CN102102910A - 微小通道换热的太阳能真空管集热器 - Google Patents

微小通道换热的太阳能真空管集热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微小通道换热的太阳能真空管集热管，包括：玻璃管、微小通道管束、回液管、集气腔、集液腔、导气管和导液管，与外部的冷凝段构成分离式循环管。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，减少传统真空管太阳能集热器中吸热体的重量，提高了集热温度，有利于拓展真空管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真空管集热器
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及到一种微小通道换热的太阳能真空管集热器。
背景技术
太阳能集热器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。常见的太阳能集热器主要有太阳能平板集热器和太阳能真空管集热器。太阳能平板集热器因其耗能大、寿命短、易受外界环境影响等因素逐渐被太阳能真空管集热器所代替。相对于太阳能平板集热器，太阳能真空管集热器具有耗能少、寿命长、受外界环境影响小、热效率高等等优势已占有目前国内大部分的市场。
然而，由于太阳能真空管集热器的吸热金属管(或玻璃管)内的循环工质通常为水(热管真空管集热器除外)，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。因此，提高太阳能真空管集热器吸热体的换热效率和集热温度，增加吸热体的吸热面积，减小吸热体的重量，拓展太阳能真空管集热器的应用范围和应用场合，这对于推广太阳能热利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真空管集热器，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真空管集热管，包括：依次连接的玻璃管、气体连接管、冷凝段、液体连接管，所述的玻璃管内设有若干平行设置的微小通道管束、回液管以及位于回液管上方的集气腔和位于回液管下方的集液腔；所述的玻璃管的两端分别通过导气管、导液管与外部的集气总管、气体连接管、集液总管、液体连接管以及冷凝段构成分离式循环管路；
所述的微小通道管束上端的出气口插入所述的集气腔内且其出气口端面高于集气腔内腔的底面；所述的微小通道管束下端的进液口插入所述的集液腔内且其出液口端面靠近集液腔内腔的底面；所述的集气腔上端的出气口与导气管下端的进气口相连；所述的集液腔下端的进液口与导液管上端的出液口相连；所述的导气管侧壁面与玻璃管上端封口为真空密封；所述的导液管侧壁面与玻璃管下端封口为真空密封；所述的导气管上端的出气口依次通过集气总管、气体连接管与冷凝段的进气口相连；所述的导液管下端的进液口依次通过集液总管、液体连接管与冷凝段的出液口相连；所述的回液管分别与设于集气腔底部的出液口和设于集夜腔上部的进液口相连；
所述的微小通道管束的当量直径小于5mm；所述的回液管的当量直径不小于5mm；所述的导气管、集气总管和气体连接管均与外界绝热；实际安装过程中，即可选择将导气管、集气总管和气体连接管设置的绝热材料内，也可以直接选用具有绝热性能的导气管、集气总管和气体连接管等。
所述的玻璃管与微小通道管束、集气腔、集液腔、导气管底部和导液管上部之间形成的夹层空间内为真空设置。
将微小通道管束的出气口的端面设置的高度高于集气腔内腔底面，主要是为了防止集气腔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腔内腔底面，便于集液腔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。
为便于微小通道管束与集气腔和集夜腔的连接，可选择将所述的微小通道管束的两端分别向玻璃管中心轴方向弯曲，上下弯曲端分别形成微小通道管束的上端出气口和下端出液口，分别与集气腔和集夜腔连通。
分离式循环管内循环工质循环流动的驱动力来自微小通道管束内的毛细作用力。该集热管即可应用于冷凝段在上蒸发段在下的场合，也可用于冷凝段在下蒸发段在上的场合；当用于冷凝段在上蒸发段在下的场合时，冷凝段与蒸发段之间存在液位差，该液位差及毛细管作用力共同驱动冷凝段内冷凝的循环工质液体流入到玻璃管内的微小通道管束内，保证循环工质的循环工作；当用于冷凝段在下蒸发段在上的场合时，当毛细作用力不足以驱动循环工质正常循环流动或者需要更强的循环流动，可选择在所述的液体连接管上设置液体泵，利用液体泵以及毛细作用力共同驱动冷凝段冷凝的液体流入到玻璃管内的微小通道管束内，保证循环工质的正常循环工作。
微小通道管束、集气腔、集液腔三者的材质可以相同也可以不同，三者的材质可以是金属或者玻璃；微小通道管束表面具有高吸收比和低发射率的选择性吸收膜，该吸收膜可选用太阳能真空管集热器制造过程中常用的吸收材料。
所述的微小通道管束以一层或多层的形式均布在所述的玻璃管的内壁圆周面上，微小通道管束相互平行，相邻两两玻璃管之间的距离以及管径可以相等也可以不等，可根据实际需要确定。
所述的回液管位于玻璃管内，回液管的上部进液口为集气腔底部出液口，位于集气腔的底面最低处，便于集气腔内形成的液体及时回流至集液腔内，防止集气腔内液体积累导致液体直接流入到冷凝段内；所述的回液管底端插入集夜腔内且其出液口端面靠近集夜腔的内腔底面。
