CN103225895B - 玻璃热管工质高位集聚的太阳能集热装置 - Google Patents

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Abstract

玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置，包括集热元件、绝热水箱和尾盒，其特征是热管含有环形贮液槽状物工质吸持拦截器件。玻璃热管短筒吸液芯工质高位集聚的太阳能集热装置，包括集热元件、绝热水箱和尾盒，其特征是热管含有短筒吸液芯工质吸持拦截器件。玻璃热管细条毛细吸液芯工质高位集聚的太阳能集热装置，包括集热元件、绝热水箱和尾盒，其特征是热管含有2至30毫米宽细条毛细吸液芯工质吸持拦截器件。玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热装置，包括集热元件、绝热水箱和尾盒，其特征是热管含有稀疏芯网工质吸持拦截器件。本发明既能最大限度加快热管启动；又使空晒时玻璃热管内部压力保持低位。

Description

玻璃热管工质高位集聚的太阳能集热装置
技术领域
本发明涉及玻璃热管工质高位集聚的太阳能集热装置。
背景技术
真空集热元件在其罩玻璃管与内玻璃管之间设置一个真空隔热层，可制造冬季也能提供生活热水的真空太阳能热水器。用热管真空集热管制造的太阳能热水器更具有管内无水能效比高、符合卫生饮用水标准、单管损坏照样工作等优点。因此。管内无水的太阳能真空热管热水器将有可能占领越来越多的市场份额。
现有一种工作量充装很少的全玻璃热管真空集热管太阳能热水器，热管内壁采用光管结构、热管真空集热管倾斜约45度安装。在非换热状态下，可以观察到热管底部有液态工质集聚。
对其进行与管内存水的全玻璃真空集热管太阳能热水器对照试验，发现热管太阳能热水器的升温情况先慢后快。判断是热管启动过程过长，在热管启动阶段，热管集热元件不能满功率运行因而升温慢，热管启动之后热管集热元件满功率运行因而升温快。
考察全玻璃热管真空集热管的热管启动：由于集聚于热管底部的工质通常因为被吸气剂形成的镜面遮光其温度上升缓慢，使得这些液态工质不能迅速参与两相流换热循环。同时，由于热管热端内部其他部位的温度虽高但在很长一段时间内处于干涸状态而不能对集热做贡献。以后依靠靠近底部的玻璃热管管壁传热逐渐使液态工质汽化并循环参与两相流换热，热管完成启动过程进入正常工作状态。问题是在冬季，热管的启动过程可能持续两小时以上，这使得某些玻璃热管集热管的表现不能明显比管内存水的全玻璃真空集热管好，热管的优势没能充分发挥。
玻璃表面不适合加工细槽以形成更大的毛细升力。
采用在玻璃热管内表面布置具有足够大面积的芯网，虽然可利用毛细作用解决热管启动过程过长的问题，但会使成本较大增加，更严重的是还会因内部充装工质较多、使空晒时蒸汽压过高而造成炸管事故的风险大大增加。譬如工质充装量/热管容积率从2毫升/1000毫升时的0.2%提高到5毫升/1000毫升时的0.5%，最高饱和蒸汽压从140℃的约3.7个大气压增加至180℃的约10个大气压，但热管内部从140℃约3.7个大气压的最高蒸汽压继续升温至180℃时内部压力仅有4个大气压左右。由于玻璃耐压能力有限，所以，既要设法抬高热管启动时的液态工质位置高度加快启动，又要在热管工作时尽可能少的截留液态工质以减少工质充装量。
中国发明专利200410012193.9防爆太阳能全玻璃真空集热管，披露了一种防爆太阳能全玻璃真空集热管，其热管中液态工质充装量为0.1～0.5％V，其中V为热管内的容积。使其达到某一临界温度时全部转化为汽相，当温度继续升高时，压力按照汽相的规律升高，从而大幅度的降低了高温状态下热管内的工作压力……。同时，在热管中增设吸附材料，以保证热管再次快速起动。但该发明专利在热管中包括热管蒸发段中部设置的吸附材料吸持工质加速热管启动这一方式仍会带来增加工质充装量和空晒时内部压力或者启动仍然较慢的问题。假定：原来设定内玻璃管内径44毫米、罩玻璃管外径58毫米、长2米的全玻璃真空热管集热管的内部压力上限为4个大气压、空晒最高温度230℃、水作工质，计算可得内玻璃管容积约3升。查水蒸汽的饱和蒸汽压表可知：135℃时刚好全部工质汽化的工质充装量，其饱和蒸汽压为3.2个大气压且在最高空晒温度230℃时，内部压力达到4个大气压即等于内玻璃管内部压力极限。并可查得135℃时蒸汽的质量容积比为1.7毫升/升。该集热管的工质充装量为3升*1.7毫升/升=5.1毫升。（5.1毫升工质对于现有的集热管来说偏少，在热端下部会出现干涸，但这个问题这里不做展开）。此时，为了加速热管启动而在热管内部中部设置吸液材料。