CN101086393B - 一种热管式太阳能真空集热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本、高效能、全区域的太阳能采集和应用系统，特别是采用一种低成本、高性能的热管技术，以及热管与真空玻璃管之间采用高效的换热的方法来实现对太阳能的采集以及利用，将普遍应用的铜材质热管转换为采用低成本的碳钢或铝材，这样大大的降低了总体的成本，在热管与玻璃管之间采用液体材料进行换热，这样提高了热管的整体性能，降低了成本，从而为太阳能的供暖、制冷、热水的应用提供了一种真正可以批量制造的实用技术方法。

Description

一种热管式太阳能真空集热管 

技术领域

本发明涉及太阳能的利用，特别是太阳能的采集，具体涉及太阳能的热管式真空玻璃管。 

背景技术

太阳能的低温热利用已经非常成熟，特别是直接采用真空玻璃管技术进行太阳能的采集并加以利用，这种技术方法是将水直接的通过玻璃管的内部进行加热，但是这种技术存在的问题是不能在寒冷的区域使用，而且是非承压型，为了解决寒冷区域使用问题，采用了“U”型管以及热管形式，但是“U”型管增加了泵的耗电以及结垢问题，也增加了成本；采用热管技术的主要问题是采用铜材的热管外加翅片，这样增加了很大的成本，而且普通的热管技术生产制造成本高，可靠性差，这都障碍了热管技术在太阳能的应用，同时即使采用了热管技术仍无法实现高效能的传热；也有在冬季通过电加热的方式来解决冬季冻裂的问题，这样增加了耗电，使热水的成本增加； 

在热管与真空管结合的应用上，需要解决的问题主要有三点： 

1、一种低成本、低启动温度、高可靠性的热管，并且易于批量制造； 

2、热管与真空管之间的简单连接，目前基本采用将热管与真空管之间抽真空的方式，对于热管与玻璃之间的连接，将增加很大的成本和制造难度； 

3、如何增加热管冷凝端的换热面积问题，现有的热管的蒸发端基本为1.5-1.8米，而冷凝端仅有0.1米或更小，冷凝端的换热面积不足，造成热能不能充分的传送和利用，限制了热管技术在太阳能领域的应用； 

因而，需要一种低成本、高效能的热管技术，来实现对太阳能应用，特别是在寒冷区域的利用，而且，这种热管需要便于安装和应用。 

发明内容

本发明的目的就是提供一种低成本、高效能、全区域的太阳能采集系统，特别是采用一种低成本、高性能的热管技术，以及热管与真空玻璃管之间采用高效简单连接形式；通过在热管与真空玻璃管之间增加一个套管，来实现增加冷凝端的换热面积，同时实现了二次加热，增加了系统的可靠性；将普遍应用的铜材质热管转换为采用低成本的碳钢或铝材，这样大大的降低了总体的成本. 

本发明同时提供了此种太阳能采集器件的应用，在其冷凝端设置一个集箱，同时设置一个蓄热箱体、泵、传热流体工作介质，通过泵提高的动力使传热流体工作介质进行循环，从而将通过热管式真空玻璃管的热能进行交换和利用，在蓄热箱体上，连接供暖用散热器、制冷用制冷机组以及热泵，这样可以实现利用太阳能能源来进行供暖、制冷、热水的供应，从而实现了对太阳能的利用。 

具体发明内容如下： 

一种热管式太阳能真空集热管，由真空玻璃管、热管组成，热管内部充装有热管工作介质，将热管的一端插入到真空玻璃管的内部，真空玻璃管内部与热管接触的空间填充有流体传热物质。 

通过在热管与真空管之间填充的流体传热物质，实现了使热管与真空管之间的简单连接。 

在热管与真空玻璃管之间设置有一个增大热管的冷凝面积的套管，套管的一端设置在真空玻璃管内部并与热管的一部分进行密闭连接。 

套管的一端直径与另一端不同，套管的其中一端的直径与真空玻璃管的外径相同。 

设置套管实现了增大热管的冷凝面积使得热管的换热性能增强，同时实现了二次换热，即真空管内的流体工作介质直接可以加热被加热物质，同时热管也对被加热物进行换热；套管被设置为变径的形式主要是为了可以采用现有的真空玻璃管与集箱的结合形式，便于将非热管型的太阳能热水器改变为热管型的太阳能热水器。 

