水器的一种实施方式，包括水箱1以及与水箱1连通的多个真空管2，多个真空管2平行且对应设置；

水箱1包括箱体11以及置于箱体11一侧的进水管12、置于箱体11另一侧的出水管13，进水管12的一端连接有循环组件14，循环组件14包括与进水管12连通的第一管路141、第二管路142；第一管路141上分别向多个真空管2的热水舱26的开口端处延伸有分管143；第二管路142的一端向一侧垂直延伸有第一出水分管144以及向另一侧垂直延伸有第二出水分管145；

如图2、图3、图4所示，真空管2由金属内管21以及玻璃外管22熔接而成，金属内管21与玻璃外管22之间为真空层23，真空管23内具有倾斜设置的导流板24，导流板24将真空管23分为冷水舱25和热水舱26，冷水舱25的宽度由真空管23的开口端向底端方向逐步递减，热水舱26的宽度由真空管23的开口端向底端方向逐步递增，同时分管143伸入热水舱26的开口端内，导流板24的下端向着热水舱26平滑延伸有导流部27，导流部27为开口朝向热水舱26的圆弧状结构，导流板27的侧端与金属内管21的内壁之间设有多个翅片28，所述多个翅片28由上至下分布，翅片28呈圆弧状结构，冷水舱25内的翅片28的开口朝向真空管2的底端设置，热水舱26内的翅片28的开口朝向真空管2的开口端设置，金属内管21的内壁底部具有螺旋面29。

进一步的，水箱1内的水由上至下经过冷水舱25内的翅片28形成涡流状结构，再经过螺旋面29导流由下至上向热水舱26内的翅片28流动。

本发明采用特殊结构的真空管2以及在水箱1内加设循环组件14，使水经过真空管2传热时形成旋流，提高与真空管2的接触面，加快真空管2的传热效率，同时也避免真空管2以及水箱1内结垢，通过加设循环组件14，将经过真空管2加热后的热水快速抽离至水箱1上层，避免真空管2管口处产生热流体流射、冷流体入流以及冷热流体混流现象，真空管2与循环组件14结合使用，提高水箱1内部对流换热效率，减少水箱1底部温度分层，提高水箱1平均温度。

本申请中，真空管2采用金属内管21以及玻璃外管22熔接的结构，在金属内管21内的导流板24通过翅片28实现连接，翅片28的设计具有三个优点，第一，对水流流向真空管2以及水流流出真空管2均具有一个导向作用，使水流在真空管2内产生涡流，避免水流在真空管2内形成一定程度的扰流从而对真空管2内壁以及导流板24产生一定程度冲击；第二，翅片28连接金属内管21与导流板24，避免导流板24下部随着水流而发生振动，提高导流板24的连接稳定性；第三，翅片28具有快速传热的作用，金属内管21将太阳能热量快速传递给翅片28，水流绕着翅片28流动，加速水的传热效率。

其中，冷水舱25、热水舱26的翅片28尤为重要，原因在于：冷水在真空管2开口端处由于自身重力作用，会沿着导流板24以及金属内管21快速下落至真空管2的底部，而循环泵17对热水舱26内的水又具有快速抽取的作用，因此，如果一味地追求水流在真空管2内的快速流动，那么水的传热效率则无法保证，而本申请中，在真空管2内壁设置的翅片28，对冷水流入冷水舱25产生一定阻力，而这个阻力延长了冷水在真空管2内的传热时间，提高了传热效率，热水舱26内的翅片28具有相同的作用。

本发明将真空管2与水箱的循环组件14结合，加速了水箱1内水流的速度，同时又相对延长了水在真空管2内的传热时间，两者相结合，大大提高了太阳能热水器的对流换热效率。

本申请中，真空管2的底部为螺旋面29以及导流板24下端的导流部27相结合，当水流经过真空管2底部时，对水流具有良好的导向作用，使水在真空管2底部产生涡流后快速向热水舱26流动，避免真空管2底部产生死水并使金属内管21的底部热应力集中，同时螺旋面29的设计可有效缓解真空管2底部因热应力集中而产生的膨胀，保证真空管2的使用寿命。

本申请中，真空管2的结构一般性地还包括设置在金属内管21外壁上的太阳能选择性吸收涂层、设置在真空层23底部的弹力卡子以及消气剂、消气膜，为本领域技术人员公知的现有常识，故本申请中未具体描述及附图说明。

其中，翅片28通过焊接与金属内管21与导流板24进行连接，焊接时可采用焊把夹持焊条，焊条伸入金属内管21内进行焊接，为便于焊接，可以扩大真空管的内径，由下至上逐步对翅片28进行焊接，焊接时通过外部夹具对导流板24定位以及对某个需要焊接的翅片28固定。

