CN1435606A - 分级加热太阳能热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分级加热太阳能热水器。包括集热器、太阳能热水器控制器、管路、连接及控制件、管路、支架等，本发明的特征在于，还包括分级加热式热水器，且集热器中设有分级保温装置，分级保温装置所构成的2个或以上的分级保温区与对应的分级加热式热水器经管路连接。它使集热器内对流散热减少，集热传热中的热损减少，集热相对温差减小，传热处于高效率状态，保温效率提高，整体热效率提高。

Description

分级加热太阳能热水器
                   技术领域
本发明涉及一种太阳能热水器，尤其涉及一种单一集热器式分级加热的太阳能热水器。
由于太阳能是一种低密度能源，通过太阳能热水器集热升温的过程缓慢，所以存在加热过程中各个环节的热损，使热效率降低，其中，太阳能集热器是太阳能热水器的关键部件，且保温条件比储水器差，其集热升温过程缓慢，因此除了储水箱的保温外，在利用太阳能进行升温加热水的过程中，热水器集热器的保温也非常重要，通常由于集热器结构与环境条件的限制，箱体边缘的保温条件会比中间处差，散热快，故其边缘的温度会比中间处低。
                   背景技术
现有的分级加热方法如中国专利CN.2262694公布的一种分级加热热水器，是采用真空管式热水器与平板式热水器并接分级加热的方法，其利用保温能力差的集热器加热初级低温水；利用保温能力高的集热器加热次级中高温水，即对初级水采用平板式集热器加热，升温后的水在储水箱中升入上层，再经由真空管集热器次级加热，使水温加热到终温55℃。这样便充分发挥了真空管集热器在55℃以上热效率较单层玻璃盖板的自然循环式平板集热器为高的优点，同时使次级热水加热中的热损在利用储水箱及真空集热器保温较好、加热源与次级热水的温差较小的条件下减少到最小。
用这种组合集热器的结构，在加热初始，其初级加温的集热器能利用加热源与储水箱水之间的较大温差进行快速加热不失为较好的处理，但由于平板式集热器恒定的自然循环加热方式和其储水箱分层结构上的限制，当中下层温差逐步缩小时，对大量的已接近最终温度的热水进行尤其是自然循环式的较长时间的加温时，通过集热器与管路产生散热与流体阻力的效率损失也较大，加之其储水箱中下层达到较高温度的热水与集热器内积温相近后，使集热器效率降低，且与环境温度的温差变大，保温效率降低，因此造成了自然循环加热的平板式太阳能热水器部分上午热效率高，中午以后热效率低的状态，不利于提高热水器的整体热效率，且采用两种集热器制造热水器使生产变得成本增高，集热器最小单元占地变大，不适于家庭单元使用与推广。
与此同时，在使用太阳能热水器中存在的另一个问题是：在需要使用部分热水的时候，往往存在储水箱中的水还不到热水温度的情况，为了解决这个问题，人们采用了分级式水箱的方法来分级储存热水，如中国专利CN.2295167，其方法是采用多个串接的直流循环式储水箱以实现最热与先热的水先用的目标，这种直流循环串接加热的方式有一个不足；其晒热水的过程是在平板式集热器内进行的，由于平板式集热器通常保温性比不上有真空隔层的真空管集热器，在晒热水的过程中已有许多热能在集热器及循环管道中损耗。
                   发明内容
本发明的目的是提供一种使热水器能通过单一式或组合式集热器与储水箱分级组合实现分级保温与分级加热，以达到相变集热器及储水箱在集热、传热和储存热水的过程中保温相对温差减小，因保温而产生的热损减少，并在同样的日照条件下能满足经次级加热后部分用水先达到50℃～60℃的终温，供先热先用，其余的用水除了稍后达到50℃以上的部分外，不能达到终温的部分留在中间加热温度上，作为洗涤用水分级供水，这样能减少加热过程中的热损，提高热水器的整体热效率，并适于家庭单元使用。