热管的材质为铜、铝、不锈钢、碳钢，优选为碳钢。 

采用碳钢热管完全可以实现与铜金属管相同的传热性能，因而优选为碳钢材质的热管，这样可以大大的降低成本。 

热管内部充装的工作介质为至少下列一种：氨，氟利昂(卤代烃)，碳氢化合物(烃类)，乙醇，甲醇，丙酮，二氧化碳，水，丁烷。 

真空玻璃管内部与热管接触的空间填充有流体传热物质为至少下列一种： 

A、导热油； 

B、防冻机油； 

C、乙二醇水溶液； 

D、碳酸钙水溶液； 

E、金属颗粒。 

根据不同区域的最低温度，选择不同的水溶液的比例，保证在最低温度情况下，仍可以使得传热工作介质不结冰。 

在热管的至少一端设置有灌装部位，通过灌装部位实现对热管内部工作介质的充装和/或真空度的实现，在灌装部位优选的方式是通过单向阀进行灌装。 

采用冷排法、热排法以及抽真空法都可以实现对热管的制造，在生产成本上，采用冷排法以及采用热排法的成本将低于采用抽真空的方法，但性能方面，如果采用抽真空的技术方法，完全可以实现低真空度的真空，其性能将优于采用冷、热排法；具体采用哪种方法进行生产，需要考虑多种因素具体确定。 

热管的断面形状为下列之一：圆形、矩形、多边形、椭圆形、菱形、方形。 

热管的轴线形状是至少下列形状之一：弯曲的、蛇形、波浪形。 

在热管蒸发端和/或冷凝端的外表设计有翅片；对于碳钢的材质，采用高频焊接翅片作为优选。 

在热管的冷凝端设置有一个集箱，多个热管的冷凝端设置在集箱内部，在集箱上还至少设置有一个被加热物质的出口和一个被加热物质的进口，使被加热的流体介质通过进口进入后与热管的冷凝端进行换热后从出口流出。 

还设置有至少一个蓄热器，一种传热流体介质和一个泵，传热流体介质通过泵提供的动力来实现循环，通过与集箱内部热管冷凝端进行换热实现对太阳能的热能的交换。 

将多个集箱的进口进行串联或并联，多个出口之间也相应的进行串联和并联，实现与集箱内部的热管的冷凝端进行换热，实现太阳能的利用。 

蓄热器至少与下列一种设备进行连接，实现对太阳能的利用： 

A、散热器； 

B、热泵； 

C、热制冷设备； 

D、热水设备。 

在将蓄热箱体中的高温热能利用使得蓄热箱体内部的温度降低后，采用热泵技术继续将剩余的低温热能加以利用，这样使得太阳能吸收的热能得以充分的利用。 

附图说明

图中的数字含义如下： 

1：热管，2：套管，3：真空玻璃管，4：热管工作介质，5：液体传热物质，6：被加热液体，7：灌装部位(单向阀)，8：变径套管，9：集热系统，10：蓄热器，11：循环泵，12：散热器；13：密封圈；14：被加热的液体进口，15：被加热的液体出口；16：集箱。 

图1：真空玻璃管与热管 

一个热管1，在其上加工有一个套管2，热管1的一端设置在真空玻璃管3内部，在真空玻璃管3内部与热管1接触的部位，填充有液体工作介质5，在套管内部有被加热的液体6，通过设置在真空玻璃管上的太阳光选择镀层将太阳能转化为热能，热能通过加热真空玻璃管内的液体工作介质5将热能传送到热管的蒸发端，热管的蒸发端将热能传递到热管的冷凝端，同时，填充的液体工作介质5通过温差微动循环将热能传送到真空玻璃管的上部，上部的热能通过设置在热管外部的套管与被加热的液体6进行换热，这样被加热的液体通过热管和套管的双重加热，实现了热能的高效的传递与交换，实现了对太阳能的高效利用。 

图2：真空玻璃管、热管与集热箱体的连接 

将套管2的一端设置成为与真空玻璃管3的外径相同的尺寸，这样可以直接将套管2插入到集箱内部，可以不改变现有真空玻璃管与集箱的尺寸，直接加装热管，而将现有的非热管的太阳能热水器改造为热管型太阳能热水器；这种套管结构为变径套管8(套管的直径一段与另一端不同)，其与真空玻璃管相同外径的套管，直接的插入到集箱内部，在套管与真空玻璃管通过橡胶圈13进行连接，实现了太阳能的高效利用； 

图3：太阳能热水器 

将多个热管1与玻璃真空集热管3连接到一个集16上，集箱上设置有一个进口14和一个出口15，实现对太阳能的利用； 

图4：太阳能热水应用系统 

通过多个太阳能热水器9的串联，连接到一个蓄热箱体10上，由泵11提供强制循环，通过散热器12实现对建筑的供暖。 

此种结构的太阳能应用的优点为： 

1、通过实验证明，采用碳钢热管以及铜热管的传热性能相同，同时采用热管传热与采用真空玻璃管直接传热的效果相同，对于特殊的工作介质，采用热管的性能要高于不采用热管的结构，可见此种技术方法完全实现了高效、低成 本的对太阳能的利用。 

