TWI337244B - - Google Patents

Description

1337244 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係係為一種強制循環式太陽能集熱器（一）， 藉導流隔板、紊流產生器等之設計，以改善太陽能熱水器 之效能。 【先前技術】 隨著油價的飆漲，地球的暖化效應，人類追求替代能 源之需求愈加迫切，其中最常應用的一項便是太陽能。傳 _統上，有關太陽能應用例子很多，市面上已有一般類似之 太陽能熱水器先前技術產品出現，例如台灣專利第 84203166號、第93214374號所揭示者。 太陽能熱水器依其循環方式分類主要可分為：（1)「強 制循環」式（forced circulation);與（2)「自然循環」 式（natural circulation)。其中「自然循環」式是利用 流體本身之密度變化所產生之自然對流機制來做循環與熱 鲁交換’此種方式常用於熱水用量較少之一般家庭用太陽能 熱水器。而「強制循環」式，則是利用水泵將水驅動循環 於收集器及熱水儲存容器之間做強制熱流熱交換，此種方 式常用於熱水用量較多之工廠、醫院、旅館及機關學校等。 太％能熱水器之構造主要由集熱器（c〇llect〇r)與蓄 熱器（storage tank)兩大部分組成，其中集熱器是技術 關鍵’它直接關係到太陽能熱水器之使用性能，與能否正 常運行之環境溫度條件。目前廣泛應用於太陽能熱水器之 集熱器’主要為「玻璃真空管式」（glass evacuated tube) 5 1337244 仵-，因：：献匕採用—個真空夾層來進行集熱器之隔熱 因：在熱能之吸收率、熱損率與總熱效率方面，玻 „佔優勢。尤其是應用在中高溫集熱時（>8〇 太㈣㈣，其絲更加8㈣。目此，近年 來玻璃真空管式集熱器之使用量有逐漸增加之趨勢。 玻璃真工s式集熱II依其從真空管中將熱導出之方 式’玻璃真S管式集熱器可再分為3種，即「熱管式」（⑽ pipe U型金屬管式」（u_tube)與「全玻璃式」㈤ glas小其中全玻璃式太陽真空管式集熱器係採用雙層 玻璃套营’内玻璃管一端為封閉之圓頂形狀另一端與外 玻璃管-端熔封成環狀之開口端，並在内外圓管之間抽成 高真空，具有結構最簡單，製造成本低之優點。 由於全玻璃式太陽真空管式集熱器之外形具有單一開 口’及利用將工作流體（一般為水）充滿内層玻璃管，並 直，與太陽能做直接熱交換之特性’使工作流體只能藉由 此單一開口，在同一個開口截面下同時做流入與流出:雙 (逆）向循環熱交換；加上全玻璃式太陽真空管之外形十 分細長⑷里約^⑽’長度約^^使得工作流體 之流動更為困難。甚至在靠近玻璃管底部附近形成一段停 滯區（stagnation region)，令流入之冷水無法流到=璃 管就被擠出管外，造成沒有充分之時間、接觸面積與真空 管内壁之高溫熱源做熱交換，而大大影響真空管之集熱效 能。另由於工作流體在玻璃管内之流動速度低，加2玻璃 管面十分光滑，故全玻璃式太陽真空管内之流動一般皆屬 6 1337244 .層流（laminar)流場，其與玻璃管内壁表面之熱傳效果， 比起具有高擾動與混合效果之紊流流場還差。 、 如第五、六圖所示者。集熱裝置之水套⑴由保溫層 ^Al)封閉而成’水套（A)—端為冷水進口（A2)，另一 鳊為熱水出口（A3)。水套（a) —邊側壁連接有真空管（b) _於太陽光下°當真空管（B)吸收陽光之熱能之後，熱 此進入真空f⑻内壁，並與從冷水進口（A2)流進水套 (A)内#後’再由水套（A)内部向下流人真空管（b)中 之冷水進行熱交換，熱交換後之熱水再從真空管⑻内部 向上流出並進人與其連接之水套⑷中，純再從水套⑴ 之熱水出口 U3)流出去使用。