一種大型太陽能蓄熱水池一體化節能取水裝置的製作方法
2023-11-10 12:52:18 2
本發明涉及太陽能熱利用技術領域，具體涉及一種大型太陽能蓄水池一體化節能取水裝置，主要解決蓄熱水池的定向取水問題。
背景技術：
太陽能的熱利用離不開太陽能蓄熱技術，其中蓄熱容積比較大，充放熱循環周期比較長(一般為一年)的稱為季節性蓄熱(長期蓄熱)。而研究表明：蓄熱效率與蓄熱容積有關，採用較大的蓄熱容積，可以適當降低蓄熱溫度，提高集熱器效率，降低熱損失。因此通常利用大型太陽能蓄熱水池(容積在200立方米以上)進行大容積蓄熱以提高太陽能利用率。
在太陽能蓄熱水池中，進蓄熱水池熱水管和蓄熱水池供熱水管通常位於水池的頂部，而出蓄熱水池冷水管和採暖回水管位於水池底部。由於水池內水的溫度在豎直方向上存在差異，這樣會導緻密度小的高溫水受浮升力上升，而密度大的低溫水下降，從而形成溫度分層的現象。這種溫度分層的現象既可使集熱器回水溫度更低，提高集熱器效率，同時又可增加熱水量的供應，提高太陽能採暖保證率。
但由於太陽能的不穩定性，水池蓄得的熱量會不時的變化，從而使水池內的溫度分層發生改變，而現有水池大多將供熱水管的位置固定，熱水只能從某一特定位置流出水池，因此所供熱水的溫度會出現波動情況，不能保持穩定，難以滿足用戶的需求。而且對於某些特定月份，如10月份，用戶不需要較高的水溫，但由於蓄熱水池的均一取水，供熱水的溫度會很高，這就造成大量的能源浪費。
技術實現要素：
針對現有的太陽能蓄熱水池存在的由於供熱水管位置固定而導致用戶不能按需取水和能源浪費的缺陷，本發明的目的在於，提供一種可根據用戶所需的水溫進行分層取水的一體化節能取水裝置，解決傳統蓄熱水池由於定向取水所造成的取水不靈活和能源浪費問題，達到一體化節能取水的目的。
為了實現上述任務，本發明採用以下技術方案：
一種大型太陽能蓄熱水池一體化節能取水裝置，包括蓄熱水池，蓄熱水池的側面設置有進水池熱水管、出水池冷水管、採暖回水管、補水管以及排汙管，蓄熱水池頂部安裝有頂蓋，頂蓋上開設有取水槽，取水槽上安裝有防塵罩；所述的蓄熱水池中設置有節能取水器，節能取水器包括在軸向上活動式連接且內徑逐漸增大的固定圓管、一根以上的中間圓管以及取水圓管，其中，固定圓管、中間圓管的兩端通透，固定圓管通過固定架安裝在防塵罩上，固定圓管的上端連接穿出防塵罩設置的水池供熱水管；所述的防塵罩中安裝有齒輪驅動機構，通過齒輪驅動機構調節所述的中間圓管、取水圓管在軸向上的位置。
進一步地，所述的齒輪驅動機構包括通過電動機驅動的齒輪，在所述的中間圓管、取水圓管的外壁上沿軸向設置有位置相對應的齒條，所述的齒輪與齒條嚙合，且齒輪與齒條之間為彈性接觸。
進一步地，所述的中間圓管、取水圓管上端的外圓周部分向軸心線方向收縮，使位於收縮部分的齒條傾斜於軸心線。
進一步地，所述的蓄熱水池的頂蓋上設置有導軌，所述的電動機通過滾輪裝配在導軌中；所述的導軌遠離節能取水器的一端設置有固定擋板，固定擋板與電動機之間設置有彈簧。
進一步地，所述的齒條在中間圓管、取水圓管外壁上對稱布設，所述的電動機在節能取水器的兩側設置兩對，每一對電動機均由一根驅動軸連接，所述的齒輪安裝在驅動軸的中部。
進一步地，所述的固定架包括在圓周方向上分布的多根固定杆，固定杆的下端設置有限位板，限位板的下表面設置有磁鐵，固定杆的側面設置有插杆；所述的固定圓管的外壁上分布有與所述的插杆配合的插孔。
進一步地，所述的固定圓管下端的外圓周上、中間圓管下端的外圓周上均設置有卡圈，所述的中間圓管上端的內圓周上、取水圓管上端的內圓周上均開設有臺階槽。
