专利名称：一种全新的循环置换换热方法
技术领域：
本发明涉及到一种全新的循环置换换热方法，属于太阳能热利用领域。
背景技术：
太阳能热水器应用的人越来越多，太阳能热水器有两大关键部件，分别是集热器和储热水箱，集热器负责尽可能多的吸收太阳能，尽快加热集热器中的介质，储热水箱则是尽可能长时间的对热水进行保温储藏。提高太阳能热水器的热效率，还必须解决一个关键问题，就是换热，也就是说如何把集热器中的高温热介质尽可能快速地把热量传送到储热水箱中，同时要防止在热量传递过程中的热消耗。可以这样理解没有高效的换热，太阳能热水器的性能就无法有效提闻。总结目前市场中的太阳能热水器的换热方法，有这么几种第一种，自然循环换热 方法；第二种，强制循环换热方法；第三种，是本专利人提出的置换换热方法。自然循环换热方法依据介质高低温密度差异进行换热，在一体真空管太阳能热水器中有着非常广泛和成功的应用，是成熟和经济的换热方法。强制循环换热法，在太阳能热水器工程市场中应用比较多，依据检测集热器和储热水箱两者的水温差，控制循环水路中的水泵运行和停止进行换热。但是这两种换热方法，移植应用在分体太阳能热水器中就无法高效和经济了，两者的连接架构不同，甚至安装和应用的场所也不同，存在的问题是问题一分体太阳能热水器采用自然循环换热方法，受制与集热器与储热水箱之间的两根细的换热管道，换热效率大幅度下降，而且由于集热器与储热水箱之间的水平和垂直距离都非常有限制，带来安装和使用方面的困惑；问题二分体太阳能热水器如果采用强制循环换热，换热效率提高了，但成本太高，耗电、噪音的问题又无法解决。对于分体太阳能热水器本专利人提出采用置换换热方法，但在某些场合，此换热方法也存在不尽如人意的地方，有没有更好的换热方法，来满足分体太阳能热水器的市场需求。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种全新的循环置换换热方法，该方法是低温的自来水分批次间隔进入太阳能热水器系统，每批次的进水量或批次的间隔时间由系统自动控制，每批次进入系统的自来水总是先流入到一个混合器，在混合器中，流入的低温自来水和从储热水箱的循环出水口流出进入到混合器的热水进行充分混合，混合后的中温水在自来水的压力下，通过管道流入到集热器中，把在集热器中已经完成加热到预定温度的热水通过管道送入到储热水箱中储藏，而刚才流入集热器的中温水，由于温度没有达到预定温度，自己则被滞留在集热器中，等待下一批次的进水换热；这种每次中温水占据集热器的过程，就是一个置换过程；在集热器中的中温水，通过不断地吸收太阳能，集热器内的水温不断增加，当集热器中的中温水的水温到达预定温度的热水时，系统中的管道水流重新开始流动，低温的自来水又一批次进入太阳能热水器系统，开始新的一次与循环热水混合、置换的过程，如此往复，直到储热水箱通过多批次的换热，储热水箱热水满为止。
其中每批次的换包含三个步骤，第一步，进入系统的低温自来水与储热水箱循环出水口流入的热水混合，自来水的流入和储热水箱循环口的流出两者是同步进行的，即两者一起流动一起停止；第二步，温合后的中温水依赖自来水的压力，把集热器中已经加热到预定温度的热水全部置换到储热水箱中，系统中的管道关闭，致使本身的中温水滞留在集热器中；第三步，滞留在集热器中的中温水，通过集热器不断地吸收太阳能来提高水温，当集热器中水的温度达到预定温度时，系统中的管道重新打开，管道中的水流重新开始流动，进行下一批次的循环置换。其中的太阳能热水器系统，该系统包括集热器、储热水箱、混合器和温控装置，以及各部件之间的连接管道，其中集热器和储热水箱两大部件是两个相对独立的单体，系统的自来水进水口连接到混合器入口上，混合器吸水接口与储热水箱的循环出水口相连接，混合器出水口通过管道连接到集热器入水口，集热器出水口连接一个温控装置，温控装置的另一端通过管道连接到储热水箱的进水口上。其中的温控装置包含水路开关和温度传感，两者可以安装在一处，也可以分开安装，但温度传感必须安装在集热器出水口处，水路开关只要串接在换热的管路中，水路开关依据温度传感来进行开关控制。