套管式联装高效两用水箱 【技术领域】
本发明涉及换热水箱， 特别涉及一种套管式联装高效两用水箱。背景技术 目前的热泵水箱基本都是采用桶型结构， 内部设冷凝盘管或在水胆外部盘绕冷凝 盘管而成， 也有带内衬的热泵水箱专利 (200510015722.5)， 水箱直径都大于 400mm， 而水箱 2 承压计算表达式为 ： P ＝ 2SR/D， 端盖承压表达式为 ： P ＝ (D/2) ×π×G， ( 其中 P- 可承受 压力 ； S- 钢管的公称壁厚 ； R- 该材质允许应力 ； D- 钢管的公称直径 ； G 为工作压力 )， 从计算 表达式可知， 圆桶水箱的承压与直径成反比， 大口径水箱又只能采用卷板焊接技术， 自来水 2 压力是 0.3MPa， 端部承压达到 (40/2) ×π×3 ＝ 3768kg， 钢板壁厚在 2.8mm 以上， 焊接应 力部位仍然容易过早开裂 ； 制冷剂的工作压力高达 2.4 ～ 2.6MPa， 壁厚可想而知， 上述 100L 2 的水箱换热面积仅 1m 左右， 为了增加水胆强度及制冷剂流动， 该技术要把水胆压出凹坑通 道， 由于单孔截面积必须大于压缩机出口面积， 上述方式又使换热冷媒容积率过高， 低温无 法使用 ； 水胆采用不锈钢时， 由于不锈钢中的主要防腐元素镍焊接受热后迁移， 进一步加剧 水箱焊口过早腐蚀损坏， 成为短命产品， 上述技术在工装工艺上较难实现， 不具备工业实用 性。
而诸如专利号为 200720048983.1 提供的换热水箱以及其他一些公开技术， 水箱 由两个以上内桶构成， 其结构的限制只能将铜管盘绕在水箱内部或水胆外部， 制冷剂在一 个 O 型管路或 D 字型管路中流动时， 只有紧贴管壁内侧 ( 约占总流量 10％ ) 的制冷剂在进 行换热， 其余中心部分 90％的制冷剂气体都在无效流动 ； 采用直径 10mm， 盘绕 30m 铜管， 制 2 冷剂流动阻力已经很大， 但换热面积还不足 1m ， 无法满足 3000W 以上热泵机组换热， 由于盘 3 管内制冷剂容积量已达 1500cm ， 小机组空调又无法满足冷媒需求。
上述水箱在 -20℃气温下， 制冷剂会全部变成液体阻滞在水箱盘管中， 导致系统无 法工作， 因此国内外所有空气能热泵热水器无一不标明 ： 气温低于 -10℃时， 由电热管辅助 加热， 并且加热水温高于 30℃时， COP ≤ 1。而且这种落地结构的水箱安装在卫生间内， 不 仅占用住宅面积大， 还要在箱体外连接热水出口、 冷水进口、 制冷剂进口、 制冷剂出口、 热水 过压溢流口等管路， 极不美观。同时现有真空管太阳能热水器由于电加热管设在圆桶水箱 下部， 无阳光时， 由于真空管下部的水不能被加热， 安装在北方时， 经常容易冻裂 ； 夏天水温 较高时， 还容易出现炸管现象， 无阳光时完全靠电加热， 耗能仍很大。
发明内容
针对现有的换热水箱使用寿命短、 换热效率低、 容易受环境影响等问题， 本发明提 供一种套管式联装高效两用水箱。
本发明的套管式联装高效两用水箱包括外壳和水胆， 包括外壳和装配在外壳内的 水胆， 水胆由上、 下端盖和上下端盖之间的双层金属管构成， 双层金属管由外管和内管构 成， 外管的内壁与内管的外壁之间有 0.04 ～ 0.6mm 的空隙作为制冷剂换热通道 ； 外管上部设有制冷剂进口， 下方设有制冷剂出口， 制冷剂进口和制冷剂出口均与制冷剂换热通道连 通， 水胆内部通过热水出口和冷水进口分别与出水管道和进水管道连通。
上述的制冷剂换热通道的高度与外管内径之比大于 8。
上述的制冷剂进口和制冷剂出口与制冷剂换热通道连接处均设有环形导流凹槽， 环形导流凹槽由外管扩张或由内管压缩形成。
上述的套管式联装高效两用水箱中外壳内的水胆至少为 2 个， 各水胆之间的制冷 剂进口通过管道串联在一起， 并通过管道与压缩机出口连通 ； 各水胆之间的制冷剂出口通 过管道串联在一起， 并通过管道与压缩机进口连通 ； 各水胆并排固定在一个支架上。
