CN103277908B - 具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器 - Google Patents

具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，包括金属框架,与金属框架固定连接的玻璃盖板及保温背板，装设在所述保温背板、金属框架和玻璃盖板围成的密闭空间内的吸热板，在所述吸热板底面上沿着集热器长度方向上按一定的间距布置并倾斜固定连接有百叶窗翅片换热结构，该百叶窗翅片换热结构沿着集热器宽度方向的中心线分为第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元，所述第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元相对称布置在吸热板底面上，第一百叶窗翅片换热单元与第二百叶窗翅片换热单元倾角大小相同，且倾斜方向相反。能有效提高太阳能的热利用效率，同时易于加工、批量生产。

Description

具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器
技术领域
本发明涉及属于太阳能热利用及建筑节能技术领域，具体涉及一种利用太阳能加热空气的集热装置。
背景技术
我国北方大多数地区太阳能资源较为丰富，且北方地区气候寒冷，太阳能作为一种清洁可再生能源，在北方地区供暖方面具有较大发展潜力。太阳能空气集热器作为一种加热空气的集热装置，具有价格低廉、运行管理维护操作简便的特点，是一种经济性较好的采暖设备。通常的平板型空气集热器，由于空气的热容较低，且空气侧热阻较大，其集热效率通常只有20%-30%左右(YangM,WangP,YangX,etal.Experimentalanalysisonthermalperformanceofasolaraircollectorwithasinglepass.BuildingandEnvironment2012;56:361-369；张东峰，陈晓峰.高效太阳能空气集热器的研究.太阳能学报，2009(01):61-63)。为此，相关研究人员开发了诸多形式的空气集热器结构来提高空气集热器的效率，因而当前空气集热器的相关专利很多，但真正实用、便于批量生产的较少，主要原因在于以下几点：（1）相当多的太阳能空气集热器内部结构设计复杂（专利公开号：CN201724430U，一种组合叶片式孔板型太阳能空气集热器；专利公开号：CN201322459,一种单层波浪型孔板式平板太阳能空气集热器），相应集热器结构的生产加工工艺繁琐，不便于批量加工生产，限制了其产能和广泛使用；（2）有些空气集热器由于其设计上的构造特殊（专利公开号:CN201909455U，移动式模块化空气集热器；专利公开号:CN201909461U，一种带菱形支撑导流板的太阳能空气集热器），使用的场合有限；（3）一些空气集热器设计的集热效率得到一定幅度提高的同时，由于其内部流道结构造成集热器的风阻阻力较大（专利公开号：CN201637169U，一种具有较高集热效率的太阳能空气集热器；专利公开号：CN201138091，折流式双效加热太阳能空气集热装置），导致与之匹配的风机需要提供的压头过大，也不便于实际工程应用推广。
因此，开发低成本、高效、易于加工生产的平板型太阳能空气集热器，有助于推动太阳能热利用市场的规模化发展，并在一定程度上实现节能减排效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有百叶窗翅片换热结构的高效太阳能空气集热器，能有效提高太阳能的热利用效率，同时易于加工、批量生产。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：一种具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，包括金属框架,与金属框架上部固定的玻璃盖板,与金属框架下部固定连接的保温背板，装设在所述保温背板设有与金属框架与玻璃盖板和保温背板围成的密闭空间内的吸热板，及与该密闭空间相连通的进风口和出风口，在所述吸热板底面上沿着集热器长度方向上按一定的间距布置并倾斜固定连接有百叶窗翅片换热结构，该百叶窗翅片换热结构沿着集热器宽度方向的中心线分为第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元，所述第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元相对称布置在吸热板底面上，第一百叶窗翅片换热单元与第二百叶窗翅片换热单元倾角大小相同，且倾斜方向相反。
进一步地，在靠近进风口处设有复数个呈扇形分布的进口导流片，相邻两个进口导流片之间形成将空气导入百叶窗翅片换热结构的进口导流槽，在靠近出风口处设有复数个呈扇形分布的出口导流片，相邻两个出口导流片之间形成将空气导出百叶窗翅片换热结构的出口导流槽。
进一步地，所述百叶窗翅片换热结构的第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元的开窗倾角为20°～30°,开窗间距为50～150mm，开窗长度为开窗间距的1/2～4/5，翅片间距为20～50mm，翅片高度为40～60mm。
进一步地，在位于所述玻璃盖板与吸热板之间并靠近出风口的金属框架侧面开设有一通气孔。
