CN102012115A - 真空相变传热式太阳能平板集热系统及用于该系统的工质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空相变传热式太阳能平板集热系统及用于该系统的工质。真空相变传热式太阳能平板集热系统，真空蒸发器置于平板集热器框体内部并贯穿平板集热器框体形成两个连接端；冷凝器置于蓄热器内部并贯穿蓄热器形成两个连接端；所述真空蒸发器一端与气液分离器接通，气液分离器气体出口通过蒸气上升管与冷凝器的一端接通，液分离器液体出口通过蒸发器供液管与真空蒸发器的另一端接通，冷凝器的另一端通过冷凝液回流管与气液分离器接通。本发明可以在0℃以下正常使用、实现远距离换热，易于推广应用，可广泛应用于太阳能供热系统中，尤其适用于太阳能建筑一体化的供热系统。

Description

真空相变传热式太阳能平板集热系统及用于该系统的工质
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，具体地说，涉及一种真空相变传热式太阳能平板集热系统及用于该系统的工质。
背景技术
太阳能被公认为一种可持续发展的环保能源，随着科技的不断发展，人们利用太阳能已由被动、半主动逐步发展到积极主动的开发利用。如何有效的利用太阳能以弥补煤、石油、天然气等有限能源的不足，是当代科学界的热门课题。迄今为止，人们所采用的太阳能平板集热器主要有两种类型。第一种是常规平板集热器，这种集热器已商品化生产，主要在太阳能热水系统中用作为集热部件。其特征在于，主要由吸热板和上、下集管组成的管板式集热器和由两块压有凹槽的金属板对焊形成的扁盒式集热器等等。尽管集热器的吸热板结构多种多样，但基本上都是利用太阳能通过吸热元件直接加热水，这种方法存在吸热元件内的水在冬季容易结冰和对吸热元件腐蚀等问题。因此，这种集热器在0℃以下不能使用，并且技术经济性较差。第二种是热管式太阳能平板集热器，其特征在于，利用若干根重力热管做成吸热板，热管内的工质从吸热板获得热量蒸发，然后通过冷凝器在蓄热器放出热量加热水且自身被冷凝，在重力作用下返回集热器，再从吸热板获得量，并且所选的工质具有防冻功能。然而，由于热管根数太多很难形成分体远程连接，不宜在建筑物墙面安装，此外该种集热器制作成本太高、热效率低、且制造工艺复杂，难以推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种真空相变传热式太阳能平板集热系统及用于该系统的工质，该系统针对常规集热器在0℃以下不能使用，或是热管式太阳能平板集热器成本高、不能分体安装和不易推广等问题，提出了一种创新装置，即集热器与蓄热器分体安装、利用工质真空相变传热的太阳能平板集热系统，这种系统效率高，成本低，在0℃以下仍可正常使用。这种系统的集热器不仅可以安装在建筑物的屋顶，而且可以安装在其墙面。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种专用于真空相变传热式太阳能平板集热系统的工质，该工质为多组分复合工质，通过反复蒸发、冷凝的相变循环传热，将液体加热。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：真空相变传热式太阳能平板集热系统，真空蒸发器置于平板集热器框体内部并贯穿平板集热器框体形成两个连接端；冷凝器置于蓄热器内部并贯穿蓄热器形成两个连接端；所述真空蒸发器一端与气液分离器接通，气液分离器气体出口通过蒸气上升管与冷凝器的一端接通，液分离器液体出口通过蒸发器供液管与真空蒸发器的另一端接通，冷凝器的另一端通过冷凝液回流管与气液分离器接通。
具体地，所述真空蒸发器是蛇形盘管且蛇形盘管上连接有吸热元件。冷凝器也可以是其他任意形式的盘管。真空蒸发器安装在平板集热器框体内，蛇形管上连接有吸热元件，吸热元件面积与集热器的受光面积相等，工质在蛇形管内吸收来自吸热元件的热量，然后蒸发将热量带走。
所述真空蒸发器的换热面积与吸热元件面积之比为0.30～0.80。
所述冷凝器是为蛇形、螺旋形或长圆形盘管，蓄热器设有冷水进水管和热水出水管。冷凝器也可以是其他任意形式的盘管，安装在蓄热器内，工质在冷凝器内冷凝放出热量加热蓄热器内的物质。
所述冷凝器的换热面积与吸热元件面积之比为0.30～1.0。
所述气液分离器底部连接有疏水阀，冷凝器的冷凝液回流管与气液分离器底部的侧面相连。
所述真空蒸发器、气液分离器、蒸气上升管、冷凝器、冷凝液回流管、蒸发器供液管的顺序连接构成工质循环回路，工质循环回路中的工质充装量是真空蒸发器容积的5～50%。
所述真空蒸发器内的真空度为4～98kPa。