假定所增加的吸液材料在热管正常工作时提吸持有了总共1.5毫升工质，并且因此加剧热管内部热端干涸现象，干涸的热端不参与换热使集热管的效率大打折扣。为了避免因热端干涸带来的集热量损失。必须增加工质充装量来弥补热管工作时被吸液材料提吸持有的那部分工质。假设增加的工质充装量也是1.5毫升，则工质刚好全部汽化时的蒸汽的质量容积比从1.7毫升/升上升至2.2毫升/升，这时的最高饱和蒸汽压对应的临界温度从135℃上升至145℃；相应地，在最高空晒温度230℃时，热管内部压力从4个大气压增加到5个大气压。结论是：为了加速启动在热管热端中部增加吸液材料并增加工质充装量，在最高空晒温度下，集热管内部的压力会超过原先设定的压力从4个大气压增加至5个大气压超出25%；而不用吸液材料热管启动过程要延长两小时相当于冬季减少日集热量35%。还有，吸附材料仅仅吸持1.5毫升工质仍然很不够。
发明内容
本发明的目的是要提供玻璃热管工质高位集聚的太阳能集热装置。
本发明解决其技术问题的技术方案之一：用玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱、尾盒支架及辅件，组成一台玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置。玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件包括：1）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管，内玻璃管即玻璃热管的外表面含有吸收膜；2）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管即玻璃热管外表面低热阻连接翅板，翅板表面含有吸收膜；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；3）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管封接制成，内玻璃管含有内直段、弯曲过渡段和外直段；外直段与罩玻璃管同心布置并且自封接处向前伸出；内直段外表面含有吸收膜并且与制作于罩玻璃管上的半圆镜面或者与配合连接于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接，内玻璃管内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；4）所述集热元件由一支全玻璃真空集热管与插入其内玻璃管内腔的插入式玻璃热管配合或者低热阻连接制成。所述玻璃热管热端内部含有环形贮液槽状物工质吸持拦截器件，所述环形贮液槽状物沿热管内壁圆周向布置；环形贮液槽状物含有贮液空间或者环形贮液槽状物因为玻璃热管空间状态的改变而形成贮液空间；环形贮液槽状物离玻璃热管底端的间隔距离大于40毫米小于玻璃热管热端总长度的20%；并且环形贮液槽状物离太阳能集热元件尾端吸气剂镜面上沿口的平均垂直间隔距离大于20毫米。
本发明解决其技术问题的技术方案之二：用玻璃热管短筒吸液芯工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱、尾盒、支架及辅件，组成一台玻璃热管短筒吸液芯工质高位集聚的太阳能集热装置。玻璃热管短筒吸液芯工质高位集聚的太阳能集热元件包括：1）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管，内玻璃管即玻璃热管的外表面含有吸收膜；2）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管即玻璃热管外表面低热阻连接翅板，翅板表面含有吸收膜；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；3）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管封接制成，内玻璃管含有内直段、弯曲过渡段和外直段；外直段与罩玻璃管同心布置并且自封接处向前伸出；内直段外表面含有吸收膜并且与制作于罩玻璃管上的半圆镜面或者与配合连接于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接，内玻璃管内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；4）所述集热元件由一支全玻璃真空集热管与插入其内玻璃管内腔的插入式玻璃热管配合或者低热阻连接制成。所述玻璃热管热端内部底端含有短筒吸液芯工质吸持拦截器件，短筒吸液芯沿热管内壁圆周向布置；短筒吸液芯离热管底端的间隔距离小于热管热端总长度的20%；所述短筒吸液芯的长度不超过90毫米。
