CN213335017U - 太阳能蓄热水器 - Google Patents
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Abstract
太阳能蓄热水器是在热水中能蓄热的装置。它有一列能吸收太阳能的热水玻璃排管(图11中11)，与一个能蓄热的蓄热水箱(图11中1)。把经过太阳能热水玻璃排管加热的水，和装在蓄热管(图11中2)和蓄热盒(图11中5)中能吸热熔化凝结放热的十二水磷酸氢二钠化学物质(图11中3)，在热水箱中进行热交换。这种化合物质具有人们所需用水35℃‑100℃之间的熔化过程和发生相变吸热量大的两个特点。在水温降低时能充分放出热量，从而再次加热水，保持继续使用。在日照时间内可充分、持续、最大限度吸收太阳能，提高了太阳能蓄热水器的功能和效率。
Description
一、技术领域：
太阳能蓄热水器是把水在0℃-100℃液态下对太阳能热吸收、储蓄、减损的工艺装置，企图最大化最广泛地开发和利用太阳能，为人类的生产和生活服务。
二、背景技术：
太阳热能自古至今，人人皆感之，个个皆受之。在太阳能转化为热能的方法和利用上，人们自始就自然的接受它，直接的利用它，例如：晾晒、烘干等。然而，人们主动开发，广泛利用太阳光转化热能，是在上世纪末，风靡全国的太阳能热水器。之前，也有过利用太阳能煮饭、烧水的报道。在晾晒、烘干、热水、煮饭等过程中，都是以吸收太阳光能的物质转化为热能，或再传递给第二种物质加以利用，还未有把热能进一步转化和储蓄的方法和方式。
三、实用新型内容：
太阳能热水器是把太阳光能转化为载热体为水的热能形式，热水的载热能力极其有限，每克每度仅1卡(比热1卡/克·度)，太阳能蓄热水器，是在此基础上，扩大和提升载热和蓄热能力的方法和装置。
1、现有太阳能热水器状况。
已实现的太阳能热水器，能很好的将水加热到90℃，甚至超过100℃。因为有昼夜之分和天气多变，它接收太阳能有季节和时差性，地域性，间断性，因而有多少之别，强度之差。这使得太阳能热水器所吸收的热能和温度不稳定、不持续，以致于不能充分利用和满足需要。例如：下雨两三天后，利用太阳能热水器热水洗澡，因各方面原因，水温已跌至36℃以下。面对这种状况，人们渴望得到进一步的改善和解决。
2、增大吸热能量或增加蓄热能力的途径。
要使太阳能热水器充分的、最大化的吸收太阳能，同时并能进行储蓄、保存和再利用，除外环境，只有两个条件可以满足。一是增加保温水箱的水容量，增容即增加了热能量；二是恒容增热，在热水箱容量不变的状态下，增加载热体的储热能力，既比热或潜热。采用第一种方法是有局限性的，在太阳能给热不定的状态下，因时间短或强度差，增加大水箱的水量，水温可能达不到人们所需的温度，达不到利用的目的。采用第二种，恒容增热的办法。增加热容，既增大吸热载体的比热或潜热。
利用化合物熔融或熔化和凝固潜热的性质；既物质由固态变为液态而没有温度变化时所需的热量为熔融热；而物质由液态变为固态而没有温度变化时，所需的热量为凝固热。是实现对热能较好的有效储蓄方式。实现以水为载热体的储蓄和利用，必须选择符合，具有熔融吸热，凝固放热过程；具有熔点在35℃以上，最佳范围是35℃-100℃之间，而沸点大于100℃以上。
3、优化选择蓄热载体
