CN1865809A - 自然热能集热系统 - Google Patents

Abstract

一种自然热能集热系统，是采集自然界热能：包括太阳能、土地、建筑物辐射热能、空气对流热能、雨水热能、空气中水蒸汽热能等自然热能，采用特效的集热装置，低沸点混合工质多级相变循环，提升热能品位的集热系统。即由集热器(1)，蒸汽发生器(22)，引射扩压器(20)，冷凝吸收蒸发器(16)，第一级膨胀阀(13)，第二级压缩装置(23)，第二级冷凝吸收蒸发器(24)，第二级膨胀阀(28)，第三级压缩装置(25)，第三级冷凝吸收蒸发器(26)，第三级膨胀阀(27)，及连接管道组成的自然热能集热系统。自然热能集热系统不受昼夜、季节、气候、日照强弱、日照方位、地理位置等因素影响，是常年全天候集热系统，采用适当的多级相变循环可以获得品位较高的热能，制热系数可达5～7，最高可超过8，自然热能集热系统可开发生产自然能热水器，自然能开水器，自然能空调，自然能热机(替代燃烧型锅炉)，自然能发电，自然能制水、自然能海水淡化，在现代化工业、农业、医疗卫生、文化体育、土地荒漠化改造等领域有广阔的应用前景。

Description

自然热能集热系统

技术领域：

本发明涉及一种集热系统，具体的是一种自然热能集热系统。

背景技术：

目前太阳能热利用方面有平板式太阳能热水器与玻璃真空管式太阳能热水器，还有空气源热泵热水器。以玻璃真空管式太阳能热水器为例，它的集热部分是双层同心圆玻璃管，内管外壁镀一层选择性吸收膜，靠这层膜吸收太阳热能，外管为透明玻璃管，外管与内管之间抽成真空，集热面积受到内管尺寸限制，内管直径必须小于外管直径，外管直径受到水箱上开孔距离的限制，集热面积无法扩大，实际集热面积小于受光面积，镀膜层吸热后通过内管玻璃壁传给水，玻璃热阻很大，水是靠自然对流将热量传给水箱内的水，传热效率很差，而在吸热的同时又在向周围环境散热，虽然在两层玻璃管之间抽成真空，长年保持真空度相当难，因而总的集热效率并不高；再看空气源热泵热水器，它的能源来源是空气，必须用风机、热交换器，空气热交换器体积庞大复杂，还必须用大容量水箱、电动压缩机，因而整体设备庞大复杂，制造成本高，运转件易损坏，噪音大，耗电量大等缺陷，另一方面，它只能吸收空气对流热能，对于其它热能无法吸收。

太阳能又是不稳定能源，存在分散性、间歇性、随机性等缺点以及受昼夜、季节、气候、地理位置等因素影响很大，现有的集热装置尚无法克服上述不利因素带来的影响，而广泛存在于自然界的自然热能，目前还没被开发利用，也没有产品问世。

发明内容：

目前玻璃真空管式太阳能热水器效率不高，受日照影响较大，体积庞大，安装不便，又不能常年、全天侯集热，

空气源热泵热水器集热源仅限于空气，集热装置有电机、风机、压缩机等运动部件，以及空气热交换器、水箱等，存在设备庞大复杂、噪音大等缺陷。实际上，在自然界中还有一种以热能形态存在的自然热能，包容在地球表面广大空间，蕴藏极其丰富，分布面极广、又时时刻刻不断再生的，取之不尽、用之不竭的自然能源，因其品位低，长期来未被开发利用，本发明就是针对目前还没有对自然热能开发利用的空白，提供一种有效的集热系统，能大量采集自然热能并提升品位，用到各个领域，不受季节、气候、昼夜、日照方位、日照强弱、地理位置等因素影响，是一种常年全天候集热系统。

