CN102913986A - 分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置 - Google Patents

分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,包括:室内机以及与室内机连接的室外机,所述室外机包括蒸发器,所述蒸发器包括吸热板芯和与所述吸热板芯一体成型的分离热管的蒸发段,所述室内机包括冷凝器,所述冷凝器包括分离热管的冷凝段,所述蒸发器的气相部分通过气导管连接冷凝器的气相部分,所述蒸发器的液相部分通过液导管连接冷凝器的液相部分。通过上述方式,本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置采用分离热管技术,实现了太阳能的光热转换与热能传输,实现了太阳能采暖,大大提高了采暖效率,降低了热量散失,解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题。

Description

分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置技术领域[0001] 本发明涉及太阳能热利用领域,特别是涉及一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖>J-U ρςα装直。背景技术[0002] 按照建筑热工分区,我国2/3以上的国土面积属严寒和寒冷地区,为保证生存的基本条件,建筑物必须供暖。随着生活水平和居住环境的改善,夏热冬冷地区对采暖要求不断提高,城镇绝大部分家庭已经安装空调自行解决冬季采暖问题。[0003] 2004年我国城镇建筑消耗采暖用能I. 3亿吨标煤每年,相当于煤产的10%左右。 与单独的太阳能供热水相比,太阳能供热采暖获得的节能量更大。因此,太阳能供热采暖是继太阳能供热水之后,需要在建筑中应用推广的又一项太阳能热利用技术。[0004] 我国是太阳能资源最为丰富的地区,太阳能资源区划的第一区和第二区,都是气候寒冷、常规能源比较缺乏的偏远地区,如西藏、新疆、内蒙等,既有实际的采暖需求,又有充足的资源条件,是应用太阳能供热采暖条件最为优越的地区。[0005] 太阳能采暖是一项环保工程,它与普通的采暖方式不同的是热源不同,即普通采暖是燃煤、电、油、气等,而太阳能采暖是利用无污染、可再生的太阳能。太阳能采暖经济效益显著,一般3— 5年即可收回投资成本,而它的使用寿命一般在20年左右,所以它的经济效益也是十分显著的。由于太阳能采暖清洁安全,不会产生传统燃煤采暖炉二氧化碳中毒的危险,也不会发生烫伤等意外,适用于大型建筑,如住宅、学校、办公室、工厂、养殖温室等。另外,安装太阳能采暖工程还可以免费获得洗浴热水,是一举多得的节能减排工程。[0006] 传统太阳能采暖思路是采用太阳能集热系统制成采暖用45°C—60°C的热水,再通过风机盘管、地板采暖以及散热片加热室内空气。这样做有以下缺点:a、制取热水温度在 45°C — 60°C的高温区,尤其在光照强度较低的冬季,集热器效率较低;b、经过二次换热(先加热热水再由热水加热空气),系统效率低;c、系统防冻问题难以解决;d、系统复杂,初投资高;e、由于系统效率低,存在各种安全隐患,初期投资高,运行维护费用高,难以推广应用。发明内容[0007] 本发明主要解决的技术问题是提供一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,采用分离热管技术,能够实现太阳能的光热转换与热能传输,实现太阳能采暖,大大提高了采暖效率,降低了热量散失,解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题。[0008]为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,包括:室内机以及与室内机连接的室外机,所述室外机包括蒸发器, 所述蒸发器包括吸热板芯和与所述吸热板芯一体成型的分离热管的蒸发段,所述室内机包括冷凝器,所述冷凝器包括分离热管的冷凝段,所述蒸发器的气相部分通过气导管连接冷凝器的气相部分,所述蒸发器的液相部分通过液导管连接冷凝器的液相部分。[0009] 在本发明一个较佳实施例中,所述蒸发器还包括边框、背板和透明盖板,所述边框安装在蒸发器的四周,所述背板安装在吸热板芯的背部,所述透明盖板安装在吸热板芯的上部。[0010] 在本发明一个较佳实施例中,所述吸热板芯上设置有所述换热管和吸热翅片,所述换热管与吸热翅片连接成一体,所述分离热管的蒸发端与吸热板芯一体成型。