在化合物中，有大量的水合物。例如，十水四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O、60℃失8个H2O，75℃熔融，320℃失10个H2O)十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)密度1.52，熔点35.1℃失5H2O，沸点100℃失12H2O和其它一些化合物：例如亚磷酸(H2HPO3、熔点73.6℃、200℃分解)，乙酰胺(CH3CONH2、熔点82.3℃、沸点221.2℃)，(资料来源《中学生教师化学手册》1980年版，统一书号13051·1187)。这些化合物具有35℃以上，100℃以下的熔点，和100℃以上的沸点。在熔点上，具有达到或大于熔点时熔融的性质和低于熔点或等于熔点时凝结的性质；还具有熔融时吸收热量凝结释放热量的可逆过程。
利用液固熔融和凝固的潜热，实现对热水箱的蓄热过程。当水箱水温升至熔点时，在该点吸收大量热量，使之熔融，在此熔化过程中储蓄了大量热量；待水温降至该熔点时，便释放大量热量，再度加热水温，蓄热得以利用。
选择35℃以上，100℃以下熔点的蓄热载体，是根据热水箱的运行过程和人们生活需要所定；在35℃以下的水温不是人们普遍使用的水温，然而，达到或高于100℃的水，会进行蒸发，对水箱而言，又会出现新问题和困难，选择熔点大于35℃小于100℃是比较适合的。
100℃以下的熔点化合物多为水合物，十二水磷酸氢二钠，水合分子多，分子量大，熔化热多，最大特点是熔融过程中，是从35.1℃开始至100℃之间的非定熔点熔化过程，在受热时，十二水磷酸氢二钠温度达到初始熔点35.1℃时，进行热熔化吸热既蓄热，并逐渐失去水合离子，以至继续吸热熔化达到100℃，失去全部十二个水合离子。与此相反当温度降低100℃以下时，该化合物凝结水离子放热，以至能够达到35.1℃，结合十二个水合离子。这一吸热熔化，凝结放热的可逆过程。具有和人们所需热水的温度相同和吻合，使水和蓄热体换热过程同步、同温、同时，直接简单。使制造这种装置和控制变得容易，操作方便。因此十二水磷酸氢二钠是这一过程最佳的蓄热载体。
这种选定的蓄热载体待装入蓄热管中。
太阳能蓄热水器，采用随温度变化，固液熔融凝结，互逆可变的吸热和放热过程实现太阳能100℃以下，水在液态范围内的蓄热利用。使太阳能的利用得到了进一步的扩展和提升，大幅度提高了太阳能的利用率，可大型或规模化进行工业生产和利用，同时，使人们的生活用水得以改善和更好受益。
4、利用热交换蓄热，在箱内设计无数个蓄热管。
将能够吸热熔融和凝结放热的载热体物质，装进一个导热较好的密闭容器蓄热管内，竖向沉浸放置于水箱中，保证水和蓄热管换热过程都有热交换面存在，实现同步、同时、同温蓄热或释放热量。热水器中的水温在达到蓄热载体的熔点时，便进行吸热熔融，以至持续熔融继续升温，而当水箱的水温低于或接近熔点时，便进行凝结放热，使水箱的水再次吸热，获取所需的热水。蓄热载体十二水磷酸氢二钠是一种水溶性化合物，并具有一定的潮解和风化性质，所以选择能够防水、防腐导热较好的不锈钢管做为装载容器。
将蓄热载体十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)(图3中3)装入不锈钢管(图3中2)中，装入量留有余地，达到98％即可，以防在受热时体积膨胀，使不锈钢管受压，造成不必要的麻烦。这无数个蓄热管待装入蓄热水箱内。
5、用内壁层蓄热，设计无数个蓄热盒
在蓄热水箱六面内壁上，增设一层蓄热盒，增强和提高蓄热水箱的蓄热能力。增加蓄热量也是提高热利用的关键。
实现用内壁层蓄热，由许多抽屉形长方形蓄热盒组成(图5中5、图7中5)，其内空，封闭装有蓄热载体十二水磷酸氢二钠(图5中3)，每蓄热盒的顶平面开有一个内向盒口(图5中6、图7中6)，做为取装载热体的通道，并能在装配时不留缝隙，保温盒材质由不腐不锈的簿钢板制成。
6、设计太阳能蓄热水箱。
