無水箱真空管太陽能熱水器及其水處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型總體上涉及太陽能熱水器，特別是使用硫酸鋁的溶解熱儲存能量的無水箱真空管太陽能熱水器，以及一種把在真空管中儲存的能量轉(zhuǎn)移到流水的水處理裝置。該系統(tǒng)可以不用熱水儲能罐而正常運(yùn)作。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，絕大多數(shù)的太陽能熱水器，無論是用平板集熱器，還是用真空管集熱器，熱水貯存箱是一個(gè)基本組成部分，因?yàn)殛柟馐情g歇性的。為了在沒有陽光的夜間和陰天保持水的溫度，熱水箱容量必須足夠大，一般是100升至250升。在對流式太陽能熱水器系統(tǒng)中，熱水箱必須放在太陽輻射收集器的上端。熱水箱的重量集中的作用于屋頂?shù)男K面積上。如果熱水箱不高于太陽輻射收集器，就必須有電動(dòng)栗。電動(dòng)栗，控制單元，連接太陽熱能收集器和熱水箱之間的管道和閥是昂貴的，并且需要頻繁的維修和保養(yǎng)。
[0003]作為太陽能輻射收集器的玻璃真空管本身是優(yōu)異的熱能存儲設(shè)備。對于熟悉太陽能熱水器的人員，很明顯，真空管可用于存儲能量。因此，只用一組真空管，不用熱水箱，就可能形成一個(gè)完整的太陽能熱水器。這樣的設(shè)計(jì)是很有利的:與具有熱水箱的對流驅(qū)動(dòng)的一體式太陽能熱水器相比較，總的結(jié)構(gòu)簡化了，屋頂上的機(jī)械壓力降低了，而且均勻分布。與分體的太陽能熱水器相比較，電動(dòng)栗和控制單元可以取消；因此，該系統(tǒng)可以不需要維護(hù)。然而，通過使用水的顯熱儲存熱能，體積必須非常大，必須使用直徑非常大的真空管。因此，為了形成無水箱的太陽能熱水器，有兩個(gè)問題必須解決。首先，要找到一種具有以下性質(zhì)的熱能量存儲介質(zhì):(I)在水溫度的上段，熱容量比水大得多；(2)在熱循環(huán)下沒有遲滯或不一致的現(xiàn)象；(3)價(jià)格便宜；和(4)無毒性。第二，要設(shè)計(jì)一個(gè)具有以下性質(zhì)的自動(dòng)把對存儲在真空管內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)移到流水中的水處理裝置:(I)不需要電；(2)依靠物質(zhì)本身的性質(zhì)自動(dòng)控制；(3)確保盡可能高的效率；(4)盡量減少熱損失；(5)生產(chǎn)成本低廉；(6)安裝方便。本實(shí)用新型的目的就是為了為解決上述問題，來形成無水箱的真空管太陽能熱水器。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]首先，本實(shí)用新型公開了一種新穎的熱能儲存介質(zhì):利用硫酸鋁的溶解熱儲能。直接實(shí)驗(yàn)表明，在70°C至90 0C的溫度范圍內(nèi)，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)的硫酸鋁溶液每單位體積的熱容量是水的熱容量的2倍以上。因此，儲存的熱能所需要的體積減少到二分之一以下。然后，本實(shí)用新型公開了滿足前面的段落中所有的要求的水處理裝置的設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0005]圖1示出硫酸鋁的溶解度數(shù)據(jù)。
[0006]圖2示出硫酸鋁的溶解度的曲線圖。
[0007]圖3示出硫酸鋁溶液的理論熱容量。
[0008]圖4示出硫酸鋁溶液的實(shí)驗(yàn)冷卻曲線。
[0009]圖5A-5E示出含硫酸鋁溶液的塑料膠囊，和如何放置在真空管中。
[0010]圖6示出熱能存儲膠囊的生產(chǎn)過程。