进一步的，如图5、图6所示，第一出水分管144水平分布，且第一出水分管144的一端向上设置，第一出水分管144的另一端向下设置；第二出水分管145水平分布，且第二出水分管145的一端向前设置，第二出水分管145的另一端向后设置。

进一步的，进水管12上设有第一阀门15，出水管13上设有第二阀门16，进水管12位于水箱1内部具有循环泵17，第一管路141上设有第三阀门18，第二管路142上设有第四阀门19，箱体11内壁上设有温度传感器120，箱体11内具有液位仪121，箱体11外部设有控制单元，控制单元分别与第一阀门15、第二阀门16、循环泵17、第三阀门18、第四阀门19、温度传感器120以及液位仪121电连接。

本申请中，第一出水分管144对真空管2或者进水管12内的水流实现上下喷射，第二出水分管145对真空管2或者进水管12内的水流实现左右方向喷射，两者结合使用，实现加速水箱1内水的对流，避免水箱1底部发生温度分层现象，热水对箱体11的左右内壁以及上壁进行喷射，有效提高箱体11内壁的温度，对热水器的水箱1储热具有良好的效果，同时第一出水分管144的一端实现向下喷射，由上至下水流的冲击进一步提高对水箱1内水的内部循环流动性，使水根据自身的比重、密度向真空管2内流动（一般，温度高度水其自身密度较冷水密度小，会上移，冷水会下沉）。

本申请中，第一出水分管144的一端可通过分管安装多个向上喷射的喷头，另一端可通过分管安装多个向下喷射的喷头，第二出水分管145的一端可安装多个向左喷射的喷头，另一端可安装多个向右喷射的喷头，液位仪121、各个阀门均采用耐高温元器件。

一种利用对流换热的真空管太阳能热水器的控制方法，具体步骤包括如下：

S1、液位仪121将检测到水箱1内部的液位高度信息传递给控制单元，控制单元对该高度信息值与系统内部的预定阈值进行分析比较，预定阈值包括上阈值和下阈值；

S2、如果液位仪121检测到的高度信息值大于下阈值，控制单元向第一阀门15发出关闭的信号指令，此时控制单元向温度传感器120发出检测指令，并将温度传感器120检测到的温度信息值与系统内部的预定温度值进行分析比较，预定温度值包括上温度值和下温度值，如果温度传感器120检测到的温度信息值在上温度值与下温度值之间，则向第三阀门18、第四阀门19发出关闭的信号指令，如果温度传感器120检测到的温度信息值小于下温度值时，向第三阀门18、第四阀门19以及循环泵17发出开启的信号指令，第一管路141的各个分管143对真空管2内的热水进行加压抽取，并依次经过第一管路141、第二管路142向第一出水分管144、第二出水分管145向水箱1内部各个方向进行流射，由于热水水温升高，密度减小，并向水箱1上部进行运动，冷水逐步下降至各个真空管2的冷水舱25的开口端处，冷水由上至下经过冷水舱25内的翅片28形成涡流状结构，再经过螺旋面29导流由下至上向热水舱26内的翅片28流动，经循环泵17加压流向第一出水分管144、第二出水分管145，循环往复，直至温度传感器120检测到的温度信息值达到上温度值，则停止运行；

S3、如果液位仪121检测到的高度信息值小于等于下阈值，控制单元向第一阀门15、第四阀门19、循环泵17发出开启指令，向第三阀门18发出关闭指令，水经过进水管12、第二管路142流向第一出水分管144、第二出水分管145，实现对水箱1的加水，直至液位仪121检测到的高度信息值等于上阈值时，控制单元停止运行，继而开始重复步骤S2；

S4、控制单元收到出水的信号指令时，向第二阀门16发出开启的信号指令，向第一阀门15、第三阀门18、第四阀门19以及循环泵17发出关闭的信号指令。

本发明中未全部公开的内容为本领域技术人员公知的现有常识，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种对流换热的真空管太阳能热水器，其特征在于：包括水箱（1）以及与水箱（1）连通的多个真空管（2），所述多个真空管（2）平行且对应设置；

所述水箱（1）包括箱体（11）以及置于箱体（11）一侧的进水管（12）、置于箱体（11）另一侧的出水管（13），所述进水管（12）的一端连接有循环组件（14），所述循环组件（14）包括与进水管（12）连通的第一管路（141）、第二管路（142）；所述第一管路（141）上分别向多个真空管（2）开口端处延伸有分管（143）；所述第二管路（142）的一端向一侧垂直延伸有第一出水分管（144）以及向另一侧垂直延伸有第二出水分管（145）；