本发明的目的是这样实现：本发明采用一种分级加热太阳能热水器，包括集热器、太阳能热水器控制器、连接及控制件、管路、支架以及分级加热式热水箱，集热器中设有分级保温装置，分级保温装置所构成的2个或以上的分级保温区与对应的分级加热式热水器经管路连接。
所述的分级保温装置是在集热器内集热元件所构成的受光面上部分地设置一纵向条块形的透光保温罩，保温罩用塑料或玻璃或它们的组合材料制成，保温罩内可设置铝箔蜂窝器或隔离器；
所述的分级保温装置还包括其上所述的透光保温罩之侧设置若干个与透光盖板相接的透光保温分隔层，透光保温分隔层是由薄板或薄膜、或它们的组合材料制成，分隔层是单层、或是多层、或是带中空型腔的壳体所组成；
所述的集热元件为集热管板、真空管或集热管；
所述的分级保温区的组成特征是沿集热管板的横向中部处设置终级保温区，其两边可设置次级的保温区，最边缘两侧设置初级保温区；
所述的2个或以上的分级保温区是指集热器管板面上，经如上所述的分级保温装置分隔后形成的具有不同保温能力的特定集热管板面与空间，及相对应的部分集热管板的传热管路；
所述的分级保温区与对应的分级加热式热水箱经管路可直接连接、或通过中间换热或传热件间接连接是直接连接、或是通过中间换热或传热件间接连接；
所述的分级加热式热水箱包括2个或以上的分级加热式热水箱与一个终温储水箱，其相互间按分级加热温度顺序串接，并且可设置隔离保温层。
本发明的优点是：由于集热器上设置了分级保温装置，使集热器内的空气对流散热空间被分隔，减小了各分级保温区的相对散热温差，采用分级保温式集热器与分级式热水器对应配接，实现了分级加热，使集热器上的各分级保温区能在不同的积温等级上吸热传热，避免了集热器积热上升而造成保温热损增大，使相对温差减小，保温效率提高，并使集热器的热量输出处于较高的效率状态。减小了集热传热过程中集热器的热损，使集热器保温效率提高，整体热效率提高。
                   附图说明
图1是本实用新型集热器中用真空管和集热管板组合构成3个分级保温区的平面视图。
图2是附图1的A-A向视图。
图3是附图1的立体视图。
图4是分级加热式水箱的结构示意图。
图5是本实用新型集热器中全部用真空集热管构成2个分级保温区的平面视图。
图6是图5的A-A视图。
图7是图5的立体图。
图8是图5的分级加热式水箱的结构示意图。
图9是本实用新型集热器中全部用集热管板组合构成2个分级保温区的平面视图。
图10是附图9的A-A向视图。
图11是附图10的立体图。
图12是图9的分级加热式水箱的结构示意图。
图13是本实用新型集热器中另一种用真空集热管和集热管组合构成2个分级保温区平面图。
图14是图13的A-A向视图。
图15是图13的立体图。
图16是图13的分级加热式水箱的结构示意图。
                  具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4所示，本实用新型实施例之一的一个分级加热集热管板与真空集热管组合成的自然循环的太阳能热水器，包括集热器1、分级加热式热水箱2、管路3、连接及控制件4、太阳能热水器控制器5、支架6、换热器7、导热液8，所述的集热器包括：真空集热管11、底管座12、反射板13、联汇管14，箱体15、箱体保温层16、透光盖板17、分级保温装置18、集热管板19，其中分级保温装置包括：透光保温罩181、透光保温分隔层182，所述的连接及控制件包括：温度传感器41、液位传感器42、浮式取水装置43、电磁开关阀44、储水器连通管45、储水器通气管46，分级加热式热水器包括3个分级加热式热水箱与一个终温储水箱。