本发明具体技术方案：

第一级集热系统由集热器、蒸汽发生器、引射扩压器、冷凝吸收蒸发器、第一级膨胀阀、连接管道组成；

第二级集热系统由冷凝吸收蒸发器、第二级压缩装置、第二级冷凝吸收蒸发器、第二级膨胀阀、连接管道组成；

第三级集热系统由第二级冷凝吸收蒸发器、第三级压缩装置、第三级冷凝吸收蒸发器、第三级膨胀阀、连接管道组成；

同样方法还可以组成更多级相变循环集热系统。

本发明所述的第一级集热系统的集热器包括：集热芯片，集热芯管，回液联箱管，集汽联箱管，所述的集热芯片有三种结构形式，本人专利太阳能集热芯片(专利号：ZL02374883.4)，太阳能集热芯片(专利号：ZL02376296.9)，其中太阳能、自然能集热芯片(申请号：200430085077.0)，是一组圆形螺旋叶片固定在集热芯管上，螺旋叶片厚度0.1～0.2毫米，螺旋叶片之间片距1～3毫米，材料是铝合金，所述的集热芯管包括芯管本身及管内毛细管芯，集热芯管与毛细管芯的截面形状可以是圆形管，也可以是三边形、四边形或多边形，集热芯管材质是铝管、铜管或不锈钢管，毛细管芯可以用铝管、铜管、不锈钢管或金属丝网管，集热芯管两端与集汽联箱管与回液联箱管固接，组成自然热能集热器，在所述的集热器管内空腔内充注低沸点混合工质，所述的自然热能集热器至少有1根集热芯管，1根集汽联箱管和1根回液联箱管组成，并在所述的集热器外表面整体镀一层超强吸热膜，在集汽联箱管上开有蒸汽出口接口，在回液联箱管上开有回液进口接口，所述的集热器是一种超薄型管板结构，可以由多块管板组成自然热能集热矩阵。

本发明所述的蒸汽发生器包括：电热陶瓷发热元件、热虹吸泵管、热虹吸泵管上管板、热虹吸泵管下管板、热虹吸管、集汽室、回液室、蒸汽发生器本体，所述的电热陶瓷发热元件，包括接线柱、电热陶瓷发热体安装板、电热陶瓷发热体、电热陶瓷发热体护套，电热陶瓷发热体可以是棒状结构，也可以是管状结构，所述的电热陶瓷发热元件至少有1根电热陶瓷发热体，所述的蒸汽发生器内至少有一组电热陶瓷发热元件，在蒸汽发生器管体与上管板及下管板围成的空腔内充注有特种传热介质，在回液室开有液态工质进入口，在集汽室开有蒸汽出口接口；所述的引射扩压器包括：喷嘴、引射室、拉伐尔缩放扩压喷管，引射室上开有引入蒸汽进口、拉伐尔缩放扩压喷管出口与冷凝吸收蒸发器的冷凝蒸汽分配室连通，所述的引射扩压器至少有一个；所述的冷凝吸收蒸发器包括：冷凝吸收蒸发器本体、冷凝蒸汽分配室、第一回程冷凝吸收管、第二冷凝蒸汽分配室、第二回程冷凝吸收管、冷凝液储液室、上、下管板，所述的第一回程冷凝吸收管包括管外散热片及管内毛细管芯，其结构与材质与集热芯片及集热芯管相同，所述的第一、第二回程冷凝吸收管至少各有1根，所述的冷凝液储液室有两个出口：一个与第一膨胀阀连通直至集热器回液联箱管；另一路与蒸汽发生器回液室相通，在冷凝吸收蒸发器壁上开有第二低沸点混合工质进入口与输出接口；

所述的第二级相变循环集热系统包括：第一级冷凝吸收蒸发器、第二级压缩装置、第二级冷凝吸收蒸发器、第二级膨胀阀、连接管道及系统内充有第二级低沸点混合工质；所述的第三级相变循环集热系统包括：第二级冷凝吸收蒸发器，第三级压缩装置，第三级冷凝吸收器，第三级膨胀阀，连接管道及第三级混合工质；同样方法，还可以组成更多级相变循环集热系统，可以获得更高的集热温度，用于各领域。