一种专用于上述的真空相变传热式太阳能平板集热系统的工质，所述工质为水、氨、乙醚、呋喃、丙酮、丁酮、氯仿、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、戊烷、异戊烷、己烷、环己烷中的一种或者一种以上构成，其沸点为30℃～90℃。上述工质是多组分复合工质，为易相变的一种液相物质或几种液相物质，其沸点在30℃～90℃范围内可调。
具体地，所述工质为水，其绝对压力为4.24～70.11kPa；或者所述工质为乙醇，真空度为63.09kPa；或者所述工质为摩尔成分0.22丙酮和摩尔成分0.78甲醇的混合物，其绝对压力为1atm；或者所述工质为摩尔成分0.35丙酮和摩尔成分0.65氯仿的混合物，其真空度为32.32kPa。
本发明的工作原理是：采用蛇形盘管的真空蒸发器替代传统平板集热器的集热元件，其作用类似于空调或冰箱的蒸发器，管内工质在压差的作用下单向流动并吸热蒸发带走潜热，到达蒸发器出口端时处于蒸气状态，传热效率较高；而传统平板集热器管内是水，其经过集热器吸收的是显热，利用冷热水的密度差进行自然循环，传热效率较低。蒸发器通过蒸气上升管、可分体布置蓄热器中的冷凝器、冷凝液回流管和蒸发器供液管形成一个封闭的工质循环回路，回路内充装传热工质。在白天有日照情况下，工质在真空蒸发器内受热蒸发成为饱和蒸气或湿蒸气，然后经气液分离器通过蒸气上升管进入蓄热器中的冷凝器。在冷凝器内，蒸气向冷凝管外的水放热，被冷凝、冷却，同时使蓄热器中的物质被加热。冷凝冷却液在重力作用下通过冷凝液回流管返回到气液分离器的底部，再通过蒸发器供液管回到真空蒸发器，完成一个工作循环。在循环过程中，工质在真空蒸发器中吸收太阳供给吸热元件的能量被加热、蒸发，在冷凝器中放出气化潜热和显热被冷凝、冷却成过冷液体，这种相变循环反复进行，将蓄热器的物质加热到所需温度。如果蓄热器内的物质可以流动，则传热效果更佳。工质循环回路中的气液分离器可以起到气液分离的作用，保证循环能正常运行。如果由真空蒸发器出来的是湿蒸气，则分离出的饱和液体会降到气液分离器的底部；如果由冷凝器出来的是湿蒸气，则分离出蒸气会通过蒸气上升管进入冷凝器。如果蓄热器内盛水并做相应保温，则系统可以为带蓄热水箱的分体式防冻太阳能热水器；如果蓄热器内装有固体蓄热物质并做相应保温，则装置可以变为带蓄热的分体式防冻太阳能空气加热器。
综上所述，本发明的有益效果是：
（1）本发明利用一个封闭的工质自然循环回路将相距较远的平板集热器框体和蓄热器连接起来，在回路中充装低沸点多组分复合工质，通过进行反复的相变循环，将蓄热器中待加热物质（例如水）加热。所述系统结构简单，可以在0℃以下正常使用、实现远距离换热，易于推广应用，可广泛应用于太阳能供热系统中，尤其适用于太阳能建筑一体化的供热系统。
（2）本发明采用多组分复合工质，无腐蚀作用，沸点在较大范围可调，即使在北方气温较低时不会发生凝固等现象，冬季仍可保证所述系统正常运行，增加了所述系统的适用范围。
附图说明
图1是本发明真空相变传热式太阳能平板集热系统流程示意图。
图中标记相对应的部件名称：1—平板集热器框体；2—真空蒸发器；3—蒸发器供液管；4—气液分离器；5—冷凝液回流管；6—蒸气上升管；7—冷凝器；8—蓄热器；9—冷水进水管；10—热水出水管。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
参见图1所示，本实施例的真空相变传热式太阳能平板集热系统包括平板集热器框体1、气液分离器4、蓄热器8、真空蒸发器2、冷凝器7。真空蒸发器2、置于平板集热器框体1内部并贯穿平板集热器框体1形成两个连接端；冷凝器7置于蓄热器8内部并贯穿蓄热器8形成两个连接端。所述真空蒸发器2一端与气液分离器4接通，气液分离器4气体出口通过蒸气上升管6与冷凝器7的一端接通，液分离器4液体出口通过蒸发器供液管3与真空蒸发器2的另一端接通，冷凝器7的另一端通过冷凝液回流管5与气液分离器4接通。
其中，真空蒸发器2是蛇形盘管，安装在平板集热器框体1内，蛇形管上连接有吸热元件，吸热元件面积与集热器的受光面积相等。工质在蛇形管内吸收来自吸热元件的热量，然后蒸发将热量带走。所述真空蒸发器2的换热面积与吸热元件面积之比为0.30～0.80。
冷凝器7是任意形式的盘管，如蛇形、螺旋形、长圆形盘管等，安装在蓄热器8内，其换热面积与吸热元件面积之比为0.30～1.0。工质在冷凝器7内冷凝放出热量加热蓄热器8内的物质。
气液分离器4是一个任意形状的密闭容器，其底部连接有疏水阀（或不接阀门）、并与蒸发器供液管3相连接，其顶部与蒸气上升管6相连，真空蒸发器2的蒸气管道可以任意角度与气液分离器4上部的侧面相连，冷凝器7的冷凝液回流管5与气液分离器4底部的侧面相连。
