CN103868244A - 一种可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器 - Google Patents

Abstract

一种可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器，由液管式真空集热管(1)、单面联箱(2)、双面联箱(3)和连接板架(4)等组成，单面联箱(2)、双面联箱(3)固定在连接板架(4)上，液管式真空集热管(1)内导热液管(9)两端经液管密封圈(14)与单面联箱(2)内联集管(11)连通，或一端与单面联箱(2)、另一端与双面联箱(3)内联集管(11)连通，电热管(16)装在联集管(9)流道内。液管式真空集热管(1)有液管式真空集热管和液管式相变蓄热真空集热管两种，两种集热管连接方法、集热运行方法相同，可互相兼容、互相替代、可混用，组成的的集热器，可串联、可并联，可与各种不同形状的保温水箱组成任意规模自然或强制循环集热热水器、热水系统。

Description

一种可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器

技术领域

本发明是太阳光热领域一种可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器。

背景技术

现有太阳集热器种类主要有：全玻真空管、热管式真空管、U形管式真空管太阳集热器和平板型太阳集热器四大类，各种类型集热器有各自优势和不同的应用范围，又分别存在不同的问题。

全玻真空管太阳集热器存在的问题：真空管内有水，热水利用率低，防冻难，不承压，真空管内易积污垢影响水质，遇上水急冷、空晒易炸管，真空管破裂漏水无法使用。

热管式真空管太阳集热器存在的问题是：

1.热管蒸发段长而冷凝端很短，长度比30∶1左右，蒸发段吸热面积大，冷凝端散热面积极小，热量集中在冷凝端，将冷凝端直接插入水箱水中进行热交换，热管冷凝端易结水垢，阻碍散热，影响热集热效率，通过联集管上套管间接硬接触传热，当导热硅脂不足或脱落，接触热阻大、热损大。

2.热管管径小、传热路径长，以市场最好的皇明热管HMB8-1800/58热管为例，热管蒸发段外径8毫米，壁厚0.7毫米，内径6.6毫米，蒸发段长1.8米左右，冷凝端变径长58度毫米，传热功率最大130w，虽然实测等温性能远优于国标12度，实际上温差不可避免。

3.热管内部压力大，成份复杂，影响效率和寿命的因素多，微孔微漏或工质不佳都严重影响热管使用寿命。

4.，热管一旦失效，且难以发现，集热管吸收的太阳能无法导出，引起真空管内温度过高，后果类似空晒炸管。

5.用于一次循环集热，集热器联集管不防冻；

6.热管有安装角度要求，通常只适于竖排，应用范围受限；

7.集热器液体进出口都在最高处，组成的自然循环热水器、热水系统，水箱底部必须高于集热器，因水箱位置太高，除壁挂式外，其它大部分场合失去使用价值。

8.热管难以与真空管内相变蓄热器结合，否则热管蒸发段和冷凝端都长期处于高温环境中，易损坏；

9.热管结构和成份较复杂，生产工序多，优质产品综合成本很高，性价比不高。

U形管式真空管太阳集热器存在的问题是：

1.U形管管径小，长度是真空管长度的2倍，以市场优质品牌四季沐歌U型集热器为例，其U形管外8径毫米，壁厚0.6毫米，内径6.8毫米，沿程阻力大，易堵塞，用于自然循环集热阻力大，效率低，用于强制循环集热，循环泵耗电量大，仅适于小面积二次循环热水器，不具备组成大面积热水器、热水系统条件；

2.集热器液体进出口都在最高处，组成的自然循环热水器、热水系统，水箱底部必须高于集热器，因水箱位置太高，除壁挂式外，其它大部分场合失去使用价值。

3.U形管式真空管集热器本身是连体结构，难以兼容相变蓄热功能，即使勉强加装，因U型管占用空间大，可放置相变蓄热材料不多，储热量不大，且吸热容易提取热能难，加装有益效果不多，反而带来很多问题。

