CN113790532B - 一种基于液膜传热的高效太阳能热水器 - Google Patents

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Abstract

一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，属于太阳能热水器领域。这种基于液膜传热的高效太阳能热水器利用布液器与导流翅片使水在集热板上形成均匀的水膜，强化水与集热的换热能力。该热水器充分利用降膜流动传热系数高的优点来强化太阳能热水器的集热效率。以集热板与导流翅片形成的水膜流道取代了传统太阳能热水器的加热管，可以提高水在太阳能热水器中的流动速度，减少太阳能热水器的热水滞留量，降低太阳能热水器的生产成本与设备重量。本发明以光伏水泵作为水的循环动力源，可以在保证循环水量与太阳辐射量相匹配的同时，适应在无电地区的运行。

Description

一种基于液膜传热的高效太阳能热水器
技术领域
本发明涉及太阳能热水器领域，具体涉及一种基于液膜传热的高效太阳能热水器。
背景技术
化石能源的大规模使用，在推动了全球工业化、城市化高速发展的同时，也带来了全球气候变暖和日趋严重的环境污染问题。太阳能具有不受地域限制、清洁无污染等优点，逐渐成为研究数量最多、研究范围最广泛、研究最为深入的一种可再生能源。
由于太阳能热水器的经济性和节能性，其已经成为当今太阳能热利用的一种重要设备。目前，世界上越来越多的国家和地区都在不断加强对太阳能热水器的研发与生产。平板式太阳能热水器由于具有结构简单、成本低廉，承压性能良好，能与建筑物很好地有机结合的优点，受到了人们的广泛关注，具有良好的应用价值与发展前景。
目前较为常见的平板太阳能热水器的结构为：管板式、翼管式、蛇管式，其存在以下问题：（1）由于水仅在加热管内流动，水与集热板的接触面积较小，导致平板太阳能热水器集热器效率偏低；（2）集热板与空气直接接触，在太阳能热水器工作时会由于集热板与透明盖板的温差而使空气产生强烈的自然对流，从而增加太阳能热水器的能量损失；（3）传统的的盘管太阳能热水器管路结构复杂且不易加工，增加了太阳能热水器的生产成本；（4）传统的盘管太阳能热水器管路较长，增加了热水滞留量，较长的管路增加了水流动的阻力，使太阳能热水器工作时水的循环速度较小，水在太阳能热水器中的流动速度仅在0.01~0.02m/s的范围内，这增加了热水与集热板的换热热阻，降低了太阳能热水器的集热效率。
公布号为CN110057112A的中国专利公开了一种一体热交换保温平板太阳能热水器，在太阳能热水器内部设置太阳能光伏板，通过光伏发电驱动循环泵来增强水在蛇形管内的流动速度以提高太阳能热水器的集热效率。但此种结构仍存在集热板热量利用不充分，夹层自然对流热量散失大的缺点。公布号为CN106338150A的中国专利公开了一种高效的平板太阳能热水器，以双层夹锡金属板材作为集热板并将集热板上布满四棱尖锥状突起，通过增强集热板的集热面积来增强太阳能热水器的集热效率。但在此发明中，水仍然是通过加热管进行加热而不直接与集热板接触，因此其仍存在热水循环速度小、热水滞留量大、自然对流热损失大的缺点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明设计了一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，以太阳能光伏板驱动的水泵作为水的循环动力，使太阳能热水在集热器内进行膜状流动。利用膜状流动传热系数较高的优点，达到提高太阳能利用效率和降低热损失的目的。本发明以集热板与导流翅片形成的水膜流道替代了传统太阳能热水器的加热管，既增强了热水与集热板的换热面积，也减少了金属材料的使用，降低太阳能热水器的造价与重量。
本发明采用如下技术方案：一种基于液膜传热的高效太阳能热水器包括布液器、集热器、回液器和水循环系统，所述集热器包含左保温板、右保温板、保温底板、导流翘片、第一挡板、第二挡板、集热板和透明盖板，集热板设在保温底板的顶部，第一挡板、左保温板、第二挡板和右保温板依次连接为矩形框架，所述矩形框架的底部连接集热板的顶部，顶部连接透明盖板，导流翘片一端连接第一挡板另一端连接第二挡板垂直设在集热板上，第一挡板上设有进液孔，第二挡板上设有排液孔。