如图所示分级保温装置18设置在透光盖板17下、真空集热管11、集热管板19上，由一塑料透光保温罩181与两侧的塑料透光保温分隔层182组成，透光保温罩内置有横向隔离器183，透光保温分隔层182为集热管板所在面上或板面上两个保温区交界处设置的与透光盖板相接的4个单层塑料薄板保温分隔层，集热管板19中分隔成保温区C与保温区B两个保温区，整个集热器真空集热管11与集热管19所在的面上被分级保温装置18分隔成五个封闭的区间，形成三个分级保温区，真空集热管11与集热管板19分别经联汇后分别形成三个循环回路端口：AO、AI，BO、BI，CO、CI，经管路3与对应的分级加热式热水器2的进水口和出水口连接，并与分级加热式热水器2中的三个换热器7相连接形成三个分级加热循环回路，三个循环回路中充有导热液8。
真空集热管11与集热管板19及分级保温装置18均置于箱体保温层16中，如图7所示上述集热器组成件均置于箱体15内，整个集热器置于支架6之上。
三个分级式储水箱内分别置有中位与下位的二个温度传感器41、上位、与下位的二个水位传感器42及浮式取水装置43，浮式取水装置43与电磁开关阀44相连；各分级式储水箱间用连通管45按初级——次级——终级——终温储水箱顺序相连，其中浮式取水装置的出水口如图2所示分别设在下一个储水箱的底部，分级加热式热水箱的进水口BO、CO分别与其储水箱中的浮式取水装置43软管相接。所有控制件：温度传感器41、水位传感器42、电磁开关阀44均与微电脑太阳能热水器控制器5电连接，微电脑太阳能热水器控制器5中包括有温度检测与控制电路及液位检测与控制电路控制电磁开关阀44的开闭。初级储水箱与终温储水箱中还置有通气管46，初级储水箱的进水管道上置有电磁开关阀44。
工作过程：分级加热的设定值为：初级储水箱20℃；次级储水箱35℃；终级储水箱50℃预先设定在带微电脑的太阳能热水器控制器5的设定控制开关中，根据温度传感器及水位传感器输入电讯号经比较电路比较后通过控制与浮式取水装置串接的电磁开关阀的开闭实现。
初始状态时，各分级储水箱内均留有下位的最低保护水量。日光辐射经透光盖板14、分级保温装置18后被真空集热管11与集热管板19吸收，使各分级保温区内升温，保温区C内循环回路对应的初级加热储水箱中的导热液8通过换热器7使初级加热储水箱中的水被加热到设定的初级温度20℃时，由下位温度传感器测得的电讯号传入太阳能热水器控制器5，经比较电路与设定值比较后开通初级加热储水箱的自来水进口电磁开关阀44，在设定的对应开通时间内，初级储水箱在自来水压力下增补进一常量的水量，使温度下降，补水的常量可按需设定，初级加热储水箱与对应的集热管路重复前述的自然循环加热与直流常量补水的高效加热过程，直至水量升达中位并全部达到20℃时，由太阳能热水器控制器根据中位水位传感器与中、低位温度传感器输入的电讯号开启电磁开关阀44，向次级储水箱供入一常量的初级热水供升温加热，与此同时初级储水箱重复增补常量进水，重复上述加热过程；进入次级储水箱的水按保温区B35℃的设定值进行如同前述相同的加热循环，当水量升达中位并全部达到35℃时，由太阳能热水器控制器5按相同的方式开启其电磁开关阀44向终级储水箱供水，向次级储水箱供入一常量的初级热水供升温加热；同样，按保温区B中的循环导热液8经换热器7将进入次级储水箱的水加热到35℃向终级储水箱供入一常量的次级热水供升温加热，并按前述相同的过程循环；按保温区A中的循环导热液8经换热器7将终级储水箱的水加热到50℃向终温储水箱供一常量的终温热水，并按前述相同的加热循环，直至终温储水箱水满时上位水位传感器发出讯号，则终级储水箱停止向其供水；同时终级储水箱水满其上位水位传感器发出讯号时，次级储水箱停止向其供水；次级储水箱水满其上位水位传感器发出讯号时，初级储水箱停止向其供水，如此分级加热与保障先热先用。
