專利名稱：局部加熱快速升溫的加熱循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱水器的加熱循環(huán)系統(tǒng)，特別適用于太陽能熱水器及電熱水器等整體加熱的熱水器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，許多熱水器都是將集熱器(或加熱器)產(chǎn)生的熱量自水箱底部導(dǎo)入，通過水的自然循環(huán)，使整個水箱中的水逐漸升溫，例如目前的太陽能熱水器和家用電熱水器都是這種方式。然而，要將整箱水加熱到可用的溫度需要較長的時間。例如太陽能熱水器在早上加滿冷水后，通常要到下午才能使用，特別是在冬季或日照不好的天氣下，有時一天的日照量都無法使水溫達(dá)到可用的程度。發(fā)明專利“分層復(fù)合循環(huán)太陽能熱水器”(申請?zhí)?0120576)和實用新型“太陽能熱水器分隔式水箱”(專利號ZL00244619.7)為解決這一問題提出了改進(jìn)方案，但都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實施成本高且容易發(fā)生故障。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是針對現(xiàn)有熱水器由于整體加熱而導(dǎo)致升溫過慢的問題，而提供的一種局部加熱快速升溫的加熱循環(huán)系統(tǒng)。在熱水器中采用新的加熱循環(huán)系統(tǒng)，使熱水器從注滿冷水到達(dá)可用溫度所需的加熱時間大為縮短，充分、合理地利用了集熱器(或加熱器)提供的熱量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是通過以下措施實現(xiàn)的。局部加熱快速升溫的加熱循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括設(shè)在水箱內(nèi)的一個受溫度控制的位置調(diào)節(jié)器、隨位置調(diào)節(jié)器上下移動的上循環(huán)水管和下循環(huán)水管、隔離罩、隔離罩內(nèi)的熱水腔、設(shè)在水箱下方的集熱器(加熱器)，所述的調(diào)節(jié)器是一個中空的調(diào)節(jié)浮子，上循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的上部，其端口為循環(huán)熱水出口；下循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的下部，其端口為循環(huán)冷水入口，上下循環(huán)水管出、入水口的高度差等于調(diào)節(jié)浮子的高度h，集熱器(加熱器)提供的熱量集中在出、入水口之間高度為h的一個薄水層中循環(huán)加熱。
所述的調(diào)節(jié)浮子的熱膨脹系數(shù)小于水的熱膨脹系數(shù)，其重量在選定的臨界可用水溫TU下恰好與水的浮力平衡，水溫低于TU，調(diào)節(jié)浮子上浮；水溫高于TU，調(diào)節(jié)浮子下沉。
所述的水箱內(nèi)的水以調(diào)節(jié)浮子下沿為界分為溫度懸殊的熱水層和冷水層兩部分，其間并無有形的隔板，且分界面會隨加熱、取用熱水或補(bǔ)充冷水的過程自動調(diào)整。
所述的調(diào)節(jié)浮子可以由熱膨脹系數(shù)小于水的材料制成(如普通玻璃)，也可以是一薄壁金屬筒，其上下底面采用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片制成，當(dāng)溫度升高時雙金屬片向內(nèi)彎曲，使調(diào)節(jié)浮子的體積縮小。
由于采用了新的加熱循環(huán)系統(tǒng)，使集熱器(或加熱器)產(chǎn)生的熱量先集中加熱水箱頂層的一小部分水，使之很快升溫到可用溫度TU，然后再使熱水層逐步加厚。在此期間，熱水層中的水溫基本保持在TU附近不再上升，新導(dǎo)入的熱量用于自上而下擴(kuò)大熱水層的厚度，直至熱水層充滿整個水箱。此后集熱器(或加熱器)提供的熱量再使整個水箱的水溫由TU開始進(jìn)一步上升，其加熱方式與傳統(tǒng)方式相同。