平板型太阳集热器存在的问题是：

1.支管管径小，循环集热阻力大，以市场优质品牌四季沐歌平板集热器为例，其支管外径10径毫米，壁厚0.5毫米，内径9毫米，因支管内径太小，支管流道循环阻力大，用于一次循环集热，易被水垢、污物腐蚀、堵塞，且因封闭的连体结构，现场无法维修。

2.集热水温低，集热器最高集热温度不足真空管二分之一，用于自然循环集热动力弱，效率较低，低辐照度太阳能难以累积；

3.非真空保温、六面散热，保温难，防冻难，热损大，当水箱水温与箱外温差大于60度时，集热效率低于真空集热管，在冬季最需热量时集热效率反而降低；

4.用于一次循环集热，集热器极易受冻，采用虹吸排空防冻法的问题：一是拉大了水箱与集热器高度差，导致循环泵一年四季都处于高耗电状态，得不偿失；二是集热器流道每天都处于水、气轮回状态，对集热器寿命影响大，用于二次循环集热，需配置设施多，综合成本很高。

5.集热器透光盖板为平面，易积尘、积油污，影响透光，对集热效率影响大于真空管；

6.集热器密不透风，风阻大，抗风灾能力弱；

7.集热器为连体结构，最大集热面积只有2平方米，组成大中型集热系统外部接口多，现场安装维修都不方便；

8.平板型集热器因非真空保温，不具备在集热器内设置相变蓄热功能的基本条件。

9.平板型集热器虽可做到液体出口在上，进口在下，水箱可以落地，但因集热器非真空保温性能差，组成的水箱落地式热水器，无阳光时热倒流使水箱中的热量从集热器大量散发，热量难以保存，要阻断热倒流，水箱底部必须高于集热器最高处0.3米以上，因水箱位置太高，除壁挂式外，其它场合失去实用价值。

尽管平板型集热器依托采光面积大，外形好，可承压、可较好地与建筑物结合等优势，各企业大力推广几十年，但市场占有率仍很低，其根本原因在于难以克服上述结构性缺陷和由结构性缺陷引发的一系列问题。

发明内容

为全面系统地解决现有各种类型太阳集热器、热水器、热水系统存在的上述一系列自身无法解决的问题，本发明提供一科可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器。

本发明由液管式真空集热管(1)、单面联箱(2)、双面联箱(3)和连接板架(4)等组成，单面联箱(2)、双面联箱(3)固定在连接板架(4)上，液管式真空集热管(1)内导热液管(9)两端经液管密封圈(14)与单面联箱(2)内联集管(11)连通，或一端与单面联箱(2)、另一端与双面联箱(3)内联集管(11)连通。

液管式真空集热管(1)是一种组合式真空集热管，有液管式真空集热管和液管式相变蓄热真空集热管两种，其中液管式真空集热管由特制真空管(5)、导热液管(9)、导热器(10)等组成，导热器(10)安装在特制真空管(5)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和导热器(10)中心穿过；液管式相变蓄热真空集热管由特制真空管(5)、相变蓄热器筒(6)、导热板(7)、相变蓄热材料(8)、导热液管(9)等组成，相变蓄热器筒(6)安装在特制真空管(5)内，导热板(7)位于相变蓄热器筒(6)内外圆之间，相变蓄热材料(8)注入相变蓄热器筒(6)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和相变蓄热器筒(6)中心穿过。由液管式真空集热管(1)组成的集热器，可串联、可并联，可与水箱组成任意规模的自然和强制循环集热热水器、热水系统。

集热器单面联箱(2)、双面联箱(3)由联集管(11)、保温层(12)、联箱外罩(13)、液管密封圈(14)、管口保温护罩(15)、电热管(16)等组成，联集管(11)安装在联箱外罩(13)内，保温层(12)在联集管(11)与联箱外罩(13)之问，液管密封圈(14)固定在联集管(11)上的导热液管孔内，管口保温护罩(15)套在集热管座上，电热管(16)装在多功能联箱的联集管(11)流道内。

