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太阳能热水器的内置导流体

阅读：543发布：2021-02-27

IPRDB可以提供太阳能热水器的内置导流体专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种太阳能热水器的内置导流体，包括管体，所述管体的外侧沿轴向均布有三条片状筋，所述管体的两端设有封头。本实用新型由于采用了上述技术方案，在不改变真空管原有结构和不增加热水器安装难度的前提下，将导流体内置固定在真空管中，使管内形成三条对流传热通道，让不同温度的水流各行其道，减少管内冷、热水之间的循环混和，使真空管获得的太阳辐射能量快速传递到水箱，减少真空管因温度过高而产生的热损，提高光热转换效率；同时，利用导流体体积的排水效果，达到明显减少管内不可用水量及提升热启动速度的目的。让技术成熟、成本低廉、普及最广的太阳能热水器更加高效地发挥节能、节水的作用。，下面是太阳能热水器的内置导流体专利的具体信息内容。

权利要求

1.太阳能热水器的内置导流体，其特征在于：包括管体，所述管体的外侧沿轴向均布有三条片状筋，所述管体的两端设有封头。

2.根据权利要求1所述太阳能热水器的内置导流体，其特征在于：所述管体由硬质塑料制成，所述三条片状筋中一条为硬质塑料条，另两条为橡胶条。

3.根据权利要求2所述太阳能热水器的内置导流体，其特征在于：所述橡胶条镶嵌于所述管体向外延伸的U形支撑条的中间。

4.根据权利要求1所述太阳能热水器的内置导流体，其特征在于：所述管体的内径为

16mm，外径为20mm。

5.根据权利要求1所述太阳能热水器的内置导流体，其特征在于：所述管体的内径为

26mm，外径为30mm。

说明书全文

太阳能热水器的内置导流体

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种太阳能热水器的内置导流体。

背景技术

[0002] 太阳能热水器由集热器、贮热水箱、控制器、管道等部件组成。集热器是太阳能热水器的核心元件，其性能的优劣直接关系到太阳能的利用效率。常用的太阳能集热器有多种结构形式及材质，其中全玻璃真空管集热器由于采用了真空夹层，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使集热器的辐射吸收达到最大，相反辐射热损则降到最低，又由于其结构简单、制造方便、可靠性强、生产成本低、适宜在低中温中运行等诸多突出的优点，在集热器产品种类中占据了很大的市场份额。

[0003] 全玻璃真空管集热器（以下简称：真空管）像一个拉长变细的暖水瓶胆。有一个一端封闭的内玻璃管（以下简称：内管）和一个同轴的外玻璃管（以下简称：外管）组成，内、外管的开口端熔封在一起，管间的夹层抽成高真空，并封入带支架的吸气剂，一方面支撑内玻璃管的封闭圆头，另一方面当吸气剂蒸散后吸收真空集热管在存放及工作过程中所释放的微量气体，选择性吸收涂层沉积在内管的外表面上。把二十根左右的真空管的开口端并排插入水平放置的圆柱形贮热水箱底部，用内胆橡胶密封圈和外筒橡胶密封圈使真空管和水箱连为一体的太阳能热水器，称为紧凑式全玻璃真空管太阳能热水器（以下简称：真空管太阳能热水器）。这种太阳能热水器始于20世纪80年代末，因其比分离式热水器简单，比平板式热水器得热效率高，很快获得了推广和普及。它的光热转换原理是：利用真空管所具有的高太阳吸收比和低发射比涂层，将吸收的太阳辐射转换成热能，加热内管，通过内管的传导作用，加热管中的冷水，再利用热水密度小、冷水密度大的特点，在管内及水箱中形成热虹吸压力，产生热水上浮、冷水下沉的自然循环，最终使整个水箱内的水温升高。