(1)设计蓄热水箱。
现有太阳能热水箱，通常为圆柱体，容积大，省材料。太阳能蓄热水箱，区别是在原有太阳能热水箱的基础上将箱内部增设可自由取出和放进的蓄热管(图3中2)，和装置蓄热管的网架(图4中4)，及固定支撑蓄热管网架支嘴(图5中10)，在蓄热水箱内除顶部外，在四壁竖向和底面平放装配蓄热盒(图5中5、图7中5)和可自由进取蓄热盒的抽屉箱(图7中9、图8中9)同时将热水箱改为长方体(图1中1、图2中1)，这种形状是为在内部能更好地装置蓄热管和固定蓄热管网架，装置蓄热盒和固定蓄热盒抽屉箱。
(2)设计蓄热管网架(图4中4、图5中4)
蓄热管网架的功能是固定分布蓄热管，是由不锈钢制成的网格结构，防水耐用，网格均匀分布，使蓄热管吸热、散热均匀充分。蓄热管非连结放入其中，可以自由放进取出，安装、检修方便。
(3)设计蓄热盒抽屉箱(图7中9、图8中9)
在蓄热水箱除底面的五个面上，设计由T形不锈钢(图6中7、图7中7)和蓄热箱壁面组成槽形滑道(图6中8、图7中8)。由对应两个槽形滑道和蓄热箱壁面构成抽屉箱(图7中9、图8中9)，把蓄热盒投置抽屉箱，可自由进出其中。蓄热盒象在墙壁上贴瓷砖一样，紧紧贴在蓄热水箱的五个壁面上，一方面被固定，一方面方便检修和制作，蓄热盒在底面平放即可。
(4)设计蓄热管网架支嘴(图7中10、图8中10)
蓄热管网架支嘴，是为支撑蓄热管网架而设计，由不锈钢材，圆头型，固定分布在蓄热水箱中槽形滑道T形不锈钢面向水箱内的平面上，平行设置两排无数个不锈钢支嘴(图7中10、图8中10)用做放置蓄热管网架。不锈钢网架搁置其上，使之固定，网架可自由放进取出，方便安装、检修。
(5)蓄热水箱容积的设计
放入蓄热水箱中的蓄热管和网架，及蓄热盒和蓄热盒抽屉箱占用了热水箱的相当空间，为了不影响热传导和热水的用量，蓄热水箱的容积做适当扩大，达到能够满足蓄热后的容量。
在新设计的蓄热水箱中，最显著的特点是蓄热能力的增加，要考虑和计算，蓄热量和太阳能吸热排管的匹配以及和水的热交换和使用过程。
7、改造蓄热水器支架和配套吸热玻璃排管
太阳能蓄热水器支架，为匹配蓄热水箱安装，改为梯形框架，是安装受热玻璃排管和蓄热水箱的支架，由结实坚固的防锈材料制成，因水箱是长方体，其支架放置蓄热水箱的上部为角钢焊制的槽形长方形框架将蓄热水箱镶嵌搁置其中(图10中12)，在支架下部安装受热玻璃排管(图10中11)，排管每管上口和蓄热水箱连通。
吸热玻璃排管的配套，主要考虑蓄热水箱的蓄热能力和吸热玻璃排管的吸热能力的匹配，以及使用水量三者的关系。现在市场上不同型号、不同品质的吸热玻璃排管很多，尽量选用吸热能力较好的产品配套满足蓄热水器的蓄热能力，使任何时间太阳光照内都能充分吸热和储蓄。达到有光必收，有热必储，储而可用，尽保尽用，保而多用。使太阳能蓄水器最挂化，真正成为人们生活的好器具。
8、估算蓄热水器功效及效益。
选择蓄热水器载热体化合物质，具有加热熔融，凝结放热的可逆过程，并具有在此熔融或熔化相变中，潜热大，无毒的特点，在以水为热交换过程中，水温在35℃-100℃之间性质稳定，换热同步，安全可靠。选择：十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)做为蓄热载体，其密度1.52，熔点35.1℃失5H2O沸100℃12H2O，此熔化过程，最显著的特征是：在熔点35.1℃时熔融失5H2O，然后随着升温至100℃，失去所有12·H2O，这一多熔点，熔融或熔化过程是水合物特有的性质。巧合的是它和人们所使用的热水35℃-100℃十分吻合，(熔化热265Kj/KgO来自十二水合磷酸氢二钠相变性能改进研究《化学工程》2009年5月第37卷第五期、学来、盛青青、葛轶群)。其值也相当可观。如依此计算，在35.1℃-100℃之熔化过程，十二水磷酸氢二钠每立方厘米容热1.52克/cm3×(265j/克÷4j)卡≈100卡/cm3。而水在此温段内容热为(100-35.1℃)×1卡/cm3≈65卡/cm3。相比之下：