本发明的工作过程：自然热能集热系统的集热器通过集热芯片、集热芯管从周围自然界大量吸取低位热能，使系统内的低沸点(最低为零下70℃)混合工质迅速蒸发汽化，从周围环境吸取大量汽化热，集热芯片与集热芯管表面的超强吸热镀膜更强化这种吸热过程，汽化后的低沸点混合工质蒸汽通过连接管道进入引射扩压器的引射室入口，与此同时蒸汽发生器在热虹吸泵启动后产生高压低沸点混合工质蒸汽，进入引射扩压器的喷嘴，产生高速气流，将集热器蒸发汽化而来的低沸点混合工质蒸汽抽吸过来与高速气流混合后进入拉伐尔缩放扩压喷管，增压后的混合蒸气进入冷凝蒸汽分配室，再进入第一回程冷凝吸收管，在第一回程冷凝吸收管内沿毛细管芯上升，在上升过程中被冷却而冷凝，释放出冷凝热，先冷凝的混合工质中的冷凝液又对尚未冷凝的混合工质中气态工质进行吸收，放出吸收热，冷凝热、吸收热全部被管外的第二级低沸点混合工质吸收，促使其蒸发气化，第一级低沸点混合工质经第一回程冷凝吸收后，大部分已转化为液态混合工质，其余的气态混合工质经第二蒸汽分配室分配到第二回程冷凝吸收管进一步被冷凝吸收，液态混合工质汇聚到储液室，一路经第一膨胀阀到集热器回液联箱管，进行第二轮相变集热循环；另一路进入蒸汽发生器被加热蒸发汽化产生高压蒸汽进入喷嘴产生高速气流，对集热器蒸汽继续进行引射抽吸，推动加速第一级相变集热循环；与此同时，第二级低沸点混合工质在第一级冷凝吸收蒸发器中吸收了第一级低沸点混合工质的冷凝热、吸收热后迅速蒸发汽化，再通过第二级压缩进入第二级冷凝吸收蒸发器，进行第二级混合工质的冷凝吸收，同时对第三级混合工质进行加热使第三级混合工质蒸发汽化，第二级混合工质冷凝液经过第二级膨胀阀进入第一级冷凝吸收蒸发器，进行再次蒸发汽化，第二级混合工质进行第二轮相变集热循环；第三级混合工质蒸发汽化后又经第三级压缩，并进入第三级冷凝吸收蒸发器，进行第三级冷凝吸收，与此同时又对第四级工质进行加热蒸发汽化，第三级混合工质冷凝后经过第三级膨胀阀进入第二级冷凝吸收蒸发器，第三级混合工质又进行第二轮相变集热循环，如此逐级相变循环，各级采用不同沸点的混合工质，最终可以获得能够实用的集热温度，应用到各领域。

自然热能集热系统是一种行之有效的集热系统，广泛采集自然界低位热能，提升品位后可以开发生产自然能热水器，自然能开水器、开水机，自然能空调、自然能热机，替代传统的燃烧型供热锅炉，自然能温室，自然能生态型住宅，自然能发电，自然能制水，自然能海水淡化，在现代化工业、农业、饲养业、养殖业、文化体育、医疗卫生、土地荒漠化改造等各领域都有广阔的应用前景。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是自然热能集热系统图，图2是本发明实施例自然能热水器纵剖面图，图3是本发明实施例自然能热水器的横剖面图，图4是本发明实施例自然能热水器另一种结构形式的纵剖面图，图5是本发明实施例自然能热水器另一种结构形式的横剖面图，图6是集热芯片、集热芯管的结构图，图7是引射扩压器结构图。