所述真空管（2）由金属内管（21）以及玻璃外管（22）熔接而成，所述金属内管（21）与玻璃外管（22）之间为真空层（23），真空管（23）内具有倾斜设置的导流板（24），所述导流板（24）将真空管（23）分为冷水舱（25）和热水舱（26），所述冷水舱（25）的宽度由真空管（23）的开口端向底端方向逐步递减，所述热水舱（26）的宽度由真空管（23）的开口端向底端方向逐步递增，同时分管（143）伸入热水舱（26）的开口端内，所述导流板（24）的下端向着热水舱（26）平滑延伸有导流部（27），所述导流部（27）为开口朝向热水舱（26）的圆弧状结构，所述导流板（27）的侧端与金属内管（21）的内壁之间设有多个翅片（28），所述多个翅片（28）由上至下分布，所述翅片（28）呈圆弧状结构，所述冷水舱（25）内的翅片（28）的开口朝向真空管（2）的底端设置，所述热水舱（26）内的翅片（28）的开口朝向真空管（2）的开口端设置，所述金属内管（21）的内壁底部具有螺旋面（29）。

2.根据权利要求1所述一种对流换热的真空管太阳能热水器，其特征在于：所述水箱（1）内的水由上至下经过冷水舱（25）内的翅片（28）形成涡流状结构，再经过螺旋面（29）导流由下至上向热水舱（26）内的翅片（28）流动。

3.根据权利要求2所述一种对流换热的真空管太阳能热水器，其特征在于：所述第一出水分管（144）水平分布，且所述第一出水分管（144）的一端向上设置，所述第一出水分管（144）的另一端向下设置；所述第二出水分管（145）水平分布，且所述第二出水分管（145）的一端向前设置，所述第二出水分管（145）的另一端向后设置。

4.根据权利要求3所述一种对流换热的真空管太阳能热水器，其特征在于：所述进水管（12）上设有第一阀门（15），所述出水管（13）上设有第二阀门（16），所述进水管（12）位于水箱（1）内部具有循环泵（17），所述第一管路（141）上设有第三阀门（18），所述第二管路（142）上设有第四阀门（19），所述箱体（11）内壁上设有温度传感器（120），所述箱体（11）内具有液位仪（121），所述箱体（11）外部设有控制单元，所述控制单元分别与第一阀门（15）、第二阀门（16）、循环泵（17）、第三阀门（18）、第四阀门（19）、温度传感器（120）以及液位仪（121）电连接。

5.一种利用权利要求4所述对流换热的真空管太阳能热水器的控制方法，其特征在于：具体步骤包括如下：

S1、所述液位仪（121）将检测到水箱（1）内部的液位高度信息传递给控制单元，控制单元对该高度信息值与系统内部的预定阈值进行分析比较，所述预定阈值包括上阈值和下阈值；

S2、如果液位仪（121）检测到的高度信息值大于下阈值，控制单元向第一阀门（15）发出关闭的信号指令，此时控制单元向温度传感器（120）发出检测指令，并将温度传感器（120）检测到的温度信息值与系统内部的预定温度值进行分析比较，所述预定温度值包括上温度值和下温度值，如果温度传感器（120）检测到的温度信息值在上温度值与下温度值之间，则向第三阀门（18）、第四阀门（19）发出关闭的信号指令，如果温度传感器（120）检测到的温度信息值小于下温度值时，向第三阀门（18）、第四阀门（19）以及循环泵（17）发出开启的信号指令，第一管路（141）的各个分管（143）对真空管（2）内的热水进行加压抽取，并依次经过第一管路（141）、第二管路（142）向第一出水分管（144）、第二出水分管（145）向水箱（1）内部各个方向进行流射，由于热水水温升高，密度减小，并向水箱（1）上部进行运动，冷水逐步下降至各个真空管（2）的冷水舱（25）的开口端处，冷水由上至下经过冷水舱（25）内的翅片（28）形成涡流状结构，再经过螺旋面（29）导流由下至上向热水舱（26）内的翅片（28）流动，经循环泵（17）加压流向第一出水分管（144）、第二出水分管（145），循环往复，直至温度传感器（120）检测到的温度信息值达到上温度值，则停止运行；

S3、如果液位仪（121）检测到的高度信息值小于等于下阈值，控制单元向第一阀门（15）、第四阀门（19）、循环泵（17）发出开启指令，向第三阀门（18）发出关闭指令，水经过进水管（12）、第二管路（142）流向第一出水分管（144）、第二出水分管（145），实现对水箱（1）的加水，直至液位仪（121）检测到的高度信息值等于上阈值时，控制单元停止运行，继而开始重复步骤S2；

S4、控制单元收到出水的信号指令时，向第二阀门（16）发出开启的信号指令，向第一阀门（15）、第三阀门（18）、第四阀门（19）以及循环泵（17）发出关闭的信号指令。

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