CN102087053B - 微小通道换热的太阳能平板集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小通道换热的太阳能平板集热器，包括：透明盖板、吸热板、隔热层和框架，还包括：集气管、集液管、回液管和若干平行并联布置的微小通道管束，与外部的冷凝段构成分离式循环管；所述的集气管的高度高于集液管高度。分离式循环管内充有在集热温区范围内能发生气液相变的循环工质，循环工质的充注量为分离式循环管内容积的10％～90％，使循环工质在微小通道内形成稳定的气泡泵效应。该发明利用了微小通道的高传热效率、特有的气泡泵效应，提高了太阳能集热器的传热效率，减少传统平板太阳能集热器中吸热体的重量，有利于拓展平板太阳能集热器的应用温区范围和应用场合范围。

Description

微小通道换热的太阳能平板集热器

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及到微小通道换热的太阳能平板集热器。

背景技术

太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置，是太阳能热利用过程的核心部件，其效率高低关系到太阳能热利用的效果。家用太阳能集热器一般分为太阳能平板集热器和太阳能真空管集热器。太阳能平板集热器具有结构简单、价格低廉的特点，但其吸热体内的循环工质通常为水(热管平板集热器除外)，吸热体换热效率和集热温度均较低，通常只能应用于制热水，很少可用于其他形式的制冷或制热；且太阳能平板集热器内的吸热体占地面积比较大，重量较重(尤其当吸热体采用金属材质时)，大部分太阳能平板集热器局限于有屋面的顶层建筑使用，在非顶层建筑中很难推广。因此，提高太阳能平板集热器吸热体的换热效率和集热温度，减小吸热体的重量，拓展太阳能平板集热器的应用范围和应用场合，这对于推广太阳能空调家庭用和降低碳排放将具有显著的意义。

发明内容

本发明提供了一种微小通道换热的太阳能平板集热器，其传热效率和集热温度高，吸热体重量小，其应用范围和应用场合广，可用于制热水以及其他形式的制冷和制热，适用于家庭或中小型建筑物使用。

一种微小通道换热的太阳能平板集热器，包括：透明盖板、吸热板、隔热层和框架，还包括：集气管、集液管、回液管和若干平行并联布置的微小通道管束；所述的集气管、集液管、回液管和微小通道管束与外部的冷凝段构成分离式循环管；所述的集气管的高度高于集液管高度；

其中，所述的微小通道管束的上端出气口插入所述的集气管的底部且出气口的端面高于集气管的内腔底面，所述的微小通道管束下端进液口插入所述的集液管的上部且进液口的端面靠近集液管的内腔底面；所述的集气管靠近所述的冷凝段的一端通过气体连接管与冷凝段的进气口相连，所述的集液管靠近所述的冷凝段的一端通过液体连接管与冷凝段的出液口相连；所述的集气管的另一端与所述的集液管的另一端通过所述的回液管连通；所述的回液管上端进液口位于集气管的底面最低处；所述的液体连接管同时与储液罐相连；

其中，所述的微小通道管束内径的当量直径为200μm～5mm，所述的集气管、集液管和回液管为常见的大通径管，优选的大通径管内径的当量直径为5mm～100mm，所述的分离式循环管内充有在集热温区范围内能发生气液相变的循环工质，循环工质的充注量小于分离式循环管的内容积，优选的充注量为分离式循环管内容积的10％～90％，保证循环工质在微小通道内形成稳定的气泡泵效应；所述的集气管、回液管和气体连接管均与外界绝热。

将微小通道管束的出气口的端面设置的高度高于集气管的内腔底面，主要是为了防止集气管内形成的液体直接回流至微小通道内，保证气泡泵的正常运行；将微小通道管束的进液口的端面靠近集液管的内腔底面，便于集液管内循环工质液体直接进入到微小通道内，加快循环工质的循环流动。将所述的回液管上端进液口设置于集气管的底面最低处，目的是为了保证集气管内形成的液体工质及时回流至集液管内，避免集气管内积累过多的液体工质流入冷凝段内。