进一步地，所所述的吸热板和百叶窗翅片换热结构的每一个百叶窗翅片均采用铝合金薄板，所述第一百叶窗翅片换热单元和第二百叶窗翅片换热单元分别是由复数个百叶窗翅片阵列构成，每一个百叶窗翅片阵列的翅片形成间断表面，空气流动时在间断表面产生边界层扰流，增大吸热板与流动空气之间的换热面积的同时，增强了流动空气与翅片之间的边界层扰流，从而强化空气侧与吸热板之间的对流传热，每一个百叶窗翅片阵列与吸热板焊接的接触基部为狭长平直形，便于焊接。
本发明所述具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器的有益效果是，利用与吸热板焊接接触的百叶窗翅片换热结构的间断表面，在增大吸热板与流动空气之间的换热面积的同时，增强了流动空气与翅片之间的边界层扰流，从而强化空气侧与吸热板之间的对流传热作用，提高了太阳能空气集热器的热性能。该集热器的各部件均采用常规材料与制造工艺，因而具有加工工艺简单、造价较低等优点，且运行维护操作简便，本发明主要适用于北方村镇建筑室内太阳能空气采暖，或农副产品的热风干燥等太阳能低温热利用领域，具有较大发展潜力和良好的节能效果。具有以下优点：
①、采用百叶窗翅片换热结构流道实现空气与吸热板之间的强化传热。由于百叶窗翅片间的间断表面结构通过倾斜翅片不断干扰边界层扰流，提高了空气侧对流换热，大大降低空气侧对流传热热阻，从而提高了空气集热器的集热效率。
②、基于数值计算结果优化了进、出口导流片分布，使得集热器内部气流分布合理、阻力较小，在提高集热效率的同时确保集热器的压力降较低。
③、百叶窗翅片阵列易于采用冲压技术加工而成，单个百叶窗翅片阵列与吸热板的接触基部为狭长平直形，便于焊接加工；相应的空气集热器装置易于批量生产。
附图说明
图1是本发明所述具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器的立体结构示意图；
图2是本发明所述具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器的透视结构图；
图3是本发明所述具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器未装设玻璃盖板和吸热板的结构示意图；
图4是本发明所述具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器的百叶窗翅片换热结构的立体结构示意图；
图5是图2的局部放大示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-金属框架，2-玻璃盖板，3-进风口，4-出风口，5-保温背板外表面不锈钢薄层壁面，6-通气孔，7-吸热板，8-接触基部，9-进口导流片，10-出口导流片，11-百叶窗翅片换热结构，12-保温背板内壁面不锈钢薄层，13-背板保温材料，16-第一百叶窗翅片换热单元，17-第二百叶窗翅片换热单元，18-进口导流槽，19-出口导流槽，20-百叶窗翅片阵列，La-开窗倾角,Lp-开窗间距，Ll-开窗长度，Fp-翅片间距，Fh-翅片高度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2、图3和图4所示，该具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，包括金属框架1,与金属框架1上部固定的玻璃盖板2,与金属框架1下部固定连接的保温背板15，装设在所述保温背板15、金属框架1和玻璃盖板2围成的密闭空间内的吸热板7，及与该密闭空间相连通的进风口3和出风口4，在所述吸热板7底面上沿着集热器长度方向上按一定的间距布置并倾斜固定连接有百叶窗翅片换热结构11，该百叶窗翅片换热结构11沿着集热器宽度方向的中心线分为第一百叶窗翅片换热单元16和第二百叶窗翅片换热单元17，所述第一百叶窗翅片换热单元16和第二百叶窗翅片换热单元17相对称布置在吸热板7底面上，第一百叶窗翅片换热单元16与第二百叶窗翅片换热单元17倾角大小相同，且倾斜方向相反，保温背板7宜采用耐高温材料，可确保在夏季高温闷晒工况下集热器的使用寿命。
在靠近进风口3处设有复数个呈扇形分布的进口导流片9，相邻两个进口导流片9之间形成将空气导入百叶窗翅片换热结构11的进口导流槽18，便于未被加热的空气从进风口3流入百叶窗翅片换热结构11内进行换热，减小流阻，在靠近出风口4处设有复数个呈扇形分布的出口导流片10，相邻两个出口导流片10之间形成将空气导出百叶窗翅片换热结构11的出口导流槽19，便于被加热后的空气从出风口4流出，减小流阻。
在位于所述玻璃盖板2与吸热板7之间并靠近出风口4的金属框架1侧面开设有一通气孔6，在夏季闷晒工况下，打开此通气孔6，使所述密闭空间内的热气流和水蒸气能够及时自动排除。
所述保温背板15是由保温背板外表面不锈钢薄层壁面5、保温背板内壁面不锈钢薄层12和装设在保温背板外表面不锈钢薄层壁面5与保温背板内壁面不锈钢薄层12之间的背板保温材料13构成。
所述进风口3和出风口4的管径为100～200mm。
所述金属框架内侧面装设有保温材料，进一步增强集热器的保温效果。
所述的吸热板7和百叶窗翅片换热结构11的每一个百叶窗翅片均采用铝合金薄板，所述第一百叶窗翅片换热单元16和第二百叶窗翅片换热单元17分别是由复数个百叶窗翅片阵列20构成，每一个百叶窗翅片阵列20的翅片形成间断表面，空气流动时间断表面产生边界层扰流，增强流动空气与吸热板7之间的对流换热效果，每一个百叶窗翅片阵列20与吸热板7焊接的接触基部8为狭长平直形，便于焊接。