由于熱脹冷縮原理，水的密度會隨溫度的升高而下降，因而對相同體積物體的浮力也隨溫度的上升而下降，又由于水具有較大的熱膨脹系數(shù)，因而在不同溫度下的浮力變化是較大的，據(jù)此可以控制調(diào)節(jié)浮子的位置。當(dāng)水箱新注滿冷水時，浮力大于調(diào)節(jié)浮子的重量，調(diào)節(jié)浮子漂浮于水面，加熱水層緊貼在水面下，來自集熱器(或加熱器)的熱量集中加熱這一薄層水，使這層水很快升溫。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)很小，表層熱水中的熱量不會向下傳導(dǎo)到下部的冷水中，調(diào)節(jié)浮子以下的冷水依然保持原始冷水溫度。水箱中的水以調(diào)節(jié)浮子下沿為界，分成上部的熱水層和下部的冷水層兩個部分。
隨著水溫的上升，浮力下降，當(dāng)加熱水層的平均水溫上升到臨界溫度TU以上時，浮力小于調(diào)節(jié)浮子的重量，調(diào)節(jié)浮子開始下沉，當(dāng)調(diào)節(jié)浮子部分進(jìn)入冷水層中時，冷水較大的浮力阻止其進(jìn)一步下沉，調(diào)節(jié)浮子在新的位置上處于暫時平衡。此時加熱水層也隨之下移到一個較低的位置，熱循環(huán)在新的加熱水層中進(jìn)行，直至這一水層的平均水溫超過臨界溫度TU，調(diào)節(jié)浮子進(jìn)一步下沉。
以上過程周而復(fù)始，調(diào)節(jié)浮子實際上是連續(xù)、緩慢下沉的，熱水層也隨之連續(xù)、緩慢地加厚，直到調(diào)節(jié)浮子沉到水箱底部，熱水層充滿整個水箱。此后，來自集熱器(或加熱器)的熱量使上循環(huán)水管出水溫度進(jìn)一步升高，熱循環(huán)在整個水箱中進(jìn)行，箱中水溫整體逐漸上升，與傳統(tǒng)的加熱方式相同(見圖2曲線cd段)。
本發(fā)明最大的特點是改變了熱水器傳統(tǒng)的整體加熱循環(huán)結(jié)構(gòu)，充分、合理地利用集熱器(或加熱器)提供的熱量，使熱水器從注滿冷水到達(dá)可用溫度所需的加熱時間大為縮短，而且結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)特，制造成本低，易于實施。
(四)


圖1是傳統(tǒng)加熱循環(huán)方式下水溫隨時間的變化關(guān)系圖；圖2是本發(fā)明水箱上部的熱水層的水溫隨時間的變化關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明水箱中熱水層底部高度隨加熱時間的變化關(guān)系圖；圖4是采用本發(fā)明的太陽能熱水器沿園柱形水箱縱向剖視的結(jié)構(gòu)圖；圖5是采用本發(fā)明的太陽能熱水器沿園柱形水箱徑向剖視的結(jié)構(gòu)圖；圖6是采用本發(fā)明的太陽能熱水器上下水管與出入水口連接的示意圖；圖7是本發(fā)明使用的一種具有負(fù)溫度系數(shù)的調(diào)節(jié)浮子結(jié)構(gòu)圖；圖8是本發(fā)明試驗?zāi)Ｐ偷膶嶒灲Y(jié)果。
具體實施方式
參見圖1～圖3，假設(shè)集熱器(或加熱器)的供熱功率不隨時間改變，圖中TU是可用溫度(例如50℃)，tu是由冷水加熱到可用溫度所需的時間。比較圖1與圖2，可見在集熱器(或加熱器)供熱功率相同的條件下，本發(fā)明使熱水器從注滿冷水到達(dá)到可用溫度所需的加熱時間大大縮短，并充分、合理地利用了集熱器(或加熱器)提供的熱量。圖3是本發(fā)明水箱中熱水層底部高度隨加熱時間的變化關(guān)系圖，熱水層底部高度隨加熱時間而下降；熱水層隨加熱時間相應(yīng)加厚。
圖4～圖6是以太陽能熱水器為實施例的加熱循環(huán)系統(tǒng)。該加熱循環(huán)系統(tǒng)包括水箱以及由調(diào)節(jié)浮子1、上循環(huán)水管2、下循環(huán)水管3、隔離罩6、隔離罩內(nèi)的熱水腔12、下循環(huán)主管7、下循環(huán)支管8和太陽能集熱管9。上循環(huán)水管2的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子1的上部，其端口為循環(huán)熱水出口4，下端接在隔離罩6的接口上；下循環(huán)水管3的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子1的下部，其端口為循環(huán)冷水入口5，下端接在下循環(huán)主管7的接口上。