本发明解决其技术问题的技术方案之三：用玻璃热管细条毛细吸液芯工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱、尾盒支架及辅件，组成一台玻璃热管细条毛细吸液芯工质高位集聚的太阳能集热装置。玻璃热管细条毛细吸液芯工质高位集聚的太阳能集热元件包括：1）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管，内玻璃管即玻璃热管的外表面含有吸收膜；2）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管即玻璃热管外表面低热阻连接翅板，翅板表面含有吸收膜；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；3）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管封接制成，内玻璃管含有内直段、弯曲过渡段和外直段；外直段与罩玻璃管同心布置并且自封接处向前伸出；内直段外表面含有吸收膜并且与制作于罩玻璃管上的半圆镜面或者与配合连接于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接，内玻璃管内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；4）所述集热元件由一支全玻璃真空集热管与插入其内玻璃管内腔的插入式玻璃热管配合或者低热阻连接制成。所述玻璃热管热端内部含有一条宽度2至30毫米的细条毛细吸液芯工质吸持拦截器件，所述细条毛细吸液芯的长度为热管热端长度的10至50%；细条毛细吸液芯的下端离热管底端的距离为0至200毫米；细条毛细吸液芯的面积小于所述热管热端内壁面积的5%；在集热元件上含有窥孔或者标记。
本发明解决其技术问题的技术方案之四：用玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱、尾盒支架及辅件，组成一台玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热装置。玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热元件包括：1）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管，内玻璃管即玻璃热管的外表面含有吸收膜；2）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管即玻璃热管外表面低热阻连接翅板，翅板表面含有吸收膜；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；3）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管封接制成，内玻璃管含有内直段、弯曲过渡段和外直段；外直段与罩玻璃管同心布置并且自封接处向前伸出；内直段外表面含有吸收膜并且与制作于罩玻璃管上的半圆镜面或者与配合连接于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接，内玻璃管内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；4）所述集热元件由一支全玻璃真空集热管与插入其内玻璃管内腔的插入式玻璃热管配合或者低热阻连接制成。所述玻璃热管热端内部含有一个由若干条宽度2至10毫米的细条毛细吸液芯组成的稀疏芯网工质吸持拦截器件，稀疏芯网的面积小于所述热管热端内壁面积的5%。
还可以令所述稀疏芯网由若干个与玻璃热管内壁同心配合连接的细条毛细吸液芯环构成。
还可以令：在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述玻璃热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下：所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%；
或者，令所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述玻璃热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述环形贮液槽状物或者所述短筒吸液芯或者所述细条毛细吸液芯或者所述稀疏芯网持有液态工质的质量≤0.9毫升。
