局部加热快速升温的加热循环系统技术方案

一种局部加热快速升温的加热循环系统，主要解决现有热水器由于整体加热而导致升温过慢的问题。该加热循环系统包括设在水箱内的一个受温度控制的位置调节器，该调节器是一个中空的调节浮子，上循环水管的上端附挂于调节浮子的上部，其端口为循环热水出口；下循环水管的上端附挂于调节浮子的下部，其端口为循环冷水入口；上下循环水管出、入水口的高度差约等于调节浮子的高度ｈ，集热器（加热器）提供的热量集中在高度约为ｈ的薄水层中循环加热，使该水层由冷水加热到可用温度所需的时间大为缩短，充分、合理地利用了集热器（加热器）提供的热量。具有结构简单、独特，制造成本低，易于实施等优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热水器的加热循环系统，特别适用于太阳能热水器及电热水器等整体加热的热水器。
技术介绍
现有技术中，许多热水器都是将集热器(或加热器)产生的热量自水箱底部导入，通过水的自然循环，使整个水箱中的水逐渐升温，例如目前的太阳能热水器和家用电热水器都是这种方式。然而，要将整箱水加热到可用的温度需要较长的时间。例如太阳能热水器在早上加满冷水后，通常要到下午才能使用，特别是在冬季或日照不好的天气下，有时一天的日照量都无法使水温达到可用的程度。专利技术专利“分层复合循环太阳能热水器”(申请号00120576)和技术“太阳能热水器分隔式水箱”(专利号ZL00244619.7)为解决这一问题提出了改进方案，但都结构复杂，实施成本高且容易发生故障。
技术实现思路
本专利技术是针对现有热水器由于整体加热而导致升温过慢的问题，而提供的一种局部加热快速升温的加热循环系统。在热水器中采用新的加热循环系统，使热水器从注满冷水到达可用温度所需的加热时间大为缩短，充分、合理地利用了集热器(或加热器)提供的热量。本专利技术的技术解决方案是通过以下措施实现的。局部加热快速升温的加热循环系统，该系统包括设在水箱内的一个受温度控制的位置调节器、随位置调节器上下移动的上循环水管和下循环水管、隔离罩、隔离罩内的热水腔、设在水箱下方的集热器(加热器)，所述的调节器是一个中空的调节浮子，上循环水管的上端附挂于调节浮子的上部，其端口为循环热水出口；下循环水管的上端附挂于调节浮子的下部，其端口为循环冷水入口，上下循环水管出、入水口的高度差等于调节浮子的高度h，集热器(加热器)提供的热量集中在出、入水口之间高度为h的一个薄水层中循环加热。所述的调节浮子的热膨胀系数小于水的热膨胀系数，其重量在选定的临界可用水温TU下恰好与水的浮力平衡，水温低于TU，调节浮子上浮；水温高于TU，调节浮子下沉。所述的水箱内的水以调节浮子下沿为界分为温度悬殊的热水层和冷水层两部分，其间并无有形的隔板，且分界面会随加热、取用热水或补充冷水的过程自动调整。所述的调节浮子可以由热膨胀系数小于水的材料制成(如普通玻璃)，也可以是一薄壁金属筒，其上下底面采用不同热膨胀系数的双金属片制成，当温度升高时双金属片向内弯曲，使调节浮子的体积缩小。由于采用了新的加热循环系统，使集热器(或加热器)产生的热量先集中加热水箱顶层的一小部分水，使之很快升温到可用温度TU，然后再使热水层逐步加厚。在此期间，热水层中的水温基本保持在TU附近不再上升，新导入的热量用于自上而下扩大热水层的厚度，直至热水层充满整个水箱。此后集热器(或加热器)提供的热量再使整个水箱的水温由TU开始进一步上升，其加热方式与传统方式相同。由于热胀冷缩原理，水的密度会随温度的升高而下降，因而对相同体积物体的浮力也随温度的上升而下降，又由于水具有较大的热膨胀系数，因而在不同温度下的浮力变化是较大的，据此可以控制调节浮子的位置。当水箱新注满冷水时，浮力大于调节浮子的重量，调节浮子漂浮于水面，加热水层紧贴在水面下，来自集热器(或加热器)的热量集中加热这一薄层水，使这层水很快升温。由于水的导热系数很小，表层热水中的热量不会向下传导到下部的冷水中，调节浮子以下的冷水依然保持原始冷水温度。水箱中的水以调节浮子下沿为界，分成上部的热水层和下部的冷水层两个部分。随着水温的上升，浮力下降，当加热水层的平均水温上升到临界温度TU以上时，浮力小于调节浮子的重量，调节浮子开始下沉，当调节浮子部分进入冷水层中时，冷水较大的浮力阻止其进一步下沉，调节浮子在新的位置上处于暂时平衡。此时加热水层也随之下移到一个较低的位置，热循环在新的加热水层中进行，直至这一水层的平均水温超过临界温度TU，调节浮子进一步下沉。