本段描述的太阳 能热水器系统是在本发明应用中的必须包含最基本的部件和之间的连接，但并不说明应用本发明的太阳能热水器系统只能包括以上的连接和部件，实际中的太阳能热水器系统在管路中还可以增加部件和对应管路的连接，比如为了控制储热水箱水位检测机构、防冻的呼吸阀、排控阀、电辅助加热设施、水位水温表、控制器等。由此可知，这种全新的循环置换换热方法中，低温自来水进入系统即不像自然循环换热方法中的低温自来水一般单批次一次性把需要加热的水首先全部流入到储热水箱储藏中，然后通过与集热器之间的自然循环换热，逐步加热储热水箱中的水，储热水箱中的水温是一个逐步缓慢上升的过程，储热水箱中的水温一般是不可控的；也不像强制循环换热方法中的，低温自来水首先全部一次性把需要加热的低温自来水全部流入到储热水箱中，然后通过检测集热器和储热水箱中的水温差，启动管路中的电控水泵，把集热器中已经加温的水循环进入储热水箱，把储热水箱中的冷水循环进入到集热器中加热，通过多次循环，逐步把储热水箱中的水加温到集热器与储热水箱之间的温差很小，才停止泵的循环；也不像置换换热方法中，低温自来水直接流入集热器中，在集热器中加热到预定温度，自来水重新流动，新流入的低温自来水直接把集热器中的热水置换进入储热水箱中，而低温的自来水滞留在集热器中等待加热到下一次置换的到来。本发明的有益效果是，一种全新的循环置换换热方法，该方法是低温的自来水分批次间隔进入太阳能热水器系统，每批次的进水量或批次的间隔时间由系统自动控制，每批次进入系统的自来水总是先流入到一个混合器，在混合器中变成中温水，中温水依赖自来水的自身能量来置换集热器中的热水，中温水滞留在集热器中，等待下一批次的开始。集热器每次需要加温的都是从中温水开始，而不是从低温的自来水开始加热。加热速度更快，换热效率更高，高速高效换热使得热水在连接的管道中的停留时间大幅度缩短。在零功耗状态下，该方法一方面极大提高分体太阳能热水器的热效率，另一方面使得分体太阳能热水器的集热器和储热水箱之间的相对距离可以延长数十倍。轻松实现分体太阳能热水器集热器安装在南面，储热水箱安装在房屋的北面。
下面结合附图对本发明做进一步的说明。图I是本发明的太阳能热水器系统架构连接示意图。图2是自然循环换热方法的太阳能热水器系统架构示意图。图3是强制循环换热方法的典型太阳能热水器系统架构示意图。图4是置换换热方法的典型太阳能热水器系统架构示意图。图中101.储热水箱，102.集热器，103.混合器，104.温控装置，105.电控水泵，106.控制器，107.温度传感器A，108.温度传感器B，200.自来水入口，201.水箱进水口，202.水箱出水口，203.循环出水口，204.集热器出水口，205.集热器入水口，208.循环入水口，210.混合器入口，211.混合器出口，212.混合器吸水口。·
具体实施例方式图示说明，为了更加清楚明确描述本发明的特征，在图示中把目前在太阳能热水器中常用的几种换热方法对应太阳能热水器系统的典型连接架构画出，由此也更加简单明了本发明的典型特征，以及与目前换热方法的不同；本图示只是把关联换热的连接，或对应此换热方法不可缺少的部件在图中画出并进行标示。本发明不排斥在真正的太阳能热水器产品中，需要一些辅助的接口或相关的开关阀或辅助设施。图I是本发明在太阳能热水器产品应用中，对应太阳能热水器系统中典型的连接示意图，从图中可以了解，本发明应用中的太阳能热水器除了太阳能热水器常规的两大部件储热水箱(101)和集热器(102)以外；还需要两个小的部件混合器(103)和温控装置(104);各部件通过管道进行连接，自来水入口(200)通过管道连接到混合器入口(210)上，混合器吸水口(212)连接到储热水箱(101)的循环出水口(203)，混合器出口(211)通过管道连接到集热器入水口(205)，集热器出水口(204)连接一个温控装置(104)，温控装置(104)的另一侧通过管道连接到储热水箱(101)的水箱进水口(201)，换热关联的管道连接完成。