上述的外壳由外壳上部、 外壳中部和外壳下部构成， 外壳上部与水胆上端盖之间 设有发泡保温材料 ； 外壳下部与水胆的下端盖之间设有发泡保温材料 ； 外壳中部选用不透 明外罩、 一个侧面透明的外罩或多个玻璃管， 当外壳中部为不透明材质时， 外壳中部与外管 之间设有发泡保温材料， 当外壳中部为多个玻璃管时， 每个水胆各自位于一个玻璃管内， 玻 璃管与外管之间为真空， 此时外管的外表面上设有黑色涂层 ； 当外壳中部为一个侧面透明 的外罩时， 外管与外壳中部的不透明侧面之间用发泡保温材料填充， 外管与外壳中部的透 明侧面相对的外表面上设有黑色涂层， 外管与透明侧面之间不用保温材料填充， 此时外壳 中部分为前后两部分， 前部有黑色涂层的外管与透明侧面相对， 后部在外管和不透明侧面 之间填充保温材料， 两部分之间采用板材隔断 ； 黑色涂层用于太阳能吸热。 上述的各水胆上的冷剂换热通道水平截面积的总和大于压缩机出口的截面积。
上述的热水出口和冷水进口同时位于水胆的上端盖， 或同时位于水胆的下端盖， 或分别位于水胆的上下端盖上 ； 当热水出口和冷水进口同时位于水胆的上端盖上时， 冷水 进口在水胆内与一个管道连接， 该管道延伸至水胆内的底部 ； 当热水出口和冷水进口同时 位于水胆的下端盖上时， 热水出口在水胆内与一个管道连接， 该管道延伸至水胆内的顶部。
本发明的套管式联装高效两用水箱的制作方法为 ：
在外管中插入内管， 使外管的内径与内管的外径间隙在 0.04 ～ 0.6mm 之间， 做为 制冷剂换热通道， 通过对外管扩压或对内管挤压使管子上、 下端部形成环状制冷剂导流凹 槽， 并使内外管的上下端固定在一起形成内外管之间空隙的密封， 将上、 下端盖安装在内管 两端， 通过机械或热熔方式向内挤压形成挤压密封， 在外管上部的外侧加工有小孔并焊接 一根铝管作为制冷剂进入管路， 在下部的外侧也加工有小孔并焊接另一根细管作为制冷剂 回流管路， 在上端盖上开设热水出口， 在下端盖开设冷水进口， 形成一个水胆 ； 由多个上述 水胆并排固定在一个底脚支架上。
各上端盖的热水出口通过管道并联连接到出水口管道上， 各下端盖的冷水口通过 管道并联连接到进水口管道上， 各制冷剂进口和制冷剂出口分别并联后， 分别连接到制冷 剂进口管道和制冷剂出口管道上。
将上述连接完管道的水胆放入外壳内， 上端盖和制冷剂进口管道设置在外壳上部 内， 制冷剂进口管道穿过外壳上部与外部管道连通， 在上端盖和外壳上部之间填充发泡保 温材料 ； 下端盖和制冷剂出口管道设置在外壳下部， 制冷剂出口管道穿过外壳下部与外部 管道连通， 在下端盖和外壳下部之间填充发泡保温材料 ； 当外壳中部为不透明外罩时， 将水 胆的金属套管设置在外壳中部内并填充发泡保温材料 ； 当外壳中部为玻璃管时， 在外管的 外表面涂覆黑色涂层， 将玻璃管套在金属套管外并将金属管与外管之间的空间密封， 然后
开设真空孔并抽真空， 再将真空孔封闭 ； 当外壳中部为一个侧面透明的外罩时， 用一个隔板 将外壳中部分为两部分， 隔板与各水胆的中心在同一平面上， 在外管与不透明侧面之间填 充保温材料， 在外管与透明侧面相对的外表面上涂覆黑色涂层。黑色涂层为喷涂的抗氧化 黑漆或氧化而成的黑色吸热层， 用于吸收太阳能。
当热水出口和冷水进口同时设置在上端盖上时， 热水出口和冷水进口分别连接出 水管道和进水管道， 并穿过外壳上部与外部管道联通， 在内胆内部的冷水进口处预先焊接 一个延伸至内胆底部的管道 ； 当热水出口和冷水进口同时设置在下端盖上时， 热水出口和 冷水进口分别连接出水管道和进水管道， 并穿过外壳下部与外部管道连通， 在内胆内部热 水出口处预先焊接一个延伸至内胆顶部的管道 ； 当热水出口和冷水进口分别位于上、 下端 盖上时， 热水出口和冷水进口分别连接出水管道和进水管道， 出水管道和进水管道分别从 外壳上部和外壳下部与外部管道连通。