[0004] 随着太阳能热水器的广泛应用，并伴随着真空管制造技术的日趋成熟，新的设计理念不断呈现，采用新结构集热器的太阳能热水器也不断公布于众。出现了应用“热管真空管(包括全玻璃真空管内插热管和金属热管真空管)”、“U型真空管”、“CPC真空管热管”等集热器生产的太阳能热水器。但由于全玻璃真空管太阳能热水器具有结构简单，安装方便、可靠性强、造价便宜、能满足一般家庭对暖水的需求等优点，深受广大用户欢迎而没有被淘汰，相反，几十年来一直占据着市场的主导地位。

[0005] 不可否认，与热管真空管相比，全玻璃真空管太阳能热水器存在着：管热容大、热启动慢、传热和流动性差和不可用热水量比例高等不足。究其原因是真空管的冷、热水共用一个对流通道所致，这在真空管诞生后的几十年中，已被许多学者的研究所证实。据《全玻璃真空太阳能热水器内流场的影响因素分析》（工程热物理学报，2010年4月，闫素英等）的研究结论：全玻璃真空管太阳能热水器，“沿着轴线方向，从管顶部到管底部，轴向速度逐渐降低，温度均匀降低，由于冷水在沿管壁下降过程中不断被加热，未到达管底部便被管壁上部的上升流带走；在管口与水箱连接处，由于存在水箱中的冷水向管内的循环流动，使得轴向速度梯度增加，在接近箱体入口时受到从水箱回流的冷流体影响，使得流体循环受到影响，形成涡流，不利于热交换，涡流现象的存在造成了管上部、下部和中部热、冷流体的混和，使得上升流体温度降低，下降流体温度升高，有时甚至出现流体的短路，将降低对流换热效率，使得流体流动不稳定，对换热过程不利，应采取措施抑制，以确保管内对流换热流动的有序性。”

[0006] 要消除真空管的此类缺陷，必须改变现有的结构，生产新型真空管。这意味需要重新投入资金，改造原有的真空管生产线。这对当前的厂商来说还不能接受，因为，目前性能优越的全玻璃真空管太阳能热水器的日有用得热量已超过了日太阳辐照量的50%，在民用太阳能产品中太阳能的利用率算是最高的，且几十年的实践证明能满足广大家庭的日常需求。若仅仅为了提高百分之十左右的得热效率，使购买成本在原有的基础上有较大地提高，对绝大多数家庭来说也不是明智的选择。

[0007] 经过20多年的发展，全玻璃真空管在结构上没有变化。为了改进真空管太阳能热水器存在着管热容大、热启动慢、传热和流动性差和热水利用率较低等不足。出现了U型管热水系统和热管热水系统，这两种方法都是让真空管内没有水，可以解决上述问题，但同时带来了结构复杂、材料与工艺成本高等问题，因此在市场上还没有普及。

[0008] 近十年来，为了克服管热容量大、热启动慢、热水利用率较低的不足，出现了在真空管内设置“管中管”或“内插棒”的实验研究，通过减少真空管内的水量来解决上述问题；为了改善对流环境，提高对流传热效率，出现了在真空管中加装冷、热水导流管的设计构想。但由于存在“内插棒”或“导流管”位置不易固定的问题，实际的工程中并不容易实现这类方案，因此诸如此类的改进研究并没有得到太阳能热水器行业的积极响应，无法实现商品化。
实用新型内容

[0009] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种太阳能热水器的内置导流体，让太阳能热水器更加高效地发挥节能、节水的作用。

[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：太阳能热水器的内置导流体，包括管体，所述管体的外侧沿轴向均布有三条片状筋，所述管体的两端设有封头。

[0011] 作为优选，所述管体由硬质塑料制成，所述三条片状筋中一条为硬质塑料条，另两条为橡胶条。

[0012] 作为优选，所述橡胶条镶嵌于所述管体向外延伸的U形支撑条的中间。

[0013] 作为优选，所述管体的内径为16mm，外径为20mm。

[0014] 作为优选，所述管体的内径为26mm，外径为30mm。

[0015] 本实用新型由于采用了上述技术方案，在不改变真空管原有结构和不增加热水器安装难度的前提下，将导流体内置固定在真空管中，使管内形成三条对流传热通道，让不同温度的水流各行其道，减少管内冷、热水之间的循环混和，使真空管获得的太阳辐射能量快速传递到水箱，减少真空管因温度过高而产生的热损，提高光热转换效率；同时，利用导流体体积的排水效果，达到明显减少管内不可用水量及提升热启动速度的目的。让技术成熟、成本低廉、普及最广的太阳能热水器更加高效地发挥节能、节水的作用。

