CN103363689B - 利用固体介质换热的热管式太阳能集热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，包括太阳能联集箱、边框、太阳能集热管、换热盘管和高导热石墨换热层；所述边框设置于太阳能联集箱的四周，所述太阳能集热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段设置于太阳能联集箱之外且固定在边框上，所述冷凝段设置于太阳能联集箱的内部，换热盘管设置于太阳能联集箱内，太阳能集热管的冷凝段设置于换热盘管的空隙部位，高导热石墨换热层包裹设置于太阳能集热管的冷凝段外。集热效率高、传热速度快、耐高温抗空晒、耐低温抗冷冻，克服了太阳能集热管对外传热表面积小能量相对集中易沉积水垢影响换热效果和全玻璃材质易发生粉碎性炸管而漏水的缺点。

Description

利用固体介质换热的热管式太阳能集热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能集热器，尤其涉及的是一种利用固体介质换热的热管式太阳能集热器。
背景技术
目前在太阳能光热利用领域，普片使用的太阳能集热装置主要分为两种，一种是以全玻璃真空集热管为基础开发的真空管式太阳能集热器，一种是采用闷晒方式的平板式太阳能集热器。就目前现有的太阳能集热装置而言，普遍存在的问题是会受到水垢的严重影响，即便采用其他介质来间接换热也无法解决最终与水换热时的水垢沉积问题。同时平板式太阳能集热器容易受环境温度影响，在最需要热水供应的冬季基本无任何节能优势，而真空管式集热器虽然全玻璃真空集热管本身基本不受环境温度的影响，而其采用的玻璃材质却容易因为局部温差过大而爆裂，同时其采用的换热介质（主要是水）也很容易受环境温度的影响而热胀冷缩而损坏容纳介质的容器和太阳能真空管。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，彻底解决水垢问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：本发明包括太阳能联集箱、太阳能集热管和高导热石墨换热层；所述边框设置于太阳能联集箱的四周，所述太阳能集热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段设置于太阳能联集箱之外，所述冷凝段设置于太阳能联集箱的内部，高导热石墨换热层包裹设置于太阳能集热管的冷凝段外，高导热石墨换热层内设有液体换热介质通道。
所述太阳能联集箱的四周设置边框，太阳能集热管的蒸发段固定在边框上。
作为本发明的优选方式之一，所述液体换热介质通道为盘管状或直通管状。
所述液体换热介质通道内设有换热盘管，可以通过液体换热介质通道直接注入换热介质实现热传递，也可以使用换热盘管进行热传递。
所述换热盘管至少有一组，每组换热盘管具有两个端部，一个为冷水进口，另一个为热水出口，所述冷水进口和热水出口分别通过螺钉固定在边框上。
所述换热盘管包括直行段和弯曲段，所述直行段相互平行，直行段的首末分别连接弯曲段，直行段和弯曲段交替连接成通管，太阳能集热管的冷凝段夹持于相邻的两个直行段之间。
所述高导热石墨换热层包裹于太阳能集热管的冷凝段外，所述高导热石墨换热层在冷凝段之外形成换热立方体，液体换热介质通道位于所述换热立方体内。
所述高导热石墨换热层、太阳能集热管的冷凝段和换热盘管外包覆设置保温层，可以提高太阳能集热器的保温性能。
作为本发明的优选方式之一，所述保温层为聚氨酯保温层。
作为本发明的优选方式之一，所述太阳能集热管为全玻璃双层真空的太阳能集热管。
本发明的工作原理如下：
本发明主要作用是利用太阳能制备热水的太阳能集热器，而自然界的水在加热过程中不可避免的会产生水垢，而这些新产生的水垢极易存积在加热面上和水流平缓的管壁上，本发明最终对水的加热元件是换热盘管，由于换热盘管的特殊结构，当水流流经换热盘管时会产生很强的扰动，形成紊流冲刷管壁，避免加热过程产生的水垢在管壁上沉积，只要在换热盘管的热水出口处设置平流沉积式过滤除垢装置就可彻底消除水垢的危害；本发明利用高导热石墨换热层将太阳能集热管获得能量传导给换热盘管，太阳能集热管向外传导热量的太阳能集热管的蒸发段的特点是传热表面积小能量相对集中，与其换热的高导热石墨换热层拥有象有机塑料一样的可塑性，并且还有超高的导热性能、化学稳定性、自润滑和能涂敷在固体表面的等等一些良好的工艺性能，使采用太阳能集热管的太阳能集热器的性能得到了质的提升。
在晴好天气当太阳能照射到太阳能集热管的蒸发段时太阳能集热管内的液体蒸发气化，蒸汽在压差的作用下以声速流向太阳能集热管的冷凝段，释放热能后凝结成液体，液体再沿管壁回流到太阳能集热管的蒸发段，周而复始。利用太阳能集热管内工作的液体气化、液化相变超导循环过程，连续不断的将太阳辐射获得的热能传导至太阳能集热管冷凝段，而包裹在太阳能集热管冷凝段外面的高导热石墨换热层，利用其优良的的导热性能（热阻比铝低40%，比铜低20%）迅速的将太阳能集热管冷凝段获得热能传导到高导热石墨换热层内部的换热盘管中，换热盘管就可以利用这些源源不断传导过来的热能对流经盘管内的水进行加热以获得热水。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明使用了全玻璃双真空超导热管太阳能集热管作为集热元件，所以其具备使用这种集热管的集热器的所有共同优点，集热效率高、传热速度快、耐高温抗空晒、耐低温抗冷冻等，由于换热盘管为管状结构，可以排空其内的水等液体换热介质，在低温环境中避免集热器被冻坏，提高耐低温极限；由于采用固体介质石墨进行换热，在高温环境中可以打开集热器的外壳，石墨进行自然散热，提高产品的耐高温性能；
本发明使用了高导热石墨这种固体作为太阳能集热管的换热介质，克服了太阳能集热管对外传热表面积小能量相对集中易沉积水垢影响换热效果和全玻璃材质易发生粉碎性炸管而漏水的缺点；
本发明采用紧凑的换热盘管最终为水加热，利用紊流对管壁的冲刷作用，使太阳能集热器具有了自清理水垢的功能，配合平流沉积式过滤除垢装置使用就可彻底消除水垢的危害；
本发明使用高导热石墨作为换热介质和换热盘管配套使用，避免了液体换热介质易泄露，易腐蚀容器等一系列问题，同时具备了承压运行的能力。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是图1的剖视图；
图3是图1的A-A向示意图；
图4是图1的俯视图；
图5是图4的局部放大图；
图6是实施例2的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是图7的局部示意图；
图9是图6的仰视图；
图10是图9的局部示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1～5所示，本实施例是应用于家庭用户的挂壁式太阳能集热器，包括太阳能联集箱1、边框2、太阳能集热管3、换热盘管4和高导热石墨换热层5；所述边框2设置于太阳能联集箱1的四周，所述太阳能集热管3包括蒸发段31和冷凝段32，所述蒸发段31设置于太阳能联集箱1之外且固定在边框2上，所述冷凝段32设置于太阳能联集箱1的内部，换热盘管4设置于太阳能联集箱1内，太阳能集热管3的冷凝段32设置于换热盘管4的空隙部位，高导热石墨换热层5包裹设置于太阳能集热管3的冷凝段32外。
本实施例的换热盘管4有一组，换热盘管4具有两个端部，一个为冷水进口41，另一个为热水出口42，所述冷水进口41和热水出口42分别通过螺钉7固定在边框2上。
所述换热盘管4包括直行段43和弯曲段44，所述直行段43相互平行，直行段43的首末分别连接弯曲段44，直行段43和弯曲段44交替连接成通管，太阳能集热管3的冷凝段32夹持于相邻的两个直行段43之间。
所述高导热石墨换热层5包裹于太阳能集热管3的冷凝段32外，所述高导热石墨换热层5在冷凝段32之外形成换热立方体，换热盘管4位于所述换热立方体内。
所述高导热石墨换热层5、太阳能集热管3的冷凝段32和换热盘管4外包覆设置保温层6，所述保温层6为聚氨酯保温层，可以提高太阳能集热器的保温性能。
本实施例的太阳能集热管3为全玻璃双层真空的导热管。
实施例2
如图6～10所示，本实施例是应用于热水工程系统工程型太阳能集热器，本实施例的换热盘管4有两组，每组换热盘管4具有两个端部，第一组换热盘管4的两个端部分别设有第一进出水口45和第四进出水口48，第二组换热盘管4的两个端部分别设有第二进出水口46和第三进出水口47，第一进出水口45、第二进出水口46、第三进出水口47和第四进出水口48分别通过螺钉7固定在边框2上。第一进出水口45和第二进出水口46分别位于太阳能联集箱1的顶端，第三进出水口47和第四进出水口48分别位于太阳能联集箱1的底端。两个换热盘管4在太阳能联集箱1内相互独立，形成双通路以扩大改型集热器在太阳能热水工程中应用的灵活性。
其他实施方式和实施例1相同。