本发明的套管式联装高效两用水箱具有如下优点 ： 制冷剂在一个极薄的缝隙中垂 直向下流动， 不仅换热面积大， 制冷剂换热利用率高， 制冷剂垂直向下流动与热水上升方向 形成最佳对流， 而多个套管缝隙的截面积之和又大于压缩机出口管路截面积， 使压缩机输 出阻力极小， 配接小功率机组效率高， 连接大功率空调可做低温高效采暖热源。 本发明的水 箱还具有使用寿命长， 适用于多种环境等优点。实际上在 -20℃气温下， 热泵系统正卡诺循 环理论效率计算式为 ： COP ＝ Ta/Ta-To， 当蒸发温度 To 为 -20℃， 冷凝温度 Ta 为 30℃时， 换 算成绝对温度代入上式得 ： COP ＝ 303.15/(303.15-253.15) ＝ 6.06， 现有技术与理论值相 差巨大， 本发明热泵水箱系统， 以制冷剂流通的横断面来说， 单位时间内 95％以上的制冷剂 气体都在进行换热， 热泵制热效率有了一个质的飞跃。 附图说明
图 1 为本发明实施例 1 中的套管式联装高效两用水箱剖面结构示意图 ；
图 2 为本发明实施例 1 中的套管式联装高效两用水箱水胆局部剖面结构示意图 ；
图 3 为本发明实施例 2 中的管式联装高效两用水箱侧视图 ；
图中 1、 内管， 2、 外管， 3、 制冷剂换热通道， 4、 环形导流凹槽， 5、 制冷剂进口， 6、 制冷 剂出口， 7、 热水出口， 8、 冷水进口， 9、 上端盖， 10、 下端盖， 11、 发泡保温材料， 12、 底脚支架， 13、 外壳上部， 14、 外壳中部， 15、 外壳下部， 16、 进水管道， 17、 出水管道， 18、 制冷剂进口管 道， 19、 制冷剂出口管道， 20、 玻璃管， 21、 玻璃管端部的密封。 具体实施方式
实施例 1
套管式联装高效两用水箱包括外壳和水胆， 结构如图 1 所示， 水胆顶端结构如图 2 所示， 水胆由上端盖 9、 下端盖 10 和双层金属管构成， 上端盖 9 上设有热水出口 7， 下端盖上 设有冷水进口 8， 双层金属管由外管 2 和内管 1 构成， 内管 1 的上端与上端盖 9 固定在一起， 内管 1 的下端与下端盖 10 固定在一起， 外管 2 套在内管 1 外， 外管 2 的上端与内管 1 的上 端固定在一起， 外管 2 的下端与内管 1 的下端固定在一起， 外管 2 的中部内壁与内管 1 的中 部的外壁之间设有 0.04 ～ 0.6mm 的空隙形成制冷剂换热通道 3 ； 外管 2 上设有制冷剂进口 5 和制冷剂出口 6， 制冷剂进口 5 和制冷剂出口 6 通过制冷剂换热通道 3 连通。外管 2 材质为通用型 6063 拉伸铝合金管， 内径 76.2mm， 壁厚 1.5mm， 内管材质为 TA 系列纯钛管， 外径 76mm， 壁厚 1.2mm，
制冷剂换热通道 3 的高度与外管 2 内径之比大于 8。
制冷剂进口 5 位于制冷剂换热通道 3 的顶端， 制冷剂出口 6 位于制冷剂换热通道 3 的底端 ； 在制冷剂进口 5 和制冷剂出口 6 与制冷剂换热通道 3 连接处分别设有环形导流 凹槽 4， 环形导流凹槽 4 由外管 2 扩张或由内管 1 压缩形成。
套管式联装高效两用水箱中设有 5 个水胆， 各水胆之间的制冷剂进口 5 通过管道 串联连接到制冷剂进口管道 18 上， 并通过制冷剂进口管道 18 与压缩机出口连通 ； 各水胆之 间的制冷剂出口 6 通过管道串联连接到制冷剂出口管道 19 上， 并通过制冷剂出口管道 19 与压缩机进口连通， 各水胆单排固定在一个底脚支架 12 上。
各水胆的热水出口 7 通过管道串联到出水管道 17 上 ； 各水胆的冷水进口 8 通过管 道串联到进水管道 16 上。
上述的外壳由外壳上部 13、 外壳中部 14 和外壳下部 15 构成， 外壳上部 13 与上端 盖 9 之间设有发泡保温材料 11， 外壳上部 13 内还设有制冷剂进口管道 18 和出水管道 17 ； 外壳下部 15 与下端盖 10 之间设有发泡保温材料 11， 外壳下部还设有制冷剂出口管道 19 和 进水管道 16 ； 外壳中部 14 为不透明材质， 外壳中部 14 与外管 2 之间设有发泡保温材料 11。 上述的各水胆上的冷剂换热通道水平截面积的总和大于压缩机出口的截面积。
