CN101290171A - 异心套管相变太阳能集热器 - Google Patents

异心套管相变太阳能集热器 Download PDF

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CN101290171A CNA2007101027196A CN200710102719A CN101290171A CN 101290171 A CN101290171 A CN 101290171A CN A2007101027196 A CNA2007101027196 A CN A2007101027196A CN 200710102719 A CN200710102719 A CN 200710102719A CN 101290171 A CN101290171 A CN 101290171A
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王亚雄
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Abstract

本发明涉及一种异心套管相变太阳能集热器，其特征是：它包括一套由两根直径不同的圆管相内切固定的套管结构，内套管的两端焊接密封，在套管的轴向穿过外套管的管壁在内套管上相间隔地焊接金属热管，各金属热管与内套管形成连通的且与外界相隔离的结构，在外套管上设进水口和出水口，在金属热管与内套管形成的连通的结构中装有热媒工作流体。其优点是：结构简单可靠，重量轻，承受压力高，选择性吸收率高，材料成本低，使用寿命长。由于特殊的结构设计，该产品不仅低温性能好，而且防冻性能优良，可以抵抗－40℃的低温。除此而外，该产品集吸热－传输－放热于一体，整体热效率极高，启动速度快，可靠性好，应用成本低，可以用于外挂民用太阳能热水器，还可以用于热水工程，太阳能辅助空调，太阳能采暖集热器等，是太阳能回收装置的突破。