進一步地，所述的取水圓管的下端面封閉，取水圓管側面上靠近下端的位置分布有取水口，取水口的一側安裝有溫度傳感器，溫度傳感器通過數據傳輸線連接取水溫度控制器，取水溫度控制器連接所述的電動機。
本發明與現有技術相比，具有以下技術特點：
1.按需取水，解決了供水溫度與用戶所需水溫不匹配的問題
用戶可以根據自己的需求在控制器上設定溫度，控制器將水池中溫度感應器傳遞的水溫信號與設定溫度進行對比後，控制取水口移動，直到取水溫度達到設定溫度。這樣可以使供水溫度與用戶所需溫度達到一致，大大滿足了用戶的需求。
2.取水口移動範圍大，取水溫度範圍廣，能夠實現多用途應用
取水器在動力裝置的帶動下，進行大範圍伸縮，這樣可以保證取水口到達水池的任意高度，使取水溫度範圍變廣。如果取不同溫區的熱水用於不同的用熱系統，例如按溫度從低到高可以依次用於加熱生活用水，直接供暖用水和加熱洗澡水等，就能實現太陽能採暖系統的多用途應用。
3.實現了整個取水過程的一體化和自動控制，管理操作簡單
供熱水管、取水器、蓄熱水箱、動力裝置和自動控制裝置結合在一起，成為了一個整體。這使得整個系統裝置結構緊密，分工明確，無需人為控制，管理操作起來簡便易行。
4.充分利用水溫，提高了太陽能熱利用效率，節約能源
供水溫度與用戶所需水溫相一致，這樣充分利用了水池中的水溫，解決了傳統蓄熱水池均一取水所造成的能源浪費問題，大大提高了太陽能的熱利用效率，在太陽能採暖行業中推廣應用具有巨大的經濟及社會效益。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖；
圖2固定圓管的結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為側視圖，(c)為斷面圖，(d)為整體結構示意圖；
圖3為第一級中間圓管結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為側視圖，(c)為斷面圖，(d)為整體結構示意圖；
圖4為第二級中間圓管結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為側視圖，(c)為斷面圖，(d)為整體結構示意圖；
圖5取水圓管結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為側視圖，(c)為斷面圖，(d)為整體結構示意圖；
圖6節能取水器的工作原理圖一；
圖7節能取水器的工作原理圖二；
圖8節能取水器的工作原理圖三；
圖9節能取水器的工作原理圖四；
圖10齒輪與齒條的傳動過程示意圖一；
圖11齒輪與齒條的傳動過程示意圖二；
圖12齒輪與齒條的傳動過程示意圖三；
圖13齒輪與齒條的傳動過程示意圖四；
圖14為節能取水器部分的側視圖；
圖15為動力裝置的水平運動過程示意圖一；
圖16為動力裝置的水平運動過程示意圖二；
圖17為動力裝置的水平運動過程示意圖三；
圖18為電動機部分的結構三視圖；
圖19為取水溫度控制器示意圖；
圖20為固定架的結構示意圖；
圖21為實施例中蓄熱水池內溫度分層圖；
圖22為實施例中蓄熱水池內流速分布圖；
1—蓄熱水池，2—節能取水器，3—進水池熱水管，4—出水池冷水管，5—採暖回水管，6—水池供熱水管，7—補水管，8—排汙管，9—水泵，10—固定架，101—固定杆，102—限位板，103—插杆，11—防塵罩，11a—檢查門，12a—固定圓管，12b—第一級中間圓管，12c—第二級中間圓管，12d—取水圓管，13—磁鐵，14—取水口，15—溫度傳感器，16—數據傳輸線，17—取水溫度控制器，17a—數據線連接端，18—電動機，19—齒輪，19a—齒條，20—彈簧，21—滾輪，22—導軌，23—固定擋板，24—取水槽，25—頂蓋，26—卡圈，27—臺階槽。
