CN205279479U - 无水箱真空管太阳能热水器及其水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一般涉及太阳能热水器，特别是用玻璃真空管兼作太阳能收集器和热能储存装置、不需要热水箱的太阳能热水器。首先，公开了一种新的、基于硫酸铝溶液的溶解热的储能介质，其中含有40％到47％的Al2(SO4)3，其余是水。上述热能存储介质密封于塑料胶囊中，胶囊浸没在充满于玻璃真空管的水中。第二，公开了一个水处理装置，用于把玻璃真空管中储存的热能传递给自来水，并调节输出水的温度。系统根据自然力自动工作，不需要电泵和电气控制单元。
Description
技术领域
本实用新型总体上涉及太阳能热水器，特别是使用硫酸铝的溶解热储存能量的无水箱真空管太阳能热水器，以及一种把在真空管中储存的能量转移到流水的水处理装置。该系统可以不用热水储能罐而正常运作。
背景技术
迄今为止，绝大多数的太阳能热水器，无论是用平板集热器，还是用真空管集热器，热水贮存箱是一个基本组成部分，因为阳光是间歇性的。为了在没有阳光的夜间和阴天保持水的温度，热水箱容量必须足够大，一般是100升至250升。在对流式太阳能热水器系统中，热水箱必须放在太阳辐射收集器的上端。热水箱的重量集中的作用于屋顶的小块面积上。如果热水箱不高于太阳辐射收集器，就必须有电动泵。电动泵，控制单元，连接太阳热能收集器和热水箱之间的管道和阀是昂贵的，并且需要频繁的维修和保养。
作为太阳能辐射收集器的玻璃真空管本身是优异的热能存储设备。对于熟悉太阳能热水器的人员，很明显，真空管可用于存储能量。因此，只用一组真空管，不用热水箱，就可能形成一个完整的太阳能热水器。这样的设计是很有利的：与具有热水箱的对流驱动的一体式太阳能热水器相比较，总的结构简化了，屋顶上的机械压力降低了，而且均匀分布。与分体的太阳能热水器相比较，电动泵和控制单元可以取消；因此，该系统可以不需要维护。然而，通过使用水的显热储存热能，体积必须非常大，必须使用直径非常大的真空管。因此，为了形成无水箱的太阳能热水器，有两个问题必须解决。首先，要找到一种具有以下性质的热能量存储介质：(1)在水温度的上段，热容量比水大得多；(2)在热循环下没有迟滞或不一致的现象；(3)价格便宜；和(4)无毒性。第二，要设计一个具有以下性质的自动把对存储在真空管内的热能转移到流水中的水处理装置：(1)不需要电；(2)依靠物质本身的性质自动控制；(3)确保尽可能高的效率；(4)尽量减少热损失；(5)生产成本低廉；(6)安装方便。本实用新型的目的就是为了为解决上述问题，来形成无水箱的真空管太阳能热水器。
实用新型内容
首先，本实用新型公开了一种新颖的热能储存介质：利用硫酸铝的溶解热储能。直接实验表明，在70℃至90℃的温度范围内，在适当浓度范围内的硫酸铝溶液每单位体积的热容量是水的热容量的2倍以上。因此，储存的热能所需要的体积减少到二分之一以下。然后，本实用新型公开了满足前面的段落中所有的要求的水处理装置的设计。
附图说明
图1示出硫酸铝的溶解度数据。
图2示出硫酸铝的溶解度的曲线图。
图3示出硫酸铝溶液的理论热容量。
图4示出硫酸铝溶液的实验冷却曲线。
图5A-5E示出含硫酸铝溶液的塑料胶囊，和如何放置在真空管中。
图6示出热能存储胶囊的生产过程。
图7示出了水处理装置。
图8示出了整个的太阳能热水器系统。
图9示出一个安装在屋顶上的无水箱太阳能热水器。
具体实施方式
目前，最流行的太阳热能收集器是玻璃真空管集热器。每年有两亿多支玻璃真空管被生产和安装。每个真空管由外玻璃管和内玻璃管构成。两个玻璃管之间是真空。在内玻璃管的外壁上涂有选择性吸收层，以尽量多的吸收太阳辐射和尽量减少从内玻璃管内的物质的热辐射。因为太阳辐射是间歇性的，太阳能热水器需要大的热水箱来储存热能，容量从100升到250升。真空管是优越的保温设备。对于熟悉太阳能热水器域的人员，很明显，真空管可用于存储能量。因此，只用一组真空管，不用热水箱，就可能形成一个完整的太阳能热水器。然而，通过使用水的显热储存热能，所需的体积是非常大的。因此，使用热容量比水更大的材料是有利的。
