一种大型太阳能蓄热水池一体化节能取水装置的制作方法

本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体涉及一种大型太阳能蓄水池一体化节能取水装置，主要解决蓄热水池的定向取水问题。

背景技术：

太阳能的热利用离不开太阳能蓄热技术，其中蓄热容积比较大，充放热循环周期比较长(一般为一年)的称为季节性蓄热(长期蓄热)。而研究表明：蓄热效率与蓄热容积有关，采用较大的蓄热容积，可以适当降低蓄热温度，提高集热器效率，降低热损失。因此通常利用大型太阳能蓄热水池(容积在200立方米以上)进行大容积蓄热以提高太阳能利用率。

在太阳能蓄热水池中，进蓄热水池热水管和蓄热水池供热水管通常位于水池的顶部，而出蓄热水池冷水管和采暖回水管位于水池底部。由于水池内水的温度在竖直方向上存在差异，这样会导致密度小的高温水受浮升力上升，而密度大的低温水下降，从而形成温度分层的现象。这种温度分层的现象既可使集热器回水温度更低，提高集热器效率，同时又可增加热水量的供应，提高太阳能采暖保证率。

但由于太阳能的不稳定性，水池蓄得的热量会不时的变化，从而使水池内的温度分层发生改变，而现有水池大多将供热水管的位置固定，热水只能从某一特定位置流出水池，因此所供热水的温度会出现波动情况，不能保持稳定，难以满足用户的需求。而且对于某些特定月份，如10月份，用户不需要较高的水温，但由于蓄热水池的均一取水，供热水的温度会很高，这就造成大量的能源浪费。

技术实现要素：

针对现有的太阳能蓄热水池存在的由于供热水管位置固定而导致用户不能按需取水和能源浪费的缺陷，本发明的目的在于，提供一种可根据用户所需的水温进行分层取水的一体化节能取水装置，解决传统蓄热水池由于定向取水所造成的取水不灵活和能源浪费问题，达到一体化节能取水的目的。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种大型太阳能蓄热水池一体化节能取水装置，包括蓄热水池，蓄热水池的侧面设置有进水池热水管、出水池冷水管、采暖回水管、补水管以及排污管，蓄热水池顶部安装有顶盖，顶盖上开设有取水槽，取水槽上安装有防尘罩；所述的蓄热水池中设置有节能取水器，节能取水器包括在轴向上活动式连接且内径逐渐增大的固定圆管、一根以上的中间圆管以及取水圆管，其中，固定圆管、中间圆管的两端通透，固定圆管通过固定架安装在防尘罩上，固定圆管的上端连接穿出防尘罩设置的水池供热水管；所述的防尘罩中安装有齿轮驱动机构，通过齿轮驱动机构调节所述的中间圆管、取水圆管在轴向上的位置。

进一步地，所述的齿轮驱动机构包括通过电动机驱动的齿轮，在所述的中间圆管、取水圆管的外壁上沿轴向设置有位置相对应的齿条，所述的齿轮与齿条啮合，且齿轮与齿条之间为弹性接触。

进一步地，所述的中间圆管、取水圆管上端的外圆周部分向轴心线方向收缩，使位于收缩部分的齿条倾斜于轴心线。

进一步地，所述的蓄热水池的顶盖上设置有导轨，所述的电动机通过滚轮装配在导轨中；所述的导轨远离节能取水器的一端设置有固定挡板，固定挡板与电动机之间设置有弹簧。

进一步地，所述的齿条在中间圆管、取水圆管外壁上对称布设，所述的电动机在节能取水器的两侧设置两对，每一对电动机均由一根驱动轴连接，所述的齿轮安装在驱动轴的中部。

进一步地，所述的固定架包括在圆周方向上分布的多根固定杆，固定杆的下端设置有限位板，限位板的下表面设置有磁铁，固定杆的侧面设置有插杆；所述的固定圆管的外壁上分布有与所述的插杆配合的插孔。

进一步地，所述的固定圆管下端的外圆周上、中间圆管下端的外圆周上均设置有卡圈，所述的中间圆管上端的内圆周上、取水圆管上端的内圆周上均开设有台阶槽。

进一步地，所述的取水圆管的下端面封闭，取水圆管侧面上靠近下端的位置分布有取水口，取水口的一侧安装有温度传感器，温度传感器通过数据传输线连接取水温度控制器，取水温度控制器连接所述的电动机。

本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

1.按需取水，解决了供水温度与用户所需水温不匹配的问题

用户可以根据自己的需求在控制器上设定温度，控制器将水池中温度感应器传递的水温信号与设定温度进行对比后，控制取水口移动，直到取水温度达到设定温度。这样可以使供水温度与用户所需温度达到一致，大大满足了用户的需求。