具體實施方式
遵從上述技術方案，如圖1所示，本發明給出了一種大型太陽能蓄熱水池一體化節能取水裝置，包括蓄熱水池1，本實施例中，蓄熱水池1為矩形結構，但實際應用時不限於矩形結構；蓄熱水池1的側面設置有進水池熱水管3、出水池冷水管4、採暖回水管5、補水管7以及排汙管8，其中，進水池熱水管3的一端與太陽能集熱器連接，用於將太陽能集熱器產生的熱水送入蓄熱水池1，而所述的出水池冷水管4則將蓄熱水池1中的回水送回到太陽能集熱器，構成熱水輸送的水循環；二者安裝在蓄熱水池1的同一側，進水池熱水管3位置較高；補水管7的作用是向蓄熱水池1內部補充自來水，以補充蓄熱水池1中由於各種原因而減少的水量；排汙管8的作用是在蓄熱水池1檢修時排空水池中的水，二者安裝在蓄熱水池1側面下部位置。上述的每個管道中均設置有閥門，根據需要調整閥門的開度。
蓄熱水池1頂部安裝有頂蓋25，將蓄熱水池1的上端封閉；頂蓋25上開設有取水槽24，取水槽24上安裝有防塵罩11；防塵罩11用於保護節能取水器2，並可防止雜物掉落進蓄熱水池1中。所述的蓄熱水池1中設置有節能取水器2，節能取水器2包括在軸向上活動式連接且內徑逐漸增大的固定圓管12a、一根以上的中間圓管以及取水圓管12d，其中，固定圓管12a、中間圓管的兩端通透，中間圓管可以設置多級(根)，視實際情況而定。固定圓管12a通過固定架10固定安裝在防塵罩11上，以保證整個節能取水器2的穩定，固定圓管12a的上端連接穿出防塵罩11設置的水池供熱水管6；水池供熱水管6內部安裝有水泵9，給取水提供動力。採暖回水管5連接在蓄熱水池1的下部，將採暖回水送回到水池中。所述的防塵罩11中安裝有齒輪驅動機構，通過齒輪驅動機構調節所述的中間圓管、取水圓管12d在軸向上的位置。由於固定圓管12a、中間圓管和取水圓管12d採用級聯的方式，其整體可看作一個伸縮套筒結構，而通過齒輪驅動機構，可使伸縮套筒進行伸縮，由此改變取水圓管12d在水池中的上下位置，這樣可以水池中不同位置的熱水取出。
參見圖2至圖5，給出了本發明中用到的幾種圓管類型。本實施例中，中間圓管設置了兩根，分別為第一級中間圓管12b、第二級中間圓管12c，兩級中間圓管的結構相同，尺寸不同。固定圓管12a採用固定架10安裝在防塵罩11上，具體地，固定架10包括在圓周方向上分布的多根固定杆101，固定杆101的下端設置有限位板102，限位板102的下表面設置有磁鐵13，磁鐵13的作用是吸附中間圓管的上端，使中間圓管在未受到電動機18驅動時，能吸附在固定擋板23上，從而減小齒輪19齒條19a系統在軸向上受到的壓力，減輕驅動裝置和傳動裝置的負擔。固定杆101的側面設置有插杆103；所述的固定圓管12a的外壁上分布有與所述的插杆103配合的插孔，通過圓周方向上分布的多根固定杆101上的插杆103，插入到固定圓管12a外壁上的插孔中，將固定圓管12a與防塵罩11進行固定安裝。