①等容条件下，十二水磷酸氢二钠的容热量是水容热量的100÷65≈154％。
②这一蓄热和释放过程还具有缓释和滞后性，有利于水温的保持或延长。
③如果将现有太阳能热水箱容积扩大一倍，用来放置蓄热载体，蓄水量不发生改变，在吸热玻璃排管和其它部件不变的状态下，按照理论计算，此太阳能蓄热水器的蓄热能力提高了1.53倍，是原太阳能热水器蓄热能力的2.53倍。相当于制造了现有两个半太阳能热水器。
④如果水容积为
蓄热载体容积为
蓄热量会更多
这时的蓄热能力是原热水器蓄热能力的3.5倍，提高了2.5倍。改进后的太阳能蓄热水器既增加了蓄热能力，又增加了人们使用的续热时间。使之成为一种最廉价最安全环保的生活利器。
四、附图说明
图1是蓄热水箱正视图。
图2是蓄热水箱俯视图。
图3是蓄热管和蓄热载体图。
图4是蓄热管网架图。
图5是蓄热盒和蓄热载体图。
图6是T形不锈钢和槽形滑道图。
图7是蓄热盒和抽屉箱图。
图8是图1 A-A剖视图。
图9是图2 B-B剖视图。
图10是蓄热水器支架和太阳能热水排管图。
图11是太阳能热水器组装图。
图中1是蓄热水箱。
图中2是蓄热管。
图中3是蓄热载体。
图中4是网架。
图中5是蓄热盒。
图中6是蓄热盒内向盒口。
图中7是T形不锈钢。
图中8是槽形滑道。
图中9是抽屉箱。
图中10是网架支嘴。
图中11是热水玻璃排管。
图中12是蓄热水器支架。
五、具体实施方式
太阳能蓄热水器是利用一些化合物质，在熔融或熔化时吸热，凝结时放热的熔化过程进行蓄热和放热。其关键是选择能随温度变化和适应水温30℃-100℃之间熔化过程的化学物质，其熔化热越大越好。然后制做蓄热管和蓄热盒，采用导热良好，能防腐、防锈的不锈钢材，使蓄热载体和水能很好进行热交换达到蓄热的目的。
1、选择十二水磷酸氢二钠为蓄热载体。
选择蓄热水器载热体化合物质，具有加热熔融，凝结放热的可逆过程，并具有在此熔融或熔化相变中，潜热大，无毒的特点，在以水为热交换过程中，水温在35℃-100℃之间性质稳定同步，安全可靠。选择：十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)做为蓄热载体，其密度1.52，熔点35.1℃失5H2O沸100℃12H2O，此熔化过程，最显著的特征是：在熔点35.1℃时熔融失5H2O，然后随着升温至100℃，失去所有12·H2O，这一多熔点，熔融或熔化过程是水合物特有的性质。巧合的是它和人们所使用的热水35℃-100℃十分吻合，(熔化热265Kj/Kg来自十二水合磷酸氢二钠相变性能改进研究《化学工程》2009年5月第37卷第五期、学来、盛青青、葛轶群)。其值也相当可观。如依此计算，在35.1℃-100℃之熔化过程，十二水磷酸氢二钠每立方厘米容热1.52克/cm3×(265j/克÷4j)卡≈100卡/cm3。而水在此温段内容热为(100-35.1℃)×1卡/cm3≈65卡/cm3。相比之下：
①等容条件下，十二水磷酸氢二钠的容热量是水容热量的100÷65≈154％。
②这一蓄热和释放过程还具有缓释和滞后性，有利于水温的保持或延长。