如图5所示，所述百叶窗翅片换热结构11的第一百叶窗翅片换热单元16和第二百叶窗翅片换热单元17的开窗倾角La为20°～30°,开窗间距Lp为50～150mm，开窗长度Ll为开窗间距Lp的1/2～4/5，翅片间距Fp为20～50mm，翅片高度Fh为40～60mm，采用以上设计参数的百叶窗翅片换热结构使空气与吸热板7之间有最佳的换热效率。
本发明主要应用于建筑太阳能空气采暖或者农副产品的干燥工艺等方面。所述的集热器装置各组成部分均采用常用材料，生产制造加工工艺简单，造价较低；该集热器内部的百叶窗翅片换热结构通过间断表面的边界层扰流作用，来增强流动空气与吸热板之间的对流换热效果，从而有利于实现高效的太阳能热收集效果；该集热器可设计成标准化尺寸结构的模块，易于形成市场规模快化批量生产和形成大面积应用推广的平台。以太阳能空气采暖为例，通过前期相关测试及模拟计算发现，足够数目的该模块应用在采暖面积为50m2的单体农宅中，每年可以节省300～500kg左右的煤炭消耗，其设备初投资在500-600/m2元左右，经济回收期为7～10年，该种设备的使用寿命可以达到15年以上，因此该种设备的经济性很好。另外，每年节省300～500kg左右的传统煤耗，相当于减少0.75～1.25吨左右的CO2排放量，减少了对环境的污染。因此，该种集热器除了具备高集热效率的特点之外，还兼有良好的经济性与环保作用，有助于推动村镇建筑太阳能采暖的可持续发展之路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，包括金属框架（1）,与金属框架（1）上部固定的玻璃盖板（2）,与金属框架（1）下部固定连接的保温背板（15），装设在所述保温背板（15）、金属框架（1）和玻璃盖板（2）围成的密闭空间内的吸热板（7），及与该密闭空间相连通的进风口（3）和出风口（4），其特征在于：在所述吸热板（7）底面上沿着集热器长度方向上按一定的间距布置并倾斜固定连接有百叶窗翅片换热结构（11），该百叶窗翅片换热结构（11）沿着集热器宽度方向的中心线分为第一百叶窗翅片换热单元（16）和第二百叶窗翅片换热单元（17），所述第一百叶窗翅片换热单元（16）和第二百叶窗翅片换热单元（17）相对称布置在吸热板（7）底面上，第一百叶窗翅片换热单元（16）与第二百叶窗翅片换热单元（17）倾角大小相同，且倾斜方向相反。
2.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：在靠近进风口（3）处设有复数个呈扇形分布的进口导流片（9），相邻两个进口导流片（9）之间形成将空气导入百叶窗翅片换热结构（11）的进口导流槽（18），在靠近出风口（4）处设有复数个呈扇形分布的出口导流片（10），相邻两个出口导流片（10）之间形成将空气导出百叶窗翅片换热结构（11）的出口导流槽（19）。
3.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：所述百叶窗翅片换热结构（11）的第一百叶窗翅片换热单元（16）和第二百叶窗翅片换热单元（17）的开窗倾角（La）为20°～30°,开窗间距（Lp）为50～150mm，开窗长度（Ll）为开窗间距（Lp）的1/2～4/5，翅片间距（Fp）为20～50mm，翅片高度（Fh）为40～60mm。
4.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：在位于所述玻璃盖板（2）与吸热板（7）之间并靠近出风口（4）的金属框架（1）侧面开设有一通气孔（6）。
5.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：所述保温背板（15）是由保温背板外表面不锈钢薄层壁面（5）、保温背板内壁面不锈钢薄层（12）和装设在保温背板外表面不锈钢薄层壁面（5）与保温背板内壁面不锈钢薄层（12）之间的背板保温材料（13）构成。
6.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：所述进风口（3）和出风口（4）的管径为100～200mm。
7.根据权利要求1所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：所述金属框架内侧面装设有保温材料。
8.根据权利要求1至7任一项所述的具有百叶窗翅片换热结构的高效平板太阳能空气集热器，其特征在于：所述的吸热板（7）和百叶窗翅片换热结构（11）的每一个百叶窗翅片均采用铝合金薄板，所述第一百叶窗翅片换热单元（16）和第二百叶窗翅片换热单元（17）分别是由复数个百叶窗翅片阵列（20）构成，每一个百叶窗翅片阵列（20）的翅片形成间断表面，空气流动时在间断表面产生边界层扰流，每一个百叶窗翅片阵列（20）与吸热板（7）焊接的接触基部（8）为狭长平直形。
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Applicant after: Guangdong Fivestar Solar Energy Co., Ltd.

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Applicant before: Guangdong Fivestar Solar Energy Co., Ltd.

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Inventor after: Yang Ming

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