CN104534690B - 自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器 - Google Patents

Abstract

在保留全玻璃真空管产成品几何尺寸和加工工艺不作任何调整的前提下，通过在单开口真空管管口一端，安装一支空气分流器，和一组由导流板、定位片和空气扰流装置等部件组合而成的导流‑换热管芯，将全玻璃真空管产成品系统集成为一支在太阳光热辐射驱动下，能通过自然循环对流换热机制，独立运行的真空管空气集热器。以此作为总成部件，可任意构建不同规模和不同用途的各类型太阳能取暖、干燥装置。本发明拓展了我国真空管利用的新领域，对缓解我国真空管产能过剩的压力，填补我国太阳能干燥技术的短板，具有极其重要的技术经济价值和现实意义。

Description

自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器

技术领域

本发明涉及太阳能光热利用领域，是一种应用系统集成的理论与方法，将单孔盲肠状真空管改造成能有效利用太阳能自然循环换热机制加热空气介质，应用于取暖、脱水干燥的新技术。

背景技术

真空管太阳能热水器，在我国已经是一种非常普及的太阳能热利用产品了。但是，多年以来从1893年杜瓦发明暖水瓶；到1975年美国欧文斯-依利诺伊公司Owens-Illinois将暖水瓶胆拉长做成真空管太阳能集热管，其用途历来局限于加热低温热水。

利用处于空晒状态下的真空管来直接加热空气介质，将其作为太阳能干燥器的热空气，用于取暖，或干燥物品的想法虽然已孕育了多年，但真正成为成熟实用的新技术产品，至今仍未见投放市场。这是因为要想将质量密度仅为水密度1/800的空气；利用单孔盲肠状全玻璃真空管通过自然循环的换热方式来加热质量密度和比重均更为稀薄的空气介质，并将其有效地应用于太阳能工农业生产的干燥系统，完全脱离空压动力机械的驱动，存在相当的难度。据对进入新世纪以来我国专利技术成果的检索查新，仅最近十年内申报国家知识产权局，涉及真空管太阳能空气集热内容公告的实用新型或发明专利，就有十余项之多；纵观这些专利公告内容，大体上可将其分为三种类型：

第1种类型，为在真空管内插入一支热管；或传热金属构件，将真空管所产生的热能通过直接传导的方式引出管外，再在顶部的通风管道中，利用加压空气流与热管的冷凝端类散热物件进行热交换，从而获得热空气用于干燥系统；例如：公开号CN2823915Y，专利号为：200520065009.7；的热管式空气集热器及公开号CN102748873A，专利号为201110111597.3；的类似热管式的空气集热等两项专利。

第2种类型，为将上述类热管构件改变为中空管；再将中空管插入到真空管内形成所谓管中管的套管结构；然后利用高压空气流从中空管中强制吹入真空管内；或由中空管与真空管内管之间的环状通道中强制压入冷空气；再将已在真空管内纵向绕行一周后，获得热量的热空气从环状管（或中空管）中收集起来输往干燥系统；例如：公开号CN201828037U，专利号为201020254759.X；的喷流式专利；公开号CN103940101A，专利号为201310018935.8；带V型聚光槽的中温空气集热器专利；公开号CN103411320A，专利号201310306548.4；的单管吹吸型专利；以及公开号CN104006550A，专利号201410226178.8；的一吹一吸型；等四项专利。

第3种类型，为将盲肠状真空管，改造为两头均开通，并将内外两管分别熔接为开口状态的所谓双开口管；或又称为无底真空管；在管的两头均建立与管横向相交的专用空气通道，然后在一端加压吹入冷空气，而在另一端则收集经中间双开口真空管通道管壁加温的热空气，作为干燥装置的载热介质加以利用；例如：公开号CN200979302Y，专利号200620022425.3；公开号CN201837200U，专利号201020583278.3；公开号CN103808031A，专利号201210447084.4；公开号CN103697601A，专利号201310733621.6；等四项运行原理和系统结构上大同小异的专利。

总而言之，上述三种类型的真空管空气集热器都有一个共同点，那就是都需要配置空气动力装置来对空气流加压，通过强制循环的换热方式，才能将真空管产生的热能提取出来。此外，所有专利都是成排组建的大系统，单根独管难以形成功能完整的基础部件。在第一种类型的热管或类热管型专利技术中，需要经过二次换热才能采集到热空气；这样必然存在经两次热交换造成的效率损失。在第三种类型的专利中，要求使用特殊制造的双开口型真空管（或无底真空管）；如所周知，此种特殊型号的真空管，由于生产工艺复杂，在真空管的侧向抽真空，不仅需要对现有真空管的生产设备和加工工艺进行技术改造后才能生产；而且在生产和运输过程中，侧向抽真空的密封抽气咀极易被碰坏；导致产品的生产成本和废品率都较高。所以至今几乎没有一家真空管生产厂家，有极积性来生产此类性能、效果，用途、用量，尚不明确的特殊型号的真空管；因而，此类专利新技术，从提出至今基本上难以得到有效的推广应用。

