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Title:
HEAT TRANSFER METHOD AND SYSTEM AND MANUFACTURING METHOD FOR VACUUM-TYPE SOLAR WATER-HEATING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/113986
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a vacuum-type solar water-heating system. A heat transfer method for the system comprises a process of collecting solar energy and converting same into heat energy by a heat collecting unit (10), and a heat energy transfer process of transferring the heat energy converted by the heat collecting unit (10) to a water tank (40) through a heat energy transfer system so as to heat low-temperature water in the water tank,wherein the heat energy transfer process efficiently transfers the heat energy collected and converted by the heat collecting unit (10) to the water tank (40) by a continuous liquid-vapor-liquid phase change of a heat exchange working medium (30) of a heat collector (20) in a vacuum-state and completely-sealed circulating system.

Inventors:
JIANG XINIAN (CN)
MA JIE (CN)
YANG BIAO (CN)
MA XUMING (CN)
YIN HONGJUAN (CN)
Application Number:
PCT/CN2013/071016
Publication Date:
July 31, 2014
Filing Date:
January 28, 2013
Export Citation:
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Assignee:
VIESSMANN SOLAR ENERGY THERMO COLLECTOR DACHANG CO LTD (CN)
International Classes:
F24S10/30; F24S10/95
Foreign References:
CN101900093A2010-12-01
CN102012115A2011-04-13
CN202660779U2013-01-09
JPS59221561A1984-12-13
Attorney, Agent or Firm:
BEIJING SANYOU INTELLECTUAL PROPERTY AGENCY LTD. (CN)
北京三友知识产权代理有限公司 (CN)
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Claims:
权利要求书

1、 一种真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 包括由集热单元收集太阳能、 并 将太阳能转换成热能的过程, 以及由集热单元转换的热能通过热能传输系统传导输至水 箱, 对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程; 其中所述热能传输过程:

集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的换热工质进行沸腾换热,在集热器内 呈液态的换热工质在换热过程中蒸发成高温热蒸汽;

高温热蒸汽通过与集热器蒸汽出口导通的密封蒸汽通道进入二次换热器, 由二次换 热器与水箱内的低温水进行热交换, 将水箱内的低温水加热, 完成一次热能传输过程; 进入二次换热器内的高温蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈液态的换热工质并通过密 封的工质回流通道返回集热器内, 进入下一个热传输过程的循环; 上述热传输过程中, 换热工质的蒸发一冷凝循环过程在完全密封且真空状态循环系统内进行;

在集热单元与集热器的热交换的全部过程中, 上述热能传输过程连续循环, 将由集 热单元采集并转换的热能转输至水箱。

2、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 换热工质由水构成。

3、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于内压 力在 0. lPa至一个大气压之间。

4、 如权利要求 3所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于, 所 述系统内的压力为 0. lPa。

5、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 换热工质为沸点低于 100°C的液态工质。

6、 如权利要求 5所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 沸点低于 100°C的液态工质为甲醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

7、 如权利要求 5所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 换热工质为两种或两种以上的工质混合构成混合工质,所述混合工质中至少包含一种沸 点低于 100°C的液态工质。

8、 如权利要求 7所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 的混合工质由丙酮与水组成。

9、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 的集热器内的换热工质液面低于集热器的蒸汽出口,在集热器内换热工质最高水平液面 的上方形成一容置高温热蒸汽的空间。

10、 如权利要求 1或 9所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于 所述的集热器内的换热工质的水平液面高于集热单元最高换热端,集热单元的换热端完 全被换热工质包容。

11、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 与集热器的蒸汽出口导通的密封蒸汽通道的内腔口径小于集热器内腔口径,集热器内的 高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

12、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 二次换热器出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

13、 如权利要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 的集热单元采用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管 构成, 所述换热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳 集热管的冷凝端。

14、 如权得要求 1所述的真空式太阳能热水系统的热能传输方法, 其特征在于所述 导通于集热器和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道进行保温处理。

15、 一种采用如权利要求 1热能传输方法的真空式太阳能热水系统, 包括: 集热单元, 采集太阳能并转换成热能;

水箱, 设有补水入口和热水出口;

热能传输系统,将集热单元的热能传输至水箱,对水箱内的低温水进行加热,其中: 与集热单元的换热端进行热交换的集热器, 集热器内容置有换热工质, 在换热过程 中呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽;

集热器的蒸汽出口端导通于密封蒸汽通道, 蒸汽通道的另一端导通于二次换热器; 二次换热器贯穿于水箱; 二次换热器的出口端导通于密封的冷凝后工质回流通道, 工质 回流通道的另一端导通于集热器, 构成密封循环热能传输系统; 该密封循环系统呈真空 状态;

所述换热工质在密封循环系统的集热器内被蒸发呈高温热蒸汽,进入二次换热器与 水箱内的低温水进行加热; 进入二次换热器内的高温蒸汽在换热过程中被冷凝后再次呈 液态的换热工质通过密封的工质回流通道返回集热器内, 进行热传输过程的再循环。 16、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述密封循环系统 上设有抽真空装置, 该抽真空装置设置于蒸汽通道或工质回流通道上。

17、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述密封循环系统 上设有注液装置, 该注液装置由设置于蒸汽通道或工质回流通道上。

18、 如权利要求 16或 17所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述抽真空装 置和注液装置由一个抽真空注液管构成。