同时，次级与终级储水箱向后一级储水箱供水后，若水位低于其下位水位传感器时，将由太阳能热水器控制器5开启其前一级储水箱的电磁开关阀44实行强迫供水，以保障加热循环回路中有足够的水头高度进行热虹吸循环及分级定温加热温度不上升。
需连续大量使用终温水时，各储水箱的电磁开关阀44会因其前级储水箱水位落入低位水位而经太阳能热水器控制器5控制讯号下处于开启状态，当所有分级储水箱的水均被用至低位水位时，初级储水箱的下位水位传感器发出讯号，使太阳能热水器控制器5开启进水电磁开关阀44，冷水进入初级储水箱并将C保温区内集热管板19中的热水顶出供入次级储水箱，最后初级储水箱的中位温度传感器因冷水上升，水温低于20℃时则停止向次级储水箱供水，进水电磁开关阀44也因此在太阳能热水器控制器5的控制讯号下切断。除终温储水箱的水会用空外，次级与终级储水箱中最低水位均留在下位水位传感器位置上，则一个加热——使用周期结束。
请参阅图5、图6、图7、图8所示，是本实用新型实施例之二的一个分级加热真空集热管式集热器的太阳能热水器，包括集热器1、分级加热式热水器2、管路3、连接及控制件4、太阳能热水器控制器5、支架6，所述的集热器包括：真空集热管11、底管座12、反射板13、联汇管14，箱体15、箱体保温层16、分级保温装置17，其中分级保温装置包括：透光保温罩171、透光保温分隔层172，横向隔离器173，所述的连接及控制件包括：温度传感器41、水位传感器42、浮式取水装置43、电磁开关阀44、储水器连通管45、储水器通气管46，分级加热式热水器包括2个分级加热式热水箱、保温隔离层与终温储水箱。
如图所示分级保温装置17设置在真空集热管11之上，由一塑料透光保温罩171与两侧的塑料透光保温分隔层172组成，透光保温罩内置有横向隔离器173，由透光横隔板加纵向连接肋板组成，用于阻挡热气流沿纵向循环散热，保温罩两侧A保温区与B保温区交界处设置狭长矩形的带中空型腔的透光薄壳罩172，整个集热器真空集热管所在的面上被分级保温装置17分隔成三个封闭的区间，形成二个分级保温区，真空集热管11经联汇管14后形成二个换热端口：AIO、BIO，经管路3与对应的分级加热式热水器2的换热端口相连接，形成二个分级加热回路。
真空集热管11与分级保温装置17均置于箱体保温层16中，如图3所示上述集热器组成件均置于箱体15内，整个集热器置于支架6之上。
二个分级式储水箱内，初级加热式储水器置有中位与下位二个温度传感器41、上位与下位的二个水位传感器42及浮式取水装置43，终级加热式储水器置有中位、下位的二个温度传感器41，和上位与下位二个水位传感器42及浮式取水装置43，终温储水箱的上位置有一个水位传感器42，浮式取水装置43与电磁开关阀44相连；各分级式储水箱间用连通管45按初级-—终级——终温储水箱顺序相连，其中浮式取水装置的出水口如图4所示分别设在下一个储水箱的底部，分级加热式热水箱的进水口AO、BO分别与其储水箱中的浮式取水装置43软管相接。所有控制件：温度传感器41、水位传感器42、电磁开关阀44均与微电脑太阳能热水器控制器5电连接，微电脑太阳能热水器控制器5中包括有温度检测与控制电路及液位检测与控制电路控制电磁开关阀44的开闭。初级储水箱与终温储水箱中还置有通气管46，初级储水箱的进水管道上置有电磁开关阀44。分级加热式热水器包括2个分级加热式热水箱、保温隔离层与一个终温储水箱。
工作过程：分级加热的设定值为：初级储水箱35℃；终级储水箱50℃预先设定在带微电脑的太阳能热水器控制器5的设定控制开关中，根据温度传感器及水位传感器输入电讯号经比较电路比较后通过控制与浮式取水装置43串接的电磁开关阀44的开闭实现。