[0011 ] 在本发明一个较佳实施例中,所述室内机内部还设置有循环风机、辅助热源和控制器。[0012] 在本发明一个较佳实施例中,所述蒸发器为管翼式满液蒸发器,所述冷凝器为管翅式冷凝器。[0013] 在本发明一个较佳实施例中,所述冷凝器的安装位置高于蒸发器的安装位置。[0014] 在本发明一个较佳实施例中,所述气导管上蒸发器的蒸汽出口端安装有气液分离器。[0015] 在本发明一个较佳实施例中,所述液导管上设置有储液器、控制阀和液封结构,所述控制阀安装在液导管的下降管上,所述液封结构安装在室外机内部。[0016] 在本发明一个较佳实施例中,所述储液器的底端位置高于蒸发器的顶端位置。[0017] 本发明的有益效果是:本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置采用分离热管技术,将平板太阳能集热板中的吸热板芯与分离热管的蒸发段一体形成管翼式满液蒸发器,将分离热管的冷凝段制成管翅式冷凝器,实现了太阳能的光热转换与热能传输,实现了太阳能采暖,大大提高了采暖效率,降低了热量散失,解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题。附图说明[0018] 图I是本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置的结构示意图;图2是本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置的蒸发器的结构示意图;附图中各部件的标记如下:1、室内机,2、循环风机,3、控制器,4、辅助热源,5、冷凝器,6、气液分离器,7、气导管,8、吸热板芯,9、换热管,10、蒸发器,11、室外机,12、液封结构,13、 控制阀,14、液导管,15、储液器,21、边框,22、背板,23、透明盖板,24、吸热翅片。具体实施方式[0019] 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。[0020] 请参阅图I至图2,本发明实施例包括:一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,包括:室外机11和室内机I,所述室外机11 包括蒸发器10,所述室内机I包括冷凝器5。[0021] 具体地,本发明采用了分离热管技术,将平板太阳能集热器中的吸热板芯8与分离热管的蒸发段一体成型制成了太阳能管翼式满液蒸发器,作为室外机11安装在室外外墙上,将分离热管的冷凝段制成室内机I中的管翅式冷凝器。[0022] 所述太阳能管翼式满液蒸发器由吸热板芯8、换热管9、边框21、背板22与透明盖板23组成。[0023] 所述吸热板芯8的上部安装有透明盖板23,所述吸热板芯8的背部安装有背板22。在所述太阳能管翼式满液蒸发器的四周设置有边框21,所述吸热板芯8上(内)设置有换热管9与吸热翅片24,所述换热管9与吸热翅片24连接成一体,所述多个吸热翅片24之间相互连接成一整板。[0024] 所述太阳能管翼式满液蒸发器的背板23与吸热板芯8间以及四周的边框21设置有保温隔热层,它们采用聚氨酯整体发泡,杜绝了热桥,降低热损,大大提高了集热器集热效率。[0025] 所述吸热翅片24的表面采用磁控溅射氮氧化钛或电镀黑铬太阳能选择性吸收涂层,吸热率达95% ±2%,发射率低于8%,性能稳定;所述透明盖板23采用低铁、布纹、钢化玻璃,高透光率和布纹漫反射使得吸热板芯与玻璃内腔之间形成温室效应,钢化使得强度更高,不易损伤。[0026] 所述换热管9与吸热翅片24连接成一整体,它们之间通过焊接或胀接的方式连接,该换热管9采用铜、合金铝等金属制成。由多根蒸发换热管9并联组成蒸发器11的吸热板芯8,蒸发器的换热管9的两头分别由气导管7和液导管14管连接。[0027] 所述室内机I还包括循环风机2、控制器3和辅助热源4,通过循环风机2将冷凝热用来加热室内空气。当太阳能较弱时,采用辅助热源4来进行热量的补充,从而保障了采暖的稳定性,控制器3能够实现自动控制,保证系统的稳定可控和安全。[0028] 其中,室内的冷凝器5安装位置高于室外的蒸发器10安装位置。室外的蒸发器10 和室内的冷凝器5之间通过气导管7和液导管14分别连接气相部分和液相部分。[0029] 在液导管14上设置有控制阀13。具体地,控制阀13安装在在冷凝液的下降管上, 其优点是在供暖房间达到设定温度以后,保护平板太阳能蒸发器10不在超高压下运行。[0030] 当采暖温度达到目标温度后,通过关闭控制阀13来切断热量的不断传输。