Claims (9)

1.一种利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，包括太阳能联集箱(1)、太阳能集热管(3)和高导热石墨换热层(5)；边框(2)设置于太阳能联集箱(1)的四周，所述太阳能集热管(3)包括蒸发段(31)和冷凝段(32)，所述蒸发段(31)设置于太阳能联集箱(1)之外，所述冷凝段(32)设置于太阳能联集箱(1)的内部，高导热石墨换热层(5)包裹设置于太阳能集热管(3)的冷凝段(32)外，高导热石墨换热层(5)内设有液体换热介质通道；所述太阳能集热管(3)为全玻璃双层真空的太阳能集热管。
2.根据权利要求1所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述太阳能联集箱(1)的四周设置边框(2)，太阳能集热管(3)的蒸发段(31)固定在边框(2)上。
3.根据权利要求1所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述液体换热介质通道为盘管状或直通管状。
4.根据权利要求3所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述液体换热介质通道内设有换热盘管(4)。
5.根据权利要求4所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述换热盘管(4)至少有一组，每组换热盘管(4)具有两个端部，一个为冷水进口(41)，另一个为热水出口(42)，所述冷水进口(41)和热水出口(42)分别通过螺钉(7)固定在边框(2)上。
6.根据权利要求4所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述换热盘管(4)包括直行段(43)和弯曲段(44)，所述直行段(43)相互平行，直行段(43)的首末分别连接弯曲段(44)，直行段(43)和弯曲段(44)交替连接成通管，太阳能集热管(3)的冷凝段(32)夹持于相邻的两个直行段(43)之间。
7.根据权利要求4所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述高导热石墨换热层(5)包裹于太阳能集热管(3)的冷凝段(32)外，所述高导热石墨换热层(5)在冷凝段(32)之外形成换热立方体，液体换热介质通道位于所述换热立方体内。
8.根据权利要求7所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述高导热石墨换热层(5)、太阳能集热管(3)的冷凝段(32)和换热盘管(4)外包覆设置保温层(6)。
9.根据权利要求8所述的利用固体介质换热的热管式太阳能集热器，其特征在于，所述保温层(6)为聚氨酯保温层(6)。
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