图中各部件的主要功能，储热水箱(101)与集热器(102)本行业的通用部件，不再描述。混合器(103)也可以称为混合阀，主要的功能是从混合器入口(210)流入的自来水，与从混合器吸水口(212)吸入的储热水箱(101)的循环出水口(203)流出的热水充分混合成中温水后，从混合器出水口(211)接口流出；混合器(103)其中的一种制作可采用全机械结构采用文丘里管，就能实现混合器(103)的全部功能，对于混合器(103)还有其它的制造办法，不再一一描述。温控装置(104)主要的功能是依据检测集热器出水口(204)处的温度是否达到预定温度，来控制与温控装置(104)串接在一起的管路是导通还是关闭管路中水的流动，没有达到预定温度，管路中的水路被终止流动，达到预定温度管路中的水开始流动，在换热过程中，相当于一个置换开关；该装置可采用完全机械结构的温度传感与水路开关合一的温控阀，也可以采用温度传感器与电磁阀、控制器的组合，温度传感器安装在集热器出水口(204)处，电磁阀只要串接在管路中即可。本发明的一个换热全过程。如果某个时刻，由于温控装置(104)所处的温度达到预定温度，温控装置(104)导通管道中的水路，自来水在本身的压力能量下，从自来水入口(200)流入到混合器(103)中，此时流入的自来水是冷水，温度低，自来水的压力加上混合器(103)本身内部文氏管道，使得在混合器吸水口(212)处产生负压，此处的负压产生的吸力，把储热水箱(101)中的热水通过循环出水口(203)吸出，流入到混合器(103)中，吸力吸入的热水和低温的自来水混合成中温水，从混合器出水口(211)流出，通过管道流入到集热器(102)中，流入集热器(102)的中温水依赖自来水本身的压力把集热器(102)中刚才已经加热到预定温度的热水全部置换进入储热水箱(101)中储藏，而当把集热器(102)的热水全部置换完成，中温水流到集热器出水口(204)处的温控装置(104)，由于中温水的水温没有到达预定温度，温控装置(104)关闭管路通道，中温水被滞留在集热器(102)中。在集热器中的中温水，通过集热器不断地吸收太阳能，水温逐步上升，一旦水温达到预定温度，温控装置(104)检测到后，管路重新导通，管路中的水流重新开始流动，开始新一轮低温自来水流入、循环出储热水箱中的热水、混合变中温水、中温水置换掉集热器中已经到达预定温度的热水、中温水滞留在集热器(102)中等待下一批次。如此往复，直到储热水箱水满为止。从以上的工作过程中了解，本发明的换热方法，有几个明显的特征第一多批次间断性换热；第二每次换热都经历自来水流入、循环出储热水箱中的热水、混水成中温水、置换掉集热器中的热水、被置换的热水进入到储热水箱中存储、置换的中温水滞留在集热器中等待下一批次；第三每次置换进入储热水箱的热水温度都是定温热水；第四整个过程除 了自来水本身的能量外，没有任何其它能量的介入或帮助。图2是自然循环换热对应太阳能热水器的典型连接示意图，此换热方法目前在太阳能热水器产品中得到最广泛的应用，采用防冻液循环的分体太阳能热水器，就采用类似架构。还有绝大部分的一体太阳能热水器都采用此换热方法。与图I比较，少了混合器和温控装置两个部件，分体架构时，储热水箱必须同时具有一个循环出接口(203)和一个循环入接口( 208)，另外自来水入口直接流入储热水箱中。图3是强制循环换热对应太阳能热水器的典型连接示意图，此换热方法在太阳能热水工程中有广泛应用，或在别墅式太阳能热水器也有这样的应用。此换热方式是在自然循环方式中进化来的，主要解决部分场所无法采用自然循环换热。相比较图2，多了几个部件，串在水路中的电控水泵，两个温度传感器，外置的控制器，水泵、传感器的线缆全部连接到控制器相应端口上，控制器已经两个温度传感器的温度差，来控制水泵启动循环，直到集热器与储热水箱中的温度大致相等，则停止这样的水泵循环。图4是置换换热对应太阳能热水器的典型连接示意图。与图I比较，少了一个混合器，自来水直接流入到集热器中，因此此种换热方式只有置换，没有循环。储热水箱中的水一次性升温到底。