CN104949354A - 相变蓄热式太阳能真空集热管及其组成的太阳能热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相变蓄热式太阳能真空集热管及其组成的太阳能热水器，属于太阳能技术领域。一种相变蓄热式太阳能真空集热管，包括外层的玻璃外管和内层的金属内管，金属内管靠近其开口端为波纹结构，玻璃外管的开口端和金属内管的开口端之间通过可伐合金环进行熔接，玻璃外管的封闭端和金属内管的封闭端之间设有弹性滑动支撑件，玻璃外管和金属内管之间为真空部分，金属内管的管外壁上涂有选择性吸收涂层，金属内管的开口端设有密封盖，金属内管内填充有相变蓄热材料，相变蓄热材料内埋有U型换热管，U型换热管的进口端和出口端均伸出金属内管的开口端并穿过密封盖固定。本发明具有集热蓄热一体化、无水箱、占用空间小和储热量大等优点。

Description

相变蓄热式太阳能真空集热管及其组成的太阳能热水器
技术领域
本发明涉及一种太阳能真空集热管，特别涉及一种相变蓄热式太阳能真空集热管及其组成的太阳能热水器。
背景技术
太阳能是一种分散性和间歇性的能源，要想充分利用它就需要用到储能技术将白天充足的太阳能储存起来，以供夜间或阴天使用。相变储热技术是当前储能技术中非常具有前景的一项技术，它具有蓄能密度大、充放热恒温等许多优点，因此其可很好的应用于太阳能的热储存利用。然而，单一的相变蓄热材料普遍具有相变热膨胀率大和导热系数低的问题，因此不能将其直接应用于现有的全玻璃真空集热管中。
我国全玻璃真空管式太阳能集热器技术成熟，特别是在光热利用方面。但随着相变储能技术和玻璃金属熔封技术的发展，其潜在的缺点日益凸显，如储热水箱大、易炸管结垢、蓄热量小、日平均热效率低等。
针对普通真空管式太阳能集热器现有的缺点，国内外有很多专家和学者拟尝试利用相变储能技术来加以解决。如一种太阳能相变蓄热集热管(申请号：200910048473.8)披露了直接在全玻璃真空集热管中内置相变蓄能芯，蓄能芯内填充相变蓄热材料，相变蓄热材料里面埋同心换热套管。这种技术的缺点之一是真空集热管与蓄能芯之间有空隙，空隙之间为空气，这样传热热阻较大，换热效率较低；缺点之二是独立的蓄能芯大大增加了集热管的重量和成本，重量的增加减少了玻璃真空集热管的使用寿命。另外，在玻璃金属真空集热管结构上，玻璃和金属组合太阳能真空管(申请号：200410092007.7)和一种外玻璃内金属直通式真空集热管(申请号：201410477757.X)分别披露了玻璃金属组合的真空集热管和带波纹管式的真空集热管。但二者都具有缺点，前者金属内管和玻璃外管通过密封材料进行密封，没有进行玻璃和金属的熔封，这必然存在真空泄露和金属内管热膨胀的问题；而后者虽然增加了波纹管结构，但由于是直通式，两端都进行了封接固定，一旦金属内管受热膨胀，必然向其中一端或者两端同时膨胀，以致伸缩力得不到释放和缓解。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种相变蓄热式太阳能真空集热管，具有集热蓄热一体化、无水箱、占用空间小和储热量大等优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，包括外层的玻璃外管和内层的金属内管，所述金属内管靠近其开口端为波纹结构，玻璃外管的开口端和金属内管的开口端之间通过可伐合金环进行熔接，玻璃外管的封闭端和金属内管的封闭端之间设有弹性滑动支撑件，玻璃外管和金属内管之间为真空部分，金属内管的管外壁上涂有选择性吸收涂层，金属内管的开口端设有密封盖，金属内管内填充有相变蓄热材料，所述相变蓄热材料内埋有U型换热管，所述U型换热管的进口端和出口端均伸出金属内管的开口端并穿过密封盖固定。
其中，所述相变蓄热材料的填充量不超过金属内管的波纹结构部分。
其中，所述U型换热管的进口端和出口端均为喇叭口形状。
其中，所述弹性滑动支撑件由若干对称分布的滑动圆轮和若干支撑滑动圆轮的弹性金属条组成。
其中，所述相变蓄热材料为纳米复合相变蓄热材料。
其中，所述真空层通过在玻璃外管的开口端和金属内管的开口端完成封接后，对玻璃外管的封闭端进行抽真空处理获得。
一种太阳能热水器，包括上述所描述的相变蓄热式太阳能真空集热管。
本发明的有益效果为：
1)利用带有波纹结构的金属内管，使集热管的强度和承压能力大大增强，解决了现有技术中，普通全玻璃真空集热管管内添加相变蓄热材料后，内管炸裂和相变蓄热材料过热压力变大等问题。
2)利用弹性滑动支撑件，不仅可以起到金属内管和金属外管之间的固定作用，还可有效减小金属内管在纵向膨胀收缩时的伸缩阻力。
3)使用纳米复合相变蓄热材料，提高了太阳能真空集热管的单位面积内的太阳能利用率。
4)适用本相变蓄热式太阳能真空集热管的太阳能热水器，实现了集热蓄热一体化，在深夜或阴天也能制得热水，保证了用水的连续性，且具有无水箱、防炸管和高蓄能等优点。
附图说明
图1为相变蓄热式太阳能真空集热管的结构图。
图2为图1的A-A向剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，一种相变蓄热式太阳能真空集热管，包括外层的玻璃外管2和内层的金属内管4。
金属内管4靠近其开口端为波纹结构7，玻璃外管2的开口端和金属内管4的开口端之间通过可伐合金环8进行熔接，玻璃外管2的封闭端和金属内管4的封闭端之间设有弹性滑动支撑件1。在玻璃外管2的开口端和金属内管4的开口端完成封接后，对玻璃外管2的封闭端进行抽真空处理，使玻璃外管2和金属内管4形成真空层。使用带有波纹结构7的金属内管4解决了普通全玻璃真空集热管内添加相变蓄热材料后内管极易炸裂的问题，以及相变蓄热材料过热压力变大的问题。
金属内管4的管外壁上涂有选择性吸收涂层3，金属内管4的开口端设有密封盖9，金属内管4内填充有相变蓄热材料5，相变蓄热材料5内埋有U型换热管6，U型换热管6的进口端和出口端均伸出金属内管4的开口端并穿过密封盖9固定。
相变蓄热材料5的填充量不超过金属内管4的波纹结构7部分，使得在金属内管4内预留一定空间用于缓冲相变蓄热材料5受热后的体积变化。
U型换热管6的进口端和出口端均为喇叭口形状，便于进行多根集热管的连接。
弹性滑动支撑件1由若干对称分布的滑动圆轮和若干支撑滑动圆轮的弹性金属条组成。其中，弹性滑动支撑件不仅起到金属内管的封闭端和玻璃外管的封闭端之间的固定作用，还可有效减小金属内管在纵向膨胀收缩时的伸缩阻力。
相变蓄热材料5为纳米复合相变蓄热材料5，其相变温度为78℃，用于该真空集热管中，可产生40-75℃的热水。
前述相变蓄热式太阳能真空集热管的工作原理如下：
1)蓄热过程。白天太阳光透过玻璃外管和真空层照射在带有选择性吸收涂层的金属内管上，金属内管由此开始吸热升温，并将热量传递给封闭在其内的纳米复合相变蓄热材料。纳米复合相变蓄热材料得到热量后，开始储存热量，并将多余的热量传递给埋在其中的U型换热管。U型换热管得到热量后将加热其内的传热工质，传热工质得到热量后就可以将热量输送到需要用热的地方。在太阳能热水器中，这里所说的传热工质就是水。当白天太阳能充足，而又不使用热量的情况下，该集热管将积蓄越来越多的热量。当积蓄热量过多时可能导致集热管过热，此时金属内管上的波纹管结构和底端的弹性滑动支撑件将发挥其作用，有效缓冲过热产生的热膨胀压力，避免集热管的损坏。
2)放热过程。在没有太阳光和用水量大的情况下，本集热管将发挥它的关键功能。往U型换热管里通入冷水，则金属内管里的相变蓄热材料将释放在白天储存的大量热量，以此加热U型换热管和其内的冷水，实现集热管的蓄热放热、连续放热功能。放热过程为相变潜热放热，因此为恒温放热。
若干前述相变蓄热式太阳能真空集热管可组成一种太阳能热水器，具体通过依次将前一根集热管中U型换热管6的进口端和后一根集热管中U型换热管6的出口端相连组成。
使用前述相变蓄热式太阳能真空集热管可以实现太阳能热水器的集热蓄热一体化和无蓄热水箱，大大提高了太阳能热水器的安全性及其对单位面积内的太阳能利用率。