2.取水口移动范围大，取水温度范围广，能够实现多用途应用

取水器在动力装置的带动下，进行大范围伸缩，这样可以保证取水口到达水池的任意高度，使取水温度范围变广。如果取不同温区的热水用于不同的用热系统，例如按温度从低到高可以依次用于加热生活用水，直接供暖用水和加热洗澡水等，就能实现太阳能采暖系统的多用途应用。

3.实现了整个取水过程的一体化和自动控制，管理操作简单

供热水管、取水器、蓄热水箱、动力装置和自动控制装置结合在一起，成为了一个整体。这使得整个系统装置结构紧密，分工明确，无需人为控制，管理操作起来简便易行。

4.充分利用水温，提高了太阳能热利用效率，节约能源

供水温度与用户所需水温相一致，这样充分利用了水池中的水温，解决了传统蓄热水池均一取水所造成的能源浪费问题，大大提高了太阳能的热利用效率，在太阳能采暖行业中推广应用具有巨大的经济及社会效益。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2固定圆管的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为断面图，(d)为整体结构示意图；

图3为第一级中间圆管结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为断面图，(d)为整体结构示意图；

图4为第二级中间圆管结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为断面图，(d)为整体结构示意图；

图5取水圆管结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为断面图，(d)为整体结构示意图；

图6节能取水器的工作原理图一；

图7节能取水器的工作原理图二；

图8节能取水器的工作原理图三；

图9节能取水器的工作原理图四；

图10齿轮与齿条的传动过程示意图一；

图11齿轮与齿条的传动过程示意图二；

图12齿轮与齿条的传动过程示意图三；

图13齿轮与齿条的传动过程示意图四；

图14为节能取水器部分的侧视图；

图15为动力装置的水平运动过程示意图一；

图16为动力装置的水平运动过程示意图二；

图17为动力装置的水平运动过程示意图三；

图18为电动机部分的结构三视图；

图19为取水温度控制器示意图；

图20为固定架的结构示意图；

图21为实施例中蓄热水池内温度分层图；

图22为实施例中蓄热水池内流速分布图；

1—蓄热水池，2—节能取水器，3—进水池热水管，4—出水池冷水管，5—采暖回水管，6—水池供热水管，7—补水管，8—排污管，9—水泵，10—固定架，101—固定杆，102—限位板，103—插杆，11—防尘罩，11a—检查门，12a—固定圆管，12b—第一级中间圆管，12c—第二级中间圆管，12d—取水圆管，13—磁铁，14—取水口，15—温度传感器，16—数据传输线，17—取水温度控制器，17a—数据线连接端，18—电动机，19—齿轮，19a—齿条，20—弹簧，21—滚轮，22—导轨，23—固定挡板，24—取水槽，25—顶盖，26—卡圈，27—台阶槽。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1所示，本发明给出了一种大型太阳能蓄热水池一体化节能取水装置，包括蓄热水池1，本实施例中，蓄热水池1为矩形结构，但实际应用时不限于矩形结构；蓄热水池1的侧面设置有进水池热水管3、出水池冷水管4、采暖回水管5、补水管7以及排污管8，其中，进水池热水管3的一端与太阳能集热器连接，用于将太阳能集热器产生的热水送入蓄热水池1，而所述的出水池冷水管4则将蓄热水池1中的回水送回到太阳能集热器，构成热水输送的水循环；二者安装在蓄热水池1的同一侧，进水池热水管3位置较高；补水管7的作用是向蓄热水池1内部补充自来水，以补充蓄热水池1中由于各种原因而减少的水量；排污管8的作用是在蓄热水池1检修时排空水池中的水，二者安装在蓄热水池1侧面下部位置。上述的每个管道中均设置有阀门，根据需要调整阀门的开度。

蓄热水池1顶部安装有顶盖25，将蓄热水池1的上端封闭；顶盖25上开设有取水槽24，取水槽24上安装有防尘罩11；防尘罩11用于保护节能取水器2，并可防止杂物掉落进蓄热水池1中。所述的蓄热水池1中设置有节能取水器2，节能取水器2包括在轴向上活动式连接且内径逐渐增大的固定圆管12a、一根以上的中间圆管以及取水圆管12d，其中，固定圆管12a、中间圆管的两端通透，中间圆管可以设置多级(根)，视实际情况而定。固定圆管12a通过固定架10固定安装在防尘罩11上，以保证整个节能取水器2的稳定，固定圆管12a的上端连接穿出防尘罩11设置的水池供热水管6；水池供热水管6内部安装有水泵9，给取水提供动力。采暖回水管5连接在蓄热水池1的下部，将采暖回水送回到水池中。所述的防尘罩11中安装有齿轮驱动机构，通过齿轮驱动机构调节所述的中间圆管、取水圆管12d在轴向上的位置。由于固定圆管12a、中间圆管和取水圆管12d采用级联的方式，其整体可看作一个伸缩套筒结构，而通过齿轮驱动机构，可使伸缩套筒进行伸缩，由此改变取水圆管12d在水池中的上下位置，这样可以水池中不同位置的热水取出。