控制阀 13的关闭,可以有效避免系统出现过高的压力。即当循环风机2不工作时,如果不停止对蒸发器10的供液,在阳光充足的情况下,会使整个系统压力过高,而用控制阀13来切断供液, 则即使太阳能再充足,系统压力也始终维持在室内温度下的工作介质的饱和压力。[0031] 在液导管14上设置有储液器15,储液器15的优点是:由于分离热管中冲液量较多,储液器15的设置保证了随着温度升高液体膨胀空间增大;在供暖房间温度达到设定值后切断控制阀13,保证工作液的储存。[0032] 储液器15的底端位置高于蒸发器10的顶端位置。由于蒸发器换热管9采用了满液的工作形式,当工作温度升高时,工作介质比容的增大会导致冷凝器5有效冷凝面积的减小,从而恶化冷凝过程,使系统的工作效率大大降低。采用储液器15就避免了工作介质比容变化的影响,从而保证系统始终处于高效运行状态。[0033] 在液导管14上还设置有液封结构12,液封结构12安装在室外机11内部,液封结构12的设置保障了工作介质始终按照既定的方向进行流动。[0034] 在气导管7上蒸发器10的蒸汽出口端安装有气液分离器6,气液分离器6保障了流入冷凝器5的工作介质为气态,避免了上升的气导管7中气液混输,提高了换热效率。[0035] 优选地,本发明中的分离热管内的工作介质采用R134a或R22,抽真空注入。在换热管内充满制冷剂(R134a、R22),形成满液式的蒸发器10。具有以下优点:a、将原有的液体对流换热方式改变为热管相变换热方式,大大降低了热损,提高了热传递效率,使得太阳能平板集热器在低温区就能保持高的集热效率;b、工作介质在蒸发器10的蒸发形式为满液式蒸发:一方面,满液式蒸发有效提升了分离热管蒸发端的换热效率,使得分离热管的热传输效率得到了极大的提升;另一方面,蒸发均匀充分,保证了整个吸热板芯8表面温度均匀,大大降低了表面热迁移损失;C、采用制冷剂(R134a、R22)作为热管工作介质,在正常工作温度范围内,系统始终处于正压运行,避免常规热管真空运行带来的诸多不利影响;d、在正常工作温度范围内,工作介质无冰点,彻底解决防冻问题;e、由于重力分离热管的“热二极管”效应,防止了热能的倒输,有效防止了在分离热管不工作时热能的散失,实现了分离式热管应用于太阳能采暖的高效和稳定运行。[0036] 分离热管启动前,蒸发器10内部流道充满制冷剂,这时蒸发器10内制冷剂的压力和温度为环境温度下制冷剂的饱和压力和饱和温度。随着吸热板芯8吸收太阳能辐射,吸热板芯8温度上升,内部流道内制冷剂开始蒸发,压力和温度开始上升。由于液导管14上液封结构12的作用,受热产生的制冷剂蒸汽只能朝气导管一个方向运动,在蒸发器10内部流道形成气液两相运动,在气液两相运动过程中,液相不断被蒸发,气相在流道中所占的面积越来越大。[0037] 蒸发的制冷剂蒸汽在气导管7的上升蒸汽通道汇集然后进入气液分离器6,上升蒸汽中夹带的液体在重力作用下积聚在气液分离器6的下部,然后返回液导管14,蒸汽则通过上升蒸汽管进入室内冷凝器5冷凝放热,此时加热由循环风机2转动吹过冷凝器5翅片的空气,冷凝液则在重力的作用下进入冷凝液下降管,补充蒸发器10中被蒸发的液体, 从而形成一个热管工作循环。[0038] 随着室内供暖房间温度的不断升高,系统内工作压力和工作温度也不断升高,以适应新的工况下动力学和热力学平衡。这时,蒸发器10中的工作压力和工作温度不断升高,直到供暖房间温度达到设定温度,循环风机2停止转动,同时控制阀13切断冷凝液下降管,停止供液。蒸发器中残留工质会继续蒸发、上升至冷凝器5冷凝,直到全部干枯形成过热蒸汽。[0039] 如太阳辐照能不足以加热供暖房间温度达到设定温度,启动辅助热源4。辅助热源4的启停、分离热管系统的控制根据供暖房间温度由控制器13自动实现,前提是优先使用太阳能,太阳能不足部分由辅助热源4提供。[0040] 本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置通过控制器3实现自动控制,在控制器3对循环风机2、辅助热源4以及控制阀13的综合控制下,实现系统的可控和安全。[0041] 本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置的工作原理为:阳光通过透明盖板23照射到吸热板芯8上,此时吸热翅片24上太阳能选择性吸收涂层吸收太阳能辐射并转化为热能,同时将热量传递给换热管9内部的工作介质,使之由液态吸热变成气态,气态工作介质经过气导管7和气液分离器6进入冷凝器5,气态放热冷凝成液态,工作介质冷凝放出的热量以强制对流的形式传递给流经冷凝器5的室内空气,室内空气在室内机内的循环风机2作用下,不断通过冷凝器5,连续从中吸取热量,从而完成太阳能对室内的采暖,液态工作介质在重力作用下经过液导管14、储液器15、控制阀13和液封结构12进入蒸发器10,再次吸收自吸热板芯8转换的太阳能从而进入下一个热量传输循环。