附图说明

[0016] 图1为本实用新型的结构示意图

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。

[0018] 图1所示为本实用新型太阳能热水器的内置导流体，包括管体1，所述管体1的外侧沿轴向均布有三条片状筋，所述管体1的两端设有封头。所述管体1由硬质塑料制成，所述三条片状筋中一条为硬质塑料条2，另两条为橡胶条3。所述橡胶条镶嵌于所述管体1向外延伸的U形支撑条4的中间。内径为16mm，外径为20mm的管体适于管径为Φ47mm的真空管；内径为26mm，外径为30mm的管体适于管径为Φ58mm的真空管。

[0019] 该内置导流体插入真空管后，利用橡胶条的弹性，一方面使导流体准确、牢固、定位于管内的轴线上，另一方面使真空管内形成相互隔离的三通道对流层，能确保对流换热流动的有序性，提高得热效率。

[0020] 确定设计参数的依据及改善对流环境的分析：根据有限空间自然对流导热的特征，不均匀的温度场造成了不均匀的密度场，而不均温度场仅发生在靠近管壁附近的薄层之内，一般为几毫米，因此夹层越薄，水升温越快，产生的浮力就越大，对流循环的速度越大，但根据流体力学规律，夹层越薄，水的粘性越明显，反过会减小对流循环速度，影响对流导热效率，综合考虑并参阅已有研究成果，决定采用7mm厚对流层（由公式：内管直径减去导流体圆柱体直径再除以2可求得薄层厚度）。一般太阳能真空集热管的安装角度是按照当地纬度士100朝南安装，以获得最多热量，由于一天中太阳相对于地球的位置自东向西不断变化，使真空管吸收阳光直射的投影面也在不断绕真空管轴线旋转，考虑相邻真空管的遮档，阳光直射投影面的旋转范围大约为1200，因此采用三通道对流循环层，可使上部二侧的对流通道随吸收太阳辐照量不同产生不同的上升对流速度，互不影响，而下部的一个对流通道由于仅吸收漫反射辐照，获取的热量远比上面二个通道少，因此，该通道水的升浮力远小于上面二个通道的升浮力，根据流体的连续性原理，下面通道的水只能从管口向管底方向流动，三通道导流体能有效抑制管口及管口附近冷水回流与热水上升所出现的随机涡流，确保对流换热流动的有序性。采用非金属材料是基于：一是非金属材料的导热系数较小，在较高温度下的产生热膨胀量较小，不会损坏真空管，同时在夜间通过热传导使热量倒流的损失可以忽略不计；二是制造简单、成本低廉，若选用耐高温塑料挤塑成型，可制成空心节省原材料，实现批量生产。导流体距管底约70mm，是考虑到管底温度较低且粘滞阻力较大，空间过小将会影响对流速度。

[0021] 首次提出在全玻璃真空管中设置三通道对流传热的设计思想，在不改变真空管原有结构和不增加热水器安装难度的前提下，将导流体内置固定在真空管中，使管内形成三条对流通道，让不同温度的水流各行其道，减少管内冷、热水之间的循环混和，使真空管获得的太阳辐射能量快速传递到水箱，减少真空管因温度过高而产生的热损，提高光热转换效率；二是，利用三通道导流体的结构，巧妙地设置橡胶密封条，从工程上解决“内插棒”或“导流管”等因不易固定，而使有关改进设想难以实际应用的问题；三是，利用导流体体积的排水效果，达到明显减少管内不可用水量及提升热启动速度的目的。

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