CN103245099A - 低置短筒吸液芯玻璃热管真空太阳能集热元件 - Google Patents

Abstract

低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件，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，其特征是玻璃热管热端内部底端含有短筒吸液芯。低置短筒吸液芯插入式玻璃热管真空太阳能集热元件，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，其特征是所述热管热端内部含有短筒吸液芯。短筒吸液芯的长度通常为60毫米。本发明使真空热管集热管冬季的热管启动时间从原来光管热管的140多分钟缩短到20多分钟，并基本维持原有工质充装量确保空晒时热管的安全。

Description

低置短筒吸液芯玻璃热管真空太阳能集热元件

技术领域

 本发明涉及低置短筒吸液芯玻璃热管真空太阳能集热元件。

背景技术

热管真空集热管制造的太阳能热水器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4.4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低置短筒吸液芯玻璃热管真空太阳能集热元件。

本发明解决其技术问题的技术方案之一：用罩玻璃管和内玻璃管同心嵌套布置封接，制成一支低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件。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制作吸收膜。所述一体式玻璃热管太阳能集热元件垂直或者倾斜安装。玻璃热管依靠重力工作。玻璃热管热端内部设置短筒吸液芯，短筒吸液芯用弹性卡簧压贴于热管热端内壁或者短筒吸液芯依靠自身弹性压贴于热管热端内壁。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%。

还可以令全玻璃真空集热管的内玻璃管相对罩玻璃管偏心布置并且内玻璃管与制作于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接或者，内玻璃管与一个配合连接于罩玻璃管上的附加半圆镜面聚光连接。

本发明解决其技术问题的技术方案之二：用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，制成一支低置短筒吸液芯插入式玻璃热管真空太阳能集热元件。所述插入式玻璃热管太阳能集热元件垂直或者倾斜安装。所述热管依靠重力工作。所述热管热端内部设置短筒吸液芯，短筒吸液芯用弹性卡簧压贴于热管热端内壁或者短筒吸液芯依靠自身弹性压贴于热管热端内壁。短筒吸液芯沿所述热管内壁圆周向布置；短筒吸液芯离所述热管底端的间隔距离小于所述热管热端总长度的20%。

还可以令短筒吸液芯的长度不超过60毫米；短筒吸液芯的材料包括玻璃纤维、碳纤维和铜丝。

还可以令：在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、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：短筒吸液芯持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%。

还可以令：短筒吸液芯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、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，短筒吸液芯持有液态工质的质量≤0.9毫升。

本发明的有益效果：本发明低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件和低置短筒吸液芯玻璃热管真空太阳能集热元件，在玻璃热管内部设置短筒吸液芯，当太阳落山时，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短筒吸液芯时被截留从而抬高了工质的位置并使工质均布于热管热端底端内壁。第二天太阳出来时，热管热端一旦受热，被短筒吸液芯吸持的液态工质迅速蒸发并参与两相流换热。进一步分析可知：离热管底端30至60毫米布置的短筒吸液芯，其所处的内玻璃管直接吸收太阳能，同时其上方和下方吸收膜吸收的热能也会传热过来。冬季，一个短筒吸液芯在典型集热条件下其受热功率相当于原光管热管处于吸气剂镜面包围之中仅通过其上方较远处吸收膜通过玻璃管传热产生的受热功率7倍左右。原来光管热管启动过程需要140多分钟，现在用低置短筒吸液芯后缩短至20多分钟，相当于冬季每天多集热一个多小时。白天集热元件正常工作时，全部工质参与两相流换热循环，短筒吸液芯可以不持有或者很少持有液态工质。由于短筒吸液芯里热管热端底端距离短，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的传热来有效参与换热。这样就不存在因为使用短筒吸液芯而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是一支低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件结构示意图。