初始状态时，各分级储水箱内均留有下位的最低保护水量。日光辐射经透光盖板14、分级保温装置16后被真空集热管11吸收，使各分级保温区内升温，保温区B内集热管管路对应的初级储水箱中的冷水经集热管自然循环传热被加热到设定的换级温度35℃时，由下位温度传感器测得的电讯号传入太阳能热水器控制器5，经比较电路与设定值比较后开通初级储水箱的自来水进口电磁开关阀44，在设定的对应开通时间内，初级储水箱在自来水压力下增补进一常量的水量，使温度下降，补水的常量可按需设定，初级加热储水箱与对应的集热管路重复前述的自然循环加热与直流常量补水的高效加热过程，直至水量升达中位并全部达到35℃时，由太阳能热水器控制器根据中位与低位温度传感器输入的电讯号开启其电磁开关阀44，经浮式取水装置43向终级储水箱供入一常量的初级热水供升温加热；进入终级储水箱的水按50℃的设定值进行如同前述相同的加热的循环，当水量升达中位并全部达到50℃时，由太阳能热水器控制器5按相同的方式开启其电磁开关阀44控制向终温储水箱供水，直至终温储水箱水满时上位水位传感器发出讯号，则终级储水箱停止供水；当终级储水箱水满，其上位水位传感器LBH发出讯号时；初级储水箱水满其上位水位传感器LAH发出讯号时，自来水进口电磁开关阀44停止向其供水，如此分级加热与保障先热先用。
此外，终级储水箱向后一级储水箱供水后，若水位低于其下位水位传感器时，将由太阳能热水器控制器5开启其前一级储水箱的电磁开关阀44实行强迫供水，以保障分级定温加热温度不上升，加热的效率不降低。
需连续大量使用终温水时，各储水箱的电磁开关阀44会因其前级储水箱水位落入低位水位而经太阳能热水器控制器5控制讯号下处于开启状态，当所有分级储水箱的水均被用至低位水位时，初级储水箱的下位水位传感器发出讯号，使太阳能热水器控制器5开启进水电磁开关阀44，最后初级储水箱的中位温度传感器因冷水上升，水温低于35℃时则停止向终级储水箱供水，进水电磁开关阀44也因此在太阳能热水器控制器5的控制讯号下切断。除终温储水箱的水会用空外，终级储水箱中最低水位留在下位水位传感器位置上，则一个加热——使用周期结束。
请参阅图9、图10、图11、图12所示，是本发明实施例之三的一个分级加热集热管板式集热器的自然循环的太阳能热水器，包括集热器1、分级加热式热水器2、管路3、连接及控制件4、太阳能热水器控制器5、支架6，所述的集热器包括：集热管板11、箱体12、箱体保温层13、透光盖板14、分级保温装置15，其中分级保温装置包括：透光保温罩151、透光保温分隔层152、铝箔蜂窝器153：上述的连接及控制件包括：温度传感器41、液位传感器42、浮式取水装置43、电磁开关阀44、储水器连通管45、储水器通气管46，分级加热式热水器包括2个分级加热式热水箱、保温隔离层与终温储水箱。
如图所示分级保温装置15设置在透光盖板14下、集热管板11上，由一玻璃透光保温罩151与两侧的2个塑料透光保温分隔层152组成，透光保温罩内置有铝箔蜂窝器153，透光保温分隔层152为集热管板板面上两个保温区交界处设置的与透光盖板相接的透光薄膜充气袋分隔层，其充气后成为矩形条的气袋顶紧上下面板起分隔作用。
分级保温装置15将集热管板表面分隔成三个封闭的区间，形成二个分级保温区，集热管板11经联汇后分别形成二个循环回路端口：AO、AI；BO、BI，经管路3与对应的分级加热式热水器2的进水口和出水口相连接，形成二个分级加热循环回路。
集热管板11与分级保温装置15均置于箱体保温13中，如图5所示上述集热器组成件均置于箱体12内，整个集热器置于支架6之上，其余设置与连接及工作原理同上例。
请参阅图10、图11、图12所示，是本发明实施例之四的一个分级加热集热管与真空集热管组合式集热器的自然循环的太阳能热水器，包括集热器1、分级加热式热水器2、管路3、连接及控制件4、太阳能热水器控制器5、支架6，所述的集热器包括：真空集热管11、底管座12、反射板13、联汇管14，箱体15、箱体保温层16、透光盖板17、分级保温装置18、金属集热管19，其中分级保温装置包括：透光保温罩181、透光保温分隔层182，横向隔离器183，所述的连接及控制件包括：温度传感器41、液位传感器42、浮式取水装置43、电磁开关阀44、储水器连通管45、储水器通气管46，分级加热式热水器包括2个分级加热式热水箱、保温隔离层与终温储水箱。
