CN104006558B - 一种新型结构的蓄热水箱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型结构的蓄热水箱。在传统蓄热水箱的基础上，该水箱在内部沿重力方向设有若干层隔板，将蓄热水箱分为若干层。每个隔板上开有若干孔洞。对准孔的位置，在隔板的上方或者下方接有直管，管径与孔径相等。位于隔板上方的管路构成热流体通道，位于隔板下方的管路构成冷流体通道。隔板及冷热流体通道的结构，一方面减小了水箱内部自然对流，另一方面避免了水箱内部冷热流体之间的掺混。与传统的蓄热水箱相比，该发明能够减少蓄热水箱的散热量，大幅度提高水箱的热分层程度，从而提高水箱的蓄热效率和太阳能热水系统的系统效率。

Description

一种新型结构的蓄热水箱

技术领域

本发明涉及一种蓄热水箱，尤其涉及一种可以加强其内部热分层程度的蓄热水箱。

背景技术

由于昼夜以及阴天等天气因素的影响，太阳能是一种间歇性的能源，不能在时间和数量上满足供给的要求。为此，在利用太阳能的过程中必须使用蓄热装置对吸收的太阳能进行存储。蓄热水箱就是太阳能热水系统中的能量存储装置，是该系统的重要组成部分。在蓄热过程中，太阳能集热器回路的换热工质与蓄热水箱内部的蓄热工质进行换热，将吸收的太阳能热量储存在蓄热水箱内；在释热过程中，蓄热水箱向热用户释放热量，提供热水，并且回收放热后的低温水。

蓄热水箱内部存在热分层现象。温度较高的水由于密度小，处于水箱的上部；相反，温度较低的水由于密度大，处于水箱的下部。研究表明，热分层现象有助于提高蓄热水箱的蓄热效率和太阳能热水系统的效率。带有热分层现象的水箱比普通水箱的蓄热效率可以高6％，系统效率可高20％。对于季节性蓄热，热分层水箱的年平均热效率更是可高出60％。热分层使太阳能热水系统效率提高的原因在于，一方面，热分层现象使得进入太阳能集热器进口的传热工质温度降低，从而提高了太阳能集热器的效率；另一方面，热分层现象可以缩短辅助能源供给的时间。所以，应该尽可能地提高蓄热水箱内部的热分层程度。

传统的蓄热水箱一般为竖直圆柱形筒体，内部充满蓄热水。在蓄热过程和保温过程中蓄热水受外界影响温度分布不均，在重力作用下会形成自然对流换热现象，进而形成热分层。但是，由于冷热流体的掺混和导热作用，水箱内部的热分层程度必然会受到一定的削弱。为了提高蓄热水箱和系统的效率，必须尽可能减小内部对流换热强度，避免冷热流体的掺混，提高水箱内部的热分层程度。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，提高蓄热水箱内部的热分层程度，本发明提出了一种新型结构的蓄热水箱。与传统的蓄热水箱相比，该发明的新型蓄热水箱能够大幅度提高水箱的热分层程度，从而提高水箱的蓄热效率和太阳能热水系统的系统效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种新型结构的蓄热水箱，在蓄热水箱内部沿重力方向设置若干隔板，将蓄热水箱分为若干层，其特征在于：每个所述隔板上开有若干通水孔，对准每个所述通水孔的位置，在隔板上设置有与各所述通水孔一一对应的、且管径与所述通水孔的孔径相等的多个通水直管；所述多个通水直管，一部分设置在隔板的上方，一部分设置在隔板的下方；设置在隔板上方的通水直管构成热流体通道，设置在隔板下方的管路构成冷流体通道。

每个隔板上开有若干孔洞。孔洞最少为2个。

优选的，相邻隔板中的下层隔板的热流体通道可以延伸至上层隔板，但同时上层隔板的冷流体通道不可延伸至下层隔板；或者，上层隔板的冷流体通道可以延伸至下层隔板，但同时下层隔板的热流体通道不可延伸至上层隔板。

优选的，蓄热水箱的换热器可以是外置式换热器、内置式换热器或者外包覆式换热器。

优选的，每层隔板上热流体通道的总截面面积与冷流体通道的总截面面积相等，但是冷热流体通道数量不一定相等。

优选的，蓄热水箱的形状为竖直圆柱形、球形、椭球形、圆台形、圆锥形，也可以为上述几种基本形状的组合。

优选的，蓄热水箱外有性能良好的保温层。

优选的，隔板使用具有绝热功能的材料。

在工作过程中，水箱内部温度较低的水由于密度大，向水箱下部运动。由于热流体通道的管口位置较高，冷流体只能通过冷流体通道流入下一层。同样道理，温度较高的水由于密度小，向水箱上部运动。由于冷流体通道的管口位置较低，因此热流体将只能通过热流体通道流入上一层。

