CN102706016B - 一种平板型太阳能集热器吸热板芯及太阳能集热器 - Google Patents

一种平板型太阳能集热器吸热板芯及太阳能集热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于太阳能集热器的吸热板芯。针对现有技术中为强化换热，尽可能提高板芯换热工质流量，导致较高流动阻力的产生降低了集热器的能量投入产出比的缺陷，本发明提供了一种在不明显增加流动阻力的情况下能够明显提高换热效果的吸热板芯。产品包括板芯腔体与绕流翅片，绕流翅片布置为M排N列；每排中，第1片绕流翅片与板芯腔体入口边框平行，第2～N片均以其上顶点为中心向板芯腔体出口侧边框旋转呈旋转角α；每排中，第2片～第5n片等距抬升，第5n＋1片～第N片绕流翅片等距下降。本发明还提供安装了上述吸热板芯的太阳能平板集热器。吸热板芯能够通过均匀分布换热板芯内换热工质在不同流道内的流速，提高集热器换热效率。

Description

一种平板型太阳能集热器吸热板芯及太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种吸热板芯，特别是涉及一种适用于太阳能集热器的吸热板芯，属于机械制造领域。
背景技术
太阳能利用系统中的核心部分是集热器。它是一种特殊的热交换器,可将太阳辐射能转换为工作介质（液体或气体）的热能。平板型太阳能集热器以其简单、价廉和安装方便在全世界具有广泛应用。普通平板集热器由玻璃盖板、吸热板芯、铝合金边框、泡沫板（或岩棉）保温层等组成。太阳光的辐射能产生可见光与近红外线，透过平板集热器玻璃盖板，进入平板集热器内部，遇到换热器的有色涂层，光即转变成热。由于存在“热虹吸”现象，集热器板上管道中的水（或者其它循环工质）被加热密度变小而向高处流动，水箱中凉水由水管向下流动，形成自然循环，热水由集热器底部上升至顶部，再经上循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。往复循环，使得整个水箱中水温升高。因为平板集热器的四周采用各种保温进行阻止热的散发，随着阳光照射时间的增加，能量会聚集，平板集热器里的温度会越来越高，可达160℃左右。可以满足各种太阳能应用领产品需要的温度与热量。
吸热板芯是太阳能集热器的关键技术，板芯结构的换热效率影响到集热器的工效。现有太阳能平板集热器无论是以空气为循环工质还是以液体为循环工质，其吸热板芯换热主要分为绕流翅片、多流道、折流挡板等几种形式。其一个显著的特点是，为强化换热，尽可能提高板芯换热工质流量，不可避免导致较高流动阻力的产生，反而降低了集热器的能量投入产出比。而换热工质在集热器内部的换热机理优化、工质流动均匀分布等不增加流动阻力情况下被动强化换热的方法，在现有平板集热器的换热板芯上没有很好地体现。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在不明显增加流动阻力的情况下能够明显提高换热效果的吸热板芯。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种平板型太阳能集热器吸热板芯，包括板芯腔体，板芯腔体是矩形腔体；所述板芯腔体第1侧壁的内侧面布置有绕流翅片，绕流翅片布置为M排N列，其特征在于：8≤M≤16，11≤N≤22；第1列绕流翅片与板芯腔体入口边框平行；每排中，第2～N片绕流翅片均以其上顶点为中心向板芯腔体出口侧边框旋转并有旋转角α；第2片绕流翅片旋转角α≥1.5°，第2片～第5n片绕流翅片旋转角α逐渐增加，n=N/11且依4舍5入法则取整，第5n片绕流翅片旋转角α＝4.5～5.5°，第5n＋1片～第N片绕流翅片旋转角α与第5n片相同；每排中，第2片～第5n片绕流翅片等距抬升，第1片～5n片绕流翅片下顶点连线与矩形背板底边框呈夹角β，β＝9.0°～10.0°，第5n＋1片～第N片绕流翅片等距下降，第N片绕流翅片下顶点与第1片绕流翅片下顶点等高；绕流翅片排间距相等，各排间对应的绕流翅片旋转角α相等；每排中，各绕流翅片上顶点在板芯腔体底边框上的投影点等距。