19、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述换热工质为水。

20、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述换热工质为沸 点低于 100°C的液态工质。

21、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的换热工质为 两种或两种以上的工质混合构成混合工质, 所述混合工质中至少包含有一种沸点低于 100°C的液态工质。

22、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的集热器内的 换热工质液面低于集热器的蒸汽出口,在集热器内换热工质最高水平液面的上方形成一 容置高温热蒸汽的空间。

23、 如权利要求 15或 22所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的集热器 内的换热工质的水平液面高于集热单元最高换热端,集热单元的换热端完全被换热工质 包容。

24、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述与集热器的蒸 汽出口密封导通的蒸汽通道的内径小于集热器内腔口径,集热器产生的高温热蒸汽挤入 蒸汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

25、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述贯穿于水箱的 二次换热器出口端高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

26、 如权利要求 25所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的导通于二次 换热器的出口端的工质回流通道的坡度大于 1%

27、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的集热单元采 用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管构成, 所述换 热端为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝 W o 28、 如权得要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述导通于集热器 和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道外设有保温层。

29、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述二次换热器呈 盘管状, 环设于水箱外层或贯穿于水箱内。

30、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的二次换热器 与水箱呈内外环套结构。

31、 如权利要求 30所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的二次换热器 为一环形套筒, 环设于水箱外层或插设于水箱内。

32、 如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的导于集热器 和二次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道由金属管构成。

33、 如权利要求 15或 27所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的太阳能 集热管呈水平排设置, 太阳能集热管的换热端与呈竖直设置的集热器连接。

34、 如权利要求 15或 27所述的真空式太阳能热水系统, 其特征在于所述的太阳能 集热管竖直排列设置, 太阳能集热管的换热端与水平设置的集热器连接。

35、 制造如权利要求 15所述的真空式太阳能热水系统的方法, 其特征在于, 包括 步骤一: 组装所述热能传输系统, 连接集热器、 蒸汽通道、 二次换热器和工质回流 通道,

步骤二: 检测所述热能传输系统的密封性, 调试所述热能传输系统至密封性合格; 步骤三: 通过抽真空装置对所述热能传输系统预抽真空;

步骤四: 通过注液装置将换热工质注入所述热能传输系统;

步骤五: 密封所述热能传输系统。

Description:
一种真空式太阳能热水系统的热传输方法、 系统及其制造方法 技术领域 本发明涉及一种太阳能热水系统, 特别涉及一种分体式太阳能热水系统。 背景技术 太阳能是一种取之不尽的绿色能源,太阳能热 水系统作为太阳能的直接且有效的利 用在全世界的范围内被广泛地使用。 随着太阳能热水技术发展, 作为城市建筑太阳能系 统的一种解决方案, 阳台式太阳能热水器的市场空间逐渐呈上升趋 势, 得到越来越多的 太阳能厂家的高度关注, 并推出一系列的阳台式太阳能热水产品。 作为太阳能与建筑一 体化的先锋产品, 阳台壁挂太阳能热水器成功的与建筑一体化完 美结合, 更得到了广大 消费者的一致认可, 从而实现了在高层建筑上对太阳能热水技术的 应用。

由于高层建筑结构以及高层建筑采光等条件的 限制,大多数的应用于高层建筑上的 太阳能热水系统通常采用将收集太阳能的集热 单元与生活水箱的分体设计。集热单元设 置于阳台或者建筑物的采光面, 水箱则设置于室内, 并通过自然循环或强制循环的方式 将热能从集热单元导向水箱。

上述的热能传输方法还存在一个共有的缺陷, 即作为传热工质的水在传输过程中需 要经过较长的管路运输进而会有大量的热量散 失, 并且生活用水是通过与传热系统中作 为换热工质的水的温度差进行热量交换, 这种热传递方式的换热效率低下。

上述热能传输方法还存在另一个缺陷, 即系统中需要大量的水用以作为换热工质进 行循环才能保证生活用水可以获得足够的热量 ,这样的热传输系统所占用的空间及用水 量都比较大, 不利于现在高层住宅的设计与使用。

并且, 上述热能传输若采用自然循环方式是利用热虹 吸原理, 依靠太阳能集热器的 热传输系统中集热器与生活热水水箱的温差与 压强差而形成的热虹吸压头使作为热能 传输工质的水流动, 进而循环, 不需任何外部动力。 但是, 由于上述热传输系统内的压 强差较小, 为保证正常运行和防止夜间无辐射时热水倒循 环, 水箱底部必须高于太阳能 集热器, 在与建筑结合设计中, 特别是在壁挂式阳台太阳能热水器的使用受到 局限。

采用强制循环的方式可以实现生活水箱低于太 阳能集热器安装,但是该方法需要耗 费一定的电力, 以实现作为传热工质的水的循环若停电则系统 无法运行, 并且循环泵、 膨胀罐、 水箱相互独立, 利用管路连接, 热量散失较大。 因此目前此种方式主要应用于 建筑特别高层建筑的集中式热水系统。

发明内容 本发明的发明目的是提供一种在太阳能集热单 元与分体式水箱间可以高效传递热 量减少热量损失的热传输方法,使得以太阳能 集热器的热水系统高效地应用于高层建筑 或阳台上的分体式热水系统中, 实现太阳能热水系统建筑完美的一体化结合。