所述布液器包含布液管和布液器外壳，布液管通过布液器外壳固定在保温底板的后端，布液管的前侧部开设与进液孔位置交错的布液孔，布液管的入水口伸出布液器外壳的外侧。
所述回液器包含排液管和回液器外壳，排液管通过回液器外壳固定在保温底板的前端，排液管通过排液支管连接排液孔，排液管的出水口伸出回液器外壳的外侧。
所述水循环系统包含水箱、太阳能光伏板、电机和水泵，水箱设置在集热器的下端，排液管通过管道经水箱入水口与水箱相连，水箱的水箱出水口通过管道与水泵相连，水泵的出口通过管道一路经水膜调节阀与布液管相连，另一路经回水阀与水箱相连，驱动水泵的电机与太阳能光伏板电连接；通过设置水膜调节阀与回水阀的开度来保证水泵输送入集热器内的水流量，以保证两个相邻导流翘片和集热板之间形成的水膜流道的水通量维持在0.06 -0.08kg/m·s
所述左保温板、右保温板、保温底板均采用外框板填充保温材料的结构。
两个相邻导流翘片和集热板之间形成的水膜流道的水通量为0.06 -0.08kg/m·s，在集热板的表面形成1mm - 1.5mm厚度的连续均匀的水膜。
所述导流翅片的高度为集热板与透明盖板间距的0.2 -0.5倍。
所述布液器外壳和回液器外壳采用防水中空结构，布液器外壳与保温底板之间、回液器外壳与保温底板之间均填充保温材料。
需要被加热的水通过布液管的入水口进入布液管中，再通过布液管上布置的布液孔进入布液器内置的挡板上，布液孔流出的液滴从与布液孔交错排列的进液孔滴落进入由导流翅片形成的水膜流道中，水在重力的作用下沿着集热板的表面形成1mm ~ 1.5mm的水膜，在导流翅片的作用下水膜均匀地分布在集热板上来吸收集热板上的热量，经过太阳能加热的热水通过排液孔经排液管进入水箱。水箱中的水在水泵的抽吸作用下经管道克服自身的重力上流到布液管内，完成水的循环过程。太阳能光伏板驱动电机转动使水泵提供热水器内水循环的动力。
上述技术方案的特点是：利用膜状流动的方式来强化太阳能热水器中水与集热板的换热能力，达到强化太阳能利用效率，降低热损系数的目的，通过减少加热管，降低太阳能热水器的造价与重量。通过设置光伏驱动的水泵来提供太阳能热水器中水循环的动力，通过设置水膜调节阀与回水阀的开度空气集热器内部的水流量，在不消耗外部电能的情况下提高太阳能热水器的集热效率。
本发明的有益效果是：（1）这种基于液膜传热的高效太阳能热水器利用膜状流动提高水与集热板的对流换热系数和增大换热面积，从而提高太阳能热水器的集热效率，该热水器中水与集热板的换热面积与对流换热系数相比于传统的盘管太阳能热水器分别提高了3~4倍与8~10倍。（2）传统的盘管太阳能热水器经透明盖板散失的热量占太阳能热水器总热量损失的60%以上，本发明在太阳能热水器的集热板上形成一层水膜，使集热板与空气之直接接触，将原有的以集热板为高温端，透明盖板为低温端的空气自然对流散热变为水膜与空气交界处为高温端，透明盖板为低温端的空气自然对流传热，减少了高温端与低温端的温差，抑制了空气自然对流，降低了透明盖板的温度，减少了经过透明盖板散失的热量。（3）本发明在集热板上设置导流翅片，可以约束水膜流动，使水膜在集热板上均匀分布。（4）本发明以集热板与导流翅片形成的水膜流道替代了传统的盘管太阳能热水器的加热管，减少了太阳能热水器内热水的滞留量，克服管内存水过多的缺点；减少了水流动过程中的阻力，克服了传统的盘管太阳能热水器内水流动速度低的缺陷；减少了太阳能热水器内金属材料的使用量，降低了太阳能热水器的重量与生产成本。（5）本发明使用光伏水泵驱动集热器内的水进行循环，通过设置水膜调节阀与回水阀的开度空气集热器内部的水流量，并适应外界无电的环境实现集热器的自驱动循环。
附图说明
图1为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的立体图。
图2为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的主视图。
图3为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的左视图。
图4为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的俯视图。
图5为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的系统图。
图6为盘管太阳能热水器的垂直剖面温度场图。