图2是一支低置短筒吸液芯插入式玻璃热管真空太阳能集热元件结构示意图。

图3是一支低置短筒吸液芯插入式玻璃热管真空太阳能偏心集热元件结构示意图。

图中1.罩玻璃管；2.内玻璃管；3.热管；4.环形贮液槽状物；5.弹性卡簧；6.全玻璃真空集热管；7.传热器件；8.偏心全玻璃真空集热管；9.半圆镜面。

具体实施方式

图1给出本发明第一个实施例。

图1中，用罩玻璃管1和内玻璃管2同心嵌套布置封接，制成一支低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件。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即热管3的外表面制作吸收膜。所述一体式玻璃热管太阳能集热元件垂直或者倾斜安装。热管3依靠重力工作。热管3热端内部设置短筒吸液芯4，短筒吸液芯4长度60毫米；短筒吸液芯4用弹性卡簧5压贴于热管3热端内壁。短筒吸液芯4沿热管3内壁圆周向布置；短筒吸液芯4离热管3底端的间隔距离为30至60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。热管3工作时，因为短筒吸液芯4可以不持有工质，所以，工质充装量不增加，有利于限制空晒时热管3内部饱和蒸汽压处于低水平。

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，短筒吸液芯4能够在热管3不工作时大量吸持液态工质，提高原光管热管集聚于热管3底部的工质的位置。短筒吸液芯4离热管3底端间隔距离40毫米以利热管3启动时从上面和下面同时吸收太阳热能加速启动。

图1实施例中，热管3正常工作时允许其下面数十毫米段干涸或者部分干涸所以短筒吸液芯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短筒吸液芯4吸持。

图2给出本发明第二个实施例。

图2中，用一支全玻璃真空集热管6与插入其内玻璃管2内腔的插入式玻璃壳体热管3通过两片传热器件7低热阻连接，制成一支插入式全玻璃真空热管集热元件。热管3热端内部底部设置有短筒吸液芯4。

图2实施例中热管3内部结构及工作原理与图1实施例的相似。

图3给出本发明第三个实施例。

图3中，在一支偏心全玻璃真空集热管8内玻璃管2内腔中插入一支插入式玻璃壳体热管3，制成一支插入式偏心全玻璃真空热管集热元件。热管3热端内部底部设置有短筒吸液芯4。偏心全玻璃真空集热管8的内玻璃管2相对罩玻璃管1偏心布置并且内玻璃管2与制作于罩玻璃管1内壁的半圆镜面9聚光连接。

图3实施例中热管3内部结构及工作原理与图1实施例的相似。

Claims (6)

1.低置短筒吸液芯一体式玻璃热管真空太阳能集热元件，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制作吸收膜，玻璃热管依靠重力工作，其特征是玻璃热管热端内部底端含有短筒吸液芯，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%。

2.按照权利要求1所述的太阳能集热元件，其特征是全玻璃真空集热管的内玻璃管相对罩玻璃管偏心布置并且内玻璃管与制作于罩玻璃管上的半圆镜面聚光连接或者，内玻璃管与一个配合连接于罩玻璃管上的附加半圆镜面聚光连接。

3.低置短筒吸液芯插入式玻璃热管真空太阳能集热元件，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，所述热管依靠重力工作，其特征是所述热管热端内部含有短筒吸液芯，短筒吸液芯沿所述热管内壁圆周向布置；短筒吸液芯离所述热管底端的间隔距离小于所述热管热端总长度的20%。

4.按照权利要求1或者3所述的太阳能集热元件，其特征是短筒吸液芯的长度不超过60毫米；短筒吸液芯的材料包括玻璃纤维、碳纤维和铜丝。

5.按照权利要求1或者3所述的太阳能集热元件，其特征是在太阳光曝射量700±50瓦/平方米、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：短筒吸液芯持有液态工质的质量≤其最大液态工质持有量的25%。

6.按照权利要求1或者3所述的太阳能集热元件，其特征是：短筒吸液芯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、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，短筒吸液芯持有液态工质的质量≤0.9毫升。

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