参见图2至图5，给出了本发明中用到的几种圆管类型。本实施例中，中间圆管设置了两根，分别为第一级中间圆管12b、第二级中间圆管12c，两级中间圆管的结构相同，尺寸不同。固定圆管12a采用固定架10安装在防尘罩11上，具体地，固定架10包括在圆周方向上分布的多根固定杆101，固定杆101的下端设置有限位板102，限位板102的下表面设置有磁铁13，磁铁13的作用是吸附中间圆管的上端，使中间圆管在未受到电动机18驱动时，能吸附在固定挡板23上，从而减小齿轮19齿条19a系统在轴向上受到的压力，减轻驱动装置和传动装置的负担。固定杆101的侧面设置有插杆103；所述的固定圆管12a的外壁上分布有与所述的插杆103配合的插孔，通过圆周方向上分布的多根固定杆101上的插杆103，插入到固定圆管12a外壁上的插孔中，将固定圆管12a与防尘罩11进行固定安装。

本方案中，齿轮驱动机构包括通过电动机18驱动的齿轮19，在所述的中间圆管、取水圆管12d的外壁上沿轴向设置有位置相对应的齿条19a，这里的位置相对应是指所有圆管上的齿条19a均位于一个面中，如图15所示，在节能取水器2的横断面中，所有齿条19a位于一条直线上，这样是为了使齿条19a始终能与齿轮19很好地配合。所述的齿轮19与齿条19a啮合，且齿轮19与齿条19a之间为弹性接触。本方案中的齿条19a，可以是铺设在圆管外壁上的齿条19a，或者是加工在圆管外壁上的齿条19a。中间圆管、取水圆管12d上端的外圆周部分向轴心线方向收缩，使位于收缩部分的齿条19a倾斜于轴心线。如图3至图8所示，中间圆管、取水圆管12d的结构基本相同，在这两种圆管的上端位置，圆管的外径沿轴线方向逐渐收缩，这样收缩的部分与圆管的轴心线之间形成了一定的夹角，这个夹角优选为45°～90°。齿条19a布设或加工到这段时，将使得收缩部分的齿条19a也发生倾斜，这样设置的目的是，当齿轮19与圆管上外径收缩部分的齿条19a接触时，有利于两级圆管之间的平稳过渡，也对齿轮驱动机构形成了有效的保护。齿轮19采用固定安装的方式，当齿轮19转动时，将带动整个节能取水器2的某一节圆管运动，从整体看来，就是使得节能取水器2进行伸缩，由此将取水圆管12d最终调节至合适的位置。

如图6所示，取水圆管12d的下端面封闭，取水圆管12d侧面上靠近下端的位置分布有取水口14，本方案中取水口14设置了四个，可保证稳定取水；取水口14的一侧安装有温度传感器15，温度传感器15通过数据传输线16连接取水温度控制器17，取水温度控制器17连接所述的电动机18；温度传感器15靠近取水口14设置，是为了监测取水口14所在位置的水池中的水温，判断水温是否需要的温度，并将信息传递给取水温度控制器17，由控制器通过电动机18来自动调节节能取水器2上取水圆管12d的位置，从而只需要在取水温度控制器17中设置好取水温度，即能通过温度反馈闭环控制来实现自动取水过程。取水温度控制器17也可以与水泵9连接，当取水圆管12d到达合适的水温层后，给水泵9控制信号，使水泵9开始工作。

如图11所示，固定圆管12a下端的外圆周上、中间圆管下端的外圆周上均设置有卡圈26，所述的中间圆管上端的内圆周上、取水圆管12d上端的内圆周上均开设有台阶槽27。节能取水器2中，不同的圆管的内径均不相同，一级套一级，当某一级圆管通过齿轮19驱动至伸长到最大位置，即该圆管的台阶槽27与该圆管内部套装的下一级圆管的卡圈26接触时，将带动下一级圆管继续沿轴向移动。因此，卡圈26和台阶槽27配合，起到不同级圆管之间伸缩承接的作用，使得圆管能一级带动一级进行整体的伸缩，同时也起到了限位的作用。