[0011]圖7示出了水處理裝置。
[0012]圖8示出了整個(gè)的太陽能熱水器系統(tǒng)。
[0013]圖9示出一個(gè)安裝在屋頂上的無水箱太陽能熱水器。
【具體實(shí)施方式】
[0014]目前，最流行的太陽熱能收集器是玻璃真空管集熱器。每年有兩億多支玻璃真空管被生產(chǎn)和安裝。每個(gè)真空管由外玻璃管和內(nèi)玻璃管構(gòu)成。兩個(gè)玻璃管之間是真空。在內(nèi)玻璃管的外壁上涂有選擇性吸收層，以盡量多的吸收太陽輻射和盡量減少從內(nèi)玻璃管內(nèi)的物質(zhì)的熱輻射。因?yàn)樘栞椛涫情g歇性的，太陽能熱水器需要大的熱水箱來儲存熱能，容量從100升到250升。真空管是優(yōu)越的保溫設(shè)備。對于熟悉太陽能熱水器域的人員，很明顯，真空管可用于存儲能量。因此，只用一組真空管，不用熱水箱，就可能形成一個(gè)完整的太陽能熱水器。然而，通過使用水的顯熱儲存熱能，所需的體積是非常大的。因此，使用熱容量比水更大的材料是有利的。
[0015]作為能量存儲介質(zhì)，相變材料(PCM)在20世紀(jì)60年代就已開始研究，例如美國專利2677664。有許多有關(guān)PCM的書籍和文章。例如A.Sharma, V.V.Tyagi, C.R.Chen, andD.Buddhi, "Review on thermal energy storage with phase change materials andapplicat1ns", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (2009) 318-345。相變材料指的是在一個(gè)確定的溫度進(jìn)行相變，并吸收或釋放熱能的材料。一個(gè)例子是石蠟，其熔點(diǎn)為約60°C。硫酸鈉或芒硝，在32°C下改變水合物的狀態(tài)。然而，在太陽能熱水器的溫度范圍內(nèi)，只有極少數(shù)有用的PCM材料。許多鹽水合物有熔化不一致，過冷或過熱的毛病。石蠟熔化時(shí)體積發(fā)生巨大變化，使封裝變得困難。
[0016]相變材料的優(yōu)點(diǎn)是保持一個(gè)確定的溫度的能力。然而，對于太陽能熱水器，如果在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)具有高的熱容量，例如70°C至90°C，就足夠了。這里我們公開了用硫酸鋁溶解熱作為太陽能熱水器的熱能存儲介質(zhì)的方法。
[0017]硫酸鋁被廣泛應(yīng)用于廢水處理，造紙工業(yè)，食品工業(yè)。硫酸鋁的特性是眾所周知的。硫酸招的溶解度數(shù)據(jù)，載于〃 Solubilities of Inorganic and OrganicSubstances", Atherton Seidel, D.Van Norstrand C0., New York 1919, 一書中的 29 頁，如圖1所示。圖2是基于圖1的數(shù)據(jù)繪制的。數(shù)據(jù)點(diǎn)201到205是從圖1的101至105獲得。圖的左側(cè)是硫酸鋁在溶液中的重量百分比。圖的右側(cè)標(biāo)度是Al2(SO4)3.18H20在溶液中的重量百分比。Al2(SO4)3* 18H20的摩爾重量約是無水的Al2(SO4)3的兩倍。