目前我国太阳能产业几乎都集中生产￠58×1800型号的标准真空管，并已形成拥有3000多条专业化生产线，年总产量突破4亿多支的海量生产能力。此类单孔盲肠状的全玻璃真空管从发明至今几十年过去了，无论是国内还是国外的太阳能专家，在不改变现有产品结构和生产工艺的前提下，一直未能找到一种简单而有效地解决单孔盲肠状全玻璃真空管自然循环高效换热的简单途径和方法；致使此类真空管长期存在：死水闷晒，管温过高，内管结垢严重，单孔排污困难，循环效率低下，遇冷水炸管，水箱存在死水区，系统集储分离建筑一体化安装不便；等等一系列跨世纪难题。国内外对全玻璃真空管的技术改造，功能改善与用途拓展期待已久。上述弊端若再得不到有效的解决，不仅严重制约真空管在全球太阳能热利用中应有的使用价值；而且，随着产能过剩危机的愈演逾烈，滥价竞争的恶果必将导致大批真空管生产企业的亏损倒闭；或停业。真空管产能过剩引发的危机，必将给我国整个新能源产业的健康发展，造成难以估量的负面影响和不可预测的经济损失。当前，我们面临的任务是：迫切需要找到一种解决单孔盲肠状真空管高效对流换热的创新技术，以弥补其性能缺陷。开发自然循环式系统集成真空管空气集热新技术，不仅可拓展真空管在干燥领域利用的新途径，而且也是缓解我国真空管产能过剩危机；确保我国新能源产业健康发展的必由之路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，在保留全玻璃真空管产成品几何尺寸和加工工艺不作任何调整的前提下，通过在单开口真空管管口一端，安装一支空气分流器，和一组由导流板、定位片和空气扰流装置；等部件组合而成的导流-换热管芯。从而将其系统集成为一支在太阳光热辐射驱动下，能通过自然循环对流换热机制，独立运行的真空管空气集热器。以此作为总成部件，可任意构建不同规模和不同用途的各类型太阳能取暖、干燥装置。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

单开口玻璃真空管1开口一端安装有空气分流器2。

导流板10、定位片11及空气扰流片12合成导流-换热管芯直插入真空管1内。

空气分流器2和导流-换热管芯由耐候性良好，具备防腐、无毒、保温、耐高温耐热老化、可塑性强的材料制造。

空气分流器2的热空气喷射出口通道由收敛段3、喉部4及扩散段5三部分组合而成；其收敛段3与真空管的热空气上浮通道16对接；扩散段5与横向垂直的热空气集管6相通；热空气集管6管轴两端管口上，设置有与相邻热空气集管对口硬连接的螺纹接口。

空气分流器2热空气喷射出口通道的正下方，设有真空管冷空气入管通道17的冷空气入口7；在冷空气入口7的进口处安装有防虫网8和防雨罩9。

导流板10的下端头，镶嵌有与导流板平面相互垂直相交的定位片11；定位片的上方两侧安装有若干片横向展开的空气扰流片12；三者组合成导流-换热管芯。

整个导流板10板面以下为冷空气入管通道17；导流板10正面下段安装有定位片11和空气扰流片12的部分为空气加热区15；导流板10正面上段，则为热空气上浮通道16。

在玻璃真空管内管中插入导流-换热管芯后；转动定位片11上的偏心锁固装置14，即可将导流-换热管芯紧固在真空管内管管壁上。

在真空管管口处将导流板10与空气分流器2对接密封好后，该玻璃真空管就被集成为一支在太阳光热辐射下，能自动通过自然循环换热机制加热，并输出热空气介质的太阳能空气集热器的总成部件。