本发明的另一个发明目的是提供一种在太阳能 集热单元与分体式水箱间可以不需 要辅助外部能量就可自然循环的热传输方法, 使得以太阳能集热器的热水系统可以更广 泛的应用于高层建筑中,实现生活热水水箱与 太阳能集热器不需外部辅助能量就可以离 开较远距离, 适应现代住宅的要求。

本发明的另一个目的是提供一种仅需少量换热 工质,就可以实现在太阳能集热单元 的冷凝端与分体式水箱间可以传递热量的热传 输方法,使得在热传输系统中只需注入少 量的换热工质就可以推动整个热传输系统工作 ,在保证高效的热传输的基础上同时又兼 具了经济性, 更适合在现在建筑中的推广和应用。

本发明的另一个目的是提供在可以高效传递热 量,无需辅助电能可自然循环兼具了 高效的集热效果和高效的热传输效果同时只需 少量换热介质即可推动的分体式太阳能 热水系统。

本发明的另一个发明目的是提供一种可以高效 、方便的制造分体式太阳能热水系统 的方法。

为实现上述发明目的, 本发明提出一种真空式太阳能热水系统的热能 传输方法, 包 括由集热单元收集太阳能、 并将太阳能转换成热能的过程, 以及由集热单元转换的热能 通过热能传输系统传导输至水箱, 对水箱内的低温水进行加热的热能传输过程; 其中所 述热能传输过程:

集热单元的换热端与热传输系统中集热器内的 换热工质进行沸腾换热,在集热器内 呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温热 蒸汽;

高温热蒸汽通过与集热器蒸汽出口导通的密封 蒸汽通道进入二次换热器, 由二次换 热器与水箱内的低温水进行热交换, 将水箱内的低温水加热, 完成一次热能传输过程; 进入二次换热器内的高温蒸汽在换热过程中被 冷凝后再次呈液态的换热工质并通过密 封的工质回流通道返回集热器内, 进入下一个热传输过程的循环; 上述热传输过程中, 换热工质的蒸发一冷凝循环过程在完全密封且 真空状态循环系统内进行; 在集热单元与集热器的热交换的全部过程中, 上述热能传输过程连续循环, 将由集 热单元采集并转换的热能转输至水箱。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法,其中,所述换热工质由水构成。 如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 内压力为 0. lPa至一个 大气压之间 。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述系统内的压力为 0. lPa 0

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述换热工质为沸点低 于 Kxrc的液态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述沸点低于 ioo°c的 液态工质为甲醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷或氢氟烃类化合物。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述换热工质为两种或 两种以上的工质混合构成混合工质, 所述混合工质中至少包含一种沸点低于 ioo°c的液 态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述的混合工质由丙酮 与水组成。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述的集热器内的换热 工质液面低于集热器的蒸汽出口,在集热器内 换热工质最高水平液面的上方形成一可容 置高温热蒸汽的空间。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述的集热器内的换热 工质的水平液面高于集热单元最高换热端, 集热单元的换热端完全被换热工质包容。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述与集热器的蒸汽出 口导通的密封蒸汽通道的内腔口径小于集热器 内腔口径,集热器内的高温热蒸汽挤入蒸 汽通道后被加压而形成高压高温热蒸汽。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述二次换热器出口端 高于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述的集热单元采用玻 璃-金属封接式热管真空太阳集热管或全玻璃 空管热管太阳集热管构成, 所述换热端 为该玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管或 玻璃真空管热管太阳集热管的冷凝端。 如上所述的真空式太阳能热水系统的热能传输 方法, 其中, 所述导通于集热器和二 次换热器间的蒸汽通道和工质回流通道进行保 温处理。

同时, 本发明还提出一种采用如上所述的热能传输方 法的真空式太阳能热水系统, 包括:

集热单元, 采集太阳能并转换成热能;

水箱, 设有补水入口和热水出口;

热能传输系统,将集热单元的热能传输至水箱 ,对水箱内的低温水进行加热,其中: 与集热单元的换热端进行热交换的集热器, 集热器内容置有换热工质, 在换热过程 中呈液态的换热工质在换热过程中蒸发呈高温 热蒸汽;

集热器的蒸汽出口端导通于密封蒸汽通道, 蒸汽通道的另一端导通于二次换热器; 二次换热器贯穿于水箱; 二次换热器的出口端导通于密封的冷凝后工质 回流通道, 工质 回流通道的另一端导通于集热器, 构成密封循环热能传输系统; 该密封循环系统呈真空 状态;