本方案中，齒輪驅動機構包括通過電動機18驅動的齒輪19，在所述的中間圓管、取水圓管12d的外壁上沿軸向設置有位置相對應的齒條19a，這裡的位置相對應是指所有圓管上的齒條19a均位於一個面中，如圖15所示，在節能取水器2的橫斷面中，所有齒條19a位於一條直線上，這樣是為了使齒條19a始終能與齒輪19很好地配合。所述的齒輪19與齒條19a嚙合，且齒輪19與齒條19a之間為彈性接觸。本方案中的齒條19a，可以是鋪設在圓管外壁上的齒條19a，或者是加工在圓管外壁上的齒條19a。中間圓管、取水圓管12d上端的外圓周部分向軸心線方向收縮，使位於收縮部分的齒條19a傾斜於軸心線。如圖3至圖8所示，中間圓管、取水圓管12d的結構基本相同，在這兩種圓管的上端位置，圓管的外徑沿軸線方向逐漸收縮，這樣收縮的部分與圓管的軸心線之間形成了一定的夾角，這個夾角優選為45°～90°。齒條19a布設或加工到這段時，將使得收縮部分的齒條19a也發生傾斜，這樣設置的目的是，當齒輪19與圓管上外徑收縮部分的齒條19a接觸時，有利於兩級圓管之間的平穩過渡，也對齒輪驅動機構形成了有效的保護。齒輪19採用固定安裝的方式，當齒輪19轉動時，將帶動整個節能取水器2的某一節圓管運動，從整體看來，就是使得節能取水器2進行伸縮，由此將取水圓管12d最終調節至合適的位置。
如圖6所示，取水圓管12d的下端面封閉，取水圓管12d側面上靠近下端的位置分布有取水口14，本方案中取水口14設置了四個，可保證穩定取水；取水口14的一側安裝有溫度傳感器15，溫度傳感器15通過數據傳輸線16連接取水溫度控制器17，取水溫度控制器17連接所述的電動機18；溫度傳感器15靠近取水口14設置，是為了監測取水口14所在位置的水池中的水溫，判斷水溫是否需要的溫度，並將信息傳遞給取水溫度控制器17，由控制器通過電動機18來自動調節節能取水器2上取水圓管12d的位置，從而只需要在取水溫度控制器17中設置好取水溫度，即能通過溫度反饋閉環控制來實現自動取水過程。取水溫度控制器17也可以與水泵9連接，當取水圓管12d到達合適的水溫層後，給水泵9控制信號，使水泵9開始工作。
如圖11所示，固定圓管12a下端的外圓周上、中間圓管下端的外圓周上均設置有卡圈26，所述的中間圓管上端的內圓周上、取水圓管12d上端的內圓周上均開設有臺階槽27。節能取水器2中，不同的圓管的內徑均不相同，一級套一級，當某一級圓管通過齒輪19驅動至伸長到最大位置，即該圓管的臺階槽27與該圓管內部套裝的下一級圓管的卡圈26接觸時，將帶動下一級圓管繼續沿軸向移動。因此，卡圈26和臺階槽27配合，起到不同級圓管之間伸縮承接的作用，使得圓管能一級帶動一級進行整體的伸縮，同時也起到了限位的作用。
上述的齒輪19與齒條19a之間採用彈性接觸的連接方式，是為了配合不同外徑的圓管而設置。由於圓管的外徑也不相同，因此通過一個固定的齒輪19在驅動這些圓管時，需要考慮到不同情況下齒輪19均能與圓管外壁上的齒條19a有效地接觸。在本方案中，蓄熱水池1的頂蓋25上設置有導軌22，所述的電動機18通過滾輪21裝配在導軌22中；所述的導軌22遠離節能取水器2的一端設置有固定擋板23，固定擋板23與電動機18之間設置有彈簧20。彈簧20始終保持壓縮狀態，這樣彈簧20能給電動機18一個靠近節能取水器2方向的彈力，使得齒輪19始終有效地嚙合在圓管外壁的齒條19a上。當齒輪19旋轉至不同級的圓管時，由於上述圓管上端收縮段的設置，使兩級圓管之間能有平穩過渡，而過渡到另外一個外徑較大或外徑較小的圓管外壁上以後，由於彈力的作用，使得齒輪19始終能有效與齒條19a嚙合。