以上过程周而复始，调节浮子实际上是连续、缓慢下沉的，热水层也随之连续、缓慢地加厚，直到调节浮子沉到水箱底部，热水层充满整个水箱。此后，来自集热器(或加热器)的热量使上循环水管出水温度进一步升高，热循环在整个水箱中进行，箱中水温整体逐渐上升，与传统的加热方式相同(见图2曲线cd段)。本专利技术最大的特点是改变了热水器传统的整体加热循环结构，充分、合理地利用集热器(或加热器)提供的热量，使热水器从注满冷水到达可用温度所需的加热时间大为缩短，而且结构简单、独特，制造成本低，易于实施。(四) 附图说明图1是传统加热循环方式下水温随时间的变化关系图；图2是本专利技术水箱上部的热水层的水温随时间的变化关系图；图3是本专利技术水箱中热水层底部高度随加热时间的变化关系图；图4是采用本专利技术的太阳能热水器沿园柱形水箱纵向剖视的结构图；图5是采用本专利技术的太阳能热水器沿园柱形水箱径向剖视的结构图；图6是采用本专利技术的太阳能热水器上下水管与出入水口连接的示意图；图7是本专利技术使用的一种具有负温度系数的调节浮子结构图；图8是本专利技术试验模型的实验结果。具体实施方式参见图1～图3，假设集热器(或加热器)的供热功率不随时间改变，图中TU是可用温度(例如50℃)，tu是由冷水加热到可用温度所需的时间。比较图1与图2，可见在集热器(或加热器)供热功率相同的条件下，本专利技术使热水器从注满冷水到达到可用温度所需的加热时间大大缩短，并充分、合理地利用了集热器(或加热器)提供的热量。图3是本专利技术水箱中热水层底部高度随加热时间的变化关系图，热水层底部高度随加热时间而下降；热水层随加热时间相应加厚。图4～图6是以太阳能热水器为实施例的加热循环系统。该加热循环系统包括水箱以及由调节浮子1、上循环水管2、下循环水管3、隔离罩6、隔离罩内的热水腔12、下循环主管7、下循环支管8和太阳能集热管9。上循环水管2的上端附挂于调节浮子1的上部，其端口为循环热水出口4，下端接在隔离罩6的接口上；下循环水管3的上端附挂于调节浮子1的下部，其端口为循环冷水入口5，下端接在下循环主管7的接口上。出、入水口的高度差约等于调节浮子1的高度h，加热循环主要在出、入水口之间高度约等于h的加热水层内进行。下循环主管7两端封闭，管上设有与各太阳能集热管9安装口相对应的接口，各太阳能集热管9均设在水箱的下方，下循环支管8位于太阳能集热管9内，下循环支管8的上端与下循环主管7上所设的接口相连接，下循环支管8的下端出口位于太阳能集热管9的底部。水箱上水管的冷水入口13和下水管的热水出口14设在水箱底部侧面，两口处于同一水平位置。冷水直接进入水箱底部；热水出口14在水箱内部与出水软管17相连，出水软管17的另一端安装在水面浮子16上，始终处于水面位置。因此，从下水管流出的总是箱内水面的热水。如果上、下水共用一根管15，则需在出、入水口处各装一个单向阀(如图6所示)，以便上下水各行其道。本专利技术的加热循环过程如下加热水层10底部较低水温的水由下循环水管入水口5进入，经过下循环水管3到下循环主管7，再经下循环支管8进入各太阳能集热管9底部，在太阳能集热管9内吸热升温后向上流动，进入热水腔12，再经隔离罩6上的接口进入上循环水管2，由上循环水管出水口4排入热水层10。新注满冷水时调节浮子1位于箱内水面，带动上、下循环水管的出、入水口4和5到接近水面的位置。上述加热循环过程只在水面下深度为h的热水层中进行。当热水层10的水温超过临界温度TU时，调节浮子1开始下沉，带动上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种局部加热快速升温的加热循环系统，其特征在于该系统包括设在水箱内的一个受温度控制的位置调节器、随位置调节器上下移动的上循环水管和下循环水管、隔离罩、隔离罩内的热水腔、设在水箱下方的集热器（加热器），所述的调节器是一个中空的调节浮子，上循环水管的上端附挂于调节浮子的上部，其端口为循环热水出口；下循环水管的上端附挂于调节浮子的下部，其端口为循环冷水入口；上下循环水管出、入水口的高度差等于调节浮子的高度ｈ，集热器（加热器）提供的热量集中在出、入水口之间高度为ｈ的一个薄水层中循环加热。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：耿晓立，
申请(专利权)人：耿晓立，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]