太阳能热水器的制作方法

专利名称：太阳能热水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热水器，尤其涉及一种带有振荡热管或者热管的太阳能热水 器。
背景技术：
太阳能热水器是利用太阳的能量将水从低温度加热到高温度的装置，其核心部件 是集热器，集热器性能的好坏对热水器性能起决定性作用。经过半个世纪的发展，太阳能热 水器的技术已经日益成熟，其种类也逐渐增多。根据其集热器类型的不同，目前最为常用的 太阳能热水器是真空管型太阳能热水器和平板型太阳能热水器，尤其在我国，真空管型太 阳能热水器已经得到大规模应用。近几年，热管作为一种高效的导热装置开始在太阳能热 水器中得到应用，热管太阳能热水器也开始逐渐应用。以上几种太阳能热水器的集热器经 过不断的发展完善，都得到了广泛的应用，但是随着科学技术的发展以及环保等方面的要 求提高，它们的缺点逐渐暴露出来，为了保证水的自然循环，水箱必须置于上端的单一结构 以及固定的安装位置和必须的倾斜角度的缺点暴露的最为显著。这些弊端到目前为止都没 有得到很好的解决，整个行业都处于一种低技术含量的水平上，大企业相对于小企业几乎 无优势可言，行业整合势在必行。 振荡热管作为一种新型换热装置，它与普通热管相比差异很大。它具有体积小、结 构简单、成本低等特点；振荡热管的传热性能与普通热管相比有较大差异，其内部不仅存在 相变传热，还存在由于汽液振荡所造成的显热传递，它没有普通热管所有的那些极限限制， 因此其传热性能大大优于普通热管；而且振荡热管的适应性好，可以随意弯曲、可以存在多 个加热端和冷却端。当然，振荡热管也存在许多不足，比如其直径不能过大和过小，否则无 法完成振荡循环，管式振荡热管无法完成对平面式发热面的有效散热，板式振荡热管也由 于其与发热面的有效接触面积有限而限定了其性能的发挥。专利振荡流热管复合强化太阳 能热水器(200510001977. 6)就是在太阳能热水器中利用振荡热管强化了热水器的传热效 果，减小了热水器的换热面积。但是该专利中，振荡热管只是一个简单的复合，原来真空管 式太阳能热水器自然对流的换热模式还保留，热水器本身原有的结构和部件没有减少，原 材料消耗增加，加工及组装难度也增大，其成本的增加是显而易见的，而振荡热管超强换热 能力没有被充分的利用。现有热管型太阳能热水器其应用与上述专利中对振荡热管的应用 相似。众所周知，太阳能热水器为了吸收太阳辐射热，太阳能热水器的安装必须与水平面 成一定角度，因此它只能安装于屋顶，或者以倾斜角度置于墙壁侧面(壁挂式太阳能热水 器)，这不仅大大增加了安装的成本与难度，而且严重影响了建筑外观。

发明内容
本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够高效吸热、无需倾斜安装的带有倾 斜翅片振荡热管或热管集热器的太阳能热水器。
本方案是通过如下技术措施实现的一种太阳能热水器，包括带有进出水口的水
3箱，集热器，其特征是所述集热器包括箱体和布置在箱体中的至少一列集热管，所述箱体包 括上部箱体和下部箱体两部分，所述集热管贯穿于箱体上下两部分之中，箱体上部围绕集 热管冷凝端充满热媒形成密闭的集热器换热腔并居中设置档流隔板，挡流隔板上下分别设 置有热媒进口和热媒出口 ；在所述水箱中设置有换热器，所述换热器的进口和出口自然延 伸至水箱外分别与所述集热器上部的热媒进口和热媒出口连通；所述集热管为热管和/或 振荡热管。 本方案的具体特点还有，所述水箱和集热器分体设置，换热器的进出口分别与集 热器热媒进口和热媒出口通过管路连通，有效减少外挂部分的体积和重量，降低成本，解决 防冻问题。 所述热媒是乙二醇水溶液，其冷凝温度可以达到_35°C ，有效解决室外设置的集热 器的防冻问题。 在所述位于下部箱体中的集热管表面层叠设置有导热翅片，所述导热翅片所在的
面与集热管轴线相交并与入射太阳光垂直；有效增大吸热面积。所述导热翅片呈伞状套装