如图所示分级保温装置18设置在透光盖板17下、真空集热管11和集热管19上，由一面板为玻璃、周边为塑料板的组合材料透光保温罩181与两侧的塑料透光保温分隔层182组成，透光保温罩内置有横向隔离器183，透光保温分隔层182为集热管所在面上两个保温区交界处设置的与透光盖板相接的单层或双层的塑料薄板保温分隔层，塑料薄板保温分隔层由薄板与其内壁面上贴有的铝箔塑料薄膜复合组成，分隔层与保温罩两侧壁间留有空气间隙。整个集热器真空集热管11与集热管19所在的面上被分级保温装置18分隔成三个封闭的区间，形成二个分级保温区，真空集热管11与集热管19分别经联汇后分别形成二个回路端口：AO、AI；BO、BI，经管路3与对应的分级加热式热水器2的进出水口和端口相连接，形成二个分级加热回路。
真空集热管11与集热管19及分级保温装置18均置于箱体保温层16中，如图7所示上述集热器组成件均置于箱体15内，整个集热器置于支架6之上，其余设置与连接及工作原理同上例。

Claims (8)

  1. (1)一种分级加热太阳能热水器，包括集热器、太阳能热水器控制器、连接及控制件、管路、支架以及分级加热式热水箱，其特征在于：集热器中设有分级保温装置，分级保温装置所构成的2个或以上的分级保温区与对应的分级加热式热水箱经管路连接。
  2. (2)如权利要求(1)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的分级保温装置是在集热器内集热元件所构成的受光面上部分地设置一纵向条块形的透光保温罩，保温罩用塑料或玻璃或它们的组合材料制成，保温罩内可设置清删除铝箔蜂窝器或隔离器。
  3. (3)如权利要求(1)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的分级保温装置还包括其上所述的透光保温罩之侧设置若干个与透光盖板相接的透光保温分隔层，透光保温分隔层是由薄板或薄膜、或它们的组合材料制成，分隔层是单层、或是多层、或是带中空型腔的壳体所组成。
  4. (4)如权利要求(1)和(2)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的集热元件为集热管板、集热管或真空集热管。
  5. (5)如权利要求(1)和所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的分级保温区的组成特征是沿集热管板的横向中部处设置终级保温区；其两边可设置次级的保温区；最边缘两侧设置初级保温区。
  6. (6)如权利要求(1)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的2个或以上的分级保温区是指集热器管板面上，经如上所述的分级保温装置分隔后形成的具有不同保温能力的特定集热管板面与空间，及相对应的部分集热管板的传热管路。
  7. (7)如权利要求(1)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的分级保温区与对应的分级加热式热水箱经管路可直接连接、或是通过中间换热或传热件间接连接。
  8. (8)如权利要求(1)所述的分级加热太阳能热水器，其特征在于，所述的分级加热式热水器包括2个或以上的分级加热式热水箱与一个终温储水箱，其相互间按分级加热温度顺序串接，并且可设置隔离保温层。
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