專利名稱：一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過冷/熱水容積置換后獲取熱量的太陽(能)熱水 器,尤其是涉及一種改變傳熱方式來提高熱效率的一種陽臺分體式太 陽熱水器.背景技術當前太陽熱水器采用的(太陽能)集熱管有兩類 一類是相變式"熱 管集熱管"，其熱效率高、傳熱方式簡單,但價貴；另一類是全玻璃真 空集熱管(簡稱"全玻管"),其熱效率不及"熱管"，但價廉并有百年多 成功史,本發(fā)明用"全玻管"."強制循環(huán)"是指從集熱管獲取熱量時需采用循環(huán)泵的一種獲取太 陽能的方式,在強制循環(huán)的太陽(能)熱水器領域,通常采用的多種傳熱 裝置的共同特點是"需要一種隔板"把傳熱流體與受熱流體隔開，熱 量需穿過"隔板"才能完成傳熱,因而存在不小的熱阻，熱效率受影響. 可通過提高流體流速來減小熱阻、提高熱效率，但"隔板"的存在使 熱阻仍然存在.本發(fā)明的目的之一是改變這種從集熱管中獲取熱量 的方式,改用循環(huán)泵把冷流體直接輸送到集熱管腔中己被熱流體占據(jù) 的空間,所謂"容積置換"，來獲取熱量、完成傳熱過程.這種傳熱過 程不存在"隔板"，因而大幅度提高集熱管的熱效率."容積置換"方式取熱的工作方法還可分成兩類 一類是把從前一 個全玻管腔中置換出的熱流體順序送入后一個集熱管腔、置換出更熱 流體，按此串聯(lián)方式從多根集熱管腔獲取熱量,稱"串聯(lián)(式)容積置換取 熱"；另一類是同時把冷流體輸送入幾個全玻管腔、平行地同時置換 出熱流體,故稱"并聯(lián)(式)容積置換取熱"，本發(fā)明是后者."串/并聯(lián)容積置換取熱"是一種工作原理,"并聯(lián)容積置換取熱"工作原理有人在太陽能熱水系統(tǒng)中提出過(CN2190770Y)，但把它應用于 "陽臺分體式太陽熱水器"卻未有報導實,際上把"并聯(lián)容積置換取 熱"應用于陽臺分體式太陽熱水器領域,卻出現(xiàn)些新課題，而這些新課 題至今未有人提出/解決.本發(fā)明的主導思想除了把"并聯(lián)容積置換取 熱"原理應用于"陽臺分體式太陽熱水器"外,還要闡明與解決一些 隨之出現(xiàn)的新課題.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供"一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水 器"，為使這種"陽臺分體式太陽熱水器"得以實現(xiàn),本發(fā)明必須解決 在陽臺分體式太陽熱水器場合"并聯(lián)容積置換取熱"時,如何保持各 根全玻管的熱負荷(或流體流量)達到均衡勻(否則某些全玻管的熱負 荷會接近于零,等于失效!)；還需解決如何使循環(huán)泵的能耗降至最低, 能耗低才能減小機器運轉噪音,否則"并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體 式太陽熱水器"的家居用戶對它難以接受；最后還需解決該熱水器如 何在家居條件(特別是高層居家)下如何正常/平安運行.陽臺分體式的特點是保溫水箱安放在陽臺里:側，"集熱管系統(tǒng)"懸 掛在陽臺"矮墻"外側接受光照,保溫水箱與集熱管系統(tǒng)之間的流體 由兩根(熱/冷)軟循環(huán)管熱連通,循環(huán)菅菅路中串聯(lián)一臺循環(huán)水泵.由 于"矮墻"高度僅有l(wèi)m，集熱管系統(tǒng)中的多根全玻管一般均按(基本) 水平方向布置；由于受矮墻"lm高度"限制,水平方向布置的全玻管 總數(shù)不超過10根；這些全玻管的左或右側必須有二根基本垂直方何 布置的旁集管(聯(lián)箱)把各根全玻管連接成一個整體,即各全玻管與一 根旁集管組成一個集熱管系統(tǒng).這種"模式"已公認，本發(fā)明遵循它.