上述微小通道换热的太阳能平板集热器内循环工质的循环动力主要来自微通道管束的毛细作用力，对冷凝段的相对安装高度没有严格要求，即可应用于冷凝段高于微小通道管束内的液位的场合，也可用于冷凝段高于或等于微小通道管束内的液位的场合。对于冷凝段内的液位始终高于微小通道管束内的液位的情况，分离式循环管的液体循环工质回流驱动力由两部分组成：一是微小通道的毛细作用力，二是冷凝段与微小通道内的正向液位差。对于冷凝段内的液位低于或等于微小通道管束内的液位时，分离式循环管的液体循环工质回流驱动力主要为微小通道的毛细作用力，当这种毛细作用力不足以驱使循环工质正常工作时，优选的技术方案中，可选择在所述的液体连接管和所述的冷凝段之间设置一个或多个液体泵。当冷凝段内的液位低于或等于微小通道管束内的液位时，微小管道的毛细作用力以及液体泵的加强驱动力共同作用提供循环工质回流驱动力。

优选的技术方案中，根据实际需要，所述的集气管和气体连接管即可独立设置也可为一体设置；同样，集液管与液体连接管也可选择独立设置或者选择一体设置。根据实际需要，也可以将集气管与多路分支管路连接，以满足不同的热量需要。

优选的技术方案中，所述的微小通道管束可以是沿纵向平行均布在所述的吸热板上，与吸热板构成整体；也可以是将吸热板与微小通道管束分离，并位于微小通道管束的下方，微小通道管束与吸热板之间的距离根据实际需要确定；此时微小通道管可平行设置，也可选择其他方式设置。

优选的技术方案中，所述的微小通道管束与水平面成倾角Θ(亦即整个平板集热器与水平面夹角)，倾角范围为25°≤Θ≤90°，可使用在非顶层的建筑中。

优选的技术方案中，所述的微小通道管束的管断面结构形状可为圆形、矩形、椭圆形、三角形或正方形以及其他不规则的形状；微小通道管束的管材质可以是金属管，如铜、铝、不锈钢、铸铁等，也可以是非金属管，如合金和玻璃管等。

优选的技术方案中，所述的集气管和所述的集液管倾斜放置，构成一定的下坡度，所述的集气管和所述的集液管靠近所述的冷凝段的一端高于与所述的回液管连通的另一端，回液管位于集气管和集液管的下坡度位置。

优选的技术方案中，所述的冷凝段可以是微通道换热器，也可以是常规紧凑式换热器，如翅片管换热器、板式换热器、套管换热器、螺旋板式换热器等；所述的冷凝段的外部换热介质(即冷却流体)可以为空气、水或溶液，该冷却流体不同，其具体用途也不同，如果冷却流体为空气，则可以用来直接加热空气制热；如果冷却流体为水，则可用来制热水；如果冷却流体为溶液(如：溴化锂溶液)，则可用来驱动吸收制冷系统。

优选的技术方案中，分离式循环管内的循环工质的热物性需要满足(dP/dT)_sat值要高、动力黏度要低、在平板集热器的集热温度范围(如≤100℃)内容易汽化和冷凝的条件，且凝固点大于-40℃；可以采用的循环工质有四氟乙烷(R134a)，甲醇、乙醇、防冻液(25％的乙二醇溶液)、一氟三氯甲烷(R11)或丙酮。

本发明中，采取相变循环工质，循环工质在集热器中气化并流动，在微小通道内能形成气泡泵；冷凝段不置于集热器内，使得蒸发段与冷凝段分离，并通过两根连接管相连，构成分离式循环管，这样，可以确保集热器中集得的热量能充分利用且气化的相变工质能完全冷却；此外，冷凝段不置于平板集热器内，集热器可以很薄，而位于集热器内的蒸发段为微小通道管束。采取在分离式循环管充注一定量的相变循环工质，能确保蒸发段不干烧，而且采取将所述的集气管和所述的集液管倾斜放置，保证循环工质的流动方向单一。本发明集热器吸热体(包括微通道管束和吸热板)面积能大幅度缩小，集热器重量也减轻很多，且当太阳能辐射强度增加，蒸发段的蒸发温度也会上升，有利于提高平板集热器的集热温度。