如图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7所示，

1.集热器              2.集汽联箱管             3.集热芯片

4.集热芯管            5.回液联箱管             6.集汽室

7.第二冷凝汽分配室    8.电热陶瓷发热元件       9.热虹吸泵管

10.热虹吸管           11.冷凝汽分配室          12.冷凝液储液室

13.第一级膨胀阀       14.传热芯片              15.第一回程冷凝吸收管

16.冷凝吸收蒸发器     17.第二回程冷凝吸收管    18.毛细管芯

19.喷嘴               20.引射扩压器            21.拉伐尔缩放扩压喷管

22.蒸汽发生器         23.第二级压缩装置        24.第二级冷凝吸收蒸发器

25.第三级压缩装置     26.第三级冷凝吸收蒸发器  27.第三级膨胀阀

28.第二级膨胀阀       29.回液室

对照附图，详述集热过程：

集热器(1)的集热芯片(3)、集热芯管(4)、毛细管芯(18)采集自然环境的热量，管内的低沸点混合工质受热迅速汽化、蒸发，在汽化蒸发时从自然环境中大量吸收汽化热，集热芯管(4)内毛细管芯(18)的提升作用，有助液态工质上升，在上升过程中汽化，汽化后的蒸汽上升力更强，对后续蒸汽及液态工质有提升及抽吸作用，以及集热芯管(4)、集热芯片(3)外表面的超强吸热膜更促使汽化、蒸发过程加强，汽化后的蒸汽聚集到集汽联箱管(2)中，由集汽联箱管出口及连接管道与引射扩压器(20)的引射室入口相连通；与此同时，启动热虹吸泵的电热陶瓷发热元件，加热热虹吸泵管(9)内的传热介质升温后对热虹吸管(10)进行加热，热虹吸管内液态混合工质迅速汽化蒸发，产生大量蒸汽聚集到集汽室(6)由集汽室(6)出口通过管道与引射器扩压器(20)的喷嘴(19)相通，高压蒸汽进入喷嘴(19)后产生高速气流，高速气流有引射作用，对集热器(1)的集汽联箱管(2)内的蒸汽有抽吸力，从集汽联箱管(2)中大量抽吸低沸点混合工质蒸汽，从而更加速集热器(1)的集热汽化蒸发过程，从自然界吸取更多的热量，抽吸到引射扩压器(20)的蒸汽与喷嘴(19)的射流气充分混合后进入拉伐尔缩放扩压喷管(21)经扩压后进入冷凝汽分配室(11)分配到第一回程冷凝吸收管(15)，在冷凝吸收管内借助毛细管芯(18)提升作用迅速上升，并被冷凝，释放冷凝热传给管外第二级低沸点混合工质，使第二级混合工质汽化蒸发，冷凝液沿着毛细管内、外壁下流过程中对继续上升的第一级混合工质蒸汽又起吸收作用，释放出吸收热，传给第二级混合工质，加速第二级混合工质蒸发汽化，未完全冷凝的第一级混合工质蒸汽进入第二冷凝蒸汽分配室(7)后再进入第二回程冷凝吸收管(17)，在第二回程冷凝吸收管(17)内进一步被冷凝吸收，释放出冷凝热、吸收热，被第二级混合工质吸收，加速汽化蒸发，冷凝后的第一级液态混合工质聚集到冷凝液储液室(12)，一路经第一膨胀阀(13)进入集热器(1)的回液联箱管(5)作第二轮相变集热循环；另一路进入蒸汽发生器(22)的回液室继续被加热产生高压蒸汽，继续进行引射抽吸循环；以确保源源不断地大量采集自然热能；与此同时，冷凝吸收蒸发器(16)内的第二级低沸点混合工质蒸汽被第二级压缩装置(23)抽吸并被压缩提升压力与温度后进入第二级冷凝吸收蒸发器(24)进行冷凝吸收同时释放出冷凝热吸收热，传给第三级相变混合工质，使其蒸发汽化，第三级相变混合工质蒸汽又经第三级压缩装置(25)压缩，第二级冷凝液经第二级膨胀阀(28)进入第一级冷凝吸收蒸发器(16)进行第二级混合工质相变集热循环，第三级相变混合工质蒸汽经第三级压缩装置(25)压缩后进入第三级冷凝吸收蒸发器(26)，冷凝吸收后释放出冷凝热、吸收热传给第四级相变混合工质继续进行相变集热循环，而第三级相变混合工质冷凝液再经第三级膨胀阀(27)进入第二级冷凝吸收蒸发器(24)，继续第三级相变集热循环，如此逐级相变集热循环，一次又一次地提升集热温度，因每一级相变循环工质的沸点不同，从低沸点逐级提高，故每一级压缩的压缩比不必太高，就能达到逐级提升集热温度目的，可以在实际应用中满足各类不同的需求。

Claims (12)

1.一种自然热能集热系统，包括：第一级集热系统，第二级集热系统，第三级集热系统，其特征在于第一级集热系统由集热器(1)，蒸汽发生器(22)引射扩压器(20)，冷凝吸收蒸发器(16)，第一级膨胀阀(13)组成；第二级集热系统由冷凝吸收蒸发器(16)，第二级压缩装置(23)，第二级冷凝吸收蒸发器(24)，第二级膨胀阀(28)组成；第三集热系统由第二级冷凝吸收蒸发器(24)，第三级压缩装置(25)，第三级冷凝吸收蒸发器(26)，第三级膨胀阀(27)组成；集热器(1)是独立集热单元，第一级集热系统中至少有1个集热器单元，可由多个集热器单元组合成集热矩阵；蒸汽发生器(22)，引射扩压器(20)，冷凝吸收蒸发器(16)，第一级膨胀阀(13)组合在一起构成独立机组，与集热器(1)之间用管道连通，在系统内充注低沸点混合工质，成为第一级相变集热循环系统；再由冷凝吸收蒸发器(16)，第二级压缩装置(23)，第二级冷凝吸收蒸发器(24)，第二级膨胀阀(28)组成二级相变循环集热系统，在第二级集热系统内充注第二级低沸点相变混合工质；还可由第二冷凝吸收蒸发器(24)，第三级压缩装置(25)，第三级冷凝吸收蒸发器(26)，第三级膨胀阀(27)组成三级相变集热循环系统，在第三级集热系统内充注第三级相变混合工质，依此，还可组成更多级相变集热循环系统，逐级提升集热温度。