圖1是"陽臺分體式熱水器"示意圖(見后，).其圖例說明匯集于下 l-保溫水箱，2-熱循環(huán)管路，3-循環(huán)水泵，4-各全玻管 5-旁集管(又名聯(lián)箱)，6-冷循環(huán)管路， 4+5集熱管系統(tǒng).順便說明,若按該圖面所示,該保溫水箱(l)只能按"落水式"供應熱水; 若保溫水箱(l)另外附設加熱裝置(夾套或盤管),而循環(huán)管(熱/冷)僅與該附設的加熱裝置連通，則保溫水箱(l)可按"承壓式"供應熱水.這己是 共識、不多述.圖2是"并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器"的集熱管 系統(tǒng)示意圖(見后，圖2).各全玻管(4)基本按水平方向"橫向"插入一根旁集管(5)，圖2所示 各全玻管(4)的軸線與水平面之間夾角為ct ，當a =0時各全玻管(4)嚴格 按水平方向直插入旁集管(5);當a #0時各全玻管(4)按傾斜方向直插 入旁集管(5)(全玻管口向上傾斜).現(xiàn)圖面所示是各全玻管(4)按傾斜方 向直插入旁集管(5)(全玻管口向上傾斜).圖示(4f)為最上部一根全玻管、(41)為最下部一根全玻管.請注意在 "陽臺分體式太陽熱水器"場合,(4f)與(41)之間雖最多間隔8根全玻管, 但它倆間的垂直距離接近lm(如在"熱水系統(tǒng)"場合，其垂直間距僅 0.2m),即當"陽臺分體式太陽熱水器"的集熱管系統(tǒng)充液工作時,(41) 出口端承受的液體靜壓強要比(4f)高出"lm液柱靜壓"！這個數(shù)值將 嚴重影響到隨后談到的"各根全玻管(4)的熱負荷不均衡".這是"熱 水系統(tǒng)"中不存在的，只在陽臺分體式太陽熱水器才存在的特征課題. (6)是循環(huán)泵(3)出口端冷流體進入旁集管(5)的冷循環(huán)管路,當按"并聯(lián) 容積置換"方式從各全玻管(4)置換出熱流體時，冷循環(huán)管路(6)中的冷 流體必須經(jīng)過一個安裝在旁集管(5)側面的流體分配器(7),把冷流體均 勻分開成"與全玻管總數(shù)相等的份數(shù)"、然后分別由"各全玻管獨用 冷流體管道(4a)"把冷流體直接輸送入各全玻管(4)管腔內(nèi)部,把原先 積存在各全玻管(4)管腔內(nèi)部的熱流體置換出來,然后匯集于旁集管 (5)的頂部出口端(5t)，然后由熱循環(huán)管路(2)送至保溫水箱(l)，完成"并 聯(lián)容積置換方式取得熱量".由圖2知,最下面一根全玻管(41)管腔中流體出口端承受的流體靜 壓要比最上面一根全玻管(4f)管腔中流體出口端承受的流體靜壓,高 出"lm液柱靜壓".由于全玻管內(nèi)腔不耐壓，致使不能選用揚程較大的 循環(huán)泵(3),—般選揚程小于"4m液柱"的循環(huán)泵(3〉,即這"lm液柱靜壓"占循環(huán)泵(3)總揚程的25% ! 假如各全玻管獨用冷流體管道(4a) 的管徑與長度亦相同,流體阻力降將相同，則最下面一根全玻管(41)管 腔中的全玻管獨用冷流體管道(4a)的流量Q-l要遠小于最上面一根全 玻管(4f)管腔中的全玻管獨用冷流體管道(4a)的流量Q-f，甚至形成 Q-1=0 ,即該全玻管"斷流"(或熱負荷為零!).為解決這一在"熱水系 統(tǒng)"中不存在的新課題，本發(fā)明采取的方法是在各(4a)中串聯(lián)一段"流 體阻力調節(jié)段(4c)",其實質是"變徑段"或是采取長度不等的管道， 從而保證各全玻管的熱負荷(流體流量)相同.本發(fā)明采用"變徑段". 這是在"陽臺分體式太陽熱水器"中采用"并聯(lián)容積置換取熱"原理 獲取熱量所出現(xiàn)的特征課題.為使循環(huán)泵(3)的能耗降低,本發(fā)明采用如下一些方法. 第一,各全玻管獨用冷流體管道(4a)的管徑要縮小,不能按"熱水系統(tǒng)" 中采用"管徑是全玻管徑的1/2" (ZL200420043638.5)，即管徑是 18-23mm.