Description

异心套管相变太阳能集热器
技术领域：
本发明涉及一种异心套管相变太阳能集热器，属于太阳能利用领域。
背景技术：
近10年来中国经济快速发展，人民生活不断提高，对能源的需求亦随之递增。一次能源消耗有煤、石油和天然气等化石燃料。由于我国石油储量有限，目前将近50％的原油依靠进口，加之新一轮的石油危机，煤依然是我国主要的燃料动力来源，燃煤引起的环境问题已成为我国可持续发展战略中的必须认真对待的问题。我国政府近来十分关注能源资源和环境问题，并积极采取对策，鼓励开发可再生能源和节能技术，这是我国持续发展的必经之路。太阳能是一种巨大的对环境无污染的能源，地球每秒获得的太阳能量相当于燃烧500万吨优质煤发出的能量。利用太阳能可以建成温室大棚、太阳房等节能建筑；太阳集热器作为热源可代替传统锅炉；使用太阳能热水器和太阳灶等，可节约生活燃料；太阳能还可用来淡化水、制冷、发电；太阳能电池在人造地球卫星上已被成功使用，现在开始转向地面应用。综合利用太阳能的技术，是节能降耗、合理利用能源、保护环境的有效措施之一。据报道，2008年奥运会，以游泳池为主的大多数场馆，80％将利用太阳能。
我国是世界上太阳能最丰富的国家之一，我国太阳能辐照总量大于502万千焦平方米，年日照时数2200小时的地区约占我国国土面积2/3以上，特别是西部地区，年日照时间达3000小时以上。我国利用太阳能取得了举世瞩目的成绩，其中太阳能热水器行业发展尤其迅速，正成为一个新兴产业。截止2001年底，全国太阳能热水器的厂家已经超过1000家，用户达3000多万人，总体实现产值60亿元，上缴税金2.5亿元。2000年年底，我国太阳能热水器拥有量已达2600万平方米，年替代常规能源400万吨标准煤，生产量和使用量均居世界第一。近几年来，太阳能热水器以每年递增20％至30％的速度快速增长，每年增长500万平方米。到2015年，我国太阳能电池拥有量可达320兆瓦，家庭太阳能热水器普及率可达20-30％，拥有量3.2亿平方米。据不完全统计，如果全国有1亿个家庭使用太阳能热水器，带动相关产业发展后可新增产值数千亿元。我国太阳能产业起步较晚，尚处于发展初期，与国外同行差距较大，目前太阳能的应用主要集中在低品质太阳能利用方面，国内使用的太阳能热水器主要有：闷晒式太阳热水器、平板太阳热水器、玻璃真空管太阳热水器和热管玻璃真空管太阳能热水器等。近年来也有采用塑料-水管的低端太阳能集热器的。这些低端的、以真空玻璃板/管直接走水的太阳能热水器，其缺点是保温性能差，接口多易漏水，抵抗低温能力差，易碎易爆裂，体积大，重量重，热效率较低。即使目前国内高档的真空玻璃管-热管太阳能热水器，其整体的热效率也不高，制造成本较高，性能不稳定。由于现有集热器设计原理和结构上的缺陷，极大地限制了太阳能集热器的使用环境和应用领域。所以，提高太阳能利用技术和产品质量，降低制造成本，提高使用地区的适应性，将是国内广泛推广应用太阳能热水器，进军国际市场的的关键。
发明内容：
本发明的目的是提供一种能够将太阳能吸收-转换-传输-释放-传递一体化，提高整体热回收效率；减轻重量，降低成本，提高使用寿命长；拓展太阳能集热器的使用和适用范围，在-40℃的室外条件下不冻结，简单可靠的异心套管相变太阳能集热器。
本发明的目的是由以下方式实现的：
本发明包括一套由两根直径不同的圆管相内切固定的套管结构，内套管的两端焊接密封，在套管的轴向穿过外套管的管壁在内套管上相间隔地焊接金属热管，各金属热管与内套管形成连通的且与外界相隔离的结构，在外套管上设进水口和出水口，在金属热管与内套管形成的连通的结构中装有热媒工作流体。
为了提高金属热管的吸热效率，在每根金属热管上都设有金属翅片；
在金属翅片外表面喷涂选择性涂料层。
本发明的优点是：结构简单可靠，重量轻，承受压力高，选择性吸收率高，材料成本低，使用寿命长。由于特殊的结构设计，该产品不仅低温性能好，而且防冻性能优良，可以抵抗-40℃的低温。除此而外，该产品集吸热-传输-放热于一体，整体热效率极高，启动速度快，可靠性好，应用成本低。
附图说明：
图1是本发明的结构示意参考图之一；
图2是图1的侧视参考图之一；
图3是图1的侧视参考图之二；
图4是本发明的结构示意参考图之二；
图5是本发明的结构示意参考图之三；
图6是本发明的结构示意参考图之四；
图7是本发明加装平板箱的结构示意图；
图8是本发明加装真空玻璃管的结构示意图。
具体实施方式：
参照附图1，本发明包括一套由两根直径不同的圆管1、2相内切固定的套管结构，内套管1的两端焊接密封，在套管的轴向穿过外套管2的管壁在内套管1上相间隔地焊接金属热管3，各金属热管3与内套管1形成连通的且与外界相隔离的结构，内套管1和外套管2之间形成的空腔8用于储水，在外套管2上设进水口5和出水口6，进水口5和出水口6最好设在外套管2的两端，即在外套管2的两端端口上设螺纹，利用螺纹与外部的进水管路和出水管路连接，在金属热管3与内套管1形成的连通的结构中装有热媒工作流体7。套管结构可以采用如附图2所示的结构，该种结构的特点是：1)被加热的水流经外套管，2)热媒工作流体在内套管的内表面冷凝，冷凝液回流容易，3)内套管端口密封，可靠性好，4)外套管采用螺纹连接，便于安装；也可以采用如附图3所示的在内套管1和外套管2之间设肋片9的套管结构，该种结构的特点是：1)增加肋片，强化冷水侧的传热，2)内部结构强度好，承压能力高；3)外套管端口可采用焊接密封。热媒工作流体7可采用在较低的环境温度下具有良好的吸热性能的液体，如：制冷剂、水等，热媒工作流体7在真空状态下充入。为了提高金属热管3的吸热效率，在每根金属热管上都应设有金属翅片4，在金属翅片4外表面喷涂选择性涂料层。金属翅片4可采用铜、铝合金、钢等金属材料制作，金属热管3最好采用铜管。金属热管3在结构设计方面有三种最佳选择：(1)直管型：金属热管3管头与内套管1连通，尾端密封，如附图1所示。其结构特点：每根热管相对独立，其中有一根热管用于充装热媒工作流体，可用于太阳能热水器；(2)U-形管型：如附图4或附图5所示，每两根金属热管为一组，所有热管3的管头与内套管1连通，每组热管3的尾端呈U-型连通，其结构特点：1)避免管端的封口和焊接；2)结构更可靠，成本更低；3)U-型管底部相通，可调整平衡工作流体分布；(3)连通管型：如附图6所示，所有热管3底部连通，形成热管间完全相通的多管热管结构。其结构特点：1)顶部和底部完全相通，可根据热流分布和加热率自动调整平衡工作流体分布；2)安装方式多样化，3)整体结构好；4)热传输量高。
本发明的工作原理是：在外套管中贮存或流过冷水，当太阳光照射到金属热管或选择性涂层上，被吸收的辐射能量转换成热能通过翅片传导到金属热管内部的热媒工作流体，流体吸收热量而蒸发，向上流到内套管中冷凝放出热量。同时外套管中流过的冷水通过与管壁的对流吸收热媒工作流体释放出的热量变成热水。冷凝后的热媒工作流体在重力的作用下，流回翅片金属热管内，实现蒸发-冷凝-蒸发的能量传输过程。
本发明的集热器在应用时，对外套管及金属热管采取保温措施，以提高集热器的热效率。保温措施推荐使用以下两种：(1)平板箱型：如附图7所示，采用玻璃或合成透光板制成平板箱10，将集热器安装在箱体内。适合于U-形管型和连通管型集热器；(2)真空玻璃管型：如附图8所示，在每根金属热管3外套一根真空玻璃管12，并对外套管2采取单独的保温措施11。适合于直管型集热器。
本发明不仅可以用于外挂民用太阳能热水器，还可以用于热水工程，太阳能辅助空调，太阳能采暖集热器等，是太阳能回收装置的突破。
实施例：
1.铝合金-(丙酮+乙醇)/R22/R134/R114平板型太阳热水器
结构：异心套管交换器+U-形翅片热管集热器焊接而成；
材料：AL5051；
工作流体：丙酮/乙醇/R22/R134/R114
使用温度：-40℃～180℃。
2.铜-水/丙酮/甲醇/乙醇/R22/R134/R114真空玻璃管太阳热水器
结构：异心套管交换器+直管型翅片热管集热器
材料：交换器C1100，翅片AL6061；
工作流体：水/甲醇
使用温度：-40℃～200℃。
3.钢-水平板型太阳热水器
结构：异心套管交换器+直管型+翅片热管集热器
材料：交换器：钢，翅片AL6061；
工作流体：水/除气剂
使用温度：-40℃～200℃。