在集热管表面，最大限度地吸收太阳能。所述导热翅片为片状。 在所述位于上部箱体中的集热管表面设置有换热翅片，增大换热面积。 在所述下部箱体的上表面覆盖玻璃钢盖板。 翅片表面涂以选择性吸收涂层，翅片与集热管间钎焊连接，几乎没有热阻，这样热 量会迅速由翅片导给振荡热管或者热管加热端。 所述热管、振荡热管以及导热翅片和换热翅片的材料为紫铜或者铝合金，本换热 器在其材料选择上主要考虑的是高导热系数的金属，金属的导热系数主要取决于材料的种 类和温度，可根据需要选择不同的金属，一般散热模块的核心选择有色金属材料中导热系 数较高的紫铜，其导热系数高达388W/K. m，而为了降低整个集热器的重量，翅片也可选用铝
A会 所述振荡热管或者热管的管径为2-5毫米，为了易于加工通常采用5毫米管；管 内进行抽真空操作，压力为1 X 10—1 1 X 10—2Pa ;管内封装工质，工质为超纯水、乙醇或者丙 酮。 所述导热翅片是布置在振荡热管或者热管加热端外的倾斜翅片，其倾斜角度根据 热水器使用地的太阳光入射角进行预先的设计，导热翅片可以是伞状或者错层等倾斜翅 片，上下两层导热翅片间做到阳光入射时不遮挡，导热翅片可顺排布置也可交叉布置。
所述集热器包括由下部箱体形成的保温腔和由上部箱体形成的换热腔，两个腔体 相连。保温腔为顶端开口的方腔，方腔材料可为金属或者非金属，方腔内敷设保温棉，方腔 顶端开口由光电玻璃板密封，振荡热管或者热管加热端置于保温腔内以吸收太阳光辐射 热。换热腔同为顶端开口方腔，方腔材料为金属或者非金属，换热腔与保温腔连接处以及 方腔顶端水密封并作保温处理，振荡热管或者热管冷凝端置于保温腔内以与热媒进行热交 换，振荡热管或者热管外表面敷设换热翅片以增强换热效果，方腔内充注乙二醇水溶液，方 腔设置热媒出入口并通过管道与储水箱相连。 所述储水箱为金属箱体，材料为不锈钢或者其它适当的金属材料，箱体内置镁棒 和换热管路，换热管路两端分别与集热器换热腔热媒进出口相连，箱体带有进出水口 ，箱体 外包保温层。
所述进出水管道为金属或非金属软管，管道室外部分外包保温层。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本发明所设计太阳能热水器的核心吸热部件是带有导热翅片的集热器，以振荡热管或者热管作为主要的换热核心部件。集热器加热端外表面的倾斜翅片涂以选择性吸收涂层，并与振荡热管钎焊连接。导热翅片的倾斜角度根据当地太阳光入射角确定(基本相当于当地纬度)，整个集热器无需倾斜放置。导热翅片最大限度的吸收太阳辐射热并将热量导给振荡热管加热端。振荡热管或者热管内工质在低压下蒸发温度不超过30摄氏度(温度可根据压力不同而改变)，因此太阳光辐射热很容易使工质蒸发，工质蒸发吸收热量，同时迅速将热量传导至集热器冷凝端，并在冷凝端与热媒发生热交换，热媒在管路内通过自然对流循环，也可根据实际情况采用泵驱动热媒循环以增强换热效率。通过对本发明所述带有倾斜翅片的热管进行测量，热管竖直放置，7月份正午日照正常情况下其冷凝端峰值温度可达111. 5摄氏度；振荡热管冷凝端峰值温度112摄氏度且其达到峰值速度要快于热管。同时，对本发明所述热管或振荡热管型集热器进行测试，7月份正常日照，测得其日有用得热量都在11MJ/m2以上，平均热损因数小于10W/(m3 *K)。综上所述，本发明中带有导热翅片的振荡热管或者热管集热器的优点是显而易见的，如下(l)振荡热管或者热管加热端布置带有选择性吸收涂层的倾斜翅片，该设计方式可以使集热器水平或者竖直放置时保证入射太阳光与导热翅片表面垂直，同时该设计具有增大吸热面积、降低安装成本及要求、与建筑物外形相符等特点。(2)以振荡热管或者热管作为换热核心部件，可以在最短的时间内高效的将热量带给冷水，它具有结构简单、启动温度低、传热快、热效率高、成本低、耐压抗冻等特点；这使得集热其不仅可以高效的吸收太阳光辐射热，而且在光照不足时，可以最大限度的快速吸收环境中的热量。综合上述两点，所发明的热水器无需倾斜放置而可以快速高效的吸收太阳辐射热。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。


