无水箱真空管太阳能热水器及其水处理装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型总体上涉及太阳能热水器，特别是使用硫酸铝的溶解热储存能量的无水箱真空管太阳能热水器，以及一种把在真空管中储存的能量转移到流水的水处理装置。该系统可以不用热水储能罐而正常运作。
【背景技术】
[0002]迄今为止，绝大多数的太阳能热水器，无论是用平板集热器，还是用真空管集热器，热水贮存箱是一个基本组成部分，因为阳光是间歇性的。为了在没有阳光的夜间和阴天保持水的温度，热水箱容量必须足够大，一般是100升至250升。在对流式太阳能热水器系统中，热水箱必须放在太阳辐射收集器的上端。热水箱的重量集中的作用于屋顶的小块面积上。如果热水箱不高于太阳辐射收集器，就必须有电动栗。电动栗，控制单元，连接太阳热能收集器和热水箱之间的管道和阀是昂贵的，并且需要频繁的维修和保养。
[0003]作为太阳能辐射收集器的玻璃真空管本身是优异的热能存储设备。对于熟悉太阳能热水器的人员，很明显，真空管可用于存储能量。因此，只用一组真空管，不用热水箱，就可能形成一个完整的太阳能热水器。这样的设计是很有利的:与具有热水箱的对流驱动的一体式太阳能热水器相比较，总的结构简化了，屋顶上的机械压力降低了，而且均匀分布。与分体的太阳能热水器相比较，电动栗和控制单元可以取消；因此，该系统可以不需要维护。然而，通过使用水的显热储存热能，体积必须非常大，必须使用直径非常大的真空管。因此，为了形成无水箱的太阳能热水器，有两个问题必须解决。首先，要找到一种具有以下性质的热能量存储介质:(I)在水温度的上段，热容量比水大得多；(2)在热循环下没有迟滞或不一致的现象；(3)价格便宜；和(4)无毒性。第二，要设计一个具有以下性质的自动把对存储在真空管内的热能转移到流水中的水处理装置:(I)不需要电；(2)依靠物质本身的性质自动控制；(3)确保尽可能高的效率；(4)尽量减少热损失；(5)生产成本低廉；(6)安装方便。本实用新型的目的就是为了为解决上述问题，来形成无水箱的真空管太阳能热水器。
【实用新型内容】
[0004]首先，本实用新型公开了一种新颖的热能储存介质:利用硫酸铝的溶解热储能。直接实验表明，在70°C至90 0C的温度范围内，在适当浓度范围内的硫酸铝溶液每单位体积的热容量是水的热容量的2倍以上。因此，储存的热能所需要的体积减少到二分之一以下。然后，本实用新型公开了满足前面的段落中所有的要求的水处理装置的设计。
【附图说明】
[0005]图1示出硫酸铝的溶解度数据。
[0006]图2示出硫酸铝的溶解度的曲线图。
[0007]图3示出硫酸铝溶液的理论热容量。
[0008]图4示出硫酸铝溶液的实验冷却曲线。
[0009]图5A-5E示出含硫酸铝溶液的塑料胶囊，和如何放置在真空管中。
[0010]图6示出热能存储胶囊的生产过程。
[0011]图7示出了水处理装置。
[0012]图8示出了整个的太阳能热水器系统。
[0013]图9示出一个安装在屋顶上的无水箱太阳能热水器。
【具体实施方式】
[0014]目前，最流行的太阳热能收集器是玻璃真空管集热器。每年有两亿多支玻璃真空管被生产和安装。每个真空管由外玻璃管和内玻璃管构成。两个玻璃管之间是真空。在内玻璃管的外壁上涂有选择性吸收层，以尽量多的吸收太阳辐射和尽量减少从内玻璃管内的物质的热辐射。因为太阳辐射是间歇性的，太阳能热水器需要大的热水箱来储存热能，容量从100升到250升。真空管是优越的保温设备。对于熟悉太阳能热水器域的人员，很明显，真空管可用于存储能量。因此，只用一组真空管，不用热水箱，就可能形成一个完整的太阳能热水器。然而，通过使用水的显热储存热能，所需的体积是非常大的。因此，使用热容量比水更大的材料是有利的。
[0015]作为能量存储介质，相变材料(PCM)在20世纪60年代就已开始研究，例如美国专利2677664。有许多有关PCM的书籍和文章。例如A.Sharma, V.V.Tyagi, C.R.Chen, andD.Buddhi, "Review on thermal energy storage with phase change materials andapplicat1ns", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (2009) 318-345。相变材料指的是在一个确定的温度进行相变，并吸收或释放热能的材料。一个例子是石蜡，其熔点为约60°C。硫酸钠或芒硝，在32°C下改变水合物的状态。然而，在太阳能热水器的温度范围内，只有极少数有用的PCM材料。许多盐水合物有熔化不一致，过冷或过热的毛病。石蜡熔化时体积发生巨大变化，使封装变得困难。