图7为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的垂直剖面温度场图。
图8为盘管太阳能热水器的垂直剖面速度场图。
图9为一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的垂直剖面速度场。
图中：1、布液管，1a、布液孔，2、第一挡板，2a、进液孔，3、左保温板，3a、右保温板，3b、保温底板，4、水膜流道，5、第二挡板，5a、排液孔，6、排液管，6a、排液支管、7、导流翅片，8、集热板，9、外框板，10、回液器外壳，11、透明盖板，12、布液器外壳，13、水箱，14、太阳能光伏板，15、电机，16、水泵，17、水膜调节阀，17a、回水阀。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1-5示出了一种基于液膜传热的高效太阳能热水器的结构，图中，这种基于液膜传热的高效太阳能热水器包括布液器、集热器和回液器，集热器包含第一挡板2、左保温板3、右保温板3a、保温底板3b、第二挡板5、导流翘片7、集热板8和透明盖板11，集热板8设在保温底板3b的顶部，第一挡板2、左保温板3、第二挡板5和右保温板3a依次连接为矩形框架，所述矩形框架的底部连接集热板8的顶部，顶部连接透明盖板11，导流翘片7一端连接第一挡板2另一端连接第二挡板5垂直设在集热板8上，第一挡板2上设有进液孔2a，第二挡板8上设有排液孔8a。
布液器包含布液管1和布液器外壳12，布液管1通过布液器外壳12固定在保温底板3b的后端，布液管1的前侧部开设与进液孔2a位置交错的布液孔1b，布液管1的入水口伸出布液器外壳12的外侧；
回液器包含排液管6和回液器外壳10，排液管6通过回液器外壳10固定在保温底板3b的前端，排液管6通过排液支管6b连接排液孔5a，排液管6的出水口伸出回液器外壳10的外侧；
水循环系统包含水箱13、太阳能光伏板14、电机15和水泵16，水箱13设置在集热器的下端，排液管6通过管道经水箱入水口与水箱13相连，水箱13的水箱出水口通过管道与水泵16相连，水泵16的出口通过管道一路经水膜调节阀17与布液管1相连，另一路经回水阀17a与水箱13相连，驱动水泵16的电机15与太阳能光伏板14电连接。
左保温板3、右保温板3a、保温底板3b均采用外框板10填充保温材料的结构。
实施例1
两个相邻导流翘片7和集热板8之间形成的水膜流道4的水通量为0.08 kg/m·s，在集热板8的表面形成1.5mm厚度的连续均匀的水膜。
导流翅片7的高度为集热板8和透明盖板11间距的0.4倍。
布液器外壳12和回液器外壳10采用防水中空结构，布液器外壳12和保温底板3b之间、回液器外壳10和保温板之间均填充保温材料。
实施例2
两个相邻导流翘片7和集热板8之间形成的水膜流道4的水通量为0.06kg/m·s，在集热板8的表面形成1mm厚度的连续均匀的水膜。
导流翅片7的高度为集热板8和透明盖板11间距的0.2倍。
布液器外壳12和回液器外壳10采用防水中空结构，布液器外壳12和保温底板3b之间、回液器外壳10和保温板之间均填充保温材料。
实施例3
两个相邻导流翘片7和集热板8之间形成的水膜流道4的水通量为0.07kg/m·s，在集热板8的表面形成1.2mm厚度的连续均匀的水膜。
导流翅片7的高度为集热板8和透明盖板11间距的0.35倍。
布液器外壳12和回液器外壳10采用防水中空结构，布液器外壳12和保温底板3b之间、回液器外壳10和保温板之间均填充保温材料。
当太阳辐射为900W/m2，环境温度为20℃时，将实施例3的基于液膜传热的高效太阳能热水器与传统盘管式太阳能热水器内的速度与温度分布进行对比。
在图6中，传统的盘管太阳能热水器的集热板在左右两侧存在高温区域，温度高达180℃，远高于盘管中水的温度，增加了集热板的热量损失，降低了集热效率。在图7中，由于水与集热板直接接触，增加了水与集热板的换热面积，使集热板的温度远低于图6中集热板的温度，从而减少了集热板的热量损失，提高了集热效率。因此，如图6和图7所示，实施例3的热水器，水膜覆盖于集热板上，相比于传统的盘管太阳能热水器，增加了水与集热板的换热面积，强化了太阳能的利用效率。在图8中，传统的盘管太阳能热水器的集热板直接与空气接触，使空气在集热板与透明盖板之间形成强烈的自然对流，空气在集热板与透明盖板14之间的最大速度达到0.13m/s，在数值上远高于图9中所示的0.022m/s。实施例3中的热水器空气自然对流的平均速度仅为传统的盘管太阳能热水器的1/6~1/8。