但習用之「強制播環」式 產品在系統循環時，由於真空管（B)為—端封閉的形狀特 徵，往往使得部分冷水無法完全順利的流入真空管内 :底端’來與真空管⑴内壁進行完整的熱㈣，就被先 前停留在真空管⑻内部的水排擠而流出真空f 外， 鲁而直接從熱水出口（A4)流出去，造成該集熱裝置的集熱 效能降低。另流人水套⑴下層内之冷水與靠近冷水進口 (A2)之上游處的真空管所加熱後之熱水，往往會產 生混合’使流人下游真空f⑻中加熱的冷水溫度升高， 造成冷水與真空管内壁之間的熱交換介面溫差降低，而影 響整體太陽能熱水器之集熱功效。 β故習用之「強制循環」式產品存有此等缺點，本發明 即是針對此等缺點加以設計改良，避免使流入水套之之冷 水與真空管加熱後流出真空管之熱水混合，或是增加工作 7 流體流工作流體流進/ 與真空管内壁之接觸面積與二之度，或增加工作流體 流場變成紊流，俾增加其切^官内之 内部之熱交換能力，改盖效果，以提昇真空管 請人特提出本發明之申^太^熱水器之整體效能’故申 【發明内容】 效率=:= 決習見之強制循環式太陽能熱水器，其 政羊無法加以增強提昇之問題者。 其传提供一種強制猶環式太陽能集熱器（-）， 括水：、真空管，水套一端為冷水進口，另一端為 中：水套内設置有一導流隔板，將水套内部 :=刀為上、下兩個空間，冷水進口係位於下空間，而 ·’、、 口係位於上空間，而導流隔板延伸入真空管内部， 使真空管内部亦區隔為上、下兩個空間。 上述之真空管内部之總長度L，且延伸入真空管内部之 導流隔板總長度U ，且在該導流隔板上，每隔適當之間隔 Sr，設置適當數目π之紊流產生器。 上述之 0<Li<L 或 0<Li = L。 上述之Sr〈或=Li 。 上述之Nr>或==1。 上述之水套係由保溫層封閉而成。 上述之真空管係採用全玻璃式太陽真空集熱管。 上述之紊流產生器為一凸出物或凹孔。 本發明之優點在於：藉導流隔板、紊流產生器等之設 1337244 •計’得以避免使部分冷水尚未流入真空管内部加熱就流 出，及避免冷水熱水混合，使熱交換介面之溫差降低。利 .用紊流，來增加流入真空管内部加熱之冷水的擾動效果， 以提昇冷水與真空管内壁之間的熱交換能力，改善太陽能 熱水器之整體效能。 ％ 【實施方式】 首先請參閱第一、二圖所示，本發明係包括水套（1)、 真空管（2)，水套⑴係由保溫層（11)封閉而成，水 套（1)之一端為冷水進口（12)，另一端為熱水出口， 其中··水套（1)内設置有一導流隔板（14)，將水套 内部空間區分為上空間（15)、下空間（16)，冷水進口 ^2)係位於下空間（16)，而熱水出〇(13) =1二流隔板（14)延伸入真空管⑴内部使 真二管（2)内部亦區隔為上空間（21)、下*門（2 :數真空管⑴之部；均設有 而該资流產生器⑵）係可為凸 出物或凹孔，圖式中以凸出物表示。 ”、、 真如空第管⑺係採用全玻璃式太陽真空集熱管。 進入水套⑴之下二空間 之下空間（22)，經過一 &吝*再進入真空管（2)内部 ^ 、，過一組紊流產生器（23 )，使欢泣渴 過時產生擾流，能夠將真空管 :1 變為奈流，可增加其㈣與混轉 …交換效果，充分混合後產生之熱水再由真空管⑴ 9 1337244 *之上空間（21 )流出，流出時亦會經過另一組紊流產生器 (23)，之後進入水套（1)内部之上空間（15)，而由熱 水出口（ 13)釋出。 … 請參閱第四圖，本發明之導流隔板（14)係延伸入真 空管（2 )内部，當真空管（2 )内部總長度為L，係取適當 之長度Li為導流隔板（14)延伸入真空管（2)内部之長 度，並於延伸之長度每隔適當之間隔Sr (本實施例為u /5 )’ β又置適當數目Nr(本實施例為2 )之紊流產生器（23 )， •其中： 〇〈Li<L* 〇<Li = L〇 Sr< 或=Li。