作为能量存储介质，相变材料(PCM)在20世纪60年代就已开始研究，例如美国专利2677664。有许多有关PCM的书籍和文章。例如A.Sharma,V.V.Tyagi,C.R.Chen,andD.Buddhi,"Reviewonthermalenergystoragewithphasechangematerialsandapplications",RenewableandSustainableEnergyReviews,13(2009)318-345。相变材料指的是在一个确定的温度进行相变，并吸收或释放热能的材料。一个例子是石蜡，其熔点为约60℃。硫酸钠或芒硝，在32℃下改变水合物的状态。然而，在太阳能热水器的温度范围内，只有极少数有用的PCM材料。许多盐水合物有熔化不一致，过冷或过热的毛病。石蜡熔化时体积发生巨大变化，使封装变得困难。
相变材料的优点是保持一个确定的温度的能力。然而，对于太阳能热水器，如果在一个合适的温度范围内具有高的热容量，例如70℃至90℃，就足够了。这里我们公开了用硫酸铝溶解热作为太阳能热水器的热能存储介质的方法。
硫酸铝被广泛应用于废水处理，造纸工业，食品工业。硫酸铝的特性是众所周知的。硫酸铝的溶解度数据，载于"SolubilitiesofInorganicandOrganicSubstances",AthertonSeidel,D.VanNorstrandCo.,NewYork1919,一书中的29页，如图1所示。图2是基于图1的数据绘制的。数据点201到205是从图1的101至105获得。图的左侧是硫酸铝在溶液中的重量百分比。图的右侧标度是Al2(SO4)3·18H2O在溶液中的重量百分比。Al2(SO4)3·18H2O的摩尔重量约是无水的Al2(SO4)3的两倍。
如图2所示，含有40％至47％硫酸铝的水溶液系统具有合适的工作温度范围。例如，含有44.7％硫酸铝的系统，在温度高于90℃时，是纯液体。当温度低于90℃时，根据图1中的106，硫酸铝开始结晶成Al2(SO4)3·18H2O。当分子的动能被冻结时，它释放出溶解热。在接近其熔点时，Al2(SO4)3·18H2O的转变焓为117.7千焦耳/摩尔，或176.7千焦耳/公斤，请参见"ThermodynamicPropertiesandPhaseTransitionsofSaltHydratesbetween270and400K",F.GronvoldandK.K.Meisingset,JournalofChemicalThermodynamics,1982,pages1083-1098。在不同温度下Al2(SO4)3·18H2O的溶解热可以从它的溶解度数据进行计算，见图3中所示的曲线301至305。
实验数据证实了上述的分析，如图4所示。在相同的试管中灌装各种不同浓度的硫酸铝溶液，然后让它在相同条件下冷却下来。从自动温度记录器的温度数据清楚地表明了热能存储的效果。为了进行比较，曲线401是纯水。曲线402，403和404是用于各种浓度的硫酸铝溶液。在70℃至90℃的温度范围内，硫酸铝溶液的热容量是水的2倍以上。通过实验，人们还发现，硫酸铝溶液性能良好：没有不一致融化的现象，无过热和过冷。与石蜡相比，硫酸铝溶液在温度变化时的体积变化是非常小的。因此，封装是容易的。此外，在国际市场上Al2(SO4)3·14H2O的价格是每吨160美元，而石蜡的价格是每吨1400美元。
硫酸铝不易燃，无毒，但会腐蚀金属。储能胶囊的合适材料是高熔点塑料，包括但不限于聚丙烯和高密度聚乙烯。因为固相硫酸铝具有低的热导率，为了加速热传导，封装在小直径的管中是有利的，如图5A所示，其中501是管子，502是盖子。填满介质503以后，管子被盖子504密封。为了更好地将热量从管中传输到水中，管的横截面应该精心地设计，见图5B。横截面包括但不限于圆形505；圆角矩形506；有两个凹槽的圆角矩形507；有多个凹槽的圆角矩形508。图5C展示如何将这些胶囊堆在一起。胶囊的角和凹槽是水通过的路径。为快速热传递，胶囊中的介质的每个点与最近的水的距离应该足够小，比如说小于10毫米。这些胶囊被装在真空管中。真空管的内壁与胶囊之间充满了水。图5D是真空管的横截面图，图5E是真空管的垂直剖面图。此处509是外玻璃管，510是真空，511是内玻璃管，512是塑料胶囊与储热介质，513是中央水管，514是水。图5E中的515是一个机械支撑板。