储热水箱中的水温下降后也无法再次加热。综上所述，一种全新的循环置换换热方法，在分体太阳能热水器中的应用，该方法弥补自然循环换热方法中的低速低效率，弥补强制循环换热方法中的高成本耗电噪声，弥补置换换热方法中的储热水箱中的水温降低无法再次加热的问题。本发明的换热方法，加热速度更快，效率更高，而且可以在零功耗情况下实现。以上阐述了本发明的基本原理和主要特征，本发明不受实施条例的限制，在不脱离本发明的基本原理和主要特征的前提下所作出的改进和变化，都应落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种全新的循环置换换热方法，其特征是该方法是低温的自来水分批次间隔进入太阳能热水器系统，每批次的进水量或批次的间隔时间由系统自动控制，每批次进入系统的自来水总是先流入到一个混合器，在混合器中，流入的低温自来水和从储热水箱的循环出水口流出进入到混合器的热水进行充分混合，混合后的中温水在自来水的压力下，通过管道流入到集热器中，把在集热器中已经完成加热到预定温度的热水通过管道送入到储热水箱中储藏，而刚才流入集热器的中温水，由于温度没有达到预定温度，自己则被滞留在集热器中，等待下一批次的进水换热；这种每次中温水占据集热器的过程，就是一个置换过程；在集热器中的中温水，通过不断地吸收太阳能，集热器内的水温不断增加，当集热器中的中温水的水温到达预定温度的热水时，系统中的管道水流重新开始流动，低温的自来水又一批次进入太阳能热水器系统，开始新的一次与循环热水混合、置换的过程，如此往复，直到储热水箱通过多批次的换热，储热水箱热水满为止。
2.根据权利要求I所述的一种全新的循环置换换热方法，其特征是，所述的每批次包含三个步骤 第一步，进入系统的低温自来水与储热水箱循环出水口流入的热水混合，自来水的流入和储热水箱循环口的流出两者是同步进行的，即两者一起流动一起停止； 第二步，温合后的中温水依赖自来水的压力，把集热器中已经加热到预定温度的热水全部置换到储热水箱中，系统中的管道关闭，致使本身的中温水滞留在集热器中； 第三步，滞留在集热器中的中温水，通过集热器不断地吸收太阳能来提高水温，当集热器中水的温度达到预定温度时，系统中的管道重新打开，管道中的水流重新开始流动，进行下一批次的循环置换。
3.根据权利要求I所述的一种全新的循环置换换热方法，其特征是，所述的太阳能热水器系统，该系统包括集热器、储热水箱、混合器和温控装置，以及各部件之间的连接管道，其中集热器和储热水箱两大部件是两个相对独立的单体，系统的自来水进水口连接到混合器入口上，混合器吸水接口与储热水箱的循环出水口相连接，混合器出水口通过管道连接到集热器入水口，集热器出水口连接一个温控装置，温控装置的另一端通过管道连接到储热水箱的进水口上。
4.根据权利要求3所述的一种全新的循环置换换热方法，其特征是，所述的温控装置包含水路开关和温度传感，两者可以安装在一处，也可以分开安装，但温度传感必须安装在集热器出水口处，水路开关只要串接在换热的管路中，水路开关依据温度传感来进行开关控制。
全文摘要
一种全新的循环置换换热方法，该方法是低温的自来水分批次间隔进入太阳能热水器系统，每批次的进水量或批次的间隔时间由系统自动控制，每批次进入系统的自来水总是先流入到一个混合器，在混合器中变成中温水，中温水依赖自来水的自身能量来置换集热器中的热水，中温水滞留在集热器中，等待下一批次的开始。集热器每次需要加温的都是从中温水开始，而不是从低温的自来水开始加热。加热速度更快，换热效率更高，高速高效换热使得热水在连接的管道中的停留时间大幅度缩短。在零功耗状态下，该方法一方面极大提高分体太阳能热水器的热效率，另一方面使得分体太阳能热水器的集热器和储热水箱之间的相对距离可以延长数十倍。具有良好的社会效益和经济推广效益。
文档编号F24J2/40GK102901241SQ20121043032
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者徐何燎 申请人:徐何燎