联集管(11)采用耐高温、无毒性、阻燃的长寿命塑胶材料制造，具有耐高温、不腐蚀、不结水垢，热损小等集热器所需要的优良特性，综合性能更好，且质轻、适于注塑机大批量生产，且产品质量有保证。

连接板架(4)用于连接、固定、支撑集热器联箱，其结构随集热器应用场合、安装固定方法变化。

特制真空管(5)是一种一端全开口，另一端底部有孔、导热液管(9)可从真空管中心穿过的全玻璃真空太阳集热管，特制真空管(5)种类包括：管口有阻热墙和导热孔的真空管、直通式真空管和管口略有变化、导热液管(9)可从真空管中心穿过的全玻璃真空太阳集热管。除改进部分外，特制真空管(5)材料、工艺、性能与公知的全玻璃真空太阳集热管相同，技术要求等于和优于国标GB/T17049全玻璃真空太阳集热管标准，并随真空管技术发展而提高。

特制真空管(5)优势是：1.组成的液管式真空集热管和液管式相变蓄热真空集热管中导热液管(9)为直管，截面积大，液体循环路径短，液体循环沿程阻力小，自然循环集热效率高；2.在真空管内安装相变蓄热器，不但导热液管(9)占用空间小，可装更多的相变蓄热材料，而且相变蓄热器就近吸热效率高，低辐照太阳能可收集，通过导热液管(9)放热速度快、效率高。

相变蓄热器由相变蓄热器筒(6)、导热板(7)、相变蓄热材料(8)、导热液管(9)等组成，导热板(7)位于相变蓄热器筒(6)内外圆之间，相变蓄热材料(8)装在相变蓄热器筒(6)内，导热液管(9)从相变蓄热器筒(6)中心穿过。

导热液管(16)因不存在焊接问题，可采用特制高热导率铜管、耐腐蚀铝管、铜铝复合管等各种耐高温腐蚀的金属管。

本发明的有益效果是：

1.液管式真空管集热器既具有真空保温性能和很高的集热温度，又有比平板集热器更好的金属流道和相近的集热器厚度、外形与品质，可防冻、可承压，安装使用维修更方便，组成的热水器、热水系统规模不受限。使用无局限性，南方北方都适用，凡现有全玻真空管型、热管式真空管、U形管式真空管太阳集热器和平板型集热器适用的地方都适用，且综合性能更好，许多现有产品不适用的地方也适用，可用做空气集热器和空气相变蓄热器。

2.集热器内导热液管(9)为直管，液体单向流动，循环集热路径短，管截面积大，液体循环沿程阻力小，单管自然循环可传送的最大功率是热管、U形管3倍以上，自然循环动力强，集热效率高，组成的自然循环热水器单机可承载更大的集热面积。

3.集热器液体出口在上，进口在下，组成的自然循环热水器、热水系统水箱可落地，水箱落地后，热水器集热面积和水箱容积不受水箱长度限制，组成的自然循环集热热水器单机最大集热面积和水箱容积比现有任何一种集热器组成的自然循环热水器大数倍，可联网组成任意规模的大中型自然循环热水系统，循环集热不耗电，能效比极高。

4.组成的二次自然循环热水器、热水系统，水箱可隐藏在集热器下，对建筑物外部形象影响小，可更好地与建筑结合。

5.正常集热和相变蓄热管连接、集热方法相同，可互相兼容，通过相变蓄热，可在不改变集热器外形、连接和集热运行方法的前提下使热水器、热水系统储热能力增加30％以上，或热水器、热水系统水箱容积减小、重量减轻30％以上；而且相变蓄热器装在真空管内，具有温度稳定器功能，有利于延长真空管使用寿命。

6.集热器上下联箱两端接口可随时打开，长时间不使用的热水器、热水系统，只要将集热器上下联箱一端接口盖拧开，集热器、集热系统就可自动形成空气自然循环，将热量导出集热器，可有效地保护热水器、热水系统，只要拧上盖，注入水或导热介质就可恢复正常使用。