所述换热工质在密封循环系统的集热器内被蒸 发成高温热蒸汽,进入二次换热器与 水箱内的低温水进行加热; 进入二次换热器内的高温蒸汽在换热过程中被 冷凝后再次呈 液态的换热工质通过密封的工质回流通道返回 集热器内, 进行热传输过程的再循环。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述密封循环系统上设有抽真空装置, 该抽真空装置设置于蒸汽通道或工质回流通道 上。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述密封循环系统上设有注液装置, 该 注液装置由设置于蒸汽通道或工质回流通道上 。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述抽真空装置和注液装置由一个抽真 空注液管构成。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述换热工质为水。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述换热工质为沸点低于 100°C的液态 工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的换热工质为两种或两种以上的工 质混合构成混合工质, 所述混合工质中至少包含有一种沸点低于 100°C的液态工质。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的集热器内的换热工质液面低于集 热器的蒸汽出口,在集热器内换热工质最高水 平液面的上方形成一容置高温热蒸汽的空 间。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的集热器内的换热工质的水平液面 高于集热单元最高换热端, 集热单元的换热端完全被换热工质包容。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述与集热器的蒸汽出口密封导通的蒸 汽通道的内径小于集热器内腔口径,集热器产 生的高温热蒸汽挤入蒸汽通道后被加压而 形成高压高温热蒸汽。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述贯穿于水箱的二次换热器出口端高 于集热器内液态换热工质的最高水平液面。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的导通于二次换热器的出口端的工 质回流通道的坡度大于 1%。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的集热单元采用玻璃 -金属封接式 热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热管太阳 集热管构成, 所述换热端为该玻璃 -金属 封接式热管真空太阳集热管或全玻璃真空管热 管太阳集热管的冷凝端。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述导通于集热器和二次换热器间的蒸 汽通道和工质回流通道外设有保温层。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述二次换热器呈盘管状, 环设于水箱 外层或贯穿于水箱内。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的二次换热器与水箱呈内外环套结 构。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的二次换热器为一环形套筒, 环设 于水箱外层或插设于水箱内。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的导于集热器和二次换热器间的蒸 汽通道和工质回流通道由金属管构成。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的太阳能集热管呈水平排设置, 太 阳能集热管的换热端与呈竖直设置的集热器连 接。

如上所述的真空式太阳能热水系统, 其中, 所述的太阳能集热管竖直排列设置, 太 阳能集热管的换热端与水平设置的集热器连接 。

同时, 本发明还提出一种制造如上所述的真空式太阳 能热水系统的方法, 其中, 包 括:

步骤一, 组装所述热能传输系统, 连接集热器、 蒸汽通道、 二次换热器和工质回流 通道, 检测所述热能传输系统的密封性, 调试所述热能传输系统至密封性合格;

步骤二, 通过抽真空装置对所述热能传输系统预抽真空 ;

步骤三, 通过注液装置将换热工质注入所述热能传输系 统;

步骤四, 密封所述热能传输系统。

与现有技术相比, 本发明具有以下特点和优点:

1、 本发明能够在太阳能集热单元的冷凝端与分体 式水箱间高效传递热能并最大限 度地减少在热能传输过程中的热能损失,使得 以太阳能集热器的热水系统可以更广泛的 应用于高层建筑中,实现生活热水水箱与太阳 能集热器不需外部辅助能量实现远距离热 能传输, 适应现代高层建筑的要求。

2、 本发明克服现有技术中, 太阳能需采用泵等装置实现热能的传输的缺陷 , 不需 辅助设备即可实现热水系统的自然循环的高效 的热能传输,使得以太阳能集热器的热水 系统可以更方便的应用于高层建筑中。

3、 本发明所需少量液态工质推动整个热传输系统 的运转, 在保证高效的热传输的 基础上同时又兼具了经济性。 并且, 本发明通过对集热器内液态工质的液面控制实 现热 水系统的工质灌液量的控制, 操作以及维修简单方便, 适合推广和应用。 附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的, 而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围 。 另外, 图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性 的, 用于帮助对本发明的理解, 并 不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸 。 本领域的技术人员在本发明的教导下, 可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例 尺寸来实施本发明。

图 1为本发明实施例一的真空式太阳能热水系统

图 1-1为本发明实施例一中集热器的蒸汽出口处的 局部放大图;

图 2为本发明实施例二的真空式太阳能热水系统

图 2-1为本发明中的一种立式套筒结构的二次换热 器的局部放大图;

图 2-2为本发明中的一种卧式套筒结构的二次换热 器的局部放大图;

图 3为本发明实施例三的真空式太阳能热水系统 图 4为本发明实施例四的真空式太阳能热水系统

图 5为本发明实施例五的真空式太阳能热水系统

图 6为本发明实施例六的真空式太阳能热水系统

图 7为本发明实施例七的真空式太阳能热系统;

图 8为本发明实施例八的真空式太阳能热水系统

图 9为本发明实施例九的真空式太阳能热水系统

图 9-1为本发明中的一种盘管结构的二次换热器的 局部放大图;

图 10为本发明实施例十的真空式太阳能热水系统

附图标记说明:

10-集热单元; 11-换热端; 12-太阳能集热管; 20-集热器; 21-空间; 22-蒸汽出口;

30-换热工质; 31-液面; 32-热蒸汽; 40-水箱; 41-补水口; 42-热水出口; 50-二次换 热器, 51-出口端; 52-蒸汽进口; 60-蒸汽通道; 70-工质回流通道; 80-抽真空装置; 90-保温层; h-高度差。 具体实施方式 结合附图和本发明具体实施方式的描述,能够 更加清楚地了解本发明的细节。但是, 在此描述的本发明的具体实施方式, 仅用于解释本发明的目的, 而不能以任何方式理解 成是对本发明的限制。在本发明的教导下, 技术人员可以构想基于本发明的任意可能的 变形, 这些都应被视为属于本发明的范围。

实施例一

结合图 1详细说明本发明的真空式太阳能热水系统的 能传输方法。本发明热能传 输方法具体包括两个过程:

过程一, 由集热单元 10收集太阳能、 并将太阳能转换成热能过程; 这个过程是一 个集热过程, 主要通过太阳能集热单元 10收集太阳能, 并将其转换为热能。 该热能通 过集热单元 10的换热端 11传导给热能传输系统。