③蓄热水箱中如果蓄热管和水各占一半容积，增加百分之一百五十四的热量也将通过热水的形态释放供给热水，在同样环境条件下散热，将使太阳能蓄热水器，热水温度由原来保持二至三天，延长至四到五天甚至更长，大幅度提高了人们的生活质量。
2、制作蓄热管
将能够熔融和凝结，吸热和放热的蓄热载体物质，装进一个导热较好的密闭容器内，竖向放置于水箱中，实现热交换达到蓄热目的。热水器中的水温在达到蓄热载体的熔点时，便进行吸热熔融，以至继续升温全部熔融，而当水箱的水温低于或接近熔点时，便进行凝结放热，使水箱的水再次吸热，获取所需的热水。
将蓄热载体十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)(图3中3)装入不锈钢管(图3中2)中，装入量留有余地，达到98％即可，以防在受热时体积膨胀，使不锈钢管受压，造成不必要的麻烦。这无数个蓄热管竖向装入蓄热水箱内。
3、制作蓄热盒(图5中5、图7中5)
蓄热盒布置在蓄热水箱的内壁上，浸没在热水中，材质由防腐防锈导热较好的不锈钢制成，形似抽屉长方块盒(图5中5、图7中5)其内空，在盒的顶面上开有一个内向盒口(图5中6、图7中6)作为装取载热体的通道。内向盒口使每蓄热盒在装配时，其之间不留缝隙。将十二水磷酸氢二钠(图5中3)装入蓄热盒中并封闭，装入量不超过98％，以免受热膨胀，引起不必要的麻烦。
4、制作太阳能蓄热水箱
现有太阳能热水箱，通常为圆柱体，容积大，省材料。新改造的太阳能蓄热水箱，箱内增设蓄热管(图3中2)，和蓄热管网架(图4中4)，增设蓄热盒(图5中5、图7中5)和蓄热盒抽屉箱(图5中6、图7中6)，为了蓄热管和蓄热盒竖向安装和全程换热，将热水箱改为：长方体(图1中1、图2中1)，在箱内立面四壁T形不锈钢平面上固定有两排适量的支撑网架的支嘴(图8中10、图9中10)这种形状，是为在内部能更好地装置蓄热管和固定蓄热管网架，装置蓄热盒和蓄热盒抽屉箱。
放入蓄热水箱中的蓄热管和网架，蓄热盒和蓄热盒抽屉箱占用了热水箱的相当空间，在制作时需要考虑这部分容积，蓄热水箱总容积或热水容积与蓄热体容积之比，根据需要而定，达到能够满足蓄热后的容量。
5、制作蓄热管网架(图4中4、图5中4)和网加支嘴(图8中10、图9中10)
蓄热管网架需要长时期放在热水中，选择不锈钢做为材质，结实防腐。为牢靠放置和固定蓄热管，将其制做成均匀的方格形，使蓄热管能均匀分布其中，更好的与水进行热交换。蓄热管网架制作两排，分布放置在蓄热水箱立面四壁，支撑网架的支嘴上。支嘴是圆形不锈钢头(图8中10、图9中10)固定在装蓄热盒的抽屉箱T形不锈钢平面上(图8中7、图9中7)。蓄热管网架和蓄热管网架支嘴都是非固定连结，可以自由取出和放进，使制作、安装、检修易行方便。
6、制作蓄热盒抽屉箱(图7中9、图8中9)
为使蓄热盒做为保温层，能紧贴在蓄热水箱的六面壁上，在蓄热水箱除顶部的五个壁面上，制作由T形钢(图6中7、图8中7)和蓄热箱壁面组成槽形滑道(图6中8、图7中8)，由对应两个槽形滑道和蓄热箱壁面构成抽屉箱(图7中9、图8中9)，把蓄热盒投置抽屉箱可自由进出其中。蓄热盒象在墙壁上贴瓷砖一样，紧紧贴在蓄热水箱的壁面上，蓄热盒在底面平放即可。这种装置一方面固定了蓄热盒，一方面方便检修、安装、制作。
7、配套太阳能热水玻璃排管(图10中11)
现有太阳能热水玻璃排管，都具有很高的技术水平，在具体实施中，结合本蓄热水箱蓄热量较大的特点，选用吸收太阳能效率高的热水排管，在太阳日照时间内，使其最大幅度吸热升温以便充分发挥蓄热载体的功能。
8、制作蓄热水器支架(图10中12)
在确定蓄热水器的能力、规格和配套吸热玻璃排管后，根据需要制作，蓄热水器支架的上部制作成槽式长方形框架(图10中12)，长方体蓄热水箱镶嵌其中固定，易卸易装，方便检修和安装。
