一種新型結構的蓄熱水箱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型結構的蓄熱水箱。在傳統(tǒng)蓄熱水箱的基礎上，該水箱在內部沿重力方向設有若干層隔板，將蓄熱水箱分為若干層。每個隔板上開有若干孔洞。對準孔的位置，在隔板的上方或者下方接有直管，管徑與孔徑相等。位于隔板上方的管路構成熱流體通道，位于隔板下方的管路構成冷流體通道。隔板及冷熱流體通道的結構，一方面減小了水箱內部自然對流，另一方面避免了水箱內部冷熱流體之間的摻混。與傳統(tǒng)的蓄熱水箱相比，該發(fā)明能夠減少蓄熱水箱的散熱量，大幅度提高水箱的熱分層程度，從而提高水箱的蓄熱效率和太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
【專利說明】一種新型結構的蓄熱水箱
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蓄熱水箱，尤其涉及一種可以加強其內部熱分層程度的蓄熱水箱。
【背景技術】
[0002]由于晝夜以及陰天等天氣因素的影響，太陽能是一種間歇性的能源，不能在時間和數量上滿足供給的要求。為此，在利用太陽能的過程中必須使用蓄熱裝置對吸收的太陽能進行存儲。蓄熱水箱就是太陽能熱水系統(tǒng)中的能量存儲裝置，是該系統(tǒng)的重要組成部分。在蓄熱過程中，太陽能集熱器回路的換熱工質與蓄熱水箱內部的蓄熱工質進行換熱，將吸收的太陽能熱量儲存在蓄熱水箱內；在釋熱過程中，蓄熱水箱向熱用戶釋放熱量，提供熱水，并且回收放熱后的低溫水。
[0003]蓄熱水箱內部存在熱分層現象。溫度較高的水由于密度小，處于水箱的上部；相反，溫度較低的水由于密度大，處于水箱的下部。研究表明，熱分層現象有助于提高蓄熱水箱的蓄熱效率和太陽能熱水系統(tǒng)的效率。帶有熱分層現象的水箱比普通水箱的蓄熱效率可以高6%，系統(tǒng)效率可高20%。對于季節(jié)性蓄熱，熱分層水箱的年平均熱效率更是可高出60%。熱分層使太陽能熱水系統(tǒng)效率提高的原因在于，一方面，熱分層現象使得進入太陽能集熱器進口的傳熱工質溫度降低，從而提高了太陽能集熱器的效率；另一方面，熱分層現象可以縮短輔助能源供給的時間。所以，應該盡可能地提高蓄熱水箱內部的熱分層程度。
[0004]傳統(tǒng)的蓄熱水箱一般為豎直圓柱形筒體，內部充滿蓄熱水。在蓄熱過程和保溫過程中蓄熱水受外界影響溫度分布不均，在重力作用下會形成自然對流換熱現象，進而形成熱分層。但是，由于冷熱流體的摻混和導熱作用，水箱內部的熱分層程度必然會受到一定的削弱。為了提高蓄熱水箱和系統(tǒng)的效率，必須盡可能減小內部對流換熱強度，避免冷熱流體的摻混，提高水箱內部的熱分層程度。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服現有技術的缺點和不足，提高蓄熱水箱內部的熱分層程度，本發(fā)明提出了一種新型結構的蓄熱水箱。與傳統(tǒng)的蓄熱水箱相比，該發(fā)明的新型蓄熱水箱能夠大幅度提高水箱的熱分層程度，從而提高水箱的蓄熱效率和太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為:
[0007]—種新型結構的蓄熱水箱，在蓄熱水箱內部沿重力方向設置若干隔板，將蓄熱水箱分為若干層，其特征在于:每個所述隔板上開有若干通水孔，對準每個所述通水孔的位置，在隔板上設置有與各所述通水孔一一對應的、且管徑與所述通水孔的孔徑相等的多個通水直管；所述多個通水直管，一部分設置在隔板的上方，一部分設置在隔板的下方；設置在隔板上方的通水直管構成熱流體通道，設置在隔板下方的管路構成冷流體通道。
[0008]每個隔板上開有若干孔洞?？锥醋钌贋?個。