下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。 图1为普通太阳能热水器集热原理示意图；图2为倾斜翅片式太阳能热水器集热原理示意图(集热器竖直放置，伞状倾斜翅片)；图3为倾斜翅片式太阳能热水器集热原理示意图(集热器竖直放置，错层倾斜翅片)；图4为倾斜翅片式太阳能热水器三维效果图；图5为集热器水平放置(伞状倾斜翅片)光照示意图；图6为集热器水平放置(错层倾斜翅片)光照示意图。 图中，1、水箱，2、真空集热管，3、冷水下行，4、太阳光入射方向，5、热水上行，6、水，7、镁棒，8、换热器，9、进水口， 10、出水口， 11、热媒冷侧下行管路，12、热媒热侧上行管路，13、热媒，14、挡流隔板，15、热媒出口 ， 16、热媒进口 ， 17、伞状翅片，18、换热翅片(热管或振荡热管冷凝端)，19、片状翅片，20、换热腔，21、保温腔，22、集热管，23、集热器。
具体实施例方式
如图1所示，该模式是现有真空管太阳能热水器的工作原理示意图。其主要工作原理就是利用真空集热管吸收太阳辐射热并与集热管内的水进行热交换，集热管内的水与储水箱内的水通过自然对流循环。该热水器结构简单，但是这种热水器却存在很多缺陷，首先，在该方案中，集热管中的水依靠自然对流吸收太阳光辐射热，这种结构的热水器要求启动温度较高，水循环速度慢导致其对太阳辐射热的吸收速度也慢。尤其当光照条件较差时，该热水器几乎无法使用。其次，以玻璃为主要材质的真空集热管的可靠性较低，单根集热管的泄漏都能造成整台热水器无法使用，尤其遇到冰雹天气，其损坏会更加严重。第三，该结构热水器为了能够有效吸收太阳光辐射热，要求集热器必须倾斜放置，以保证集热器表面与太阳光入射方向垂直，这种安装方式对安装环境要求较高，必须安装在房顶，不能适应现有的建筑结构，其可靠性较差，安装成本较高。虽然壁挂式太阳能热水器在高层建筑中开始应用，但始终无法摆脱倾斜放置的弊端，这就必须在为其设置倾斜安装空间。因此这种结构形式的热水器都不能很好的与建筑的顶部或者壁面结合，或者说无法将热水器作为建筑的顶部或者壁面的一部分来使用，没有实现完全意义上的建筑一体化。 如图2所示， 一种太阳能热水器，包括带有进出水口的水箱1 ，集热器23，所述集热器23包括箱体和布置在箱体中的至少一列集热管22，所述箱体包括上部箱体和下部箱体两部分，所述集热器包括由下部箱体形成的保温腔21和由上部箱体形成的换热腔20，两个腔体相连。所述集热管22贯穿于箱体上下两部分之中，箱体上部围绕集热管冷凝端充满热媒形成密闭的集热器23换热腔20并居中设置档流隔板14，挡流隔板14上下分别设置有热媒进口 16和热媒出口 15 ;在所述水箱1中设置有换热器8，所述换热器8的进口和出口自然延伸至水箱1外分别与所述集热器23上部的热媒进口 16和热媒出口 15连通；所述集热管22为热管或振荡热管。所述水箱1和集热器23分体设置，换热器8的进出口分别与集热器热媒进口 16和热媒出口 15通过管路连通，有效减少外挂部分的体积和重量，降低成本，解决防冻问题。所述热媒是乙二醇水溶液，其冷凝温度可以达到_35°C ，有效解决室外设置的集热器的防冻问题。 在所述位于下部箱体中的集热管22表面层叠设置有导热翅片，有效增大吸热面积。所述导热翅片为伞状翅片17套装在集热管22表面，最大限度地吸收太阳能。所述导热翅片为片状翅片19，片状翅片19所在平面与集热管22轴线相交。在所述位于上部箱体中的集热管22表面设置有换热翅片18，增大换热面积。在所述下部箱体的上表面覆盖玻璃钢盖板。 导热翅片表面涂以选择性吸收涂层，导热翅片与集热管22间钎焊连接。
这是本发明的工作模式，这一模式从根本上改变了太阳能热水器倾斜放置的弊端，解决了由此产生的诸多矛盾，采用将倾斜面分散布置的方法，实现水平(图5-6)或者竖直(图2-3)放置时与倾斜面产生同样吸收效果。同时该方案中引入振荡热管或者热管作为其核心的导热部件，实现了低温启动，快速导热，防冰防压等高可靠性的优点。在该方案中，在振荡热管或热管加热端外表面的倾斜翅片，当集热器竖直或者水平放置时都能保证导热翅片表面与太阳光入射方向垂直，导热翅片表面涂选择性吸收涂层以对入射光高效吸收，导热翅片与振荡热管或者热管之间采用钎焊连接，几乎没有热阻，这样热量会迅速由导热翅片传导给振荡热管或者热管加热端。