[0042] 本发明分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置的有益效果是:一、采用分离热管技术,将平板太阳能集热板中的吸热板芯8与分离热管的蒸发段一体形成管翼式满液蒸发器,安装在室外外墙上;将分离热管的冷凝段制成室内机中的管翅式冷凝器,实现了太阳能的光热转换与热能传输,实现了太阳能采暖;二、将平板太阳能集热板中的吸热板芯8与分离热管的蒸发段一体形成管翼式满液蒸发器,热管工质在初始状态时充满蒸发器10内部流道,保证了蒸发均匀充分,整个吸热板芯8表面温度均勻,大大降低了表面热迁移损失。同时,分离热管热传输功率是普通热管传输功率的两倍,是对流换热的二十倍,系统效率高;三、采用制冷剂(R134a、R22)作为分离热管工作液,R134a和R22的冰点温度分别为-40°C和_50°C,彻底解决了平板太阳能集热器和系统管路的防冻问题;四、由于采用制冷剂(R134a、R22)作为分离热管工作液,所以在分离热管正常工作温度范围内,工作压力总是保持正压,避免不凝性气体(如空气)进入热管,克服了常规热管在一定真空度下工作不易保证真空度的缺点;五、由于重力分离热管的“热二极管”效应,防止了热能的倒输,有效防止了在分离热管不工作时热能的散失;六、分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置由一个室外机11和一个室内机I组成,中间有两个细铜管连接,装置简单、安装方便,易于实现太阳能与建筑一体化;七、分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置设置了辅助热源4,优先使用太阳能,实现全天候供暖;八、采用控制器3自动控制,操作简单、安全可靠。[0043] 以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1. 一种分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,包括:室内机以及与室内机连接的室外机,其特征在于,所述室外机包括蒸发器,所述蒸发器包括吸热板芯和与所述吸热板芯一体成型的分离热管的蒸发段,所述室内机包括冷凝器,所述冷凝器包括分离热管的冷凝段,所述蒸发器的气相部分通过气导管连接冷凝器的气相部分,所述蒸发器的液相部分通过液导管连接冷凝器的液相部分。
2.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述蒸发器还包括边框、背板和透明盖板,所述边框安装在蒸发器的四周,所述背板安装在吸热板芯的背部,所述透明盖板安装在吸热板芯的上部。
3.根据权利要求2所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述吸热板芯上设置有所述换热管和吸热翅片,所述换热管与吸热翅片连接成一体,所述分离热管的蒸发端与吸热板芯一体成型。
4.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述室内机内部还设置有循环风机、辅助热源和控制器。
5.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述蒸发器为管翼式满液蒸发器,所述冷凝器为管翅式冷凝器。
6.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述冷凝器的安装位置高于蒸发器的安装位置。
7.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述气导管上蒸发器的蒸汽出口端安装有气液分离器。
8.根据权利要求I所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述液导管上设置有储液器、控制阀和液封结构,所述控制阀安装在液导管的下降管上,所述液封结构安装在室外机内部。
9.根据权利要求8所述的分离热管壁挂式平板太阳能采暖装置,其特征在于,所述储液器的底端位置高于蒸发器的顶端位置。
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