过程二, 将由所述集热单元 10转换的热能通过热能传输系统传导输至水箱 40, 对 水箱 40 内的低温水进行加热的热能传输过程; 这个过程是从集热单元 10的换热端 11 采集热能, 再将该热能传输至水箱 40内, 并且与水箱 40内低温水进行热交换, 对水箱 40内的低温水进行加热。这一过程是在完全密 循环系统内进行并且该密封循环系统呈 真空状态; 本发明所述热能传输的具体过程为:

集热单元 10的换热端 11与热传输系统中集热器 20内的换热工质 30进行沸腾换热, 在集热器 20内呈液态的换热工质 30在换热过程中蒸发后呈高温热蒸汽 32;

高温热蒸汽 32通过与集热器 20的蒸汽出口 22导通的密封蒸汽通道 60进入二次换 热器 50, 由二次换热器 50与水箱 40内的低温水进行热交换, 将水箱 40内的低温水加 热, 完成一次热能传输过程; 进入二次换热器 50内的高温热蒸汽 32在换热过程中被冷 凝后再次呈液态的换热工质 30通过密封的工质回流通道 70返回集热器 20内, 进入下 一个热传输过程的循环; 在本实施例中的热能传输全部过程, 换热工质 30 的蒸发一冷 凝循环过程在完全密封循环系统内进行, 该密封循环系统呈真空状态;

在所述集热单元 10与集热器 20进行热交换的全部过程中 (即有日照的时间内) , 上述热能传输过程连续循环, 将由所述集热单元 10采集并转换的热能转输至水箱 40。

本发明的热传输过程及其工作原理是,本发明 中的热能传达室输系统采用完全密封 且呈真空状态的循环系统, 并通过呈真空状态的循环系统内的换热工质 30 的循环过程 的液 -气-液三种状态的转换,将从集热单元 10的换热端 11采集的热能以高温热蒸汽 32 状态传输给水箱 40,在水箱 40内将热量释放出来与低温水进行热交换,对 箱 40内的 低温水进行加热, 从而实现热能的传输。 在热交换过程中, 高温热蒸汽 32再次被冷凝 为液态, 并利用重力返回集热器 20内进入下一个热传输的循环过程。 大量的试验证明, 相对于现有的太阳能系统利用热水进行热传输 的方法, 本发明具有非常显著的效率高、 热损小的热能传输特点。

特别是在本发明中, 由于该密封循环系统呈真空状态, 其中的换热工质 30 的沸点 随之降低,在集热器 20内的换热工质 30在较低温度下即很快蒸发为高温热蒸汽 32, 因 此换热工质 30采用水即可。 并利用高温热蒸汽 32极好的流动性将热能传输至水箱 40。 因此, 本发明完全可以实现普通分体式太阳能热水系 统的自然循环过程, 而不再利用如 水泵等任何的辅助动力实现热能传输的强制循 环过程。并且由于密封循环系统为真空状 态, 其中的不凝气体被排除, 这样, 系统中的工作效率进一步得到提高, 系统的能耗进 一步降低, 系统中各设备的使用寿命也进一步得以延长。

本发明中,在热能传输过程中密封循环系统内 的压力控制在 0. 1至一个大气压之间 ., 本发明中, 在热能传输过程中密封循环系统内的压力优选 为 0. 1Pa。 可以适合我国 大部分地区使用。 本发明在具体实施过程中,可以依据使用地区 的气温特点选择密封循环系统中压力 或真空度需要保持的范围, 已保证可以使换热工质 30能很快进行液 -汽转换并在集热器 20内形成高温蒸汽 32。

请参考图 1-1, 为本发明实施例一中集热器的蒸汽出口处的局 部放大图; 如图 1-1 所示,在本发明中,集热器 20内的换热工质 30的液面 31低于集热器 20的蒸汽出口 22, 在集热器 20内换热工质 30最高水平液面 31的上方形成一个容置高温热蒸汽 32的空间 21。 这样, 就保证了在集热器 20中的换热工质 30可以有充分的空间沸腾, 有利于换热 工质 30由液态转变为高温热蒸汽 32, 同时也更有利于高温热蒸汽 32的聚集,从而产生 一定的蒸汽压力, 高温热蒸汽 32也就更容易进入循环进而推动整个循环系统 工作。

本发明中, 与集热器 20的蒸汽出口 22相导通的蒸汽通道 60的内腔口径小于集热 器 20的内腔口径, 这样换热工质 30的高温热蒸汽 32在集热器 20上方聚集后, 挤入空 间更小蒸汽通道 60中, 此时, 高温热蒸汽 32在体积急剧减少的情况下压力增加而进一 步形成高压高温热蒸汽, 该高压高温热蒸汽在二次换热器 50 内冷凝的换热效率要远高 于普通的高温热蒸汽, 同时因为具有更高的压力, 其对整个系统的推动作用也要更好。

在本发明中,集热器 20内换热工质 30的水平液面 31高于集热单元 10的最高的换 热端 11, 这样集热单元 10的所有换热端 11都被液态的换热工质 30所包容, 进而所有 的集热单元 10都可对液态的换热工质 30进行加热,确保集热单元 10与集热器 20间的 换热效率。

本发明中, 通过控制集热器 20内的换热工质 30的液面 31高度, 可以控制整个密 封循环热传输系统中的换热工质 30 的灌液量。 使得对于整个系统的操作和维修更简单 更标准, 也更利于本发明的推广和应用。

