CN2076657U - 四季高效热管式太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新的重力热管式太阳能热 水器。具体采用单管分立式排列结构，将原来复杂的 热管循环系统改造成一根根、直立平行排列，独立实 现热交换循环。每根热管的出发段设置在集热器内， 冷凝段设置在热交换器的水中，中间采用填料函式的 密封固定结构。这样，不但可以高增益完成太阳能的 热交换，而且可方便地组装和维修更换重力热管。本 设计为提高增益还增加了集热器中的增益填料和采 光角度调节装置。

Description

本实用新型属于太阳热能利用技术，具体地说它属于一种太阳能集热装置。

在能源紧张的时代，太阳能综合利用已成为科学界十分关注的课题，其中，太阳能热水器已广泛的应用在工农业生产和日常生活之中，已成为了重要的能源转换装置。目前用于日常生活中的太阳能热水器主要是提供日常洗浴热水。其结构分为两大类，第一类为直流式平板热水器，所需热水直接流通平面型集热排管完成与太阳能的热交换。这种类型太阳能热水器结构简单、造价低，但热交换效率低，而且只能应用于阳光充足且室外温度较高的季节，冬季根本无法应用。第二类型改进的太阳能热水器采用重力热管式结构，利用热管中的低沸点相变工质的蒸发和凝结过程实现了太阳能与水的热交换，并利用相变工质的重力实现自动循环，由于相变工质冰点低，吸热性能良好，在热交换器部分可以采取保温措施从而较好地解决了太阳能集热器的防冻问题，使单一季节应用扩展到四季均可应用。中国专利局87年10月3日公开的CN86202023U号专利申请即属于第二类太阳能热水器的一种结构设计，它的结构主要分为两部分，一部分为集热器，在集热器组成中包括集热器外壳，可透过阳光的透明盖板，及处在壳体内的部分热管。太阳光穿过透明盖板射在热管上，靠相变工质的吸热蒸发把热量收集为内能。热管的另个一部分设置在热交换器内。在热交换器中设有循环水，热交换器的外壳是带有进出水口、排气口、溢流口的绝热箱体。相变工质蒸发后沿热管进入热交换器内冷凝并放热量传给循环水，这样就实现了太阳能转化为水的热能。这种结构的太阳能热水器虽然较好地解决了冬季防冻问题，但其结构比较复杂，制造难度大，特别是其热管采用并列且端顶连通的整体型结构，十分不利于装配，特别是管路损坏后维修十分不方便。其次这种结构的太阳能热水器集热效率并不高，特别是热管的排列分配方式及集热器内保温措施处理不当则影响更大。此外，太阳能热水器，因季节变化后太阳光入射角度相差很大（北方地区差40℃以上）因而缺乏集板角度调整也是目前众多防冻太阳能热水器的很大缺陷。

本实用新型的目的在于发明一种防冻四季高效太阳能热水器的新结构，使其具有较高的集热效率，以保证冬季应用时的水温能达到洗浴的温度，又要有极方便的拆装方式，便于维修和简化生产工艺，特别是拆装热管，同时又要达到结构简化和造价低廉的实用目的。

本实用新型的主要构思是将重力热管采用隔离式的独立结构，每根重力热管自成为一个密闭独立循环系统，然后并排设置在太阳能热水器之中。每根重力热管均分为上下两段，上段为冷凝段插入热交换器的水中，下段为蒸发段置在集热器之内，两段之间采用填料函式的密封结构隔离，这样的密封隔离结构拆装十分方便，如果有某根热管出现故障，则可旋松填料函方便地抽出来更换。太阳能热水器的支撑部件设计成为可调节式的，这样在季节发生变化时可随时调整集热板与地面的倾斜夹角，以保证集热板与太阳光线总保证垂直，以获得最佳采光角度，从而提高单位集热面积的采热效率。为了进一步提高采热效率，可在透明盖板下与热管之间增加保温增益填料，增益填料可采用高透光率的的聚丙烯薄片或玻璃园管，从而阻尼集热箱内热空气的相对流动减少热耗散，这类增益填料的厚度一般控制在0.05mm以下。为进一步保证集热效率的提高但又不提高本装置的制造成本，其关键的技术在于选择重力热管的根数与分布，以及每根热管充填低沸点相变工质的数量。

下面我们结合附图及给出的实施例进一步说明本实用新型的目的是如何实现的。

附图1为本实用新型的结构装配示意图。

附图2为附图1的正视图。

附图3为填料函式密封结构局部放大图。

附图中1为热交换器的箱体，2为进出水口，3为集热器壳体，4为热管，4A为热管的冷凝段，4B为热管的蒸发段，5为增益填料，6为溢流口，7为排气口，8为空心紧固螺丝，9为密封垫片，10为热交换器箱体壳，11为紧固螺母，12为填料函，13为填料函压盖，14为透照盖板，15为活动绞链，16为伸缩性拉杆，17锁紧螺丝，18为支架套管座，19为集热翼板，20为绝热材料。