Claims (7)

1.一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，包括外层的玻璃外管(2)和内层的金属内管(4)，所述金属内管(4)靠近其开口端为波纹结构(7)，玻璃外管(2)的开口端和金属内管(4)的开口端之间通过可伐合金环(8)进行熔接，玻璃外管(2)的封闭端和金属内管(4)的封闭端之间设有弹性滑动支撑件(1)，玻璃外管(2)和金属内管(4)之间为真空层，金属内管(4)的管外壁上涂有选择性吸收涂层(3)，金属内管(4)的开口端设有密封盖(9)，金属内管(4)内填充有相变蓄热材料(5)，所述相变蓄热材料(5)内埋有U型换热管(6)，所述U型换热管(6)的进口端和出口端均伸出金属内管(4)的开口端并穿过密封盖(9)固定。
2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，所述相变蓄热材料(5)的填充量不超过金属内管(4)的波纹结构(7)部分。
3.根据权利要求1所述的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，所述U型换热管(6)的进口端和出口端均为喇叭口形状。
4.根据权利要求1所述的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，所述弹性滑动支撑件(1)由若干对称分布的滑动圆轮和若干支撑滑动圆轮的弹性金属条组成。
5.根据权利要求1所述的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，所述相变蓄热材料(5)为纳米复合相变蓄热材料(5)。
6.根据权利要求1所述的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，其特征在于，所述真空层通过在玻璃外管(2)的开口端和金属内管(4)的开口端完成封接后，对玻璃外管(2)的封闭端进行抽真空处理获得。
7.一种太阳能热水器，其特征在于，包括若干个权利要求1-6中任意一项相变蓄热式太阳能真空集热管。
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