7.集热器流道主管与支管间不存在焊接问题，不但生产工艺简单，且不存在热管联集管内套管、U形管主管与支管、平板集热器主管与支管因焊接影响使用寿命问题，不存在联集管、主管必须使用铜管问题。

8.在集热器多功能联箱流道内安装电热管(16)，有益效果：一是集热器防冻不用循环泵，防冻可靠性和效率高于热水强制循环防冻和虹吸排空防冻方法；二是用于二次自然循环集热，电热管(16)置身于无腐蚀、无水垢的防冻液中，不腐蚀、不结水垢，使用寿命极长；三是可用于调节水箱水温；四是在电热管(9)两端内置温控器可限制电热管加热时最高水温，不存在导致联集管流道过热问题；五是成本低，安装、维修简便。

9.真空集热管与联箱采用插接法，拆装简单方便。

附图说明

图1：液管式真空管单面集热器局部剖视示意图。

图2：液管式真空管双面集热器局部剖视示意图。

图3：相变蓄热器局部剖视图。

图4：液管式相变蓄热真空集热管局部剖视示意图。

图5：液管式真空集热管局部剖视示意图。

图6：单面联箱局部剖视和与集热管连接示意图。

图7：双面联箱局部剖视图。

图8：单面竖排真空管集热器多组并联集热系统连接图。

图9：双面竖排真空管集热器多组并联集热系统连接图。

图10：单列多组横排双面集热系统排列与连接图。

图11：多列多组横排双面集热系统排列与连接图。

图1～图11中编号1.液管式真空集热管，2.单面联箱，3.双面联箱，4.连接板架，5.特制真空管，6.相变蓄热器筒，7.导热板，8.相变蓄热材料，9.导热液管，10.导热器，11.联集管，12.保温层，13.联箱外罩，14.液管密封圈，15.管口保温护罩，16.电热管。

具体实施方式

图1是液管式真空管单面集热器实施例，集热器上联箱(2)是带伸缩腔单面联箱，下联箱(2)是多功能联箱，两只单面联箱分别固定在连接板架(4)两端，将液管式真空集热管(1)内导热液管(9)两端通过液管密封圈(14)与联箱(2)内联集管(11)相接，组成液管式真空管单面集热器。联箱内带伸缩腔是为便于拆装液管式真空集热管(1)而设置，电热管(16)装在多功能联箱(2)。

图2是液管式真空管双面集热器实施例，集热器由2只单面联箱(2)和一只双面带伸缩腔联箱(3)组成，三只联箱都固定在连接板架(4)上，双面联箱(3)位于两只单面联箱(2)中间，两面分别通过液管式真空集热管(1)与单面联箱(2)连通，单面联箱(2)采用安装电热管(16)的多功能联箱，也可以采用无电热管(16)的单功能联箱。

图3是相变蓄热器剖视示意图，相变蓄热器筒(6)采用高热导率金属材料制造，既是相变蓄热材料(8)的容器，又是导热器；导热板(7)位于相变蓄热器筒(6)内外圆之间，一是为真空管吸收的太阳能越过相变蓄热材料提供通道，二是将相变蓄热材料分隔成小间隔，以缩短相变蓄热材料(8)到导热板(7)的距离，加大相变蓄热材料与导热板(7)接触面积，减少相变蓄热材料(8)热阻，加速吸热释热，导热板(7)数量根据需要确定。相变蓄热材料(8)用于相变蓄热，其种类很多，可选范围较大，例如石蜡、石蜡复合材料等，凡适于注入相变蓄热器筒(6)，无毒性、相变温度满足使用要求的相变蓄热材料都可使用。导热液管(9)与相变蓄热器筒(6)可以是连体，也可以是分体。

图4是液管式相变蓄热真空集热管实施例，液管式相变蓄热真空集热管是组合管，相变蓄热器装在特制真空管(5)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和相变蓄热器中心穿过。