如圖15至圖18所示，本方案中，齒條19a在中間圓管、取水圓管12d外壁上對稱布設，所述的電動機18在節能取水器2的兩側設置兩對，每一對電動機18均由一根驅動軸連接，所述的齒輪19安裝在驅動軸的中部。這樣設置，電動機18同步運轉，能給予齒輪19足夠的驅動力，保證節能取水器2工作的穩定。通過導軌22和滾輪21的設置，可以使得電動機18部分在水平方向上受力不能保持平衡時，可以前後移動。滾輪21採用鑲嵌的方式安裝在導軌22中，以保證電動機18部分在豎直方向上的受力平衡。
本方案的工作過程：
參見圖19，為取水溫度控制器17示意圖。這裡主要是為了展示控制器的基本功能，即設置用戶所需的供水溫度。用戶可通過「溫度+」、「溫度-」、「設定」和「取消」按鈕進行溫度設置，通過「開關」按鈕進行控制器的啟閉。兩個數據線連接端17a分別通過數據傳輸線16連接溫度傳感器15和電動機18。
通過取水溫度控制器17進行取水溫度的設置，然後驅動電動機18開始運作，運作的同時監控溫度傳感器15採集到的溫度信息，將信息與設定的溫度值進行比對，以使電動機18能將取水圓管12d驅動至正確的位置。通過齒輪19和齒條19a之間的傳動，使得取水口14上下移動，直至測定的溫度值與用戶設定的溫度值相同為止，從而達到按需取水的目的。
如圖21、圖22所示，分別為某蓄熱水池1內部縱向截面內溫度分層圖和流速分布圖。從圖中可以看出，水池中的溫度分布是由上到下遞減的，因此當測得的溫度信號比設定溫度高時，驅動取水口14向下移動，反之亦然。從圖6至圖9可以清楚地看到取水口14的下降過程(節能取水器2的伸長過程)，這些附圖清楚地展示了卡圈26和臺階槽27的配合以及其發揮的作用。
參見圖10至圖13，為齒輪19和齒條19a部分的傳動過程示意圖，圖中所示為取水口14的下降過程。剛開始，節能取水器2收縮為最短，齒輪19與取水圓管12d下部相接觸，隨著齒輪19順時針轉動，圓管開始向下移動，當其上端的收縮段部分與齒輪19接觸時，由於電動機18部分在水平方向上的受力不平衡，彈簧20將會伸長，使整個電動機18裝置向右移動，齒輪19進一步與傾斜齒條19a部分嚙合，隨後到達第二級中間圓管12c。第二級中間圓管12c受齒輪19給它向下的力後，克服磁鐵13的磁力，向下傳動，周而復始，直到第一級中間圓管12b的上端卡圈26部分與固定圓管12a下端臺階槽27部分相接觸，此時節能取水器2達到最大的伸長度(取水口14下降到最低點)。上升過程正好與之相反，不再贅述。
參見圖14，為節能取水器2的側視圖，這裡主要是為了清楚地展示齒條圓管上的齒條19a間隙及電動機18、齒輪19之間的位置關係。防塵罩11上設置有檢查門11a，從圖中可以看出檢查門11a在防塵罩11上的具體位置，檢查門11a安裝於防塵罩11靠近電動機18部分的兩側，以方便工作人員在裝置出現故障時進行檢修。
參見圖15、16和17，為動力裝置(電動機18、齒輪19和導軌22部分)的水平運動過程示意圖，這裡主要為了清楚看出動力裝置水平運動的原理及具體過程。圖中彈簧20一端固定在固定擋板23上，另一端與電動機18接觸，整個運動過程中，彈簧20始終保持受壓狀態。當齒輪19與最外面的齒條19a接觸時，兩者之間存在作用力和反作用力，動力裝置受圓管給它的反作用力和彈簧20的彈力而保持平衡。當齒輪19通過圓管的收縮段部分向另一級過渡時，由於動力裝置水平方向上的受力不平衡，彈簧20開始伸長，使動力裝置向圓管靠近，齒輪19與第二級中間圓管12c的齒條19a相嚙合，如此進行重複運動。通過圖15、16和17，可以清楚的看到動力裝置受彈簧20彈力而水平靠近圓管的過程，也可以看出動力裝置與取水裝置之間較為具體的位置關係(保證動力裝置在運動過程中不會觸碰到取水器或有掉入水池的危險)。動力裝置遠離圓管過程正好與上述相反，不再贅述。