上述的齿轮19与齿条19a之间采用弹性接触的连接方式，是为了配合不同外径的圆管而设置。由于圆管的外径也不相同，因此通过一个固定的齿轮19在驱动这些圆管时，需要考虑到不同情况下齿轮19均能与圆管外壁上的齿条19a有效地接触。在本方案中，蓄热水池1的顶盖25上设置有导轨22，所述的电动机18通过滚轮21装配在导轨22中；所述的导轨22远离节能取水器2的一端设置有固定挡板23，固定挡板23与电动机18之间设置有弹簧20。弹簧20始终保持压缩状态，这样弹簧20能给电动机18一个靠近节能取水器2方向的弹力，使得齿轮19始终有效地啮合在圆管外壁的齿条19a上。当齿轮19旋转至不同级的圆管时，由于上述圆管上端收缩段的设置，使两级圆管之间能有平稳过渡，而过渡到另外一个外径较大或外径较小的圆管外壁上以后，由于弹力的作用，使得齿轮19始终能有效与齿条19a啮合。

如图15至图18所示，本方案中，齿条19a在中间圆管、取水圆管12d外壁上对称布设，所述的电动机18在节能取水器2的两侧设置两对，每一对电动机18均由一根驱动轴连接，所述的齿轮19安装在驱动轴的中部。这样设置，电动机18同步运转，能给予齿轮19足够的驱动力，保证节能取水器2工作的稳定。通过导轨22和滚轮21的设置，可以使得电动机18部分在水平方向上受力不能保持平衡时，可以前后移动。滚轮21采用镶嵌的方式安装在导轨22中，以保证电动机18部分在竖直方向上的受力平衡。

本方案的工作过程：

参见图19，为取水温度控制器17示意图。这里主要是为了展示控制器的基本功能，即设置用户所需的供水温度。用户可通过“温度+”、“温度-”、“设定”和“取消”按钮进行温度设置，通过“开关”按钮进行控制器的启闭。两个数据线连接端17a分别通过数据传输线16连接温度传感器15和电动机18。

通过取水温度控制器17进行取水温度的设置，然后驱动电动机18开始运作，运作的同时监控温度传感器15采集到的温度信息，将信息与设定的温度值进行比对，以使电动机18能将取水圆管12d驱动至正确的位置。通过齿轮19和齿条19a之间的传动，使得取水口14上下移动，直至测定的温度值与用户设定的温度值相同为止，从而达到按需取水的目的。

如图21、图22所示，分别为某蓄热水池1内部纵向截面内温度分层图和流速分布图。从图中可以看出，水池中的温度分布是由上到下递减的，因此当测得的温度信号比设定温度高时，驱动取水口14向下移动，反之亦然。从图6至图9可以清楚地看到取水口14的下降过程(节能取水器2的伸长过程)，这些附图清楚地展示了卡圈26和台阶槽27的配合以及其发挥的作用。

参见图10至图13，为齿轮19和齿条19a部分的传动过程示意图，图中所示为取水口14的下降过程。刚开始，节能取水器2收缩为最短，齿轮19与取水圆管12d下部相接触，随着齿轮19顺时针转动，圆管开始向下移动，当其上端的收缩段部分与齿轮19接触时，由于电动机18部分在水平方向上的受力不平衡，弹簧20将会伸长，使整个电动机18装置向右移动，齿轮19进一步与倾斜齿条19a部分啮合，随后到达第二级中间圆管12c。第二级中间圆管12c受齿轮19给它向下的力后，克服磁铁13的磁力，向下传动，周而复始，直到第一级中间圆管12b的上端卡圈26部分与固定圆管12a下端台阶槽27部分相接触，此时节能取水器2达到最大的伸长度(取水口14下降到最低点)。上升过程正好与之相反，不再赘述。

参见图14，为节能取水器2的侧视图，这里主要是为了清楚地展示齿条圆管上的齿条19a间隙及电动机18、齿轮19之间的位置关系。防尘罩11上设置有检查门11a，从图中可以看出检查门11a在防尘罩11上的具体位置，检查门11a安装于防尘罩11靠近电动机18部分的两侧，以方便工作人员在装置出现故障时进行检修。

参见图15、16和17，为动力装置(电动机18、齿轮19和导轨22部分)的水平运动过程示意图，这里主要为了清楚看出动力装置水平运动的原理及具体过程。图中弹簧20一端固定在固定挡板23上，另一端与电动机18接触，整个运动过程中，弹簧20始终保持受压状态。当齿轮19与最外面的齿条19a接触时，两者之间存在作用力和反作用力，动力装置受圆管给它的反作用力和弹簧20的弹力而保持平衡。当齿轮19通过圆管的收缩段部分向另一级过渡时，由于动力装置水平方向上的受力不平衡，弹簧20开始伸长，使动力装置向圆管靠近，齿轮19与第二级中间圆管12c的齿条19a相啮合，如此进行重复运动。通过图15、16和17，可以清楚的看到动力装置受弹簧20弹力而水平靠近圆管的过程，也可以看出动力装置与取水装置之间较为具体的位置关系(保证动力装置在运动过程中不会触碰到取水器或有掉入水池的危险)。动力装置远离圆管过程正好与上述相反，不再赘述。