上述吸热板芯功能在于通过均匀分布换热板芯内换热工质在不同流道内的流速，达到提高集热器换热效率的目的。具体做法是通过对绕流翅片的排列位置加以设计，优化流道、减小板芯局部流动阻力，同时引导换热工质流入常规板芯设计中的换热死区，由此消除吸热板芯入口侧顶端部分的换热死区，增加了换热效率。
每排绕流翅片中，n的取值方法具体是：当N＝11，n＝1；当N＝22，n＝2，当N＝15，n＝1.36取值1，当N＝18，n＝1.63取值2。
在优选条件下，上述吸热板芯可以做如下优化：板芯腔体长宽比设计为2:1～1:1；第1列绕流翅片与入口边框相距20mm～50mm；绕流翅片排间距20～50mm，每排各片绕流翅片上顶点在底边框上的投影点间距35～85mm；绕流翅片长100mm～200mm，厚0.02～2mm，高为板芯腔体内腔高的0.4～1.0倍；第2片～第5n片绕流翅片旋转角α等差递增。
以上述吸热板芯为基础，本发明还提供一种安装有上述吸热板芯的平板太阳能集热器，具体技术方案是：
一种利用上述吸热板芯构成的太阳能集热器，其特征在于：是平板集热器，吸热板芯的第2侧壁与第1侧壁相对，吸热板芯第2侧壁向上置于外壳中，外壳上面开口；第2侧壁的外侧面镀有选择性涂层构成集热板；玻璃盖板覆盖在外壳上并密封；透明盖板与集热板相邻，其间有隔热层；吸热板芯还连接必要的管路；集热器入口穿过外壳开口于入口边框下部，集热器出口穿过外壳开口于出口边框上部。
上述太阳能集热器中，吸热板芯是吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的部件；吸热板芯外部面向玻璃盖板侧镀有选择性涂层构成集热板，其作用是把太阳辐射转变为热能，并以导热方式向吸热板芯内部传热；透明盖板是由透明（或半透明）材料组成的板状部件，覆盖在吸热板芯之上，主要功能是透过太阳辐射，使其投射在吸热板芯的集热板上，由于与集热板间有一空气隔层，不仅保护集热板不受灰尘及雨雪的侵蚀，还可阻止吸热板在温度升高后通过对流和导热方式向周围环境散热；管路与吸热板芯相连接，保证循环工质通过对流换热方式将吸热板芯吸收的热量带走；隔热层抑制吸热板芯通过传导向周围环境散热。
上述太阳能集热器适用于换热工质流速≤15m/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明吸热板芯能够适应板芯内换热工质的流动特性，使换热工质均匀分布在换热板芯内实现充分换热。在不明显加大流动阻力前提下，通过翅片的特殊排列，引导换热工质均匀分布致换热板芯内各处，并消除常规集热器出现的换热死区，达到强化换热的目的，能明显提高热效率；热效率高，单位集热器面积热量产出就大。本发明太阳能集热器运行成本较低，系统具备承压，耐空晒的性能，没有任何安全隐患，维护方便；易与建筑物结合稳定，加工成本低。
附图说明
图1是吸热板芯外观示意图。
图2是吸热板芯纵截面示意图。
图3是吸热板芯横截面示意图。
图4a是现有典型吸热板芯速度流向图。
图4b是现有典型吸热板芯温度场分布图。
图5是本发明吸热板芯温度场分布图。
图6是太阳能集热器外观示意图。
图7是图6的A-A剖示图。
图8a是现有典型多流道太阳能平板集热器流动阻力变化图.