[0009]優(yōu)選的，相鄰隔板中的下層隔板的熱流體通道可以延伸至上層隔板，但同時上層隔板的冷流體通道不可延伸至下層隔板；或者，上層隔板的冷流體通道可以延伸至下層隔板，但同時下層隔板的熱流體通道不可延伸至上層隔板。
[0010]優(yōu)選的，蓄熱水箱的換熱器可以是外置式換熱器、內置式換熱器或者外包覆式換熱器。
[0011]優(yōu)選的，每層隔板上熱流體通道的總截面面積與冷流體通道的總截面面積相等，但是冷熱流體通道數量不一定相等。
[0012]優(yōu)選的，蓄熱水箱的形狀為豎直圓柱形、球形、橢球形、圓臺形、圓錐形，也可以為上述幾種基本形狀的組合。
[0013]優(yōu)選的，蓄熱水箱外有性能良好的保溫層。
[0014]優(yōu)選的，隔板使用具有絕熱功能的材料。
[0015]在工作過程中，水箱內部溫度較低的水由于密度大，向水箱下部運動。由于熱流體通道的管口位置較高，冷流體只能通過冷流體通道流入下一層。同樣道理，溫度較高的水由于密度小，向水箱上部運動。由于冷流體通道的管口位置較低，因此熱流體將只能通過熱流體通道流入上一層。
[0016]當若干層隔板的冷流體通道上下貫通時，最上層隔板上方空間的冷流體將直接流入最下層隔板的下方空間，而各層空間內的熱流體將逐層上升。
[0017]當若干層隔板的熱流體通道上下貫通時，最下層隔板下方空間的熱流體將直接流入最上層隔板的上方空間，而各層空間內的冷流體將逐層下降。
[0018]在上述過程中，一方面，隔板的存在將蓄熱水箱內部空間沿重力方向分隔成若干小的空間，減小了重力方向的空間尺度，從而限制了水箱內部自然對流的程度，降低了對外的散熱量；另一方面，每層隔板上冷熱通道的結構將上下層間對流的冷熱流體完全分隔開來，減小了冷熱流體之間的摻混。通過上述兩方面的作用，這種結構的蓄熱水箱可以明顯提高內部的熱分層程度。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明由于對蓄熱水箱的隔板結構進行改進，在隔板的上下表面分別設置冷熱流體通道，在保證水箱蓄熱功能的基礎上，可以大幅度提高蓄熱水箱的熱分層程度，進而提聞畜熱水箱的畜熱效率，并進而提聞太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的設置于蓄熱水箱內部的隔板及冷熱流體通道結構圖。
[0021]圖2為使用外置換熱器的蓄熱水箱。
[0022]圖3為使用內置換熱器的蓄熱水箱。
[0023]圖4為使用外包覆式換熱器的蓄熱水箱。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，以下所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護范圍。
[0025]圖1為本發(fā)明的設置于蓄熱水箱內部的隔板及冷熱流體通道結構圖。在蓄熱水箱內部沿重力方向設置若干隔板101，將蓄熱水箱分為若干層，每個所述隔板101上開有若干通水孔，對準每個所述通水孔的位置，在隔板101上設置有與各所述通水孔一一對應的、且管徑與所述通水孔的孔徑相等的多個通水直管；所述多個通水直管，一部分設置在隔板101的上方，一部分設置在隔板101的下方；設置在隔板101上方的通水直管構成熱流體通道102，設置在隔板101下方的管路構成冷流體通道103。
[0026]實施例1