Nr > 或=1。 本發明設計之紊流產生器（23)，可使水流通過時產 生擾流’能夠將真空管（2)内部之低速流場提前轉變為蒼 流丄來增加其擾動與混合效果，以提昇真空管（2)内部之 籲熱交換效果；並有效降低熱水、冷水間產生熱交換介面之 溫差降低之現象’大大提高整體太陽能熱水器之效益。 以上所δ己載，僅為利用本發明技術内容之實施例，任 何熟悉本項技藝者運用本創作所為之修飾、變化，皆屬本 發明主張之專利範圍，而不限於實施例所揭示者。 【圖式簡單說明】 第一圖為本發明之外觀剖視圖。 第二圖為本發明之橫剖面示意圖。 第三圖為本發明流體流動之橫剖示意圖。 1337244 第四圖為本發明流體流動之縱剖示意圖。 第五圖為習知流體流動之俯视剖面圖 第六圖為習知流體流動剖面之縱剖示意圖 【主要元件符號說明】

⑴ 水套 (11) 保溫層 (12) 冷水進口 (13) 熱水出口 (14) 導流隔板 (15) 上空間 (16) 下空間 (2) 真空管 (21) 上空間 (22) 下空間 (23) 紊流產生器 (L) 真空管内部之總長度 (Li) 延伸入真空 管内部之導流隔板總長唐 (Sr) 導流隔板上紊流產生器之間隔長度 (Nr) 導流隔板上紊流產生器每一間 生器數目 (A) 水套 (A1 ) 保溫層 (A2) 冷水進口 (A3) 熱水出〇 (B) 真空管

Claims (1)

1337244 十、申請專利範園： 器（一）’其係包括水 另一端為熱水出口， h一種強制循環式太陽能集熱 套、真空管，水套一端為冷水進口， 其特徵在於： :套内設置有一導流隔板，將水套内 上、下兩個空間，冷水進口係位於下 = !位於上空間，而導流隔板延伸入真空管内：：=: 官内部亦區隔為上、下兩個空間，並於延伸入真空= 邻之導流隔板間隔設有複數個紊流產生器。 :如申請專利範圍第i項所述的強制循環式太陽能 集熱器其中在真空管内部總長度為L，取適當之長 度U為導流隔板延伸入真空管内部之長度，並於延伸之長 度Li每隔適當之間隔訃，設置適當數目酐之紊流產生 器。 3. 如申請專利範圍第2項所述的強制循環式太陽能 •集熱器（一）’其中 〇<Li〈L 或 〇<Li = L。。 4. 如申請專利範圍第2項所述的強制循環式太陽能 集熱器（一）’其中Sr<4 = Li。 5·如申請專利範圍第2項所述的強制循環式太陽能 集熱器（一）’其中計>或=1。 6. 如申請專利範圍第1項所述的強制循環式太陽能 集熱器（一）’其中水套係由保溫層封閉而成。 7. 如申請專利範圍第1項所述的強制循環式太陽能 集熱器（一）’其中真空管係採用全玻璃式太陽真空集熱 12 1337244 管。 8.如申請專利範圍第1項所述的強制循環式太陽能 集熱器（一），其中紊流產生器為一凸出物或凹孔。 13