[0016]相变材料的优点是保持一个确定的温度的能力。然而，对于太阳能热水器，如果在一个合适的温度范围内具有高的热容量，例如70°C至90°C，就足够了。这里我们公开了用硫酸铝溶解热作为太阳能热水器的热能存储介质的方法。
[0017]硫酸铝被广泛应用于废水处理，造纸工业，食品工业。硫酸铝的特性是众所周知的。硫酸招的溶解度数据，载于〃 Solubilities of Inorganic and OrganicSubstances", Atherton Seidel, D.Van Norstrand C0., New York 1919, 一书中的 29 页，如图1所示。图2是基于图1的数据绘制的。数据点201到205是从图1的101至105获得。图的左侧是硫酸铝在溶液中的重量百分比。图的右侧标度是Al2(SO4)3.18H20在溶液中的重量百分比。Al2(SO4)3* 18H20的摩尔重量约是无水的Al2(SO4)3的两倍。
[0018]如图2所示，含有40%至47%硫酸铝的水溶液系统具有合适的工作温度范围。例如，含有44.7 %硫酸铝的系统，在温度高于900C时，是纯液体。当温度低于900C时，根据图1中的106，硫酸铝开始结晶成Al2(SO4)3.18H20o当分子的动能被冻结时，它释放出溶解热。在接近其熔点时，Al2(SO4)3.18H20的转变焓为117.7千焦耳/摩尔，或176.7千焦耳/ 公斤，请参见〃Thermodynamic Properties and Phase Transit1ns of Salt Hydratesbetween 270 and 400 K〃，F.Gronvold and K.K.Meisingset,Journal of ChemicalThermodynamics, 1982, pages 1083-1098。在不同温度下 Al2(SO4)3.18Η20 的溶解热可以从它的溶解度数据进行计算，见图3中所示的曲线301至305。
[0019]实验数据证实了上述的分析，如图4所示。在相同的试管中灌装各种不同浓度的硫酸铝溶液，然后让它在相同条件下冷却下来。从自动温度记录器的温度数据清楚地表明了热能存储的效果。为了进行比较，曲线401是纯水。曲线402，403和404是用于各种浓度的硫酸铝溶液。在70°C至90°C的温度范围内，硫酸铝溶液的热容量是水的2倍以上。通过实验，人们还发现，硫酸铝溶液性能良好:没有不一致融化的现象，无过热和过冷。与石蜡相比，硫酸铝溶液在温度变化时的体积变化是非常小的。因此，封装是容易的。此外，在国际市场上Al2 (SO4)3.HH2O的价格是每吨160美元，而石蜡的价格是每吨1400美元。
[0020]硫酸铝不易燃，无毒，但会腐蚀金属。储能胶囊的合适材料是高熔点塑料，包括但不限于聚丙烯和高密度聚乙烯。因为固相硫酸铝具有低的热导率，为了加速热传导，封装在小直径的管中是有利的，如图5A所示，其中501是管子，502是盖子。填满介质503以后，管子被盖子504密封。为了更好地将热量从管中传输到水中，管的横截面应该精心地设计，见图5B。横截面包括但不限于圆形505 ;圆角矩形506 ;有两个凹槽的圆角矩形507 ;有多个凹槽的圆角矩形508。图5C展示如何将这些胶囊堆在一起。胶囊的角和凹槽是水通过的路径。为快速热传递，胶囊中的介质的每个点与最近的水的距离应该足够小，比如说小于10毫米。这些胶囊被装在真空管中。真空管的内壁与胶囊之间充满了水。图f5D是真空管的横截面图，图5E是真空管的垂直剖面图。此处509是外玻璃管，510是真空，511是内玻璃管，512是塑料胶囊与储热介质，513是中央水管，514是水。图5E中的515是一个机械支撑板。
[0021]图6示出把储热介质填充到塑料管中的连续过程。601是油浴，装有油602，例如菜籽油。恒温电加热器603保持油温在110°C和120°C之间。604是放置在油浴中的装着硫酸铝和水的容器，温度保持在约100°C至110°C。因此，该介质处于液相。电磁阀605控制液体流入塑料胶囊606。胶囊安装在一个自动装配线中，如图所示。当胶囊走到注液口605下方时，一个预先确定的液体量607填充入胶囊608，然后，把盖子609自动安放在胶囊口上，并通过加热密封，见610。
[0022]作为能量存储介质的硫酸铝水溶液，在70°C至90°C之间效果最好。为了以最高的效率收集太阳辐射，减少热损失，防止过热，以及不使用电栗就把存储的热能转移到水，本专利并公布了水处理装置的设计，见图7。
[0023]本专利公布的水处理装置的中心部件