出、入水口的高度差約等于調(diào)節(jié)浮子1的高度h，加熱循環(huán)主要在出、入水口之間高度約等于h的加熱水層內(nèi)進(jìn)行。下循環(huán)主管7兩端封閉，管上設(shè)有與各太陽能集熱管9安裝口相對應(yīng)的接口，各太陽能集熱管9均設(shè)在水箱的下方，下循環(huán)支管8位于太陽能集熱管9內(nèi)，下循環(huán)支管8的上端與下循環(huán)主管7上所設(shè)的接口相連接，下循環(huán)支管8的下端出口位于太陽能集熱管9的底部。
水箱上水管的冷水入口13和下水管的熱水出口14設(shè)在水箱底部側(cè)面，兩口處于同一水平位置。冷水直接進(jìn)入水箱底部；熱水出口14在水箱內(nèi)部與出水軟管17相連，出水軟管17的另一端安裝在水面浮子16上，始終處于水面位置。因此，從下水管流出的總是箱內(nèi)水面的熱水。如果上、下水共用一根管15，則需在出、入水口處各裝一個單向閥(如圖6所示)，以便上下水各行其道。
本發(fā)明的加熱循環(huán)過程如下加熱水層10底部較低水溫的水由下循環(huán)水管入水口5進(jìn)入，經(jīng)過下循環(huán)水管3到下循環(huán)主管7，再經(jīng)下循環(huán)支管8進(jìn)入各太陽能集熱管9底部，在太陽能集熱管9內(nèi)吸熱升溫后向上流動，進(jìn)入熱水腔12，再經(jīng)隔離罩6上的接口進(jìn)入上循環(huán)水管2，由上循環(huán)水管出水口4排入熱水層10。
新注滿冷水時調(diào)節(jié)浮子1位于箱內(nèi)水面，帶動上、下循環(huán)水管的出、入水口4和5到接近水面的位置。上述加熱循環(huán)過程只在水面下深度為h的熱水層中進(jìn)行。當(dāng)熱水層10的水溫超過臨界溫度TU時，調(diào)節(jié)浮子1開始下沉，帶動上、下循環(huán)水管出、入水口的位置下移，冷、熱水層的分界面(如圖4中虛線所示)相應(yīng)下移，熱水層10變厚，冷水層11高度變小，如圖4所示。以上過程持續(xù)進(jìn)行，直到調(diào)節(jié)浮子1沉到箱底。
圖5中調(diào)節(jié)浮子1兩側(cè)的細(xì)定位線18，用來保證調(diào)節(jié)浮子1最后能沉到圓弧形底部的最低處。
熱水器隨時可以取用熱水(只要水箱中已有部分熱水)，箱內(nèi)水面的熱水經(jīng)出水軟管17、裝有單向閥的熱水出口14及上下水管15流出水箱，箱內(nèi)水面下降，但調(diào)節(jié)浮子1的位置并不改變，直到水面下降到冷熱水分界面處，將箱內(nèi)熱水充分用盡；也可以隨時補(bǔ)充冷水，注入的冷水進(jìn)入水箱底部，冷水層加厚，將冷熱水分界面及調(diào)節(jié)浮子1的位置抬高，但新注入的冷水不會與水箱上部原有的熱水混合而使熱水降溫。
調(diào)節(jié)浮子1的熱膨脹系數(shù)必須小于水的熱膨脹系數(shù)，才能保證上述過程中浮子位置的自動調(diào)整，由于水的熱膨脹系數(shù)比較大，因此有多種做浮子的材料可供選擇，例如普通玻璃，廉價而且物理性能和化學(xué)特性都很穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^壁厚來調(diào)整浮子的重量，使之在設(shè)定的臨界溫度TU(可取在50℃-60℃之間)下與水的浮力平衡?？紤]批量生產(chǎn)中的誤差，設(shè)計重量應(yīng)略小于標(biāo)準(zhǔn)重量，然后通過微調(diào)配重達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)重量。
圖7是調(diào)節(jié)浮子1的另一種結(jié)構(gòu)薄壁金屬筒的上下底面A1和A2采用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片制成，當(dāng)溫度升高時A1、A2向內(nèi)彎曲(如圖中虛線所示)，調(diào)節(jié)浮子體積減小，浮力降低。這種浮子具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，比前述玻璃浮子具有更高的靈敏度和負(fù)載能力，只是結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。筒內(nèi)的配重物A3用來調(diào)整浮子重量到臨界狀態(tài)。