9、太阳能蓄热水器的组成，结构和安装。
太阳能蓄热水器主要是由两部分组成，一部分和现在太阳能热水器相同的热水玻璃排管(图11中11)和另一部分不同的蓄热水箱(图11中1)及箱内新装的蓄热管(图11中2)，蓄热载体(图11中3)，蓄热管网架(图11中4)，蓄热盒和蓄热载体(图11中5、图11中3)，蓄热盒抽屉箱(图11中9)，蓄热管网架支嘴(图11中10)，还有经过改造的太阳能蓄热器支架(图11中12)。
在太阳能蓄热水器支架(图11中12)的下部，配套安装热水玻璃排管(图11中11)，玻璃排管上端每口和蓄热水箱相通连接，蓄热水箱(图11中1)镶嵌安装在蓄热水器支架上部的槽式长方形框架中，装在蓄热水箱内的蓄热管(图11中2)中装有有蓄热载体十二水磷酸氢二钠(图11中3)，蓄热管均匀分布放置在蓄热管网架的方格中(图11中4)，蓄热盒(图11中5)投置放入在抽屉箱中(图11中9)，蓄热管网架竖向两排放置在蓄热水箱内固定在T形不锈钢平面的网架支嘴上(图11中10)。水箱和蓄热管、蓄热管网架三者之间均为无固定连接，蓄热盒和抽屉箱也非固定连结，这样的装置方便制造、安装、检修。
10、太阳能蓄热水器的工艺运行
太阳光辐射不断地加热玻璃管内的水和蓄热水箱中(图11中1)的水同时升温。水在不断升温过程中使蓄热管(图11中2)和蓄热盒(图11中5)经热传导，加热管内和盒内载热体化学物质十二水磷酸氢二钠(图11中3)，温度达到该熔点35.1℃时，进行热熔化蓄热，以至继续吸热熔化蓄热，达100℃时失去全部十二个水合离子。这一过程间接地接受和储蓄了太阳热能。反之水温低于或达到该熔点时进行凝结放热。使水再加热而续时使用。
太阳能蓄热水器，结构简单制造方便，功效显著，成本低廉。值得一提的是使无价可贵的太阳能利用，得到了进一步的扩展和提升。
Claims (4)
1.太阳能蓄热水器，包含一列热水玻璃排管和一个蓄热水箱；其特征是：蓄热水箱为长方体形，镶嵌安装在太阳能蓄热水器支架的上方和热水玻璃排管相通；蓄热水箱内装有无数个不锈钢蓄热管和蓄热盒，蓄热管固定竖向分布在两排网架内，网架放置在蓄热箱内两排支嘴上，蓄热管和网架均可自由取出或放进；蓄热盒装配在蓄热水箱除底面其余五个面的抽屉箱内，底面上蓄热盒平放，蓄热盒可自由进取；蓄热管和蓄热盒内装有熔化时吸热凝结时放热的化学物质十二水磷酸氢二钠做为蓄热载体被封闭在管内和盒内；利用熔化吸热即蓄热和凝结放热的可逆过程在水箱内和热水进行热交换，达到蓄热目的。
2.根据权利要求1所述的太阳能蓄热水器，其特征是：蓄热管是防腐防锈的材质制成，为圆管形，用网格均匀竖向分布于液体中，并可自由进取。
3.根据权利要求1所述的太阳能蓄热水器，其特征是：蓄热盒是抽屉箱结构，紧贴连续密布水箱内壁，并可自由进取。
4.根据权利要求1所述的太阳能蓄热水器，其特征性质是：蓄热载体是熔化吸热凝结放热的十二水磷酸氢二钠。
Priority Applications (1)
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2020
- 2020-10-06 CN CN202022287709.8U patent/CN213335017U/zh active Active
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Wang Zhenli Document name: Notice of Termination of Patent Rights |