图5是液管式真空集热管实施例，液管式真空集热管是组合管，导热器(10)装在特制真空管(5)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和导热器(10)中心穿过。导热器(10)采用高热导率金属材料制造，作用是将特制真空管(5)吸收的热量直接传送到导热液管(9)上，消除导热液管(9)与特制真空管(5)内管之间空气热阻的影响，导热器(10)形状有翼板式、翅片式、圆筒式，如不考虑成本，相变蓄热器筒(6)是最好的导热器。

导热液管(9)由于不存在焊接问题，可采用特制高热导率铜管、耐腐蚀铝管、铜铝复合管等各种耐高温腐蚀金属管，特别是以防冻液为导热介质的二次循环热水器，可用耐腐蚀铝管、铜铝复合管替代铜管。

液管式真空集热管和液管式相变蓄热真空集热管结构、连接方法和集热运行方法相同，两种集热管具有通用性，可互相兼容、互相替代、可混用。

图6是集热器单面联箱，图7是集热器双面联箱，单面联箱、双面联箱种类有：单功能联箱、多功能联箱、单流道联箱、双流道联箱和带真空管伸缩腔联箱等多种，都由联集管(11)、保温层(12)、联箱外罩(13)、液管密封圈(14)、管口保温护罩(15)等组成，联集管(11)安装在联箱外罩(13)内，保温层(12)在联集管(11)与联箱外罩(13)之间，液管密封圈(14)固定在联集管(11)上的导热液管孔内，管口保温护罩(15)套在集热管座上，液管式真空集热管(1)两端内导热液管与联箱(2)内联集管流道连通。

保温层(12)采用聚氨酯类发泡保温材料，通过发泡把联集管(11)与联箱外罩(13)紧密地粘连在一起，不但保温性能好，而且联箱强度高，联集管(11)不受压不变形。

联箱外罩(13)作用：一是防雨雪、防尘、防紫外线照射联集管和保温层，二是集热器骨架，确保集热器可承重，不变形。联箱外罩(13)采用金属材料制造，通常采用耐腐蚀、不生锈的不锈钢或铝材制造，以确保集热器品质和使用寿命，也可采用耐老化、高强度塑胶类材料制造。

液管密封圈(14)通常采用耐高温、耐老化、无毒性硅胶类材料制造，装在联集管(11)上的导热液管孔内，其作用：一是用于导热液管(9)与联集管(11)之间防水密封，在密封圈外压板作用下，其密封方法与水龙头转轴密封方法相似，可承受很高的液体压力；二是隔热，避免导热液管(9)高温对塑胶联集管造成不利影响，三是便于快速拆装液管式真空集热管(1)。

管口保温护罩(15)套在集热管座上，保温护罩(15)内设有密封圈防尘、保温。

电热管(16)用于集热器防冻和调节水箱水温，集热器用于二次循环集热，因无需防冻，电热管(16)也可不安装。

液管式真空集热管(1)上的真空管、导热器或相变蓄热器、导热液管固定为一体，可联动，液管式真空集热管(1)与联箱连接时，先将液管式真空集热管(1)内导热液管(9)插入带伸缩腔联箱上的导热液管密封圈内，待导热液管(9)另一端对准联箱内导热液管密封圈，插到底即可，拆下时步骤相反。

图8是单面竖排真空管集热器多组并联集热系统连接图，是本发明实施例之一，集热系统上下接口与保温水箱连接，可组成自然、强制循环热水器、热水系统。

图9是双面竖排真空管集热器多组并联集热系统连接图，是本发明实施例之一，集热系统上下接口与保温水箱连接，可组成自然、强制循环热水器、热水系统。

图10是单列多组横排双面集热系统排列与连接图，是本发明实施例之一，集热系统下端接口封闭，上端接口接保温水箱，组成的自然、强制循环热水器、热水系统外部循环管可缩短50％以上，热损小，易防冻。

图11是多列多组横排双面集热系统排列与连接图，是本发明实施例之一，集热系统下端接口封闭，上端接口接保温水箱，组成的强制循环热水系统外部循环管可缩短50％以上，热损小，易防冻。