上 述 的 水 胆 的 外 管 承 压 为 (2×1.5×160Mpa)/76.2 ＝ 6.3Mpa， 内管承压 为 (2×1.2×380/2Mpa)/76 ＝ 6.5Mpa， 当 自 来 水 压 力 为 3kg 时， 端部最大承压为 2 (7.6/2) ×π×3 ＝ 136kg， 仅为圆桶型热水器的 1/27。
上述的水箱可以轻松的镶嵌在各房间的墙壁上或安装在卫生间的门后， 最大限度 的节省住宅空间， 各种管路接口从地下预埋至套管式换热水箱下部， 连接冷水进口、 热水出 口、 制冷剂进口、 制冷剂出口后， 用活动下档板密封成换热水箱一体， 美观大方。
实施例 2
套管式联装高效两用水箱同实施例 1， 不同点在于 ： 套管式联装高效两用水箱中 设有 10 个水胆， 外壳中部为一个侧面为玻璃板的外罩， 其余三个侧面为不透明材质， 外管 与玻璃板相对的侧面上设有黑色涂层， 用一个隔板将外壳中部分为两部分， 隔板与各水胆 的中心在同一平面上， 在外管与不透明侧面之间填充保温材料， 在外管与透明侧面相对的 外表面上涂覆黑色涂层。
换热面积为 0.076m×3.14m×1.8m×10 根＝ 4.3m2， 容积率 V ＝ (S1-S2)· H· N( 其 中 S1 为外管内圆面积， S2 为内管外圆面积， H 为管长， N 为根数 )， 将上述参数代入上式得 ： 3 V ＝ 432cm ， 制冷剂流通面积 S ＝ (S1-S2)·N， 将上述参数代入上式得 ： S ＝ 2.4cm2， 远大于 压缩机出口面积， 水箱容量为 82L， 本热水器适合安装在封闭的平台内， 最大可配接 9900W 空调， 做高效采暖热源或速热热水器。
水箱内管采用 TA 系列无缝纯钛管， 速热工作水温较低， 耐腐蚀性极强， 寿命可达 30 年以上。水箱外管采用耐腐蚀型号铝合金， 能够通过内管氧化及防腐， 降低成本延长寿 命。
水箱外型尺寸为 0.13 ～ 0.18m×0.7m×2m， 可以轻松的安装在封闭的平台内， 最 大限度的节省住宅空间， 各种管路接口从地下预埋至套管式换热水箱下部， 连接冷水进口、
热水出口、 制冷剂进口、 制冷剂出口后， 用活动下档板密封成换热水箱一体， 美观大方。 最大 可配接 9900W 空调， 也可以直接安装在朝阳封闭的平台上， 做热泵太阳能两用水箱。
实施例 3
套管式联装高效两用水箱水胆结构同实施例 1， 不同点在于 ： 外管采用内径 114.5mm， 壁厚 1.8mm 的通用型拉伸铝合金管， 长度为 1.8m， 外管的外表面涂有黑色涂层， 内 管采用 304 材质不锈钢管， 外径 114.4mm， 壁厚 1.6mm。
外 管 承 压 为 (2×1.8×160Mpa)/114.5 ＝ 5.03Mpa， 内 管 承 压 为 (2×1.6×380/2Mpa)/114.4 ＝ 5.3Mpa， 当 自 来 水 压 力 为 3kg 时， 端部最大承压仅为 2 (11.4/2) ×π×3 ＝ 306kg。
套管式联装高效两用水箱内设有 6 个水胆， 单排固定在底脚支架上， 水胆的总换 2 热面积为 0.114m×3.14m×1.8m×6 根＝ 3.87m ， 容积率 V ＝ (S1-S2)·H·N( 其中 S1 为外 管内圆面积、 S2 为内管外圆面积、 H 为管长、 N 为根数 )， 将上述参数代入上式得 ： V ＝ 204cm3， 制冷剂流通面积 S ＝ (S1-S2)· N， 将上述参数代入上式得 ： S ＝ 1.13cm2， 远大于压缩机出口 面积， 水箱容量为 103L。
套管式联装高效两用水箱侧视图结构如图 3 所示， 外壳上部和外壳下部与实施例 1 相同， 外壳中部为玻璃管 20， 玻璃管 20 和外管之间为真空， 玻璃管的端部与外壳上部或外 壳下部之间用玻璃管端部密封 21 隔离。
该热水器由于有真空隔热层可以直接安装在室外。