圖8是按圖4結(jié)構(gòu)制作的試驗?zāi)Ｐ?采用玻璃浮子)得出的實驗曲線，橫座標(biāo)每格5分鐘。從18.5℃的冷水開始加溫，到頂層水溫達(dá)到50℃，浮子開始下沉(圖中曲線轉(zhuǎn)折點)，只用了15分鐘。對照實驗拔掉上、下循環(huán)水管(即采用傳統(tǒng)方式整體加熱)，其他條件保持不變，從18.5℃的冷水開始加溫到50℃，需要130分鐘。
權(quán)利要求
1.一種局部加熱快速升溫的加熱循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括設(shè)在水箱內(nèi)的一個受溫度控制的位置調(diào)節(jié)器、隨位置調(diào)節(jié)器上下移動的上循環(huán)水管和下循環(huán)水管、隔離罩、隔離罩內(nèi)的熱水腔、設(shè)在水箱下方的集熱器(加熱器)，所述的調(diào)節(jié)器是一個中空的調(diào)節(jié)浮子，上循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的上部，其端口為循環(huán)熱水出口；下循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的下部，其端口為循環(huán)冷水入口；上下循環(huán)水管出、入水口的高度差等于調(diào)節(jié)浮子的高度h，集熱器(加熱器)提供的熱量集中在出、入水口之間高度為h的一個薄水層中循環(huán)加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)節(jié)浮子的熱膨脹系數(shù)小于水的熱膨脹系數(shù)，其重量在選定的臨界可用水溫TU下恰好與水的浮力平衡，水溫低于TU，調(diào)節(jié)浮子上??；水溫高于TU，調(diào)節(jié)浮子下沉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述的水箱內(nèi)的水以調(diào)節(jié)浮子下沿為界分為溫度懸殊的熱水層和冷水層兩部分，其間并無有形的隔板，且分界面會隨加熱、取用熱水或補(bǔ)充冷水的過程自動調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述的調(diào)節(jié)浮子可以由熱膨脹系數(shù)小于水的材料制成，也可以是一薄壁金屬筒，其上下底面采用不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片制成，當(dāng)溫度升高時雙金屬片向內(nèi)彎曲，調(diào)節(jié)浮子體積變小。
全文摘要
一種局部加熱快速升溫的加熱循環(huán)系統(tǒng),主要解決現(xiàn)有熱水器由于整體加熱而導(dǎo)致升溫過慢的問題。該加熱循環(huán)系統(tǒng)包括設(shè)在水箱內(nèi)的一個受溫度控制的位置調(diào)節(jié)器,該調(diào)節(jié)器是一個中空的調(diào)節(jié)浮子,上循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的上部,其端口為循環(huán)熱水出口;下循環(huán)水管的上端附掛于調(diào)節(jié)浮子的下部,其端口為循環(huán)冷水入口;上下循環(huán)水管出、入水口的高度差約等于調(diào)節(jié)浮子的高度h,集熱器(加熱器)提供的熱量集中在高度約為h的薄水層中循環(huán)加熱,使該水層由冷水加熱到可用溫度所需的時間大為縮短,充分、合理地利用了集熱器(加熱器)提供的熱量。具有結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)特,制造成本低,易于實施等優(yōu)點。
文檔編號F24J2/40GK1379217SQ0211768
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者耿曉立 申請人:耿曉立