本发明中液态工质回流可以利用液体工质在冷凝段与蒸发段的液位差和微通道的毛细吸力，也可以利用液体泵。分离式循环管可以是虹吸热管，也可以是外驱动循环管。冷凝段的冷却流体从冷凝段的外部流过，冷却流体可以是空气、水或溶液，用途多样。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)利用循环工质在微小通道内的气泡泵效应，使得本发明的吸热体(即微小通道管束和吸热板)与常规平板集热器的吸热体相比，具有高得多的热传递性能，能最大限度地将热能传递给循环工质，使得平板集热器的集热温度可用于太阳能制冷和制热。

(2)传热工质为易发生气液相变循环工质，且凝固点大于-40℃，循环工质不易冻结，避免了常规以水为传热介质的平板集热器管路水冻结和裂管可能性。

(3)本发明的微小通道平板集热器不是依靠增加材料消耗量来提高换热效率，因此，作为吸热体的材料耗量少重量轻，可以减少循环工质的充灌量。在达到一定规模时将具有一定的成本优势。

(4)本发明的微小通道平板集热器在25°～90°倾角范围内，循环工质均易实现气泡泵效应，且倾角越大，泵效应越强，有利于集热器在非顶层的建筑中使用。

(5)集热段和冷凝段分离，有利于充分利用集热段相变工质所携带的热量，避免常规热管式平板集热器由于冷凝段太短或冷凝面积不充分而导致的热量利用不充分。

附图说明

图1为本发明的微小通道换热的太阳能平板集热器的第一种实施方式的结构示意图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为图1中微小通道管束与水平面夹角示意图。

图4为本发明的微小通道换热的太阳能平板集热器的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

如图1和2所示，一种微小通道换热的太阳能平板集热器，由透明盖板11、吸热板1、隔热层12、框架13、集气管3、集液管4、回液管5和若干平行并联布置的微小通道管束2构成，其中，集气管3、集液管4、回液管5和若干平行并联布置的微小通道管束2与外部的冷凝段8构成分离式循环管，集气管3的高度高于集液管4的高度，以便于集气管3内形成的液体从回液管5回流至集液管4内。

上述的分离式循环管中，微小通道管束2的上端出气口插入集气管3的底部且出气口的口端端面高于集气管3的内腔底面，防止集气管内形成的液体直接回流至微小通道内，保证气泡泵的正常运行，微小通道管束2的上端出气口即为集气管3的进气口；集气管3靠近冷凝段8的一端为集气管3的出气口，通过气体连接管6与冷凝段8的上部进气口相连，这样，气体连接管6的进气口与集气管3的出气口相连，气体连接管6的出气口与冷凝段8的上部进气口相连；气体连接管6与外界绝热。

微小通道管束2的下端进液口插入集液管4的上部且进液口的口端端面靠近集液管4的内腔底面，便于集液管内循环工质液体直接进入到微小通道内，加快循环工质的循环流动；微小通道管束2的下端进液口即为集液管4的出液口；集液管4靠近冷凝段8的一端为集液管4的进液口，通过液体连接管7与冷凝段8的下部出液口相连，这样，液体连接管7的进液口与冷凝段8的下部出液口相连，液体连接管7的出液口与集液管4的进液口相连；液体连接管7同时与储液罐9相连，即：通过连接管91和连接阀92，储液罐9与液体连接管7的干管相连，而储液罐9上部与抽气注液管93和抽气注液阀门94相连。

集气管3的另一端与集液管4的另一端通过回液管5连通；为防止集气管3内形成的液体直接流入到冷凝段8内，降低循环工质的传热效率，上述回液管5上端的进液口位于集气管3的底面最低处，以便于集气管3内形成的液体及时的由回液管5回流到集液管4内。