本發(fā)明管徑僅為8-10mm,或管道截面積僅是"熱水系統(tǒng)"中 的25%以下.管徑愈小,循環(huán)泵(3)的能耗及噪音就愈小,才適用于居家使 用.第二，各全玻管(4)或(40 (41)等的軸線與水平面夾角不等于零('o^0), a取值范圍為0°至15°,—般取a - 5。，即全玻管口均向上傾斜接近5。，這 有助于全玻管腔中的冷流體自發(fā)下流、熱流體自發(fā)上浮,使部分冷/熱流 體置換自發(fā)進行,節(jié)省能耗.第三,正因a - 5°以后，"全玻管腔中的冷 流體能自發(fā)下流、熱流體能自發(fā)上浮"，故各(4a)沒有必要象"熱水系 統(tǒng)"中那樣深深插到"接近底端"(ZL200420043638.5),插入深度只需 接近全玻管長度的1/2己夠.本發(fā)明插入深度選用"全玻管長度的1/2 至4/10",即不超過"1/2".這些均與"熱水系統(tǒng)"中的做法相差極大.流 體流動管程愈短、流動阻力愈小，才使循環(huán)泵(3)能耗降低.第四,在某一 全玻管(4)管腔中部安放一個熱電偶、保溫水箱(1)內(nèi)腔安放另一熱電偶, 當這兩個熱電偶指示溫度之差("溫差")超過某值,如15C。時，啟動循環(huán) 泵(3);當"溫差"小于某值,如5C。時,制動循環(huán)泵(3).即"很少啟動循 環(huán)泵(3)",達到節(jié)電能.第五,為減小各全玻管獨用冷流體管道(4a)中的 流體流動阻力、降低能耗，各全玻管獨用冷流體管道(4a)的選材采用表面光滑的材質制成,諸如聚丙烯、氟塑料、硅橡膠或硅酸鹽制品."一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水^"適用于高層建筑，但因此必須考慮到:全玻管(4)一旦破裂,如何防止玻璃碎片及熱水墜落傷害行人？本發(fā)明的解決方法是:每根全玻管(4)單獨用一個底端"封閉"的圓柱形細絲網(wǎng)套(8)、把各全玻管(4)"兜住".該網(wǎng)套由金屬/ 工程塑料細絲編織而成,網(wǎng)套孔格的平面尺寸(mm)與3*3至6*6的方形 面積相當;同時用2-3根直徑l-3mm的不銹鋼絲連系住各全玻管(4)的各 網(wǎng)套(8)、并綁定在就近的牢固支架上,從而防止玻璃碎片傷人，同時又不 影響全玻管(4)采熱.至于如何防止熱水傷人？本發(fā)明的措施是:在 集熱系統(tǒng)(4)+(5)的下面安裝一個投影面積呈矩形的"平底盆"(9)，集熱 系統(tǒng)(4)+(5)對地面的投影恰在其盆腔內(nèi)."平底盆"由耐光照的工程塑 料玻璃鋼構成，自重很輕,同時固定在陽臺"矮墻"外壁."平底盆"(9) 底部有孔道與住房雨水下泄管路連通,從而防止"熱水傷人".最后,考慮到一些家庭會有一段時間內(nèi)"無人照管熱水器"的情況, 本發(fā)明把可自由裝御的"防曬布罩"安裝于集熱管系統(tǒng)(4+5)的迎光面, 防曬罩采用淺色或銀色膜式材料制成，其效果是在必要時阻擋陽光照 射到集熱管系統(tǒng)(4+5),使本發(fā)明的"陽臺分體式太陽熱水器"停止工作.現(xiàn)把圖2的圖例說明匯集于下 ' 2-熱循環(huán)管路，4f-(旁集管)最上面一根全玻管，41-(旁集管)最下面 一根全玻管，4a-各全玻管獨用冷流體管道，4c-各全玻管獨用冷流 體管道的流體流動阻力調節(jié)段，5-(各全玻管的)旁集管(又名聯(lián)箱)， 5t-旁集管頂端熱流體出口，6-冷循環(huán)管路， h-h水平面/線a -全玻管(4)軸線與水平面/線夾角， 7-(冷)流體分配器， 8-圓柱外形細絲網(wǎng)套，9-投影面積呈矩形的"平底盆". 實施方式制作一個能"直插"9支直徑58mm、長度1.8m全玻管(4)的旁集管 (5),旁集管(5)的另一側面設置一個流體分配器(7).'