当若干层隔板的冷流体通道上下贯通时，最上层隔板上方空间的冷流体将直接流入最下层隔板的下方空间，而各层空间内的热流体将逐层上升。

当若干层隔板的热流体通道上下贯通时，最下层隔板下方空间的热流体将直接流入最上层隔板的上方空间，而各层空间内的冷流体将逐层下降。

在上述过程中，一方面，隔板的存在将蓄热水箱内部空间沿重力方向分隔成若干小的空间，减小了重力方向的空间尺度，从而限制了水箱内部自然对流的程度，降低了对外的散热量；另一方面，每层隔板上冷热通道的结构将上下层间对流的冷热流体完全分隔开来，减小了冷热流体之间的掺混。通过上述两方面的作用，这种结构的蓄热水箱可以明显提高内部的热分层程度。

本发明的有益效果是：本发明由于对蓄热水箱的隔板结构进行改进，在隔板的上下表面分别设置冷热流体通道，在保证水箱蓄热功能的基础上，可以大幅度提高蓄热水箱的热分层程度，进而提高蓄热水箱的蓄热效率，并进而提高太阳能热水系统的系统效率。

附图说明

图1为本发明的设置于蓄热水箱内部的隔板及冷热流体通道结构图。

图2为使用外置换热器的蓄热水箱。

图3为使用内置换热器的蓄热水箱。

图4为使用外包覆式换热器的蓄热水箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

图1为本发明的设置于蓄热水箱内部的隔板及冷热流体通道结构图。在蓄热水箱内部沿重力方向设置若干隔板101，将蓄热水箱分为若干层，每个所述隔板101上开有若干通水孔，对准每个所述通水孔的位置，在隔板101上设置有与各所述通水孔一一对应的、且管径与所述通水孔的孔径相等的多个通水直管；所述多个通水直管，一部分设置在隔板101的上方，一部分设置在隔板101的下方；设置在隔板101上方的通水直管构成热流体通道102，设置在隔板101下方的管路构成冷流体通道103。

实施例1

如图2所示，该实施例为使用外置换热器的蓄热水箱，其中蓄热水箱内部设有如图1所示的隔板及冷热流体通道结构。该蓄热水箱由箱体201、内部隔板101、外置换热器203、保温层204，以及必要的水管和阀门组成，隔板101上设置有热流体通道102和冷流体通道103。箱体201的直径为0.6米，高0.7米，使用不锈钢材料。水箱内布置两层隔板101，分别位为0.23米和0.46米的高度。隔板使用绝热性能良好的硬泡沫塑料板。每个隔板上装有两组流体通道，冷热流体通道数量相等。通道高度5厘米，直径2厘米。流体通道102、103轴对称布置，其中冷流体通道103距轴心0.25米，热流体通道102距轴心0.15米。该蓄热水箱通过外置式换热器203与太阳能集热器回路进行热量交换。换热器203使用板翅式换热器。蓄热水箱与换热器通过热源回水管205和热源出水管206相连。水箱通过热负荷出水管207向热用户供给热量，通过热负荷回水管208回收冷却水。蓄热水箱外设有保温层204，保温层204使用岩棉材料，厚度为5厘米。

蓄热过程中，蓄热水箱内的水在泵的驱动下，从热源出水管206流入外置式换热器203，吸收太阳能集热器回路的传热工质的热量，然后从热源回水管205流入蓄热水箱，并且将热量存储在蓄热水箱内。在保温过程中，近壁面的水向外界散热，温度降低，通过冷流体通道向下流动，其他部位的水通过热流体通道向上方运动。释热过程中，蓄热水箱内的水从热负荷出水管207流出，向热用户提供热量，自身温度下降，然后从热负荷回水管208流回到蓄热水箱中。

实施例2

如图3所示，该实施例为使用内置换热器的蓄热水箱，其中蓄热水箱内部的隔板及冷热流体通道的设置方式如图1所示。该蓄热水箱由箱体301、内部隔板101、内置换热器303、保温层304，以及必要的水管和阀门组成，隔板101上设置有热流体通道102和冷流体通道103。箱体301的直径为0.6米，高0.7米，使用不锈钢材料。水箱内布置两层隔板101，分别位为0.23米和0.46米的高度。隔板使用绝热性能良好的硬泡沫塑料板。每个隔板101上装有两个冷流体通道103和一个热流体通道102。冷流体通道103高度5厘米，直径2厘米，轴对称布置，距轴心0.25米。热流体通道102位于隔板中央，并且下层热流体通道102向上延伸至上层隔板底面，从而使得最下层空间与最上层空间直接连通。上下层隔板的冷热流体通道102直径相等，为0.3米。上层隔板的热流体通道102高5厘米。该蓄热水箱通过内置式换热器303与太阳能集热器回路的传热工质进行热量交换。换热器303使用螺旋管式换热器。换热器303位于水箱中央，贯穿上下热流体通道构成的筒体。其中，螺旋管管径2厘米，螺距5厘米，直径20厘米，共13匝。水箱通过热负荷出水口305向热用户供给热量，通过热负荷回水口306回收冷却水。蓄热水箱外设有保温层304，保温层304使用岩棉材料，厚度为5厘米。