综上所述, 通过对集热器 20内的换热工质 30的液面 31水平高度的控制, 使得换 热工质 30产生的高温热蒸汽 32很容易集聚在集热器 20上方的一个小空间 21内,相对 于平板式太阳能在串联或并联的管道内呈分散 状态的蒸汽而言, 集聚在一个小空间 21 内的高温热蒸汽 32不仅流动性更好可以加快循环之外, 而且有利于蒸汽的集聚和热能 的保持, 因此本发明可以最大限度地减少热能的流失, 具有热能损失小的优势。

在本发明中,二次换热器 50的出口端 51高于集热器 20内液态换热工质 30的最高水平 液面 31。 由于虹吸效应, 出口端 51也就高于在工质回流通道 70中液态的换热工质 30的液 面 31, 这样, 冷凝后的换热工质 30也就更容易在重力的作用下由回流到工质回 通道 70 内, 从而形成自然循环, 而无需任何其它设备。

另外, 本发明通过对蒸汽通道 60内腔口径小于集热器 20内腔口径的方法, 使得作 为热能传输的高温热蒸汽 32进一步产生加压的效果, 更有利于热能的高效传输。

用以实现本发明的方法的太阳能热水系统请参 见图 1。

热能传输方法的真空式太阳能热水系统, 包括:

集热单元 10由太阳能集热管 12构成, 用于采集太阳能并转换成热能,并通过所述 太阳能集热管 12的换热端 11进行热能的转换; 具体在本实施例中, 集热单元 10中的 太阳能集热管 12可采用玻璃-金属封接式热管真空太阳集热管 或全玻璃真空管热管太阳 集热管以及其它采用热管原理的所有太阳能集 热管。集热单元 10的换热端 11则为太阳 能集热管 12的冷凝端。通常情况下, 太阳能集热管 12为多个规则排列后组成一个集热 单元 10。

水箱 40, 设有补水口 41, 以保持水箱 40内的安全水位。 水箱 40是本系统中重要 的换热产生热水的装置, 同时将热水暂时保存于其中, 并通过热水出口 42导通于用户 的使用端, 提供生活用水。

热能传输系统,用于将集热单元 10的热能传输至水箱 40,对水箱 40内的低温水进 行加热; 其中:

与集热单元 10的换热端 11进行热交换的集热器 20, 集热器 20内容置有低沸点的 换热工质 30, 在换热过程中呈液态的换热工质 30在换热过程中蒸发呈高温热蒸汽 32; 具体在本实施例中, 集热器 20与集热单元 10的换热端 11的联接采用目前太阳能热水 系统是常规使用的插接方式。集热单元 10通过其换热端 11将热能通过辐射的方式与集 热器 20内的换热工质 30进行沸腾换热, 使得低沸点的换热工质 30很快蒸发呈高温热 蒸汽 32, 并集聚在集热器 20的上方。

集热器 20的蒸汽出口 22端导通于密封蒸汽通道 60, 蒸汽通道 60的另一端导通于 二次换热器 50; 二次换热器 50贯穿于水箱 40; 二次换热器 50的出口端 51导通于密封 的冷凝后工质回流通道 70, 工质回流通道 70的另一端导通于集热器 20, 从而将冷凝后 呈液态的换热工质 30返回集热器 20内。

综上所述,所述换热工质 30在呈真空状态的密封循环热能传输系统的集 器 20内 被蒸发呈高温热蒸汽 32,进入二次换热器 50与水箱 40内的低温水进行加热,完成热能 的传输过程;进入二次换热器 50内的高温热蒸汽 32在换热过程中被冷凝后再次呈液态 的换热工质 30通过密封的工质回流通道 70返回集热器 20内, 进行热能传输过程的再 循环。 本发明真空式太阳能热水系统的工作原理及其 效果如前所述, 在此不再赘述。

为使本发明的真空式太阳能热水系统达到更佳 的热能传输效果,本实施例中给出如 下具体实施方式。

具体在本实施例中, 换热工质 30为水, 为提供较好的系统密封性, 导通于集热器

20和二次换热器 50间的蒸汽通道 60和工质回流通道 70由金属管构成, 并通过焊接或 其它联接方式进行密封联接, 并进行密封和保温处理。抽真空装置 80, 固定连接于蒸汽 通道 60或工质回流通道 70上,通过抽真空装置 80将上述密封热能传输系统预抽真空。 在具体实施过程中可以先将对系统进行组装, 并测定整个系统的密封性能, 整个系统的 密封性能达到要求后,再通过设置于蒸汽通道 60或工质回流通道 70上的抽真空装置 80 对系统进行抽真空处理, 使系统内的大气压维持在 0. lPa至一个大气压之间最后将抽真 空装置 80密封。

由于上述系统中的气压力为 0. lPa, 在此压力下水的沸点为接近零度, 小于 100°C, 可以很快的进行液-气转换, 形成高温热蒸汽 32, 进而推动整个系统运转, 而水的沸点 高不易沸腾可以停留于集热器 20内保证液面 31的高度始终处于低于蒸汽出口 22而高 于集热单元 10的最高的换热端 11的范围内, 保证最佳的热传输效果。 同时, 由于系统 进行过抽真空处理, 其中的不凝气体被排除, 系统中的工作效率进一步得到提高, 系统 的能耗进一步降低, 系统中各设备的使用寿命也进一步得以延长