流體分配器(7)的 一端有一個冷流體進口管口，它與公稱直徑25mm的聚乙烯管連接后再與循環(huán)泵(3)出口端連通；流體分配器(7)的另 一端伸入旁集管(5)管 腔，該端口有9個直徑8mm的管口相聯(lián)通,這9個管口均各有一根直徑 8mm的聚四氟乙烯管連通后，成為各全玻管獨用冷流體管道(4a),共9 根，它們從旁集管(5)管腔中的9個"直插"9支直徑58mm全玻管的圓 孔分別引出后,分別插進一根全玻管(4)管腔,直至接近"1/2"深處.另外 在各全玻管獨用冷流體管道(4a)中部連接一段特定直徑的聚四氟乙烯 管道,構成各全玻管獨用冷流體管道的流體流動阻力調節(jié)段(4c).當把9 支全玻管(4)分別插入旁集管(5)后，即組成集熱管系統(tǒng).把它安裝在陽 臺"矮墻"外側時，使每根集熱管(4)的軸線與水平面夾角a-5。(有5。 的傾斜);而旁集管(5)的軸線與鉛垂線亦有接近5°的傾斜.每根全玻管 (4)單獨用一個底端"封閉"的、不銹鋼細絲編織成的圓柱形細絲網(wǎng)套 (8)"兜住".旁集管(5)的頂部有一公稱直徑25mm的出水管口,用聚乙烯管與保溫 水箱(l)底部連通，保溫水箱(l)的底部另有一出水管口，用聚乙烯管與 循環(huán)泵(3)的進口端連通.保溫水箱(l)的內(nèi)腔插進一個"銅/康銅"熱 電偶,在旁集管(5)的側面插進另一 "銅/康銅"熱電偶、其測溫端深深 插至某一全玻管(4)管腔的深處.這兩個熱電偶按極性反接方式向循 環(huán)泵(3)控制系統(tǒng)提供"溫差電動勢"，當"溫差電動勢"相當于15 C。 時啟動(3)、當降至相當于5C。時停轉(3).在集熱系統(tǒng)(4)+(5)的下面安裝一個投影面積呈矩形的、工程塑料玻 璃鋼構成的、底部有孔道與住房雨水下泄管路連通的"平底盆"(9)， 集熱系統(tǒng)(4)+(5)對地面的投影恰在"平底盆"(9)的盆腔內(nèi).在集熱 系統(tǒng)(4)+(5)的迎光面安裝一個可自由裝/卸的、由銀色膜式材料制成的"防曬布罩".與通用的"整體式"太陽熱水器做對照試驗顯示,在同一個日照 日測定相同時間段內(nèi)兩種熱水器保溫水箱中溫(度)升(高)值AT,與 AT2,其中AT,為本發(fā)明"一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱 水器"的溫升值.經(jīng)折算成"等效相對熱效率"后，對比數(shù)據(jù)表明本發(fā) 明的"AT,"比"AT2"要高出15%以上.
權利要求
1.一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器，由多根全玻璃真空集熱管(“全玻管”)沿水平方向插入一根直立的旁集管組成分體式太陽(能)熱水器的集熱管系統(tǒng)，集熱管系統(tǒng)用冷/熱循環(huán)管與陰藏于建筑物里部的保溫水箱連通后構成冷/熱流體循環(huán)回路，流體循環(huán)回路中串聯(lián)一臺循環(huán)泵、把集熱管系統(tǒng)中的熱流體輸送至保溫水箱，其特征在于，多根全玻管(4)均沿傾斜方向插入一根傾斜的旁集管(5)組成集熱管系統(tǒng)(4+5)，旁集管(5)的一個側面設置一個流體分配器(7)，流體分配器(7)連接多根各全玻管獨用冷流體管道(4a)，利用循環(huán)泵(3)的動力把冷流體均勻地輸送入各(根)全玻管(4)管腔內(nèi)部，置換出管腔內(nèi)部的熱流體后匯總輸送入保溫水箱(1)，各全玻管(4)外圍有一圓柱形細絲網(wǎng)套(8)把全玻管(4)“兜住”，集熱管系統(tǒng)(4)+(5)的下面安裝一個玻璃鋼構成的“平底盆”(9)，集熱管系統(tǒng)(4)+(5)的迎光面安裝防曬布罩，構成一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器.