所述的集气腔位于玻璃管内的上部位置，集气腔底部为回液管的上部进液口，集气腔的顶部为导气管的下部进气口，集气腔的侧壁面进气口为微小通道管束的出气口，为便于加工同时减少腔体应力，所述集气腔为球型或椭球型。
所述的集液腔位于玻璃管内的下部位置，集液腔顶部进液口为回液管的下部出液口，集液腔的侧壁面出液口为微小通道下部的进液口，同样为便于加工同时减少应力作用，所述集液腔为球型或椭球型。
所述的导气管下部进气口为集气腔的上部出气口，导气管的侧壁面与玻璃管上端封口为真空密封。所述的导液管上部出液口为集液腔的下部进液口，导液管下部进液口为集液总管的出液口，导液管的侧壁面与玻璃管下端封口为真空密封。
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)与常规真空管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，使得真空管集热器的集热温度可用于太阳能制冷和制热。
(2)循环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真空管集热器管路水冻结和裂管可能性。
(3)本发明的微小通道真空管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，可以减少制冷剂的充灌量，具有一定的成本优势。
(4)本发明的微小通道真空管集热器在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。
附图说明
图1为本发明的微小通道换热的太阳能真空管集热器内单根太阳能真空管的结构示意图。
图2为本发明的微小通道换热的太阳能真空管集热器内单根太阳能真空管的另一种实施方式的结构示意图。
图3为图1所示真空管的沿A-A面的剖面结构示意图的第一种情况。
图4为图1所示真空管的沿A-A面的剖面结构示意图的第二种情况。
图5为本发明的微小通道换热的太阳能真空管集热器的第三种实施方式的连接示意图。
图6为本发明的微小通道换热的太阳能真空管集热器的第四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。
如图1和图1为微小通道换热的太阳能真空管，
主要由玻璃管1、微小通道管束2、回液管3、集气腔4、集液腔5、导气管6、导液管7组成。微小通道管束2的上端出气口插入所述的集气腔4内且其出气口端面高于集气腔4内腔的底面，微小通道管束2下端的进液口插入所述的集液腔5内且其出液口端面靠近集液腔5内腔的底面；集气腔4的上端出气口与导气管6的下端进气口相连；集液腔5的下端进液口与导液管7的上端出液口相连；导气管6侧壁面与玻璃管1上端封口为真空密封；
如图3为微小通道换热的太阳能真空管的A-A剖面第一种情况，即微小通道管束2可以单层的平行的均布在玻璃管1内侧圆周上。
如图4为微小通道换热的太阳能真空管的A-A剖面第二种情况，即微小通道管束2可以两层的平行的均布在玻璃管1内侧圆周上。
实施例1：
如图1～5所示，一种微小通道换热的太阳能真空管集热管，包括：玻璃管1、微小通道管束2、回液管3、集气腔4、集液腔5、导气管6、导液管7组成，与外部的集气总管8、气体连接管9、冷凝段10、液体连接管11、集液总管12构成分离式循环管；
其中微小通道管束2上端的出气口插入所述的集气腔4内且其出气口端面高于集气腔4内腔的底面，微小通道管束2下端的进液口插入所述的集液腔5内且其出液口端面靠近集液腔4内腔的底面；集气腔4上端的出气口与导气管6的下端进气口相连；集液腔5下端的进液口与导液管7上端的出液口相连；导气管6侧壁面与玻璃管1上端封口为真空密封；导气管6上端的出气口通过集气总管8气体连接管9与冷凝段10上部的进气口相连，所述的导液管7下部的进液口通过集液总管8、液体连接管11与冷凝段10的下部出液口相连；
其中，微小通道管束2为平行设置的内径为200μm～3mm的毛细管管束，回液管3的当量直径不小于5mm；所述的导气管6、集气总管8和气体连接管9均与外界绝热。微小通道管束2均布在所述的玻璃管1的内壁圆周面的一层或多层上如图3和图4所示。
玻璃管1与微小通道管束2、集气腔4、集液腔5、导气管6底部和导液管7上部之间形成的夹层空间内为真空设置。微小通道管束2、集气腔4、集液腔5三者的材质可以相同也可以不同，三者的材质可以是金属或者玻璃；微小通道管束2表面具有高吸收比和低发射率的选择性吸收膜。
回液管3位于玻璃管1内，回液管3的上部进液口为集气腔4底部出液口，回液管3的下部出液口为集液腔5上部的进液口。回液管3位于玻璃管内，回液管3分别与设于集气腔4底部的出液口和设于集夜腔5上部的进液口相连，回液管3的上部进液口为集气腔4底部出液口，位于集气腔4的底面最低处，便于集气腔4内形成的液体及时回流至集液腔5内；回液管3的下部出液口插入集液腔5内且其出液口端面靠近集液腔5的内腔底面。
集气腔4位于玻璃管1内的上部位置，集气腔4底部为回液管3的上部进液口，集气腔4的顶部为导气管6的下部进气口，集气腔4的侧壁面进气口为微小通道管束2的出气口，集气腔4为球型或椭球型。
集液腔5位于玻璃管1内的下部位置，集液腔5顶部进液口为回液管3的下部出液口，集液腔5的侧壁面出液口为微小通道管束2下部的进液口，集气腔4为球型或椭球型。