图6示出把储热介质填充到塑料管中的连续过程。601是油浴，装有油602，例如菜籽油。恒温电加热器603保持油温在110℃和120℃之间。604是放置在油浴中的装着硫酸铝和水的容器，温度保持在约100℃至110℃。因此，该介质处于液相。电磁阀605控制液体流入塑料胶囊606。胶囊安装在一个自动装配线中，如图所示。当胶囊走到注液口605下方时，一个预先确定的液体量607填充入胶囊608，然后，把盖子609自动安放在胶囊口上，并通过加热密封，见610。
作为能量存储介质的硫酸铝水溶液，在70℃至90℃之间效果最好。为了以最高的效率收集太阳辐射，减少热损失，防止过热，以及不使用电泵就把存储的热能转移到水，本专利并公布了水处理装置的设计，见图7。
本专利公布的水处理装置的中心部件是截面尺寸为50到100毫米的矩形截面的横向腔室701，称为热水腔室。其长度由真空管的数目和外径来确定。它被包在由泡沫聚氨酯或具有类似特性的材料制成的隔热笼702中。该热水腔室701有多个垂直管703，每个垂直管的外侧至少装有一个垫圈704。垫圈是由硅胶，丁腈橡胶，或类似弹性材料制成。垫圈的外侧与玻璃真空管的内侧密封。相邻垂直管的轴线之间的距离比真空管的外径大2至10毫米。当玻璃真空管套在垂直管上之后，相邻的真空管之间的距离只有2至10毫米。
热水腔室701的内部有一根冷水管705，直径10至25毫米。冷水管705具有多个分支706，各自连接到直管707并延伸到玻璃真空管的底部(与图5E的513相同)。
热水腔室的上端有一个或多个通大气的出口708。在运行条件下，热水腔室701是半满的。由于有通大气的出口708，热水腔室701内的水面的压力等于大气压力。如果热水腔室701中的水达到沸点100℃，蒸汽从出口708逸出，带走热量，来避免过热。
热水腔室701的底部有一个热水流出管709，与图8的管子816相同。
图8示出了完整的太阳能热水器。自来水经冷水管线801流进冷水供应室802，由上水阀803和通气口804保持水位805恒定。上述的上水阀与马桶的上水阀相同，例如Fluidmaster万用上水阀，和Kohler的K-1068030上水阀。冷水流过配管806(与图7中的705相同)和支管807和808(与图7中的706和707相同)流到每一个玻璃真空管809的底部。
热水腔室的每一个垂直管810(与图7中的703相同)插到一个真空管809中，由密封圈811(与图7中的704相同)密封。现有的玻璃真空管太阳能热水器，都在玻璃真空管的外侧用密封圈与水箱或水管密封。例如美国专利5163821，和期刊文章"Water-in-glassevacuatedtubesolarwaterheaters",byG.L.Morrison,I.Budihardjo,andM.Behnia,SolarEnergy,76(2004)135-140。根据已有的设计，相邻的真空管之间的距离，与真空管的直径相当。相同日照面积之下的集热效率降低了一倍左右。本实用新型把密封圈放在真空管内部，相邻真空管之间的距离减少到几毫米。因此，相同日照面积之下的集热效率大大提高。本实用新型的设计还具有以下优点：首先，热水腔室的总长度降低了，热水腔室的表面面积降低了。因此，热损失降低了。第二，它有利于组装和防止泄漏。因为系统是在室温下装配，而在较高的温度下工作。硼硅玻璃的热膨胀系数几乎为零。塑料或金属的热膨胀系数为每度℃0.01％至0.02％。如果塑料或金属结构是在玻璃管的外侧，在工作温度下，由于塑料或金属的热膨胀系数大，密封圈的密封就会变松。本实用新型中的塑料管是在玻璃管的内侧；在工作温度下，由于塑料的热膨胀系数大，密封圈的密封变得更紧。
在工作时，冷水从玻璃管底部的冷水管出口808流出，通过热能存储胶囊812而被加热。因为热水比冷水轻，热水总是保持在顶部，特别是在热水腔室813中。如果阳光太强，时间太长，真空管809中的水温达到100℃，多余的热量就通过蒸汽出口814耗散。
在热水腔室813的下部，有一个热水出水管816(与图7中的709相同)。因为从热水腔室813输出的水可能是非常热的，为了防止烫伤，热水首先进入恒温混水阀817。通过与管801中的冷水混合，具有事先设定的温度的温水818就产生了。恒温混水阀是一种常见的商业产品，其参数由美国卫生工程协会ASSE-1016号标准规定，常用的有HoneywellAM101R-US-1，WattsLF1170，Zum·WilkinsZW1070等。