2.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的集热器(1)由集热芯片(3)，集热芯管(4)，回液联箱管(5)，集汽联箱管(2)组成，在回液联箱管(5)上有回液进入口，在集汽联箱管(2)上开有出汽接口。

3.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的集热芯片(3)至少有1片，其形状可以是圆形螺旋叶片(本人专利申请号：200430085077.0)叶片厚度0.1～0.2毫米，片距：1～3毫米，也可以是直形叶片(本人专利号：ZL02376296.9)或槽形叶片(本人专利号：02374883.4)，并在叶片表面镀一层超强吸热膜。

4.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的集热芯管(4)至少有1根，截面可以是圆环形、三边形、四边形、或多边形，材质是铝合金、铜、或不锈钢，管内有毛细管芯(18)，管外有集热芯片(3)，两端与回液联箱管(5)及集汽联箱管(2)固接。

5.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的毛细管芯(18)至少有1根，截面形状可以是圆环形、三边形、四边形、或多边形，材质是铝合金、铜、不锈钢或金属丝网管。

6.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的蒸汽发生器(22)由热虹吸泵管(9)，电热陶瓷发热元件(8)，热虹吸管(10)，集汽室(6)，回液室(29)，传热介质组成，电热陶瓷发热元件(8)组装在热虹吸泵管(9)内，热虹吸管(10)的两端固接在热虹吸泵管的上、下管板之间，在热虹吸管泵(9)与上、下管板围成的空腔内充注传热介质，集汽室(6)设置在热虹吸泵管(9)的上方，回液室(29)设置在热虹吸泵管(9)的下方。

7.如权利要求1、6所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的电热陶瓷发热元件(8)至少有1根，电热陶瓷发热元件(8)由电热陶瓷发热体，护套瓷管，传热芯管组成，至少有1支电热陶瓷发热体与1支护套瓷管及1支传热芯管，电热陶瓷发热体可以是圆柱棒状，也可以是圆管状。

8.如权利要求1、6所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的热虹吸管(10)至少有1根，两端固接在热虹吸泵管(9)的上、下管板之间，热虹吸管(10)的截面是圆环形、三边形、四边形或多边形，管外壁固接圆形螺旋叶片，或直形吸热片，管内有毛细管芯(18)，毛细管芯(18)至少有1根，其技术特征与权利要求5的技术特征相同。

9.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的热虹吸泵管(9)管壁外设置传热芯片(14)，传热芯片(14)至少有1片，传热芯片(14)材质是铝合金、铜或不锈钢。

10.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的引射扩压器(20)至少有1个，由喷嘴(19)，引射扩压器本体(20)，拉伐尔缩放扩压喷管(21)组成，喷嘴(19)上有高压蒸汽进入口，引射扩压器(20)上开有引射蒸汽进入口，拉伐尔缩放扩压喷管(21)出口端设置出口接口用管道与冷凝吸收蒸发器(16)的冷凝蒸汽分配室(11)相连通。

11.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的第一回程冷凝吸收管(15)至少有1根，两端固接在冷凝吸收蒸发器(16)的上、下管板之间，第一回程冷凝吸收管(15)的管壁外固接圆形螺旋散热片或直形散热片，冷凝吸收管的截面可以是圆环形、三边形、四边形或多边形，在第一回程冷凝吸收管(15)内至少有1根毛细管芯(18)，毛细管芯(18)的技术特征与权利要求5的技术特征相同。

12.如权利要求1所述的自然热能集热系统，其进一步技术特征在于所述的第二回程冷凝吸收管(17)至少有1根，并在管壁外固接圆形螺旋散热片，或直形散热片，冷凝吸收管截面是圆环形，也可以是三边形、四边形或多边形，在第二回程冷凝吸收管(17)内至少有1根毛细管芯(18)，毛细管芯(18)的技术特征与权利要求5的技术特征相同。

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