在振荡热管中，工质在低压下受热蒸发并吸收热量，蒸汽推动振荡热管内的液柱，汽液混合物到达振荡热管冷凝端(集热器换热箱部分)，在冷凝端，蒸汽将热量通过冷凝端管路以及管路上的换热翅片将热量导给低温热媒并冷凝，冷凝的液体受后面汽液混合物的推动继续前进回到加热端，这样振荡热管内的循环就完成了 。热媒受热后向上流动，低温热媒继续受热，这样通过自然对流热媒就将热量通过管路带到储水箱，在储水箱高温热媒将热量导给冷水，热媒降温回到集热器，这样热媒也完成 循环，冷水被加热。当然也可以根据需要添加一个泵驱动热媒加速循环，增强换热效率。在 热管中，只有热管内的传热机理与振荡热管有所区别，其它部分的热量传递过程相同。在热 管内部，工质在低压下蒸发并吸收热量，蒸汽上升在热管冷凝端(集热器换热腔)冷凝变为 液体并放出热量，将热量导给低温热媒，冷凝后的工质通过细液芯回到加热端完成循环。因 此本发明的复合型散热系统可以高效进行散热。 本发明中振荡热管或者热管与倾斜翅片的连接要求非常紧凑，不能有空隙，否则 影响换热，因此本发明拟采用钎焊技术对振荡热管或者热管和翅片进行焊接。本发明选用 紫铜作为振荡热管或者热管的材料，翅片采用铜片或者铝片，其布置形式有伞状或者错层 布置，如图2所示。 导热翅片布置角度和排列形式可以根据实际需要设计，以保证集热器能够不低于 传统倾斜放置太阳能热水器的吸热能力。
权利要求
一种太阳能热水器，包括带有进出水口的水箱，集热器，其特征是所述集热器包括箱体和至少一列集热管布置在箱体中的，所述箱体包括上部箱体和下部箱体两部分，所述集热管贯穿于箱体上下两部分之中，箱体上部围绕集热管冷凝端充满热媒形成密闭的集热器换热腔并居中设置档流隔板，挡流隔板上下分别设置有热媒进口和热媒出口；在所述水箱中设置有换热器，所述换热器的进口和出口自然延伸至水箱外分别与所述集热器上部的热媒进口和热媒出口连通；所述集热管为热管和/或振荡热管。
2. 根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是所述水箱和集热器分体设置，换热 器的进出口分别与集热器热媒进口和热媒出口通过管路连通。
3. 根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是所述热媒是乙二醇水溶液。
4. 根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是在所述位于下部箱体中的集热管表 面层叠设置有导热翅片，所述导热翅片所在的面与集热管轴线相交并与入射太阳光垂直。
5. 根据权利要求4所述的太阳能热水器，其特征是所述导热翅片表面涂以选择性吸收 涂层。
6. 根据权利要求4所述的太阳能热水器，其特征是所述导热翅片与集热管间钎焊连接。
7. 根据权利要求4所述的太阳能热水器，其特征是所述导热翅片呈伞状套装在集热管 表面。
8. 根据权利要求4所述的太阳能热水器，其特征是所述导热翅片为片状。
9. 根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是在所述位于上部箱体中的集热管表 面设置有换热翅片。
10. 根据权利要求1所述的太阳能热水器，其特征是在所述下部箱体的上表面覆盖玻 璃钢盖板。
全文摘要
一种太阳能热水器，包括带有进出水口的水箱，集热器，其特征是所述集热器包括箱体和至少一列集热管布置在箱体中，所述箱体包括上部箱体和下部箱体两部分，所述集热管贯穿于箱体上下两部分之中，箱体上部围绕集热管冷凝端充满热媒形成密闭的集热器换热腔并居中设置挡流隔板，挡流隔板上下分别设置有热媒进口和热媒出口；在所述水箱中设置有换热器，所述换热器的进口和出口自然延伸至水箱外分别与所述集热器上部的热媒进口和热媒出口连通；所述集热管为热管和/或振荡热管。本发明主要用于制造太阳能热水器。
文档编号F24J2/32GK101769641SQ201010107959
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者刘志刚, 张承武, 管宁 申请人:山东省科学院能源研究所