因此，对比图8与图9，传统的盘管太阳能热水器的集热板直接与空气接触，使空气在集热板与透明盖板之间形成强烈的自然对流，增加了太阳能热水器的热量损失。
根据文献中的经验公式，传统的盘管太阳能热水器内水与盘管的对流换热系数在100~200W/m2·K，而本发明的水与集热板的对流换热系数在800 ~ 2000 W/m2·K。这种基于液膜传热的高效太阳能热水器内水与集热板的换热面积是传统的盘管太阳能热水器的3.3倍。
根据公式计算，当太阳能热水器的水通量为0.07kg/m·s时，水泵的功率小于2W，以太阳能光伏板的年平均效率为5%计算，则仅需要0.1m2的太阳能光伏板即可达到驱动水泵的目的。因此设置光伏水泵并不会造成成本的大幅增加。
本发明提供的基于液膜传热的高效太阳能热水器可以提高水与集热板的对流换热系数，抑制集热板与透明盖板之间的自然对流，增加水与集热板的换热面积。另外，该基于液膜传热的高效太阳能热水器减少了水在换热器内的流动阻力，使水在太阳能热水器内的加热时间相对于传统的盘管太阳能热水器有所减少，综合考虑集热板的对流换热系数、集热板与透明盖板之间的自然对流传热系数和水与集热板的换热面积的增大对太阳能热水器效率的提升作用，本发明的热水器的集热效率相对于传统的盘管太阳能热水器提高30%以上。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施事例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，它包括布液器、集热器、回液器和水循环系统，其特征在于：所述集热器包含第一挡板（2）、左保温板（3）、右保温板（3a）、保温底板（3b）、第二挡板（5）、导流翅片（7）、集热板（8）和透明盖板（11），集热板（8）设在保温底板（3b）的顶部，第一挡板（2）、左保温板（3）、第二挡板（5）和右保温板（3a）依次连接为矩形框架，所述矩形框架的底部连接集热板（8）的顶部，顶部连接透明盖板（11），导流翅片（7）一端连接第一挡板（2），另一端连接第二挡板（5）垂直设在集热板（8）上，第一挡板（2）上设有进液孔（2a），第二挡板（5）上设有排液孔（5a）；
所述布液器包含布液管（1）和布液器外壳（12），布液管（1）通过布液器外壳（12）固定在保温底板（3b）的后端，布液管（1）的前侧部开设与进液孔（2a）位置交错的布液孔（1b），布液管（1）的入水口伸出布液器外壳（12）的外侧；
所述回液器包含排液管（6）和回液器外壳（10），排液管（6）通过回液器外壳（10）固定在保温底板（3b）的前端，排液管（6）通过排液支管（6b）连接排液孔（5a），排液管（6）的出水口伸出回液器外壳（10）的外侧；
所述水循环系统包含水箱（13）、太阳能光伏板（14）、电机（15）和水泵（16），水箱（13）设置在集热器的下端，排液管（6）通过管道经水箱入水口与水箱（13）相连，水箱（13）的水箱出水口通过管道与水泵（16）相连，水泵（16）的出口通过管道一路经水膜调节阀（17）与布液管（1）相连，另一路经回水阀（17a）与水箱（13）相连，驱动水泵（16）的电机（15）与太阳能光伏板（14）电连接；
所述左保温板（3）、右保温板（3a）、保温底板（3b）均采用外框板填充保温材料的结构；
两个相邻导流翅片（7）和集热板（8）之间形成的水膜流道（4）的水通量为0.06 -0.08kg/m·s，在集热板（8）的表面形成1mm - 1.5mm厚度的连续均匀的水膜。
2. 根据权利要求1所述的一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，其特征在于：所述导流翅片（7）的高度为集热板（8）与透明盖板（11）间距的0.2 -0.5倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，其特征在于：所述布液器外壳（12）和回液器外壳（10）均采用防水中空结构，布液器外壳（12）与保温底板（3b）之间、回液器外壳（10）与保温底板（3b）之间均填充保温材料。
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