如一次实施中, 采用水为导热介质, 真空度为 0. lPa, 试验时间为早上九点至下午 十五点。 其中, 自开始接受辐照开始, 五分钟内介质即开始沸腾, 当天测试总辐照量为 15, 352MJ/m% 上水温度为 17摄氏度, 水箱中热水最高温度为 66摄氏度, 平均温度为 55摄氏度, 集热器效率为 62%。

在本实施例中, 二次换热器 50采用盘管状换热器, 通过加长二次换热器 50的长度 的结构达到增大的换热面积的目的, 实现换热充分的效果。 在换热过程中, 进入二次换 热器 50内的高温热蒸汽 32被冷凝后再次呈液态。

在本发明中,二次换热器 50的出口端 51高于集热器 20内液态换热工质 30的最高水平 液面 31。 由于虹吸效应, 出口端 51也就高于在工质回流通道 70中液态的换热工质 30的液 面 31, 这样, 冷凝后的换热工质 30也就更容易在重力的作用下由回流到工质回 通道 70 内, 从而形成自然循环, 而无需任何其它设备。 另外在本发明中,集热器 20内换热工质 30的水平液面 31高于集热单元 10的最高 的换热端 11, 这样集热单元 10的所有换热端 11都被液态的换热工质 30所包容, 进而 所有的集热单元 10都可对液态的换热工质 30进行加热, 确保集热单元 10与集热器 20 间的换热效率。这样在本发明中,换热工质 30的水平液面 31的高度控制在集热单元 10 的最高的换热端 11与集热器 20的蒸汽出口 22间的高度差 h的范围内即可。

同时本发明中, 在热水系统的静态状态(即在无日照的情况下 集热单元 10不进行工 作的情况)液态的换热工质 30基本上集中在集热器 20中, 这样只需要少量的换热工质 30 就可以推动整个系统的运转,更具经济性,并 且对于换热工质 30的测量和控制更加容易, 适合在现在建筑中推广和应用。

本发明在具体实施过程中, 可以根据使用地区的气温情况, 对导通于集热器 20和 二次换热器 50间的蒸汽通道 60和工质回流通道 70进行保温处理, 设置保温层 90。 这 样, 热能在传输过程中的热量损失会更小。

本实施中, 太阳能集热管采用适合于阳台的横向排列的方 式, 集热器 20相对于太 阳能集热管 12垂直方向设置,太阳能集热管 12的冷凝端采用比较常用的插入式联接方 式插入集热器 20内。二次换热器 50采用盘管式结构, 该盘管贯穿水箱 40, 并全部浸入 水箱 40内。 通过盘管增大管道的长度, 使得处于二次换热器 50的盘管内的高温热蒸汽 32与水箱 40内的低温水进行充分换热。

制造本发明真空式太阳能热水系统的方法, 包括:

步骤一, 组装所述热能传输系统, 连接集热器 20、 蒸汽通道 60、 二次换热器 50和 工质回流通道 70, 步骤二, 检测所述热能传输系统的密封性, 调试所述热能传输系统至 密封性合格; 步骤三, 通过抽真空装置 80, 本实施例为使用一真空计量程为 0至 10-3 毫巴的真空泵, 通过抽真空装置 80对系统进行真空处理, 其中, 抽真空装置 80上安装 有一截止闽门, 抽真空时打开, 真空处理完毕后, 关断。 其中, 真空处理完成时, 需等 待一段时间并确认真空计读数再关断截止闽门 , 以再次确认系统密封性是否良好。 对所 述热能传输系统预抽真空; 步骤四, 通过注液装置将换热工质 30注入所述热能传输系 统; 步骤五, 密封所述热能传输系统。

在本实施中, 也可以采用抽真空装置 80和注液装置由一个抽真空注液管构成, 先 由该抽真空注液管抽真空, 再经其注入换热工质 30, 最后将其密封。 实施例二 本实施例的真空式太阳能热水系统如图 2所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。

在本实施例中,导通于二次换热器 50的工质回流通道 70的坡度大于 1%, 即二次换 热器 50的出口端 51与工质回流通道 70内液态的换热工质 30的最高液面 31间的高度 差与出口端 51与工质回流通道 70内液态的换热工质 30的最高液面 31的水平距离的比 例大于 1 : 100, 这样, 冷凝后的换热工质 30也就更容易在重力的作用下由出口端 51回 流到工质回流通道 70内的液面 31。

在本实施例中, 导于集热器 20和二次换热器 50间的蒸汽通道 60和工质回流通道 70由金属管构成, 并通过焊接或高密封度螺纹与集热器 20和二次换热器 50连接,换热 工质 30的热蒸汽 32在其中长时间运行的过程中, 泄露量很小。 因此, 本实施例可以使 用于较长距离的热传输的情况。

在本实施例中,二次换热器 50可采用如图 1所示的盘管式结构,也可以采用如图 2 所示的与水箱 40呈内外环套结构。其中可以选择的一种实施 式为二次换热器 50可为 一环形, 贯穿于水箱 40内。 还可以选择的另一种实施方式为二次换热器 50环设于水箱 40外层。 同时, 蒸汽通道 60与工质回流通道 70与二次换热器 50的连接方式也可如图 2-1或图 2-2所示的由二次换热器 50的底部接入。在本实施例中,环形套筒与蒸 进口 52以及工质回流通道 70间密封联接, 从而确保工质循环系统的密封真空状态。