图9示出一台安装在屋顶上的无水箱太阳能热水器。屋顶901要倾斜到正确的方向：在北半球向南，在南半球向北。如果屋顶的角度大体合适，一个基本上平的安装架902可以直接放在屋顶上。安装架902的下端，是支撑真空管端部的档板903。装着储热胶囊的真空管904，顶端固定到水处理装置905，底端由档板903支持。蒸汽出口906是在水处理装置的最高点。工作时，自来水流经管道909进入冷水供给室907。冷水供给室907中有一个上水阀和一个空气出口908，把水位固定的冷水输送到水处理装置907，以保持热水腔室中的水是半满的。如果阳光太强，时间太长，真空管904中的水温达到100℃，多余的热量就通过蒸汽出口906耗散。热水由管道910进入恒温混水阀911。通过与冷水混合，生成具有设定温度的温水912。因此，在屋顶上的平均机械压力小，而且均匀分布。整个系统根据自然规律自动运行，不需要电泵和控制系统，从而可以免于维护。
下面是无水箱太阳能热水器的大小的估计。如果玻璃真空管的内径是102毫米，长度是1500毫米，每个管的体积约为12升。由于硫酸铝溶液的热容量是水的两倍，它相当于24升水。10个真空管的系统大约合240升水，足以支持一个4人的家庭。150千克硫酸铝在国际市场上的价格约为30美元，因此储能原料的成本是微不足道的。
虽然本实用新型已经经由示例性实施例进行了描述，但是对熟练的技术人员，许多替换，修改和变化是显而易见的。因此，本实用新型的示例性实施例中，都是说明性的，不是限制性的。在不脱离本实用新型的精神和范围内，各种改变都可以包括在内。
Claims (10)
1.一种无水箱真空管太阳能热水器，该热水器用玻璃真空管收集太阳辐射并存储热能，其特征在于：所述热水器包括填充有水的玻璃真空管，玻璃真空管中放置有塑料胶囊，所述塑料胶囊中密封有存储热能的介质；所述存储热能的介质为硫酸铝重量占40％至47％的硫酸铝水溶液。
2.根据权利要求1所述的无水箱真空管太阳能热水器，其特征在于：所述玻璃真空管的内径的在80毫米至120毫米之间。
3.根据权利要求1所述的无水箱真空管太阳能热水器，其特征在于：所述塑料胶囊是由工作温度高于100℃的塑料所制成的胶囊，包括但不限于聚丙烯胶囊或高密度聚乙烯胶囊。
4.根据权利要求1所述的无水箱真空管太阳能热水器，其特征在于：所述的塑料胶囊是两端封闭的管，管的横截面为圆形、圆角矩形或者具有若干个凹槽的圆角矩形；塑料胶囊内的存储热能的介质的任何一点与最接近的塑料胶囊表面的距离小于10毫米。
5.根据权利要求1所述的无水箱真空管太阳能热水器，其特征在于：所述硫酸铝水溶液为保持在设定温度范围内的纯液体溶液。
6.根据权利要求1所述的无水箱真空管太阳能热水器，其特征在于：所述的塑料胶囊包括管体和用于密封管体的管盖，管体中填充有由自动填充机注入其中的所述硫酸铝水溶液。
7.一种用于将玻璃真空管内存储的热能转移到流水的无水箱真空管太阳能热水器的水处理装置，包括：
一个方形横截面的水平热水腔室，所述热水腔室的长度由玻璃真空管的数量和真空管轴线之间的距离来确定；其中，玻璃真空管轴线之间的距离等于玻璃真空管的外径与玻璃真空管外壁之间的间隔之和；
所述热水腔室的下侧连接有一组垂直管，垂直管的数目与玻璃真空管的数目相同，每一个垂直管插到一个玻璃真空管中；每个垂直管的外部镶有一个或多个密封胶圈，每个上述密封胶圈与每个上述玻璃真空集热管内表面密封设置；
所述热水腔室由泡沫塑料热绝缘层包围；
所述热水腔室内部装有一根水平的冷水管，所述水平的冷水管连接到一组直管，直管的数目与玻璃真空管的数目相同，每个上述直管延伸到每个上述玻璃真空管的底部；
所述热水腔室的上端装有一个或多个用于释放水蒸气的出口管；
一个冷水供应腔室，其入口端连接到自来水供应管道，其出口端连接到上述热水腔室；所述冷水供应腔室中装有一个用于控制水位以使热水腔室的水位保持半满的上水阀；
所述热水腔室的下端设有一根热水出水管，所述热水出水管连接到一个输出水温保持在使用者要求数值的恒温混水阀的热水入口，恒温混水阀的冷水入口连接到所述冷水供应腔室的下端。
8.根据权利要求7所述的水处理装置，其特征在于：所述热水腔室是由工作温度高于100℃的塑料制成的热水腔室，包括但不限于聚丙烯热水腔室。
9.根据权利要求7所述的水处理装置，其特征在于：所述泡沫塑料热绝缘层包括但不限于聚氨基甲酸乙酯绝缘层。
10.根据权利要求7所述的水处理装置，其特征在于：所述密封胶圈的材料包括但不限于弹性有机硅密封胶圈与丁腈橡胶密封胶圈。
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