图8b是本发明太阳能集热器流动阻力变化图。
图9a是现有典型多流道太阳能平板集热器时间常数图（Tc=680s）。
图9b是本发明太阳能集热器时间常数图（Tc=170s）。
附图中的数字标记分别是：
1吸热板芯 11板芯腔体 111第1侧壁 112入口边框 113出口边框 114底边框 115第2侧壁 12绕流翅片 2集热板3玻璃盖板 4隔热层 5外壳 6集热器入口 7集热器出口
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
如图1所示，加工一种本发明提供的太阳能集热器吸热板芯。
图1是吸热板芯外观示意图；图2是吸热板芯纵截面示意图。吸热板芯1板芯腔体11规格2000mm×1000mm，两侧分别为入口边框112与出口边框113。板芯腔体11第1侧壁111内侧面共布置8排11列绕流翅片12。第1列绕流翅片12与入口边框112平行，间距50mm。
图3是吸热板芯横截面示意图。绕流翅片12每片长100mm～200mm，厚0.02～2mm，高为板芯腔体11内腔高的0.6倍。
每排绕流翅片12中，第2～11片绕流翅片12均以其上顶点为中心向板芯腔体11出口侧边框113旋转并有旋转角α，第2片绕流翅片12旋转角α＝2°，第2～5片绕流翅片12旋转角α逐渐增大，第5片绕流翅片12旋转角α＝5°，第6～11片绕流翅片12旋转角与第5片相同。各排间对应的绕流翅片12旋转角α相等。
每排绕流翅片12中，第2～5片绕流翅片12等距抬升，第1～5片绕流翅片12下顶点连线与板芯腔体11底边框114呈夹角β，β＝9.4°，第6～11片绕流翅片12等距下降，第11片绕流翅片12下顶点与第1片绕流翅片12下顶点等高。
每排绕流翅片12间等距，排间距50mm；每排中各片绕流翅片12上顶点在底边框114上的投影点等距，间距50mm。
实施例二
加工一种本发明提供的太阳能集热器吸热板芯，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于：
每排绕流翅片12中，第2～5片绕流翅片12旋转角α等差递增，分别为2°、3°、4°、5°。
试验例一
本试验例显示本发明吸热板芯与现有常用吸热板芯的模拟温度场分布比较结果。
模拟试验条件依照ANSI/ASHRAE standard93-2003标准实施，流量范围0.01～0.03。
图4a是现有典型吸热板芯速度流向图；图4b是现有典型吸热板芯温度场分布图。通过对现有典型板芯结构的平板集热器换热工质在板芯内的流动分布进行计算机模拟，结果显示，典型板芯的换热工质流动表现出极大不均匀性，约有2/3的区域速度在1m/s以下，并在右上部分出现近1/4的流动死区。流体依据阻力最小的原理，大部分都从底边和左侧边流出，意味着吸热板芯大部分区域处于低换热和不参与换热状态，换热效率低。
图5是本发明吸热板芯温度场分布图。试验结果显示由于扰流翅片的布设符合板芯内流动特性，换热工质较为均匀地分布到集热板芯不同部位，消除了换热死区，提高了换热效率。同时各流道换热工质温度趋于一致，也减小了传热工质相互传热导致热效率的下降。
实施例三
如图6、图7所示，加工一种太阳能集热器。
图6是太阳能集热器外观示意图；图7是图6的A-A剖示图。太阳能集热器是平板集热器，吸热板芯1的第2侧壁115与第1侧壁111相对，吸热板芯1第2侧壁115向上置于外壳5中，外壳5上面开口；第2侧壁115的外侧面镀有选择性涂层构成集热板2；玻璃盖板3覆盖在外壳5上并密封；透明盖板3与集热板2相邻，其间有隔热层4；吸热板芯1还连接必要的管路；集热器入口6穿过外壳5开口于入口边框112下部，集热器出口7穿过外壳5开口于出口边框113上部。
试验例二
现有典型多流道太阳能平板集热器与本发明太阳能集热器的集热效率测试，根据ANSI/ASHRAE Standard 93-2003进行。
1、测试对像
现有典型多流道太阳能平板集热器与本发明太阳能集热器。两种太阳能集热器的参数如见表1。
表1现有典型多流道太阳能平板集热器参数表
Figure BDA00001736062600081
2、测试方法与条件
测试标准：ANSI/ASHRAE Standard 93-2003
测试条件：纬度：39.9°，经度：116.7°，集热器倾角：41°，集热器方位角：太阳跟踪，太阳正午对应的当地时间：12:17
3、测试结果
3.1瞬时效率测试数据结果
现有典型多流道太阳能平板集热器测试数据结果见表2-1、表2-2。
表2-1现有典型多流道太阳能平板集热器测试结果（测量数据）
  Date   LT   G   Gd/G   ta   u   tin   te-tin   v
  D-M-Y   h-min   W/m2   %   ℃   m/s   ℃   K   Kg/h
  13-01-2012   11:55-12:09   0.973   7.6   28.8   2.7   30.8   24.3   167
  13-01-2012   12:10-12:24   0.966   7.9   29.1   3.1   30.9   23.4   166.9
  13-01-2012   12:25-12:39   0.971   8   29.2   3.1   31   23.4   166.9