上述集热元件倾斜布置工作，所述热管依靠重力工作。
本发明的有益效果：本发明玻璃热管工质高位集聚的太阳能集热装置，在所述集热元件玻璃热管内部设置稀疏芯网或者在所述玻璃热管热端内部底端处设置环形贮液槽状物或者短筒吸液芯或者细条毛细吸液芯，当太阳落山时，所述玻璃热管逆向工作：与加热负荷低热阻连接的原热管冷端内表面的液态工质蒸发并在原热管热端内表面凝结，当原热管热端内表面液态工质集聚较多而向下流淌到达稀疏芯网或者环形贮液槽状物或者细条毛细吸液芯或者短筒吸液芯时被吸持截留从而抬高了工质的位置。第二天太阳出来时，热管热端一旦受热，被吸持截液的液态工质迅速蒸发并参与两相流换热。进一步分析可知：由于采用了稀疏芯网、环形贮液槽状物、短筒吸液芯和细条毛细吸液芯，成十倍增加了吸热面积，与仅仅依靠玻璃管壁从被吸气剂镜面包围的玻璃管上方吸取热能的光管玻璃热管相比，大幅度增加了启动阶段工质的加热功率。冬季，热管启动过程从原来光管的140多分钟缩短至10至30分钟，相当于集热装置冬季每天多集热一个多小时。白天集热元件正常工作时，由于环形贮液槽状物离热管热端底端只有45毫米，这45毫米段即使干涸相关的吸收膜吸收的太阳热能也可以通过玻璃管向环形贮液槽状物的传热来有效参与换热。其他的工质吸持拦截器件在热管正常工作时也可以不持有或者很少持有液态工质。这样就不存在因为使用工质吸持拦截器件而增加或者较多地增加工质充装量的问题，从而既最大限度加快热管启动；又使空晒时玻璃热管内部的压力保持低位。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是一台一体式玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置。
图2是一台折弯偏心玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热装置。
图中1.罩玻璃管；2.内玻璃管；3.热管；4.环形贮液槽状物；5.细实线；6.凹槽；7.虚线；8.偏心直段；9.外直段；10.弯曲过渡段；11.弯内玻璃管；12.细条毛细吸液芯环；13.卡簧；14.半圆镜面；15.绝热水箱；16.尾盒。
具体实施方式
图1给出本发明的第一个实施例。
图1中，用一体式玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱15、尾盒16，组成一台玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置。一体式玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件由罩玻璃管1和内玻璃管2同心嵌套布置封接制成。内玻璃管2自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管3，热管3热端的长度为1.8米。内玻璃管2的外表面制作吸收膜。热管3即内玻璃管2热端内部底端设置环形贮液槽状物4作为工质吸持拦截器件。
环形贮液槽状物4为一段带有翻边的圆管，其轴向横截面呈“L”型。L型的一边与热管3热端内壁贴合连接依靠自身弹性压贴于热管热端内壁，另一边从下面以大致直角的形式伸向热管3热端内部。
环形贮液槽状物4离热管3底端的距离45毫米。环形贮液槽状物4离细实线5标示的集热管吸气剂镜面的上沿口的垂直距离大于20毫米。图1中并排的向外箭头表示热管3的冷端位置。
当图1实施例的集热元件作顺时针旋转约45度倾斜安装时，热管3能够依靠重力实现两相流循环换热，将太阳热能源源不断地通过冷端传递给加热负荷。
当图1实施例的集热元件作顺时针旋转约45度倾斜安装时，环形贮液槽状物4上处于最下方呈“L”型的部位形成一个凹槽6，凹槽6能够在热管3不工作时截留液态工质，提高原本集聚于光管热管3底部的工质的位置。这有利于热管启动时从上面和下面同时吸收太阳热能加速启动。凹槽6内的液体的最高液面处于虚线7所示位置。
图1实施例中，环形贮液槽状物4采用薄铜板制作有助于改善较大直径譬如外径58毫米的玻璃管壁热管3热端从上面太阳光照射处到下面工质之间的传热工况。热管3正常工作时允许其热端底端45毫米段干涸或者部分干涸，所以环形贮液槽状物4在热管3工作时常常不持有工质。太阳落山时，热管3冷端内表面的凝结水蒸发，包括这部分工质在内的所有工质全部或者绝大部分工质被环形贮液槽状物4截留。
图2给出本发明的第二个实施例。