上述真空蒸发器2、气液分离器4、蒸气上升管6、冷凝器7、冷凝液回流管5、蒸发器供液管3的顺序连接（参照图1的连接方式）构成工质循环回路。真空蒸发器2、连接管件、冷凝器7用铜或不锈钢制成，气液分离器4用不锈钢制成，采用焊接或螺纹连接成一体后，打压检漏。然后松开连接螺母，将真空蒸发器2和冷凝器7分别装入平板集热器框体1和蓄热器8内，再连接好管路。最后，对系统抽真空并灌装工质，工质灌装量为真空蒸发器容积的5%～50%。
实施例2：
一种专用于实施例1所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统的工质，所述工质是多组分复合工质。
所述多组分复合工质为液气相变物质的一种或几种。
所述液气相变物质为水、丙酮、氯仿、甲醇、乙醇中的一种或者一种以上。
例1，用水作为工质，真空度为85.59kPa，系统装好后工质的蒸发温度为55℃。
例2，用乙醇作为工质，真空度为63.09kPa，系统装好后工质的蒸发温度为55℃。
例3，用丙酮和甲醇的混合物作为工质，丙酮、甲醇的摩尔比为0.22：0.78，绝对压力为1atm，系统装好后工质的蒸发温度为55.28℃。
例4，用丙酮和氯仿的混合物作为工质，丙酮氯仿的摩尔比为0.35：0.65，真空度为32.32kPa，，系统装好后工质的蒸发温度为55℃。
以上所述，仅是本发明的较佳实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，包括平板集热器框体（1）、气液分离器（4）、蓄热器（8）、真空蒸发器（2）、冷凝器（7），真空蒸发器（2）置于平板集热器框体（1）内部并贯穿平板集热器框体（1）形成两个连接端；冷凝器（7）置于蓄热器（8）内部并贯穿蓄热器（8）形成两个连接端；所述真空蒸发器（2）一端与气液分离器（4）接通，气液分离器（4）气体出口通过蒸气上升管（6）与冷凝器（7）的一端接通，液分离器（4）液体出口通过蒸发器供液管（3）与真空蒸发器（2）的另一端接通，冷凝器（7）的另一端通过冷凝液回流管（5）与气液分离器（4）接通。
2.根据权利要求1所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述真空蒸发器（2）是蛇形盘管且蛇形盘管上连接有吸热元件。
3.根据权利要求1或2所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述真空蒸发器（2）的换热面积与吸热元件面积之比为0.30～0.80。
4.根据权利要求1或2所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述冷凝器（7）是为蛇形、螺旋形或长圆形盘管，蓄热器（8）设有冷水进水管（9）和热水出水管（10）。
5.根据权利要求1或2所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述冷凝器（7）的换热面积与吸热元件面积之比为0.30～1.0。
6.根据权利要求1或2所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述气液分离器（4）底部连接有疏水阀，冷凝器（7）的冷凝液回流管（5）与气液分离器（4）底部的侧面相连。
7.根据权利要求1或2所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述真空蒸发器（2）、气液分离器（4）、蒸气上升管（6）、冷凝器（7）、冷凝液回流管（5）、蒸发器供液管（3）的顺序连接构成工质循环回路，工质循环回路中的工质充装量是真空蒸发器容积的5～50%。
8.根据权利要求7所述的真空相变传热式太阳能平板集热系统，其特征在于，所述真空蒸发器内的真空度为4～98kPa。
9.一种专用于上述的真空相变传热式太阳能平板集热系统的工质，其特征在于，所述工质为水、丙酮、氯仿、甲醇、乙醇的一种或者一种以上构成，其沸点为30℃～90℃。
10.根据权利要求9所述的专用于真空相变传热式太阳能平板集热系统的工质，其特征在于，所述工质为水，其绝对压力为4.24～70.11kPa；或者所述工质为乙醇，真空度为63.09kPa；或者所述工质为摩尔成分0.22丙酮和摩尔成分0.78甲醇的混合物，其绝对压力为1atm；或者所述工质为摩尔成分0.35丙酮和摩尔成分0.65氯仿的混合物，其真空度为32.32kPa。
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