[0027]如圖2所示，該實施例為使用外置換熱器的蓄熱水箱，其中蓄熱水箱內部設有如圖1所示的隔板及冷熱流體通道結構。該蓄熱水箱由箱體201、內部隔板101、外置換熱器203、保溫層204，以及必要的水管和閥門組成，隔板101上設置有熱流體通道102和冷流體通道103。箱體201的直徑為0.6米，高0.7米，使用不銹鋼材料。水箱內布置兩層隔板101，分別位為0.23米和0.46米的高度。隔板使用絕熱性能良好的硬泡沫塑料板。每個隔板上裝有兩組流體通道，冷熱流體通道數量相等。通道高度5厘米，直徑2厘米。流體通道102、103軸對稱布置，其中冷流體通道103距軸心0.25米，熱流體通道102距軸心0.15米。該蓄熱水箱通過外置式換熱器203與太陽能集熱器回路進行熱量交換。換熱器203使用板翅式換熱器。蓄熱水箱與換熱器通過熱源回水管205和熱源出水管206相連。水箱通過熱負荷出水管207向熱用戶供給熱量，通過熱負荷回水管208回收冷卻水。蓄熱水箱外設有保溫層204，保溫層204使用巖棉材料，厚度為5厘米。
[0028]蓄熱過程中，蓄熱水箱內的水在泵的驅動下，從熱源出水管206流入外置式換熱器203，吸收太陽能集熱器回路的傳熱工質的熱量，然后從熱源回水管205流入蓄熱水箱，并且將熱量存儲在蓄熱水箱內。在保溫過程中，近壁面的水向外界散熱，溫度降低，通過冷流體通道向下流動，其他部位的水通過熱流體通道向上方運動。釋熱過程中，蓄熱水箱內的水從熱負荷出水管207流出，向熱用戶提供熱量，自身溫度下降，然后從熱負荷回水管208流回到蓄熱水箱中。
[0029]實施例2
[0030]如圖3所示，該實施例為使用內置換熱器的蓄熱水箱，其中蓄熱水箱內部的隔板及冷熱流體通道的設置方式如圖1所示。該蓄熱水箱由箱體301、內部隔板101、內置換熱器303、保溫層304，以及必要的水管和閥門組成，隔板101上設置有熱流體通道102和冷流體通道103。箱體301的直徑為0.6米，高0.7米，使用不銹鋼材料。水箱內布置兩層隔板101，分別位為0.23米和0.46米的高度。隔板使用絕熱性能良好的硬泡沫塑料板。每個隔板101上裝有兩個冷流體通道103和一個熱流體通道102。冷流體通道103高度5厘米，直徑2厘米，軸對稱布置，距軸心0.25米。熱流體通道102位于隔板中央，并且下層熱流體通道102向上延伸至上層隔板底面，從而使得最下層空間與最上層空間直接連通。上下層隔板的冷熱流體通道102直徑相等，為0.3米。上層隔板的熱流體通道102高5厘米。該蓄熱水箱通過內置式換熱器303與太陽能集熱器回路的傳熱工質進行熱量交換。換熱器303使用螺旋管式換熱器。換熱器303位于水箱中央，貫穿上下熱流體通道構成的筒體。其中，螺旋管管徑2厘米，螺距5厘米，直徑20厘米，共13匝。水箱通過熱負荷出水口 305向熱用戶供給熱量，通過熱負荷回水口 306回收冷卻水。蓄熱水箱外設有保溫層304，保溫層304使用巖棉材料，厚度為5厘米。
[0031]蓄熱過程中，太陽能集熱器回路中的傳熱工質通過螺旋管內部，向水箱中的水傳熱。水在熱流體通道內吸收熱量，溫度上升，從水箱的底層直接流向頂層。由于壓力作用和密度差的原因，水箱內其他空間溫度較低的水通過冷流體通道向水箱下部運動，形成環(huán)流。在保溫過程中，近壁面的水向外界散熱，溫度降低，通過冷流體通道向下流動，其他部位的水通過熱流體通道向上方運動。釋熱過程中，蓄熱水箱內的水從熱負荷出水管305流出，向熱用戶提供熱量，自身溫度下降，然后從熱負荷回水管306流回到蓄熱水箱中。
[0032]實施例3
[0033]如圖4所示，該實施例為使用外包覆式換熱器的蓄熱水箱，其中蓄熱水箱內部的隔板及冷熱流體通道的設置方式如圖1所示。該蓄熱水箱由箱體401、內部隔板101、外包覆式換熱器403、保溫層404，以及必要的水管和閥門組成，隔板101上設置有熱流體通道102和冷流體通道103。箱體401的直徑為0.6米，高0.7米，使用不銹鋼材料。水箱內布置兩層隔板101，分別位為0.23米和0.46米的高度。隔板使用絕熱性能良好的硬泡沫塑料板。上層隔板裝有兩組流體通道，冷熱流體通道數量相等。通道高度5厘米，直徑2厘米。流體通道軸對稱布置，其中冷流體通道距軸心0.25米，熱流體通道距軸心0.15米。下層隔板裝有兩個冷流體通道和一個熱流體通道。其中冷流體通道高度5厘米，直徑2厘米，軸對稱布置距軸心0.25米，熱流體通道高5厘米，直徑2.8厘米，位于隔板中心位置。冷、熱流體通道的總流通面積相等。該蓄熱水箱通過外包覆式換熱器403與太陽能集熱器回路的傳熱工質進行熱量交換。水箱通過熱負荷出水口 405向熱用戶供給熱量，通過熱負荷回水口 406回收冷卻水。蓄熱水箱外設有保溫層404，保溫層404使用巖棉材料，厚度為5厘米。