液管式真空管集热器、集热系统工作原理和过程是：有阳光照射时，特制真空管(5)吸收的太阳经导热器(10)传导至导热液管(9)，加热导热液管(9)内液体，通过液体自然或强制循环将热能导入保温水箱。

液管式相变蓄热真空管集热器、集热系统工作原理和过程是：有阳光照射时，特制真空管(5)吸收的太阳能经导热板(7)传导至导热液管(9)，加热导热液管(9)内液体，当水箱水温低于相变蓄热材料“固-液”相变温度时，相变蓄热器不吸热，特制真空管(5)吸收的太阳能通过导热液管(9)内液体自然或强制循环，将热能导入保温水箱，其工作原理与液管式真空管太阳集热器完全相同；当水箱内水温达到相变蓄热材料“固-液”相变温度时，特制真空管(5)吸收的太阳能经相变蓄热筒(6)内外圆和导热板(7)进入相变蓄热材料(8)内，相变蓄热材料(8)固-液相变过程中大量吸收热能，直至相变蓄热材料(8)完全熔化，在此期间水箱水温基本不变。

当相变蓄热材料(8)完全熔化后，相变蓄热器储热达到饱和，不再吸收热量，特制真空管(5)后续吸收的热量经导热板(7)加热导热液管(9)内液体，通过液体循环进入水箱，水箱水温和相变蓄热器温度随真空管吸收的热量增加而提高。

当水箱水温降至低于相变蓄热材料(8)“液-固”相变温度时，相变蓄热材料(8)通过导热板(7)和导热液管(9)“液-固”相变释放储存的热量，通过导热液管内(9)液体循环将相变蓄热器中储存的热量导入水箱或直接利用，相变蓄热材料(8)随热量释放恢复固化状态，等待下一次重复“固-液”相变吸热、“液-固”相变放热过程。

Claims (4)

1.一种可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器，由液管式真空集热管(1)、单面联箱(2)、双面联箱(3)和连接板架(4)等组成，其特征是：单面联箱(2)、双面联箱(3)固定在连接板架(4)上，液管式真空集热管(1)内导热液管(9)两端经液管密封圈(14)与单面联箱(2)内联集管(11)连通，或一端与单面联箱(2)、另一端与双面联箱(3)内联集管(11)连通。

2.根据权利要求1所述的可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器，其特征是：液管式真空集热管(1)是一种组合式真空集热管，有液管式真空集热管和液管式相变蓄热真空集热管两种，其中液管式真空集热管由特制真空管(5)、导热液管(9)、导热器(10)等组成，导热器(10)安装在特制真空管(5)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和导热器(10)中心穿过；液管式相变蓄热真空集热管由特制真空管(5)、相变蓄热器筒(6)、导热板(7)、相变蓄热材料(8)、导热液管(9)等组成，相变蓄热器筒(6)安装在特制真空管(5)内，导热板(7)位于相变蓄热器筒(6)内外圆之间，相变蓄热材料(8)注入相变蓄热器筒(6)内，导热液管(9)从特制真空管(5)和相变蓄热器筒(6)中心穿过。

3.根据权利要求1所述的可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器，其特征是：集热器单面联箱(2)、双面联箱(3)由联集管(11)、保温层(12)、联箱外罩(13)、液管密封圈(14)、管口保温护罩(15)、电热管(16)等组成，联集管(11)安装在联箱外罩(13)内，保温层(12)在联集管(11)与联箱外罩(13)之间，液管密封圈(14)固定在联集管(11)上的导热液管孔内，管口保温护罩(15)套在集热管座上，电热管(16)装在多功能联箱的联集管(9)流道内。

4.根据权利要求2所述的可兼容相变蓄热功能的液管式真空管太阳集热器，其特征是：特制真空管(5)是一种一端全开口，另一端底部有孔、导热液管(9)可从真空管中心穿过的全玻璃真空太阳集热管。

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