蓄热过程中，太阳能集热器回路中的传热工质通过螺旋管内部，向水箱中的水传热。水在热流体通道内吸收热量，温度上升，从水箱的底层直接流向顶层。由于压力作用和密度差的原因，水箱内其他空间温度较低的水通过冷流体通道向水箱下部运动，形成环流。在保温过程中，近壁面的水向外界散热，温度降低，通过冷流体通道向下流动，其他部位的水通过热流体通道向上方运动。释热过程中，蓄热水箱内的水从热负荷出水管305流出，向热用户提供热量，自身温度下降，然后从热负荷回水管306流回到蓄热水箱中。

实施例3

如图4所示，该实施例为使用外包覆式换热器的蓄热水箱，其中蓄热水箱内部的隔板及冷热流体通道的设置方式如图1所示。该蓄热水箱由箱体401、内部隔板101、外包覆式换热器403、保温层404，以及必要的水管和阀门组成，隔板101上设置有热流体通道102和冷流体通道103。箱体401的直径为0.6米，高0.7米，使用不锈钢材料。水箱内布置两层隔板101，分别位为0.23米和0.46米的高度。隔板使用绝热性能良好的硬泡沫塑料板。上层隔板装有两组流体通道，冷热流体通道数量相等。通道高度5厘米，直径2厘米。流体通道轴对称布置，其中冷流体通道距轴心0.25米，热流体通道距轴心0.15米。下层隔板装有两个冷流体通道和一个热流体通道。其中冷流体通道高度5厘米，直径2厘米，轴对称布置距轴心0.25米，热流体通道高5厘米，直径2.8厘米，位于隔板中心位置。冷、热流体通道的总流通面积相等。该蓄热水箱通过外包覆式换热器403与太阳能集热器回路的传热工质进行热量交换。水箱通过热负荷出水口405向热用户供给热量，通过热负荷回水口406回收冷却水。蓄热水箱外设有保温层404，保温层404使用岩棉材料，厚度为5厘米。

蓄热过程中，太阳能回路的传热工质流入外包覆式换热器，通过水箱侧壁面向水箱内部的水传热。水在水箱侧壁面处吸收热量，温度上升，从水箱的下层流入上层。由于密度差的原因，水箱内其他空间温度较低的水通过冷流体通道向水箱下部运动，形成环流。在保温过程中，近壁面的水向外界散热，温度降低，通过冷流体通道向下流动，其他部位的水通过热流体通道向上方运动。释热过程中，蓄热水箱内的水从热负荷出水管405流出，向热用户提供热量，自身温度下降，然后从热负荷回水管406流回到蓄热水箱中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种蓄热水箱，在所述蓄热水箱内部沿重力方向设置至少两个隔板，将蓄热水箱分为若干层，其特征在于：所述隔板使用绝热材料制成；每个所述隔板上开有若干通水孔，对准每个所述通水孔的位置，在隔板上设置有与各所述通水孔一一对应的、且管径与所述通水孔的孔径相等的多个通水直管；所述多个通水直管，一部分设置在隔板的上方，一部分设置在隔板的下方；设置在隔板上方的通水直管构成热流体通道，设置在隔板下方的管路构成冷流体通道；

相邻隔板中的下层隔板的热流体通道延伸至上层隔板，但同时上层隔板的冷流体通道不可延伸至下层隔板，此时，各层隔板的热流体通道上下贯通，最下层隔板下方空间的热流体将直接流入最上层隔板的上方空间，而各层空间内的冷流体将逐层下降；或者，上层隔板的冷流体通道延伸至下层隔板，但同时下层隔板的热流体通道不可延伸至上层隔板，此时，各层隔板的冷流体通道上下贯通，最上层隔板上方空间的冷流体将直接流入最下层隔板的下方空间，而各层空间内的热流体将逐层上升。

2.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，每层隔板上的通水孔 数量至少为2个，且每层隔板上布置至少一热流体通道和至少一冷流体通道。

3.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，每个隔板上设有多个冷、热流体通道，各流体通道轴对称布置，其中冷流体通道布置在隔板的中部，热流体通道布置在隔板的周围。

4.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，每层隔板上热流体通道的总截面面积与冷流体通道的总截面面积相等，但是冷热流体通道数量不一定相等。

5.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，所述蓄热水箱的换热器为外置式换热器、内置式换热器或者外包覆式换热器。

6.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，所述蓄热水箱的形状为竖直圆柱形、球形、椭球形、圆台形或圆锥形，或为上述几种基本形状的组合。

7.根据权利要求1所述的蓄热水箱，其特征在于，所述蓄热水箱外设有保温层。