图2中，用折弯偏心玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱15、尾盒16，组成一台玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热装置。折弯偏心玻璃热管稀疏芯网工质高位集聚的太阳能集热元件用一支由偏心直段8、外直段9和连接偏心直段8与外直段9的弯曲过渡段10构成的弯内玻璃管11，与一支一端圆封的罩玻璃管1嵌套布置，外直段9的腰部与罩玻璃管1的缩颈端口封接，外直段9向前伸出；弯内玻璃管11内部抽真空灌装工质封离制成一支折弯的玻璃壳体热管3；再在热管3热端内壁同心配合连接10个细条毛细吸液芯环12构成一个稀疏芯网作为工质吸持拦截器件、细条毛细吸液芯环12用卡簧13压贴于热管3热端内壁制成。热管3的热端长度1米8；细条毛细吸液芯环12的宽度5毫米。细条毛细吸液芯环12的面积之和为50毫米，其面积小于热管3热端内壁面积的2.8%。约180度圆周角范围的罩玻璃管1内表面磁控溅射铝膜制成半圆镜面14。偏心直段8深入罩玻璃管1内部；偏心直段8上制作有吸收膜，带吸收膜的偏心直段8与半圆镜面14聚光连接。聚光连接是指带吸收膜的偏心直段8以其轴心线沿半圆镜面14的对称平面从上向下移动靠近半圆镜面14但不与半圆镜面14接触以免形成热桥造成热能损失。从图2可见：进入罩玻璃管1的阳光，中间部分直接在偏心直段8的吸收膜上转化成热能；两侧部分中的绝大部分经过一次或者多次半圆镜面14的反射到达吸收膜上转化成热能。从偏心直段8与罩玻璃管1之间的间隙穿过的阳光有可能经过半圆镜面14的反射而穿出罩玻璃管1逃逸掉。偏心直段8与罩玻璃管1之间的间隙宽度约为2毫米。

Claims (2)

1.玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置，由玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件、绝热水箱、尾盒、支架及辅件组成，玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热元件包括：1）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管，内玻璃管即玻璃热管的外表面含有吸收膜；或2）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接制成，内玻璃管即玻璃热管外表面低热阻连接翅板，翅板表面含有吸收膜；内玻璃管自封接处向前伸出并且内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；或3）所述集热元件由罩玻璃管和内玻璃管封接制成，内玻璃管含有内直段、弯曲过渡段和外直段；外直段与罩玻璃管同心布置并且自封接处向前伸出；内直段外表面含有吸收膜并且与制作于罩玻璃管上的半圆镜面或者与配合连接于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接，内玻璃管内部抽真空灌装工质后封离制成一支热管；或4）所述集热元件由一支全玻璃真空集热管与插入其内玻璃管内腔的插入式玻璃热管配合或者低热阻连接制成，其特征是所述玻璃热管热端内部含有环形贮液槽状物工质吸持拦截器件，所述环形贮液槽状物沿热管内壁圆周向布置；环形贮液槽状物为一段带有翻边的圆管，其轴向横截面呈“L”型；环形贮液槽状物含有贮液空间或者环形贮液槽状物因为玻璃热管空间状态的改变而形成贮液空间；环形贮液槽状物离玻璃热管底端的间隔距离大于40毫米小于玻璃热管热端总长度的20%；并且环形贮液槽状物离太阳能集热元件尾端吸气剂镜面上沿口的平均垂直间隔距离大于20毫米。
2.按照权利要求1所述的玻璃热管环形贮液槽状物工质高位集聚的太阳能集热装置，其特征是：在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述玻璃热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下：所述环形贮液槽状物持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%；
或者，所述环形贮液槽状物最大液态工质持有量≥4毫升；在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、所述玻璃热管冷端外侧水温40±5℃、集热元件轴心线呈南北向倾斜布置并且其轴心线与入射阳光的夹角在90±20°范围内条件下，所述环形贮液槽状物持有液态工质的质量≤0.9毫升。
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