[0018]如圖2所示，含有40%至47%硫酸鋁的水溶液系統(tǒng)具有合適的工作溫度范圍。例如，含有44.7 %硫酸鋁的系統(tǒng)，在溫度高于900C時(shí)，是純液體。當(dāng)溫度低于900C時(shí)，根據(jù)圖1中的106，硫酸鋁開始結(jié)晶成Al2(SO4)3.18H20o當(dāng)分子的動(dòng)能被凍結(jié)時(shí)，它釋放出溶解熱。在接近其熔點(diǎn)時(shí)，Al2(SO4)3.18H20的轉(zhuǎn)變焓為117.7千焦耳/摩爾，或176.7千焦耳/ 公斤，請參見〃Thermodynamic Properties and Phase Transit1ns of Salt Hydratesbetween 270 and 400 K〃，F(xiàn).Gronvold and K.K.Meisingset,Journal of ChemicalThermodynamics, 1982, pages 1083-1098。在不同溫度下 Al2(SO4)3.18Η20 的溶解熱可以從它的溶解度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，見圖3中所示的曲線301至305。
[0019]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了上述的分析，如圖4所示。在相同的試管中灌裝各種不同濃度的硫酸鋁溶液，然后讓它在相同條件下冷卻下來。從自動(dòng)溫度記錄器的溫度數(shù)據(jù)清楚地表明了熱能存儲的效果。為了進(jìn)行比較，曲線401是純水。曲線402，403和404是用于各種濃度的硫酸鋁溶液。在70°C至90°C的溫度范圍內(nèi)，硫酸鋁溶液的熱容量是水的2倍以上。通過實(shí)驗(yàn)，人們還發(fā)現(xiàn)，硫酸鋁溶液性能良好:沒有不一致融化的現(xiàn)象，無過熱和過冷。與石蠟相比，硫酸鋁溶液在溫度變化時(shí)的體積變化是非常小的。因此，封裝是容易的。此外，在國際市場上Al2 (SO4)3.HH2O的價(jià)格是每噸160美元，而石蠟的價(jià)格是每噸1400美元。
[0020]硫酸鋁不易燃，無毒，但會腐蝕金屬。儲能膠囊的合適材料是高熔點(diǎn)塑料，包括但不限于聚丙烯和高密度聚乙烯。因?yàn)楣滔嗔蛩徜X具有低的熱導(dǎo)率，為了加速熱傳導(dǎo)，封裝在小直徑的管中是有利的，如圖5A所示，其中501是管子，502是蓋子。填滿介質(zhì)503以后，管子被蓋子504密封。為了更好地將熱量從管中傳輸?shù)剿?，管的橫截面應(yīng)該精心地設(shè)計(jì)，見圖5B。橫截面包括但不限于圓形505 ;圓角矩形506 ;有兩個(gè)凹槽的圓角矩形507 ;有多個(gè)凹槽的圓角矩形508。圖5C展示如何將這些膠囊堆在一起。膠囊的角和凹槽是水通過的路徑。為快速熱傳遞，膠囊中的介質(zhì)的每個(gè)點(diǎn)與最近的水的距離應(yīng)該足夠小，比如說小于10毫米。這些膠囊被裝在真空管中。真空管的內(nèi)壁與膠囊之間充滿了水。圖f5D是真空管的橫截面圖，圖5E是真空管的垂直剖面圖。此處509是外玻璃管，510是真空，511是內(nèi)玻璃管，512是塑料膠囊與儲熱介質(zhì)，513是中央水管，514是水。圖5E中的515是一個(gè)機(jī)械支撐板。
[0021]圖6示出把儲熱介質(zhì)填充到塑料管中的連續(xù)過程。601是油浴，裝有油602，例如菜籽油。恒溫電加熱器603保持油溫在110°C和120°C之間。604是放置在油浴中的裝著硫酸鋁和水的容器，溫度保持在約100°C至110°C。因此，該介質(zhì)處于液相。電磁閥605控制液體流入塑料膠囊606。膠囊安裝在一個(gè)自動(dòng)裝配線中，如圖所示。當(dāng)膠囊走到注液口605下方時(shí)，一個(gè)預(yù)先確定的液體量607填充入膠囊608，然后，把蓋子609自動(dòng)安放在膠囊口上，并通過加熱密封，見610。
[0022]作為能量存儲介質(zhì)的硫酸鋁水溶液，在70°C至90°C之間效果最好。為了以最高的效率收集太陽輻射，減少熱損失，防止過熱，以及不使用電栗就把存儲的熱能轉(zhuǎn)移到水，本專利并公布了水處理裝置的設(shè)計(jì)，見圖7。
[0023]本專利公布的水處理裝置的中心部件