从图2可以看出，重力热管均可自由拆装，并且独自成为一个热循环系统，当置入集热器内的蒸发段4B受到太阳光幅照时，低沸点相变工质即蒸发吸收了太阳能，随蒸气进入冷凝段4A吸收热能放出至水中，相变工质重新冷凝恢复液态，并依靠重力沿管壁回流至蒸发段4B，这样每根热管即独自完成热交换的循环过程，把太阳能转为水温升高，所有热管的集合即可使太阳能热水器达到理想的技术指标。这里的关键在于如何用最少的热管设置达到最高的热量交换，根据反复的实验和筛选的结果，采用单根分立式重力热管结构，不但给安装与维修带来极大方便，而且在采取合理的管径和排布，以及合理的蒸发段，冷凝段配比后可达到较高的热交换增益，根据实验数据每根重力热管冷凝段4A和蒸发段4B之比可取值在1：4－1：2.5之间，其中最佳取值为1：2.5。重力热管的根数与长度均根据所获热交换器大小而定，但反复的实验、检测后确定，每根重力热管并排平行均布，每根热管之间的距离为管径的6－8倍为适宜，可取得较理想的性能价格比。此时，重力热管可采取0.75－1.0mm的薄壁紫铜管，或者铝管、钢管也可代替，管中密封有丙铜、氯仿之类的低沸点相变工质，其液态相变工质的体积为重力热管容积的25－32％。

为配合分立式单根重力热管并排分布的的设计思想，使结构拆装方便，以彻底改进工艺特性，有利于降低成本和使用寿命。本实用新型在热交换器与集热器之间的热管贯穿部位采用了填料函式的密封固定组合构件，构件中包括空心紧固螺丝8、密封胶垫9、紧固螺母11、填料函12，填函压盖13组成。空心紧固螺丝8、密封胶垫9与紧固螺母11相配合将组件密封固定在热交换器的箱体壳10上，重力热管4从空心紧固螺母8中穿过，并依靠填料函12和压盖13实现密封紧固，这样不但实现了重力热管的密封贯穿，而且使其拆装极为方便，如有损坏或热效率下降，即可旋松压盖13退出填料函，抽下该根热管即可更换。

为达到方便实用高增益的目的，在集热器内阳光透照盖板14和热管4之间设置有增益填料5，附图给出的是丙烯波纹片，所增设的波纹片将集热箱的有效空间分割为无数相隔离小空间，增加了由于集热后产生温度梯度而造成相对流动阻尼，从而有效地防止了热耗损，增加了集热器本身增益率。

为了进一步提高热效率，在热管的蒸发段4B管侧可加装铜或铝片制成的集热翼板19以提高对太阳能吸收的面积，集热翼板19也可以省略，以减少工艺复杂程度和降低生产成本。

提高增益的措施还在于把太阳能热水器相对太阳光的入射角度做成可调节式的，图1中给出这种可调节构思的一个实例，它由支架套管座18和两根可水平垂直伸缩拉杆16，连同接在热水器外壳上的两个铰链15组成，靠两伸缩拉杆调整集热器相对太阳光的角度。调整好后用紧固螺母17锁紧，即可保持在一段时间内太阳光垂直于透照盖板面，从而维持较理想的采光角度。

按照以上的基本构思设计成的热管式太阳热水器，可以实现与地面夹角25－60°连续可调节，适应于不同地冬夏两季使用时的要求，保证太阳光的垂直入射。由于具体结构为分立式热管，使工艺大为简化，拆装十分方便，特别是使用中维修改动已经不成为阻碍推广应用的障碍，因而受到用户的欢迎，特别是本实用新型采用的单管分立，均匀排列的布局，以极少数量热管保证了较高热交换效率，其可在冬季正常阳光下使热交换器水温保持45℃以上。一般情况下可连续应用而无须另外处理，而成本却低于现有热管式太阳能热水器。经实际运行，效果良好，有可能逐步取代为普通水回流式平板太阳能热水器而成为我国人民大众，特别是北方大众一种不可缺少的能源装置。

Claims (6)

1、一种以低沸点相变工质重力热管为主要吸换热元件的高增益太阳能热水器，具体结构中包括由壳体3、透照盖板14，增益填料5，部分热管组成的集热器，由带有进出水口2、排气口7的箱体1、绝热材料20和部分热管组成的热交换器以及相关紧固、连接和支撑件，其特征在于重力热管4采取彼此分立的独立结构，并排设置在太阳能热水器之中，每根重力热管的蒸发段4B设置在集热器内，冷凝段4A在热交换器中的水中，两段之间采用填料函式结构的密封支撑，支撑部件可调节集热器与地面夹角。

2、根据权利要求1所说的太阳能热水器，其特征在于重力热管4的冷凝段4A与蒸发段4B之比为1：4－1：2.5，每根重力热管4均匀平行排列，热管元件之间的距离为热管管径的6－8倍。

3、根据权利要求1或2所说的太阳能热水器，其特征在于所说的重力热管4可采用0.75－1.0mm簿壁紫铜管、铝管或钢管制成，里面密封丙酮，氯仿类低沸点相变工质占管内总容积的25－32％。

4、根据权利要求1所说的太阳能热水器，其特征在于集热器与热交换器之间的重力热管贯穿部位采用填料函式密封固定件，其包括空心紧固螺丝8、密封胶垫9，紧固丝母11，填料函12，填料函压盖13，装配在热交换器的箱体壳板10上，重力热管4从填料函12中穿过分别插入集热器和热交换器之中。

5、根据权利要求1或2所述的太阳能热水器，其特征在于重力热管的蒸发段可配装有紫铜或铝片制成的集热翼片19。

6、根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征在于调节集热器与地面夹角的支撑部件包括支撑架套管座18、可伸缩拉杆16、锁紧螺丝17，可伸缩拉杆16通过绞链与热交换器外壳体连在一起。

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