将若干支相同类型组装好的自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器的热空气集管6，用相同口径的管道直接（或活接）顺序串联起来；并在最后一支真空管太阳能空气集热器的热空气集管6没有与其他真空管系统相连接的管口处，用管阻封死进出通道。相反把处于开头第一支管位的真空管太阳能空气集热器的热空气集管6与最终进入干燥系统干燥室20的热空气导入总管连通后。在太阳光热的照耀下，几分钟之后，随着真空管管温的升高，整个真空管空气集热器阵列就能自动进入正常工作状态：各管就近吸入周围环境中的冷空气，通过安装在管内的导流-换热管芯组件形成的所谓空气加热区15，将其迅速加温为干热空气，然后通过热空气集管6源源不断地送入到干燥室内加热被干燥物；最后再通过热烟囱系统30，将干燥室20中产生的湿热空气，直接抽排到室外大气层中；从而使被干燥物得以实现有效的脱水干燥。

附图说明

图1为本发明自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器侧剖面结构示意图。

图2为自然循环式真空管太阳能空气干燥室系统结构示意图。

图中，单开口全玻璃真空管1、空气分流器2、热空气喷射出口的收敛段3、热空气喷射出口的喉部4、热空气喷射出口的扩散段5、热空气集管6、冷空气入口7、冷空气进口处安装的防虫网8、冷空气进口处的防雨罩9、插入到真空管内的导流板10、与导流板未端相互垂直安装的定位片11、镶嵌在定位片上的横向扰流片组12、定位片的偏心锁固装置14、真空管内的空气加热区15、真空管热空气上浮通道16、导流板面以下真空管背阴面的冷空气入管通道17、与自然循环式真空管空气集热器横向组合系统相配套的干燥室系统20、自然循环式真空管太阳能空气干燥系统的热烟囱排湿结构30。

本发明系统结构不仅限于附图所示。

具体实施方式

将用防腐、防锈蚀材料冲压成形的真空管导流板10、定位片11和空气扰流片12，彼此相互垂直组装到位；并在上表面各部位涂镀好远红外吸热层。随后，在导流板10和定位片11可能与真空管管壁直接接触到的所有部位，都套装上起导热，膨胀缓冲和轴向密封作用的凹字型硅胶条后，即可将整个导流-换热管芯慢慢插入到真空内管之内；整形、校正、在确定整个导流-换热管芯的正确位置后，用一根带勾的细杆，从冷空气入管通道17内伸入，拉动定位片11下边的偏心锁固装置14附近预留的凹槽，令定位片11逆时针方向转动若干度，使该片上下两边均与真空管管壁靠紧，即可将整个导流-换热管芯锁固在真空管的管壁和导流板10顶端的预留孔上；以确保冷、热空气进出口收敛段的上下两侧密封良好，不发生相互横向漏气；并确保整个通道内无影响气流通行的障碍物，导流板10整条平滑、倾斜向下，过渡自然。随后，将空气分流器2的冷空气入口部位需要安装的防虫网8和防雨罩9也安装到位。最后，在再次确认导流-换热管芯安装质量完全合格的前提下，即可将将空气分流器2与导流板10在真空管管口相互衔接的部位，进行准确对接安装；从而完成整支自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器总成部件的组合封装。

工作原理：

将一支支封装检收合格的自然循环式真空管太阳能空气集热器运到安装现场后，用串联方式依次横向（或纵向）将各管的热空气集管6一一硬连接成排。一般而言，每排的串联管数总量以不超过30余支为宜，因为过长的串联系统沿程管阻过大，易造成热空气流通不畅，而造成热损。需要集热面积较大的干燥系统，可将若干排标准串联系统再通过并联方式，选用逐级变径扩大的保温热空气输热管道，将其相对集中后，再统一输入到太阳能干燥室20之内，这样的系统设计安装效果会更好。如图2系统结构所示。

自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器干燥系统是这样工作的：当太阳光照射到每支真空管空气集热器导流板10的正上方后，真空管内涂镀有选择性吸热材料的内管会被迅速加热，安装在真空管内的导流-换热管芯的导流板10、定位板11及镶嵌在定位板上的扰流片12；等部件同时也被远红外线加热。这些部件随即将热量传递给处于空气加热区15中的空气分子。空气分子受热后比重减轻，在管内形成上升气流，并沿真空管内腔的热空气上浮通道向上运动；此时由于真空管中导流板10的存在，迫使其向上运动的热空气分子只能顺着导流板10逐渐收窄的热空气上浮通道16前进。根据伯努利定律，流体在收敛段内的运动，随着流道横断截面的缩小，流体的流速会被迫加快；流体的动压增加，静压变小。被压缩加速的热空气最后会以较大的动压高速流过空气分流器2收敛段3及最窄部喉部4；突破喉部封锁的热空气流随即进入扩散段5；此时，由于扩散段之外热空气集管6的空间突然加大，导致热空气流迅速膨胀减压，并迅速扩散到与热空气集管6相连接，空间更大的干燥室20内；干燥室又由于安装有热烟囱压差自动抽排湿系统30；迫使真空管内腔被加热的空气介质，在上述这一系列设备、设施封闭串联，又强制负压抽吸的作用下；只能按照系统规范好的路线，遵循温差自然循环换热的物理原则，自动运行，完成加热、吸湿、干燥的工艺流程。