其中，吸热板1可以是平面型，也可以弧形波纹状型或其他聚光面型。

其中，微小通道管束2内径的当量直径为200μm～5mm，微小通道管束2与水平面成Θ角，如图3所示，倾角范围为25°≤Θ≤90°；微小通道管束2的管断面结构形状可为圆形、矩形、椭圆形、三角形或正方形；微小通道管束2的管材质可以是金属管，如铜、铝、不锈钢、铸铁等，也可以是非金属管，如合金和玻璃管等。微小通道管束2可以是沿纵向均布在吸热板1上，与吸热板1构成整体；也可以是将吸热板1与微小通道管束2分离，并位于微小通道管束2的下方。

其中，集气管3为大通径管，集气管3内径的当量直径为5mm～100mm。集气管3倾斜放置，构成一定的下坡度(如图1或图4中a所示，一般为0.0015坡度)，集气管3靠近冷凝段8的一端高于与回液管5连通的另一端。集气管3上部有抽气管31和抽气阀32；集气管3需要保温绝热，可以采取将集气管3置于隔热层12内部，也可采取选用保温绝热管。

集液管4为大通径管，其内径的当量直径范围为5mm～100mm；集液管4倾斜放置，构成一定的下坡度(如图1或图4中b所示，一般0.0015坡度)，集液管4靠近冷凝段8的一端高于与回液管5连通的另一端。集液管4可以置于隔热层12的内部，也可置于隔热层12的外部。

回液管5为大通径管，其管内径的当量直径范围为5mm～100mm；回液管5位于集气管3和集液管4的下坡度位置；回液管5的进液口与集气管3的底部出液口相连，回液管5的出液口与集液管4的上部进液口相连。回液管5需要保温绝热，可以采取回液管5置于隔热层12内部，也可采取选用保温绝热管。

冷凝段8可以是微通道换热器，也可以是常规紧凑式换热器，如翅片管换热器、板式换热器、套管换热器、螺旋板式换热器等；冷凝段8的外部换热介质(即冷却流体)可以为空气、水或溶液。

其中，分离式循环管内充有在集热温区范围内易发生气液相变的循环工质，循环工质充注量为分离式循环管内容积的10％～90％，使循环工质在微小通道内形成稳定的气泡泵效应；分离式循环管的液体循环工质回流驱动力为冷凝段8与微小通道2内的正向液位差(冷凝段8内的液位始终高于微小通道管束2内的液位)以及微小通道内的毛细作用力。该循环工质的热物性需满足(dP/dT)_sat值要高、动力黏度要低、在平板集热器的集热温度范围(如≤100℃)内容易汽化和冷凝的条件，且凝固点大于-40℃；可以采用的循环工质有R134a，甲醇、乙醇、防冻液(25％的乙二醇溶液)、R11、丙酮。

上述的微小通道换热的太阳能平板集热器的工作过程如下：

储液罐9存储有一定量的循环工质，先将分离式循环管抽真空，然后打开储液罐9的连接阀92，让储液罐9内的循环工质通过连接管91进入分离式循环管内，分离式循环管内的循环工质不完全充满，当液体绝热管7和集液管4内充满液态的循环工质，微小通道管束2通过下部进液口吸入循环工质，在吸收太阳辐射强度下，循环工质受热气化蒸发，产生气泡的泵效应，将工质逐步输入到微小通道管束2上部的集气管3，气化的循环工质在压力推动下沿着气体连接管6进入冷凝段8中，由冷凝段8外部的冷却流体冷却后，再次变成液体工质，冷凝段8的液位高于微小通道管束2内的液位，在正向液位差的驱动下，冷凝段8内的循环工质液体会沿着液体连接管7和集液管4重新流回微小通道管束2的下部，构成一个循环。集气管3内没有气化的工质沿着集气管3的下坡度方向流入回流管5，重新回到集液管4。

冷却段8的冷却流体不同，其具体用途也不同，如果冷却流体为空气，则可以用来直接加热空气制热；如果冷却流体为水，则可用来制热水；如果冷却流体为溶液(如：溴化锂溶液)，则可用来驱动吸收制冷系统。