[0034]蓄熱過程中，太陽能回路的傳熱工質流入外包覆式換熱器，通過水箱側壁面向水箱內部的水傳熱。水在水箱側壁面處吸收熱量，溫度上升，從水箱的下層流入上層。由于密度差的原因，水箱內其他空間溫度較低的水通過冷流體通道向水箱下部運動，形成環(huán)流。在保溫過程中，近壁面的水向外界散熱，溫度降低，通過冷流體通道向下流動，其他部位的水通過熱流體通道向上方運動。釋熱過程中，蓄熱水箱內的水從熱負荷出水管405流出，向熱用戶提供熱量，自身溫度下降，然后從熱負荷回水管406流回到蓄熱水箱中。
[0035]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的范圍之內。
【權利要求】
1.一種新型結構的蓄熱水箱，在所述蓄熱水箱內部沿重力方向設置若干隔板，將蓄熱水箱分為若干層，其特征在于:每個所述隔板上開有若干通水孔，對準每個所述通水孔的位置，在隔板上設置有與各所述通水孔一一對應的、且管徑與所述通水孔的孔徑相等的多個通水直管；所述多個通水直管，一部分設置在隔板的上方，一部分設置在隔板的下方；設置在隔板上方的通水直管構成熱流體通道，設置在隔板下方的管路構成冷流體通道。
2.根據權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，隔板的數量至少為兩個，相鄰隔板中的下層隔板的熱流體通道可以延伸至上層隔板，但同時上層隔板的冷流體通道不可延伸至下層隔板；或者，上層隔板的冷流體通道可以延伸至下層隔板，但同時下層隔板的熱流體通道不可延伸至上層隔板。
3.根據權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，所述隔板使用絕熱材料制成，隔板的數量至少為I個。
4.根據權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，每層隔板上的通水孔水量至少為2個，且每層隔板上布置至少一熱流體通道和至少一冷流體通道。
5.根據權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，每個隔板上設有多個冷、熱流體通道，各流體通道軸對稱布置，其中冷流體通道布置在隔板的中部，熱流體通道布置在隔板的周圍。
6.根據權利要求1至5任一項所述的新型蓄熱水箱，其特征在于，每層隔板上熱流體通道的總截面面積與冷流體通道的總截面面積相等，但是冷熱流體通道數量不一定相等。
7.根據權利要求1至6任一項所述的蓄熱水箱，其特征在于，所述蓄熱水箱的換熱器可以是外置式換熱器、內置式換熱器或者外包覆式換熱器。
8.根據權利要求1至7任一項所述的蓄熱水箱，其特征在于，所述蓄熱水箱的形狀為豎直圓柱形、球形、橢球形、圓臺形或圓錐形，或為上述幾種基本形狀的組合。
9.根據權利要求1至8任一項所述的蓄熱水箱，其特征在于，所述蓄熱水箱外設有保溫層。
【文檔編號】F24J2/46GK104006558SQ201410254138
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權日:2014年6月9日
【發(fā)明者】楊征, 陳海生, 王亮, 賀鳳娟, 盛勇 申請人:中國科學院工程熱物理研究所