实事上，当真空管中的第一波热空气发生向上运动之后，在系统负压抽吸的持续作用下，处于真空管外围环境中的冷空气会非常敏感的察觉到管内外这种空气压差的微小变化，并自动从真空管的冷空气入口7处，源源不断的自动补充进来，以填补热空气上浮后留下的真空。新进入真空管内的冷空气温度较低、比重较大，沿真空管导流板10背面逐渐收缩的流道，一股作气地直冲到管底，并绕过导流板10的端头，接着又被定位板11两翼的扰流片12组分割、阻隔，扰动，将冒然窜入到真空管空气加热区15内的空气流分解为方向和流速各不相同的紊流气团。处于乱流状态的空气分子质点被迫在空气加热区15内肆处横冲直撞，与四周的载热体亲密接触，强烈碰撞，并相机从载热体上通过直接传导获取热量。在太阳的持续辐照下，处于真空管内这个夹窄空间中的空气乱流分子群，很快就被四周的高温载热部件加热到较高温度；随着温度升高，气流分子的动能增加，比重迅速降低，在导流-换热管芯的阻隔和引导下，获得大量热能的空气介质在后退无路的情况下，只能遵循导流板10所规范的热空气上浮流道16上升，进入到空气分流器2的收敛段3，最后以更快的流速，更高的动压突破喉部4的封锁；接着又被迫在扩散段5内迅速膨胀、减压后的热气流，只能义无反顾的奔向干燥室20，并在哪里释放出多余的热量，吸收充足的水汽后，又在热烟囱30造成的压差效应下，携带着干燥室中蒸发出的水份，被负压抽吸排往室外的大气层中。

本发明相对于现有技术具有的优点和效果：

本发明的自然循环系统集成真空管空气集热器，与传统的平板型太阳能空气集热器；或已知的其他真空管空气集热器技术相比较；由于实现了一支真空管就是一组功能齐全的自然循环式太阳能空气集热器；无需消耗辅助能源和空压设备参与，就能自动高效运行。因而，系统结构更紧凑、更灵活、更简捷，费用也更为低廉；无论从金属实际消耗量，加工工艺，系统集热产热效率，性价比；等各方面来比较；本发明的生产、运转、使用成本、综合应用效益均远优于相类似的其他各类系统。本发明拓展了我国真空管利用的新领域，对缓解我国真空管产能过剩的压力，填补我国太阳能干燥技术的短板，具有极其重要的技术经济价值和现实意义。

Claims (4)

1.一种自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器，由单开口玻璃真空管(1)，空气分流器（2），导流板（10）、定位片（11）和空气扰流片（12）组合而成，其特征在于：真空管(1)开口一端安装有空气分流器（2）；导流板（10）、定位片（11）及空气扰流片（12）组合成导流-换热管芯直插入真空管(1)内；空气分流器（2）的热空气喷射出口通道由收敛段（3）、喉部（4）及扩散段（5）三部分组成；收敛段（3）与真空管的热空气上浮通道（16）对接；扩散段（5）与横向垂直的热空气集管（6）相通；导流板(10)的下端头，镶嵌有与导流板平面相互垂直相交的定位片（11）；定位片的上方两侧安装有若干片横向展开的空气扰流片（12）；整个导流板（10）板面以下为冷空气入管通道（17）；导流板（10）正面下段安装有定位片（11）和空气扰流片（12）的部分为空气加热区（15）；导流板（10）正面上段，则为热空气上浮通道（16）。

2.如权利要求1所述的自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器，其特征在于：热空气集管（6）管轴两端管口上，有硬连接的螺纹接口。

3.如权利要求1所述的自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器，其特征在于：空气分流器（2）热空气喷射出口通道的正下方，为真空管冷空气入管通道（17）的冷空气入口（7）；在冷空气入口（7）的进口处装有防虫网（8）和防雨罩（9）。

4.如权利要求1所述的自然循环式系统集成真空管太阳能空气集热器，其特征在于：定位片（11）上设有偏心锁固装置(14)，可将导流-换热管芯固定在真空管内。