2、采用碳钢管的材质使热管的价格可以比铜降低8倍，这样可以实现了低成本的热管技术，使得热管技术可以在太阳能低温供暖领域得以普遍应用，进而使太阳能热水技术可以在寒冷的区域使用，从而实现太阳能的供暖以及热水、制冷的地产全面建筑能源应用。 

3、采用套管的方式，增加冷凝端的面积以及实现了二次换热，使得被加热的液体通过热管和套管进行二次加热，增加了整体的性能，即使热管失效，仍可以通过套管换热，增加了系统的可靠性。 

4、在冬季供暖应用中，采用先将热量通过泵进行循环，在蓄热器的热能进行供暖，对于低于室温的热能，通过采用热泵技术，将热能再次利用，这样使得太阳能得到彻底的应用。 

5、采用低成本的“冷排法”制造热管，可以降低成本，利于量产。 

6、对于热管与真空管之间的连接，采用简单连接方式，不必进行抽真空密闭，便于安装，减少了成本。 

具体实施方式

实施案例一：带有变径套管的热管式真空集热管 

参看图1所示，采用外径为54MM，长度为1.8米的真空玻璃管(1)，将变径套管(2)的一端加工成为外径为54MM，另一端为25MM，材质采用碳钢或不锈钢，热管(1)采用材质为碳钢的无缝钢管，直径为16MM，长度为17MM，其内部装有工作介质4为制冷工作介质R134A，这样可以直接将套管2插入到集箱内部，可以不改变现有真空玻璃管与集箱的尺寸，直接加装热管，而将现有的非热管的太阳能热水器改造为热管型太阳能热水器； 

实施案例二：热管式太阳能热水器 

参看图3所示，采用16根真空玻璃管，其直径为54MM，长度为1.8米，一个150升的集箱，在真空玻璃管内部设置有热管，热管的直径为10MM，长度为1.5米，采用16个变径套管，材质为不锈钢，其直径较大的一端为54MM，直接可以将不锈钢的套管插入到集箱内部，构成热管式太阳能热水器； 

实施案例三：热管式太阳能热水器 

参看图4所示，采用两组16根的太阳能集热器9，将其串联，其热能通过蓄热器进行储存，在蓄热器内，设置有辅助电加热系统；通过循环泵11将热能进行传递到散热器12上，实现对建筑的供暖。 

Claims (8)

1.一种热管式太阳能真空集热管，由真空玻璃管、热管组成，热管(1)内部充装有热管工作介质(4)，将热管(1)的一端插入到真空玻璃管(3)的内部，真空玻璃管(3)内部与热管接触的空间填充有流体传热物质(5)，其特征是：在热管(1)与真空玻璃管(3)之间设置有一个增加热管冷凝端换热面积的套管(2)，套管(2)的一端设置在真空玻璃管内部并与热管密闭连接。

2.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：套管(2)的一端直径与另一端不同，套管(2)的其中一端的直径与真空玻璃管的外径相同。

3.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：热管(1)的材质为铜、铝、不锈钢、碳钢。

4.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：热管(1)内部充装的工作介质(4)为至少下列一种或其混合物：氨，氟利昂，碳氢化合物，乙醇，甲醇，丙酮，二氧化碳，水；

真空玻璃管内部与热管接触的空间填充有流体传热物质(5)为至少下列一种：

A、导热油；

B、防冻机油；

C、乙二醇水溶液；

D、碳酸钙水溶液；

E、金属颗粒。

5.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：在热管(1)的至少一端设置有灌装部位(7)，通过灌装部位(7)实现对热管内部工作介质(4)的充装和/或真空度的实现。

6.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：热管的断面形状为下列之一：圆形、矩形、多边形、椭圆形、菱形；

热管的轴线形状是至少下列形状之一：蛇形、波浪形。

7.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：在热管蒸发端和/或冷凝端的外表设计有翅片。

8.根据权利要求1所述的热管式太阳能真空集热管，其特征是：在热管的冷凝端设置有一个集箱(16)，多个热管的冷凝端设置在集箱内部，在集箱上还至少设置有一个被加热物质的出口(14)和一个被加热物质的进口(15)，使被加热的流体介质通过进口进入后与热管的冷凝端进行换热后从出口流出。

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