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器, 其中多根全玻管(4)均沿傾斜方向插入一根傾斜的旁^管(5),其特征在 于,每根全玻管(4)的軸線與水平面的夾角為a, a的數(shù)值介于0°至15°之間, 一般接近5°.
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器,其中旁集管(5)的一個側面設置一個流體分配器(7),其特征在于，流體分 配器(7)的功能是把循環(huán)泵(3)輸送出的冷流體分開成多份冷流體,其具體 數(shù)目恰與集熱管系統(tǒng)(4+5)中各集熱管(4)的數(shù)目相同，
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器，其中流體分配器(7)連接多根各全玻管獨用冷流體管道(4a)最終置換出 各集熱管(4)管腔'中積存的熱流體，其特征在于，各全玻管獨用冷流體管 道(4a)插入每根全玻管(4)管腔的深度是接近全玻管(4)管腔深度的l/2，一 般取1/2至4/10深度范圍.
5. 根據(jù)權利要求1與權利要求4所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的嗎臺分體式太陽熱水器，其特征在于，所述多根各全玻管獨用冷流體管道(4a)的材 質是氟塑料、聚丙烯、硅橡膠或是硅酸鹽制品.
6. 根據(jù)權利要求1與權利要求5所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體 式太陽熱水器，其特征在于,所述多根各全玻管獨用冷流體管道(4a)的管徑數(shù)值僅是8mm至10mm,—般取8mm.
7. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器, 其中多根全玻管(4)均沿傾斜方向插入一根傾斜的旁集管(5)組成集熱管 系統(tǒng)(4+5),其特征在于，每根全玻管(4)均用一個由金屬/工程塑料細絲 編織成的、被不銹鋼絲綁定在支架上的圓柱外形細絲網(wǎng)套(8)"兜住".
8. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器, 其中多根全玻管(4)均沿傾斜方向插入一根傾斜的旁集管(5)組成集熱管 系統(tǒng)(4+5),其特征在于，集熱管系統(tǒng)(4+5)下方安裝有工程塑料玻璃鋼制 成的、對地面投影面積呈矩形的、底部具有排泄液體管口的"平底盆" (9).
9. 根據(jù)權利要求1所述的一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器, 其中多根全玻管(4)均沿傾斜方向插入一根傾斜的旁集管(5)組成集熱管 系統(tǒng)(4+5),其特征在于，集熱管系統(tǒng)(4+5)的迎光面的緊臨上方安裝可隨 意裝/卸的"防曬布罩".
全文摘要
本發(fā)明公開了一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器，該太陽熱水器采用多根全玻璃真空集熱管，各根全玻璃真空集熱管按傾斜方向橫向插入一根旁集管，即每根全玻璃真空集熱管的軸線與水平面有夾角α、α約是5°，從而組成懸掛在陽臺矮墻外側的集熱管系統(tǒng)，集熱管系統(tǒng)用兩根循環(huán)管道(冷/熱)、串聯(lián)一臺循環(huán)(水)泵與保溫水箱構成流體循環(huán)回路，循環(huán)(水)泵輸出口的冷流體通過安裝在旁集管側面的液體分配器與多根各全玻管獨用冷流體管道連通以后、同時均勻地把冷流體直接輸送至各全玻璃真空集熱管管腔里部，從而置換出其中積存的熱流體，最終匯集后輸送至保溫水箱構成一種并聯(lián)容積置換取熱的陽臺分體式太陽熱水器。本發(fā)明結構簡單、熱效率高、亦適用于高層建筑物。
文檔編號F24J2/05GK101324376SQ200710126168
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權日2007年6月12日
發(fā)明者任福華, 劉聲普, 張義智, 張文斌, 李文軍, 郭連考, 郭長青 申請人:內(nèi)蒙古工大陽光環(huán)保節(jié)能科技有限責任公司;劉聲普