  13-01-2012   12:40-12:54   0.971   8.5   29.3   3.1   31.1   23.6   166.8
  13-01-2012   13:39-13:54   0.988   8.1   30.5   2.2   47.2   21.5   168.7
  13-01-2012   13:55-14:09   0.99   8   30.5   2.8   47.8   21.7   168.8
  13-01-2012   14:10-14:24   0.984   8.2   30.8   2.8   48   21.8   168.4
  13-01-2012   14:25-14:39   0.979   8.3   31.1   2.7   48.4   22   168
  14-01-2012   14:56-15:10   0.946   8.9   31.4   2.8   63.5   18.5   169
  14-01-2012   15:11-15:25   0.959   9.2   31.7   3.7   63.9   17.9   168.7
  14-01-2012   15:26-15:40   0.9   9.2   31.6   3.3   64.1   17.4   168.5
  14-01-2012   15:41-15:55   0.873   9.5   32.1   2.7   64.4   17   168.5
  15-01-2012   10:48-11:02   0.876   12.5   31.2   2.2   53.8   18.4   168
  15-01-2012   11:03-11:17   0.875   12.8   31.9   3.6   53.2   17.8   167.6
  15-01-2012   11:18-11:32   0.898   13.1   32.2   3.1   53.2   18.2   168.1
  15-01-2012   11:33-11:47   0.872   14.5   32.4   2.1   53.5   18.2   168
表2-2现有典型多流道太阳能平板集热器测试结果（计算数据）
Figure BDA00001736062600091
本发明太阳能平板集热器测试数据结果见表3-1、表3-2。
表3-1本发明太阳能平板集热器测试结果（测量数据）
  Date   LT   G   Gd/G   ta   u   tin   te-tin   v
  D-M-Y   h-min   W/m2   %   ℃   m/s   ℃   K   Kg/h
  03-04-2012   10:20:16   919   10   12   2   13.1   26.74   128
  03-04-2012   10:27:46   930   10   12.1   2.7   13.22   26.7   129
  03-04-2012   10:33:16   936   10   12.6   2.1   13.68   27.38   127
  03-04-2012   10:47:06   936   10.5   12.9   2.2   14.04   27.27   127
  03-04-2012   11:19:26   952   12   13.7   2.6   30.78   22.7   129
  03-04-2012   11:26:16   936   12.2   13.5   2.4   31.26   22.98   129
  03-04-2012   11:32:36   932   12.2   13.6   2.5   31.36   22.86   129
  03-04-2012   11:40:46   956   12.3   13.9   2.8   31.94   23.14   129
  03-04-2012   11:55-12:09   913   14.6   14.8   2.1   45.96   17.12   129
  03-04-2012   12:10-12:24   928   14.7   15.3   1.9   47.64   17.14   130
  03-04-2012   12:25-12:39   903   15.4   15.4   1.8   47.84   17.12   130
  03-04-2012   12:40-12:54   918   15.6   16   1.8   48.58   17.76   129
  03-04-2012   13:39-13:54   867   18.3   16.8   1.9   66.98   9.82   131
  03-04-2012   13:55-14:09   846   19.1   17.3   1.9   67.56   9.36   130
  03-04-2012   14:10-14:24   842   19.1   17.4   1.8   67.78   9.22   130
  03-04-2012   14:25-14:39   818   20.1   17.4   2   68.12   8.74   130