导气管6下部进气口为集气腔4的上部出气口，导气管6的侧壁面与玻璃管1上端封口为真空密封。导液管7上部出液口为集液腔5的下部进液口，导液管7下部进液口为集液总管12的出液口，导液管7的侧壁面与玻璃管1下端封口为真空密封。
冷凝段10高度高于玻璃管1的高度，微小通道管束2内的毛细作用力以及冷凝段10与玻璃管1之间的正向液位差共同驱动冷凝段10中的液态循环工质流向微小通道管束2内。
由一根或者多根的微小通道太阳能真空集热管并联接入集气总管8和集液总管12之间，集气总管8与气体连接管9可以相同，也可以不同；气体连接管9可以采用多分支管，分别与不同结构的冷凝段10相并联。冷凝段10可以是常规换热器，也可以是微通道换热器。
实施例2
如图2所示所示的另一种微小通道换热的太阳能真空管集热器，其结构与实施例1相同，其A-A面的剖面图为图3和图4，不同之处在于：玻璃管1内的微小通道管束2的两端分别向玻璃管1中心轴方向弯曲，上下弯曲端分别形成微小通道管束2的上端出气口和下端出液口，分别与集气腔4和集液腔5连通。
实施例3
如图6所示的另一种微小通道换热的太阳能真空管集热器，其单管立面图为图1，剖面图为图3和图4；与实施例1不同仅在于，在所述的液体连接管11上设有液体泵15。微小通道管束2内的毛细作用力以及液体泵15共同驱动循环工质循环工作，一般应用于冷凝段10在下玻璃管1在上的场合。
实施例4
微小通道太阳能真空集热管可以在25°～90°倾角范围调节，当微小通道管束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10流动。该真空管集热器非常适合非顶层建筑用户使用。

Claims (10)

1.一种微小通道换热的太阳能真空管集热管，包括：依次连接的玻璃管(1)、气体连接管(9)、冷凝段(10)、液体连接管(11)，其特征在于，所述的玻璃管(1)内设有若干平行设置的微小通道管束(2)、回液管(3)以及位于回液管上方的集气腔(4)和位于回液管(3)下方的集液腔(5)；所述的玻璃管(1)的两端分别通过导气管(6)、导液管(7)与外部的集气总管(8)、气体连接管(9)、集液总管(12)、液体连接管(11)以及冷凝段(10)构成分离式循环管路；
所述的微小通道管束(2)上端的出气口插入所述的集气腔(4)内且其出气口端面高于集气腔(4)内腔的底面；所述的微小通道管束(2)的下端进液口插入所述的集液腔(5)内且其出液口端面靠近集液腔(5)内腔的底面；所述的集气腔(4)上端的出气口与导气管(6)下端的进气口相连；所述的集液腔(5)下端的进液口与导液管(7)上端的出液口相连；所述的导气管(6)侧壁面与玻璃管(1)上端封口为真空密封；所述的导液管(7)侧壁面与玻璃管(1)下端封口为真空密封；所述的导气管(6)的上端出气口依次通过集气总管(8)、气体连接管(9)与冷凝段(10)的进气口相连；所述的导液管(7)下端的进液口依次通过集液总管(8)、液体连接管(11)与冷凝段(10)的出液口相连；所述的回液管(3)分别与设于集气腔(4)底部的出液口和设于集夜腔(5)上部的进液口相连；
所述的微小通道管束(2)内径的当量直径小于5mm；所述的回液管(3)内径的当量直径不小于5mm；所述的导气管(6)、集气总管(8)和气体连接管(9)均与外界绝热；
所述的玻璃管(1)与微小通道管束(2)、集气腔(4)、集液腔(5)、导气管(6)底部和导液管(7)上部之间形成的夹层空间内为真空设置。
2.如权利要求1所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的微小通道管束(2)两端分别向玻璃管(1)中心轴方向弯曲，上下弯曲端端部分别形成微小通道管束(2)的上端出气口和下端出液口。
3.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的液体连接管(11)上设有液体泵(10)。
4.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的微小通道管束(2)、集气腔(4)、集液腔(5)三者的材质为金属或者玻璃。
5.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的微小通道管束(2)以一层或多层的形式均布在所述的玻璃管(1)的内壁圆周面上。
6.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的集气腔(4)下部的出液口位于集气腔(4)的底部最低处；所述的回液管(3)底端插入集液腔(5)内且其出液口端面靠近集夜腔(5)的内腔底面。
7.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的集气腔(4)或集液腔(5)为球型或椭球型。
8.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的分离式循环管内的循环工质充注量为分离式循环管路内容积的10％～90％。
9.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的回液管(3)的当量直径为5mm～100mm。
10.如权利要求1或2所述的微小通道换热的太阳能真空管集热器，其特征在于，所述的为微小通道管束(2)为内径为200μm～3mm的毛细管管束。
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