具体在实施例中, 可以在蒸汽通道 60或工质回流通道 70上设置注液装置, 在检测 好整个系统的密封性后, 先进行抽真空的操作, 之后封闭抽真空装置 80, 再由注液装置 将换热工质 30注入, 最后密封注液装置; 也可以采用抽真空装置 80和注液装置由一个 抽真空注液管构成, 先由该抽真空注液管抽真空, 再经其注入换热工质 30, 最后将其密 封。

本发明中,在热能传输过程中所使用的换热工 质 30也可为沸点低于 100°C的液态工 质。 目前使用范围较广的沸点低于 100°C的液态工质, 如甲醇、 乙醇、 丙酮、 四氟乙烷 或氢氟烃类化合物均可应用于本发明中。

本发明所述的换热工质 30可由两种或两种以上的工质混合构成混合工 , 所述混 合式工质中至少包含有一种低沸点工质。具体 在本实施例中所采用的混合工质由非低沸 点工质的水和低沸点工质丙酮混合而成, 其中, 混合工质中丙酮的含量为 10%-90% (体 积) 。 由于换热工质 30采用了比水的沸点更低的液态工质, 在呈真空状态的密封系统 中更易沸腾, 尤其适用于气温低的北方地区使用。

由于本发明采用了太阳能集热管集热效率高, 适用的地区广的特点, 例如适用于最 低温度在约零下 20°C北方地区直至温度高于 30°C的南方地区, 特别是本发明在低于零 下 10°C北方地区完全可以在无需任何辅助电能的 况下提供充足的热水,而这一点是目 前普通的太阳能热水系统不能实现的。 所以在本发明中, 为达到从集热单元 10所采集 的热能高效、低损的传输至分体设置的水箱 40,可以改变密封系统中的真空度(及压力) 和不同的换热工质组合太阳能热水系统的使用 范围相区配。

本实施例的其他结构特征的说明请参考实施例 一。

实施例三

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 3所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。

如图 3所示, 在本实施例中, 本实施例与实施例一的区别仅在于, 二次换热器 50 与水箱 40为卧式盘管结构。 这样, 由于盘管结构的存在, 二次换热器 50与水箱 40的 接触面积即换热面积增加, 在水箱 40中的热传输效率也相应提高。

在本实施例中, 如图 3所示, 集热单元 10可呈水平排设置, 集热单元 10的换热端

11与呈竖直设置的集热器 20连接。

实施例四

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 4所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。

如图 4所示, 在本实施例中, 本实施例与实施例一的区别在于二次换热器 50与水 箱 40为卧式环套结构。集热单元 10可呈水平排设置, 集热单元 10的换热端 11与呈竖 直设置的集热器 20连接。

实施例五

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 5所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。 如图 5所示, 本实施例中, 集热单元 10可竖直排列设置, 集热单元 10的换热端 11与位于集热单元上方水平设置的集热器 20连接。 在集热器 20 中的液态的换热工质 30的液面 31高度要高于集热单元 10的换热端 11的高度, 以确保 集热单元 10的换热端 11完全被液态的换热工质 30包容。进而保证全部的换热端 11都 可以对液态的换热工质 30进行加热, 保证集热器 20内的换热效率。 实施例六

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 6所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。 如图 6所示, 在本实施例中, 集热单元 10可竖直排列设置, 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接, 二次换热器 50与水箱 40为立 式环套结构。

实施例七

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 7所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。 如图 7所示, 在本实施例中, 集热单元 10可竖直排列设置, 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为卧 式盘管结构。

实施例八

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 8所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。 如图 8所示, 在本实施例中, 集热单元 10可竖直排列设置, 集热单元 10的换热端 11与水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为卧 式环套结构。

实施例九

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 9所示,本实施例的热能传输工作原理及其 效果与实施例一基本相同。 如图 9所示, 在本实施例中, 集热单元 10可呈水平排列设 置,集热单元 10的换热端 11与呈竖直设置的集热器 20连接。二次换热器 50与水箱 40 为盘管结构, 并且二次换热器 50环绕设置于水箱 40外部。 二次换热器 50与水箱 40的 盘管结构也可如图 9-1所示。

实施例十

本实施例的真空式太阳能热水系统如图 10所示, 本实施例的热能传输工作原理及 其效果与实施例一基本相同。 如图 10所示, 在本实施例中, 集热单元 10可呈竖直排列 设置, 集热单元 10的换热端 11与呈水平设置的集热器 20连接。 二次换热器 50与水箱 40为盘管结构, 并且二次换热器 50环绕设置于水箱 40外部。

由于本发明中集热单元 10的排列方式及其与集热器 20的连接方式有多种选择, 同 时二次换热器 50与水箱 40的连接结构也有多种方式进行选择,本发明 实际的应用中 可以根据建筑的不同特点及客户的不同需求进 行多种灵活的组合和变形, 更加适于在现 在建筑尤其是现在高层建筑上的推广和应用。

针对上述各实施方式的详细解释, 其目的仅在于对本发明进行解释, 以便于能够更 好地理解本发明, 但是, 这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的 限制, 特别是, 在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相 互任意组合, 从而组成其他实施方式, 除 了有明确相反的描述, 这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施 方式中, 而并不仅 局限于所描述的实施方式。