表3-2本发明太阳能平板集热器测试结果（计算数据）
3.2效率曲线
瞬时效率η定义为
Figure BDA00001736062600111
现有典型多流道太阳能平板集热器数据线性拟合曲线使用的总面积4.01m2，测试使用的流量163m3/h；本发明太阳能平板集热器数据线性拟合曲线使用的总面积m2，测试使用的流量m3/h。效率曲线比较见表4。
表4两种太阳能集热器效率曲线（拟合方程）
Figure BDA00001736062600112
Figure BDA00001736062600121
3.3降力压
流体：空气，流体温度：-3.12℃
图8a是现有典型多流道太阳能平板集热器流动阻力变化图，图8b是本发明太阳能集热器流动阻力变化图。
试验结果显示，按照ASHRAE93-2003测试标准要求的条件下（即采光口太阳总浮罩在790W以上、直接辐射占总辐射比例70%以上、环境温度变化小于0.2℃/min，环境风速变化小于2m/s，集热器液体循环工质流量0.01m3/min·m2，气体循环工质流量0.02m3/min·m2条件下），本发明制作板芯的平板集热器的瞬时热效率较普通多流道平板集热器提高10%以上，流动阻力降低8%以上。
3.4时间常数
图9a是现有典型多流道太阳能平板集热器时间常数图（Tc=680s），图9b是本发明太阳能集热器时间常数图（Tc=170s）。
时间常数与热容共同显示，由于改进后的集热器板芯增加了扰流翅片，集热器热容增大，且从一个稳态到另一个稳态的过渡时间增加，降低了集热器的热性能，但比较于提高的热效率，这一微小的热性能下降可以忽略。测试涉及符号及单位见表5。
表5测试涉及符号及单位
Figure BDA00001736062600131

Claims (10)

1.一种平板型太阳能集热器吸热板芯（1），包括板芯腔体（11），板芯腔体（11）是矩形腔体；所述板芯腔体（11）第1侧壁（111）的内侧面布置有绕流翅片（12），绕流翅片（12）布置M排N列，其特征在于：
8≤M≤16，11≤N≤22；第1列绕流翅片（12）靠近板芯腔体（11）入口边框（112）且与入口边框（112）平行；
每排中，第2～N片绕流翅片（12）均以其上顶点为中心向板芯腔体（11）出口侧边框（113）旋转并有旋转角α；第2片绕流翅片（12）旋转角α≥1.5°，第2片～第5n片绕流翅片（12）旋转角α逐渐增加，n=N/11且依4舍5入法则取整，第5n片绕流翅片（12）旋转角α＝4.5～5.5°，第5n＋1片～第N片绕流翅片（12）旋转角α与第5n片相同；
每排中，第2片～第5n片绕流翅片（12）等距抬升，第1片～5n片绕流翅片（12）下顶点连线与矩形背板（11）底边框呈夹角β，β＝9.0°～10.0°，第5n＋1片～第N片绕流翅片（12）等距下降，第N片绕流翅片（12）下顶点与第1片绕流翅片（12）下顶点等高；
绕流翅片（12）排间距相等，各排间对应的绕流翅片（12）旋转角α相等；
每排中，各绕流翅片（12）上顶点在板芯腔体（11）底边框（114）上的投影点等距。
2.根据权利要求1所述的吸热板芯，其特征在于：所述第2片～第5n片绕流翅片（12）旋转角α等差递增。
3.根据权利要求1或2所述的吸热板芯，其特征在于：所述板芯腔体（11）长宽比为2:1～1:1。
4.根据权利要求1或2所述的吸热板芯，其特征在于：所述第1列绕流翅片（12）与入口边框（112）相距20mm～50mm。
5.根据权利要求1或2所述的吸热板芯，其特征在于：绕流翅片（12）排间距20～50mm；所述每排各片绕流翅片（12）上顶点在底边框（114）上的投影点间距35～85mm。
6.根据权利要求1或2所述的吸热板芯，其特征在于：所述绕流翅片（12）长100mm～200mm，厚0.02～2mm，高为板芯腔体（11）内腔高的0.4～1.0倍。
7.根据权利要求2所述的吸热板芯，其特征在于：板芯腔体（11）长2000mm，宽1000mm，布置8排11列绕流翅片（12），排间距50mm，每排各片绕流翅片（12）上顶点在底边框（114）上的投影点间距50mm；每排绕流翅片（12）中，第2片绕流翅片（12）旋转角α＝2°，第5n片绕流翅片（12）旋转角α＝5°；所述夹角β＝9.4°。
8.一种利用权利要求1或7所述的吸热板芯构成的太阳能集热器，其特征在于：是平板集热器，吸热板芯（1）的第2侧壁（115）与第1侧壁（111）相对，吸热板芯（1）第2侧壁（115）向上置于外壳（5）中，外壳（5）上面开口；第2侧壁（115）的外侧面镀有选择性涂层构成集热板（2）；玻璃盖板（3）覆盖在外壳（5）上并密封；透明盖板（3）与集热板（2）相邻，其间有隔热层（4）；吸热板芯（1）还连接必要的管路；集热器入口（6）穿过外壳（5）开口于入口边框（112）下部，集热器出口（7）穿过外壳（5）开口于出口边框（113）上部。
9.根据权利要求8所述的太阳能集热器，其特征在于：所述集热器入口（6）开口位置低于末排第1片绕流翅片（12）下顶点水平高度，所述集热器出口（7）开口位置高于首排第1片绕流翅片（12）上顶点水平高度。
10.根据权利要求8所述的太阳能集热器，其特征在于：所述集热器中流动换热工质时，换热工质流速≤15m/s。
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