[發明專利]真空管系統集成定補雙循環太陽熱水器

在審

• 申請號: 201710171534.4
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN107131659A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 涂濟民;柯尊銘
• 申請（專利權）人: 涂濟民;柯尊銘
• 主分類號: F24J2/05
• 分類號: F24J2/05;F24J2/24;F24J2/34;F24J2/46
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及太陽能光熱—光伏綜合利用領域。是一種以真空管自然循環系統集成為基礎，光伏定補雙循環自控為手段，能滿足高標準“建筑一體化”安裝要求的高效真空管太陽熱水裝置。

背景技術

傳統的真空管共用熱水系統，采用在縱向聯箱兩側橫向臥式口對口直插真空管組成的太陽能集熱陣列，配置用浮球閥控制水位的大型高位保溫儲熱循環水箱，再分別用冷水下循環管和熱水上循環管與橫臥真空管集熱陣列縱向聯箱的上下兩端聯通，從而構成了所謂的真空管自然循環共用熱水系統。

嚴格說來，這種系統是在原有平板自然循環太陽熱水器的基礎上，用橫臥真空管陣列簡單替換平板集熱器后，派生出來的一個分支體系。盡管這種系統已出現多年，也能勉強使用；但系統存在若干弊端，確實需要進行改進：首先，該系統光熱轉換效率低下；可得熱產量遠遠低于同等規模的平板型熱水系統。其次，所有的真空管熱水器都會在“使用說明書”中坦言：不能在有太陽強日照的情況下加注冷水，或用頂水法取用熱水，否則易造成真空管炸裂；不管系統大小，只要有一支真空管炸裂，整個系統立即“水淹七軍”陷入癱瘓；這種系統也不例外，第三，系統難以實現“建筑一體化”安裝。高高聳立在屋頂的大容積保溫循環水箱和浮球補水箱，作為添加在屋頂上的違章建筑，既造成視覺污染，又存在安全隱患。第四，系統不具備基本的排污和抗結垢功能。無論是縱向斜插還是橫臥直插的真空管集熱陣列，不撥管就不能簡單地將管中的污垢和泥沙清除干凈。正常情況下系統運行一兩個夏天之后，真空管內腔就開始結垢，聯箱和管內也會積存下大量的泥沙和污垢，不清除將嚴重影響水質衛生，要清除不撥管就難以操作。第五，真空管家用或共用系統，在低度短時間的冰凍下，由于單孔盲腸狀真空管管內結冰有伸縮有余，不一定會出大問題；但系統的冷、熱水管道，浮球補水箱等極易被凍裂；在異常氣象頻發的條件下，突發深度凍害，包括真空管和水箱在內，一切皆有可能；如果現有系統仍然不設防，發生跑冒滴漏將成為新常態。

縱向斜插緊湊型家用真空管熱水器是這樣工作的：在太陽長時間的高溫強輻射下，處于悶曬狀態下的真空管內部分水分子被汽化；最初形成若干小水蒸汽泡，小汽泡在不斷的合併和上浮運動中逐漸變大，最后以浮力沖出管口，同時擠壓并帶出部分熱水進入到保溫水箱內。與此同時，處于真空管管口上方水箱內的低溫水分子，在重力作用下乘虛而入，填補真空，落入真空管內，歪打正著地實現了管內外局部區域的冷熱水交換。這種間隙性的熱交換方式，與真空管悶曬導致的高管溫互為因果；其過程伴隨著真空管嚴重結垢，輻射熱損大，光熱轉換效率低；以及（如果此時）突遇冷水激降必發生炸管等后果。

在大型真空管共用系統中，真空管被成對的橫臥側向直插到聯箱縱向通道的兩側所形成的基本構架，最大的單元組件雙排并列50余支真空管集熱器；更有甚者將2—4組大單元組件縱向串連，以顯示熱水工程之宏偉。這種超大型系統結構，使真空管所處工作環境，遠比縱向斜插入水箱的緊湊型系統更為惡劣。因為真空管被橫臥放置后，管內外水的溫差循環換熱機制被徹底破壞，真空管內被加熱的水被半封閉地局限在橫臥真空管腔內，無法通過自然循環對流進行有效的熱交換，真空管內再高的悶曬溫度，也難使被汽化的蒸汽泡和高溫水能從水平橫向管口處被輕易排出。根據“帕斯卡定律”：在密閉連通容器內處于靜止狀態的流體內所產生的壓強，會大小不變均勻地傳遞到各個方向。聯箱縱向通道左右兩側口對口安裝的真空管，在同等安裝和日照環境條件下，管內會產生同樣大小，但方向完全相反的流體壓強。真空管內所產生的高溫熱水在壓力相當，方向相反的液體壓強作用下，相互對恃，形成僵局。聯箱底部從下循環管導入的低溫大比重冷水，自然也就只能被壓迫在通道底部，不可能被輕易被置換進入到橫臥真空管內，去吸收太陽輻射能升溫。這種非線性的僵恃局面，需要某種不可預測的隨機偶然因素才能被打破。由于水是熱的不良導體，在整個聯箱內不同溫度的冷熱水分子質點相互混雜，處于紊流狀態的流體，形不成有序的溫度分層，從而難以建立起強勢的溫差對流循環運行機制，導致整個系統的熱交換處于被阻隔、滯留和延誤交換的混沌狀態。眾所周知，高溫流體長時間地被滯留在通道內，必然會造成更多更大的輻射熱損。