一種新型結構的蓄熱水箱的制作方法
【專利摘要】本實用新型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(nèi)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(nèi)部自然對流，另一方面避免了水箱內(nèi)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】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種蓄熱水箱，尤其涉及一種可以加強其內(nèi)部熱分層程度的蓄熱 水箱。 一種新型結構的蓄熱水箱

【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(shù)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(zhì)與蓄熱水箱內(nèi)部的蓄熱工質(zhì)進行換熱，將 吸收的太陽能熱量儲存在蓄熱水箱內(nèi)；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(nèi)部存在熱分層現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象使得進入太陽能 集熱器進口的傳熱工質(zhì)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(xiàn)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(nèi)部的熱分層程度。
[0004] 傳統(tǒng)的蓄熱水箱一般為堅直圓柱形筒體，內(nèi)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)部對流換熱強度，避免冷熱流體 的摻混，提高水箱內(nèi)部的熱分層程度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術的缺點和不足，提高蓄熱水箱內(nèi)部的熱分層程度，本實用新型 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，本實用新型的技術方案為：
[0007] -種新型結構的蓄熱水箱，在所述蓄熱水箱內(nèi)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] 優(yōu)選地，隔板的數(shù)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。
[0009] 優(yōu)選地，所述隔板使用絕熱材料制成，隔板的數(shù)量至少為1個。
[0010] 優(yōu)選地，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。
[0011] 優(yōu)選地，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。
[0012] 優(yōu)選地，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(shù)量不一定相等。
[0013] 優(yōu)選地，所述蓄熱水箱的換熱器可以是外置式換熱器、內(nèi)置式換熱器或者外包覆 式換熱器。
[0014] 優(yōu)選地，所述蓄熱水箱的形狀為堅直圓柱形、球形、橢球形、圓臺形或圓錐形。
[0015] 優(yōu)選地，所述蓄熱水箱外設有保溫層。
[0016] 本實用新型的新型結構的蓄熱水箱，在工作過程中，水箱內(nèi)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。
[0017] 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(nèi)的熱流體將逐層上升。
[0018] 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(nèi)的冷流體將逐層下降。
[0019] 在上述過程中，一方面，隔板的存在將蓄熱水箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)部的熱分層程度。
[0020] 本實用新型的有益效果是：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，進而提高蓄熱水箱的蓄熱效率，并進而提高太陽能熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)效 率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本實用新型的設置于蓄熱水箱內(nèi)部的隔板及冷熱流體通道結構圖。
[0022] 圖2為使用外置換熱器的蓄熱水箱。
[0023] 圖3為使用內(nèi)置換熱器的蓄熱水箱。
[0024] 圖4為使用外包覆式換熱器的蓄熱水箱。

【具體實施方式】
[0025] 為使本實用新型的目的、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，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，以下所述僅為本實用新型的較佳實施 例，并不因此而限定本實用新型的保護范圍。
[0026] 圖1為本實用新型的設置于蓄熱水箱內(nèi)部的隔板及冷熱流體通道結構圖。在蓄熱 水箱內(nèi)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。
[0027] 實施例1
[0028] 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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)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。
[0029] 蓄熱過程中，蓄熱水箱內(nèi)的水在泵的驅(qū)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(zhì)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(nèi)。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(nèi)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。
[0030] 實施例2
[0031] 如圖3所示，該實施例為使用內(nèi)置換熱器的蓄熱水箱，其中蓄熱水箱內(nèi)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(nèi)部隔板101、內(nèi)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(nèi)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(nèi)置式換熱器303與太陽能集熱器回路的傳熱工質(zhì)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。
[0032] 蓄熱過程中，太陽能集熱器回路中的傳熱工質(zhì)通過螺旋管內(nèi)部，向水箱中的水傳 熱。水在熱流體通道內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。
[0033] 實施例3
[0034] 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(nèi)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(nèi)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(nèi)布置兩 層隔板101，分別位為〇. 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(shù)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〇. 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(zhì)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。
[0035] 蓄熱過程中，太陽能回路的傳熱工質(zhì)流入外包覆式換熱器，通過水箱側壁面向水 箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。
[0036] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型 的范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種新型結構的蓄熱水箱，在所述蓄熱水箱內(nèi)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(jù)權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，隔板的數(shù)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(jù)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(shù)量至少為1個。
4. 根據(jù)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(jù)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(jù)權利要求1至5任一項所述的蓄熱水箱，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(shù)量不一定相等。
7. 根據(jù)權利要求1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(nèi)置式換熱器或者外包覆式換熱器。
8. 根據(jù)權利要求1所述的蓄熱水箱，其特征在于，所述蓄熱水箱的形狀為堅直圓柱形、 球形、橢球形、圓臺形或圓錐形。
9. 根據(jù)權利要求1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】F24J2/46GK203908077SQ201420304777
【公開日】2014年10月29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