Claims (7)

1、一种异心套管相变太阳能集热器，其特征是：它包括一套由两根直径不同的圆管相内切固定的套管结构，内套管的两端焊接密封，在套管的轴向穿过外套管的管壁在内套管上相间隔地焊接金属热管，各金属热管与内套管形成连通的且与外界相隔离的结构，在外套管上设进水口和出水口，在金属热管与内套管形成的连通的结构中装有热媒工作流体。
2、根据权利要求1所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：金属热管管头与内套管连通，尾端密封。
3、根据权利要求1所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：每两根金属热管为一组，所有热管的管头与内套管连通，每组热管的尾端呈U-型连通。
4、根据权利要求1所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：所有热管底部连通，形成热管间完全相通的多管热管结构。
5、根据权利要求1所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：在内套管和外套管之间设肋片。
6、根据权利要求1、2、3、4或5所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：在每根金属热管上都设有金属翅片。
7、根据权利要求5所述的异心套管相变太阳能集热器，其特征是：在金属翅片外表面喷涂选择性涂料层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102042704A (zh) * 2010-11-25 2011-05-04 大连熵立得传热技术有限公司 热管式太阳能集热器的传热装置
CN101776377B (zh) * 2009-12-29 2013-02-27 北京林业大学 一种利用太阳能的干燥方法及太阳能干燥装置

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C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20081022