采用上述的微小通道换热的太阳能平板集热器，集热器吸热体面积能大幅度缩小，集热器吸热体重量也减轻很多，且当太阳辐射强度增加，蒸发段的蒸发温度也会上升，有利于提高平板集热器的集热温度。

实施例2

如图4所示的另一种微小通道换热的太阳能平板集热器，其A-A剖面图与图2所示一致，与实施例1不同仅在于，在所述的液体连接管7和所述的冷凝段8之间设有液体泵10，冷凝段8的下部出液口通过第二阀门102与液体泵10的进液口相连，液体泵10的出液口通过第一阀门101与液体连接管7的进液口相连。适用于冷凝段8内的液位始终低于微小通道管束2内的液位。其工作流程与实施例1相似，不同的是冷凝段8的液位低于微小通道管束2内的液位，冷凝段8与微小通道管束2内存在反向液位差；冷凝段8中液体工质流回集液管4的驱动力由微小管道内的毛细作用力和液体泵10提供，以克服冷凝段8与微小通道管束2内的反向液位差、液体连接管7的流动阻力。

实施例3

结构与实施例1中的相似，不同之处在于将微小通道管束2的倾角调节到90°，置于向阳的外墙面，利用循环工质在微小通道管束2内的气泡泵效应驱动工质向冷却段8流动。该平板集热器非常适合非顶层建筑用户使用。

Claims (8)

1.一种微小通道换热的太阳能平板集热器，包括：透明盖板(11)、吸热板(1)、隔热层(12)和框架(13)，其特征在于，还包括：集气管(3)、集液管(4)、回液管(5)和若干平行并联布置的微小通道管束(2)；所述的集气管(3)、集液管(4)、回液管(5)和微小通道管束(2)与外部的冷凝段(8)构成分离式循环管；所述的集气管(3)的高度高于集液管(4)高度；

所述的微小通道管束(2)的上端出气口插入所述的集气管(3)的底部且出气口的端面高于集气管(3)内腔底面，所述的微小通道管束(2)下端进液口插入所述的集液管(4)的上部且进液口的端面靠近集液管(4)内腔底面；所述的集气管(3)靠近所述的冷凝段(8)的一端通过气体连接管(6)与冷凝段(8)的进气口相连，所述的集液管(4)靠近所述的冷凝段(8)的一端通过液体连接管(7)与冷凝段(8)的出液口相连；所述的集气管(3)的另一端与所述的集液管(4)的另一端通过所述的回液管(5)连通；所述的回液管(5)上端进液口位于集气管(3)的底面最低处；所述的液体连接管(7)同时与储液罐(9)相连；

所述的微小通道管束(2)内径的当量直径为200μm～5mm，所述的集气管(3)、集液管(4)和回液管(5)内径的当量直径为5mm～100mm，所述的分离式循环管内充有在集热温区范围内能发生气液相变的循环工质，循环工质的充注量为分离式循环管内容积的10％～90％；所述的集气管(3)、回液管(5)和气体连接管(6)均与外界绝热；

所述的微小通道管束(2)与水平面成倾角Θ，且25°≤Θ≤90°；

所述的集气管(3)和所述的集液管(4)倾斜放置，所述的集气管(3)和所述的集液管(4)靠近所述的冷凝段(8)的一端高于与所述的回液管(5)连通的另一端。

2.如权利要求1所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的液体连接管(7)和所述的冷凝段(8)之间设有液体泵(10)。

3.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的微小通道管束(2)沿纵向均布在所述的吸热板(1)上，并与吸热板(1)为一体设置。

4.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的吸热板(1)与所述的微小通道管束(2)分离，并位于所述的微小通道管束(2)的下方。

5.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的微小通道管束(2)的管断面结构形状为圆形、矩形、椭圆形、三角形或正方形。

6.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的冷凝段(8)为微通道换热器、翅片管换热器、板式换热器、套管换热器或螺旋板式换热器。

7.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的冷凝段(8)的外部换热介质包括空气、水或溶液。

8.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能平板集热器，其特征在于，所述的循环工质是四氟乙烷、甲醇、乙醇、25％的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮。

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