CN105115178B - 太阳能用自激发扰动强化换热装置及太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是它包括扰动丝和一端开口的杯状腔体，在杯状腔体中设置有滑动头，滑动头与杯状腔体间水密封；在杯状腔体中位于滑动头一侧内装有低热容液体导热介质和气囊；在杯状腔体中位于滑动头另一侧设置有与滑动头配合的弹性卡柱和弹簧，弹簧顶持在滑动头和杯状腔体开口部之间；扰动丝为螺旋线形，螺旋线中心轴向投影圆直径小于杯状腔体开口直径，扰动丝具有一定弹性，扰动丝一端固定在滑动头上，另一端固定在太阳能集热器内部。一种太阳能集热器，它包括排管和与排管连通的下集管，其特征是在每根排管下部且位于下集管的上方设置有自激发扰动强化换热装置。

Description

太阳能用自激发扰动强化换热装置及太阳能集热器

技术领域

本发明涉及一种自激发扰动强化换热装置，主要涉及平板太阳能集热器的强化换热。

背景技术

众所周知，太阳能热水器是利用太阳的能量将水从低温度加热到高温度的装置，应用广泛，目前主要有真空管太阳能热水器和平板太阳能热水器，在我国，真空管型太阳能热水器已经得到大规模应用。近几年，随着城镇化发展和建筑一体化的要求，平板太阳能热水器得到了突飞猛进的发展，而作为平板太阳能热水器中最为重要的平板集热器是整个系统的重要组件，它的性能直接决定了系统的吸热能力。

目前的平板太阳能热水器主要分为自然循环和强制循环两种，其中自然循环平板太阳能热水器使用较多。强制循环系统由泵根据温度要求驱动整个系统中的介质循环流动，其换热效果较好且可控，而自然循环系统利用热虹吸原理自驱动，其换热效果弱于强制循环系统，因此开发一种能够增强自然循环系统换热效果的装置对于提高自然循环平板太阳能热水器的效率至关重要。

基于以上原因，本发明通过在平板集热器中安装一个装置，该装置具有受热自激发扰动的能力，通过这个装置的扰动增强集热器通道内介质的扰动，进而增强其换热能力。

发明内容

本发明针对平板太阳能集热器设计一种装置，如图1所示，用于增强系统的换热效率。

本发明提供一种太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是它包括扰动丝和一端开口的杯状腔体，在杯状腔体中设置有滑动头，滑动头与杯状腔体间水密封；在杯状腔体中位于滑动头一侧内装有低热容液体导热介质和气囊；在杯状腔体中位于滑动头另一侧设置有与滑动头配合的弹性卡柱和弹簧，弹簧顶持在滑动头和杯状腔体开口部之间；扰动丝具有一定弹性且呈螺旋线形，螺旋线中心轴向投影圆直径小于杯状腔体开口直径，扰动丝一端固定在滑动头上，另一端固定在太阳能集热器内。

所述杯状腔体为金属腔体；杯状腔体外径与太阳能集热器的排管内径之比为0.25-0.5，气囊体积与杯状腔体内腔体积之比为0.2-0.5。

所述气囊为聚合材料制成；气囊内部密封有带压气体；气体种类为氮气或者氩气等惰性气体。

所述滑动头为金属材质；

所述弹性卡柱嵌入杯状腔体内壁，弹性卡柱沿杯状腔体内壁圆周方向均布3-5个。

在杯状腔体开口部设置有固定弹簧的内翻边，限制弹簧弹出，弹簧具有限制滑动头的作用。

所述扰动丝为金属丝，螺旋形，螺旋外径小于杯状腔体外径，具有弹性，扰动丝一端固定在杯状腔体内的滑动头上，另一端固定在下文集热器的上集管内壁。

本发明还提供一种太阳能集热器，它包括排管，与排管连通的上集管和下集管，其特征是在每根排管下部且位于下集管的上方设置有自激发扰动强化换热装置，自激发扰动强化换热装置包括扰动丝和一端开口的杯状腔体，在杯状腔体中设置有滑动头，滑动头与杯状腔体间水密封；在杯状腔体中位于滑动头一侧内装有低热容液体导热介质和气囊；在杯状腔体中位于滑动头另一侧设置有与滑动头配合的弹性卡柱和弹簧，弹簧顶持在滑动头和杯状腔体开口部之间；扰动丝具有一定弹性且呈螺旋线形，螺旋线中心轴向投影圆直径小于杯状腔体开口直径，扰动丝一端固定在滑动头上，另一端固定在太阳能集热器内。

杯状腔体外径与排管内径之比为0.25-0.5，气囊体积与杯状腔体内腔体积之比为0.2-0.5。

在集热器内的导热介质通常为乙二醇或丙二醇水溶液，杯状腔体内腔气囊周围灌装导热介质则为相应的为乙二醇或者丙二醇。

在本发明中，所述自激发扰动强化换热装置中杯状腔体外壁与平板太阳能集热器排管内壁吸热面焊接，装置腔体开口方向向上与排管轴向一致，扰动丝一端固定于杯状腔体内的滑动头上，另一端固定于集热器上集管的内壁上，如图2所示，所述自激发扰动强化换热装置的杯状腔体安置在平板太阳能集热器排管的底部，下集管的上方。当太阳光照射到集热器表面的时候，排管内壁的所杯状腔体和排管内的导热介质受热温度升高，随后杯状腔体与气囊夹缝里的低热容液体导热介质温度也升高，进而杯状腔体内部封装的气囊内的气体膨胀压力增大，随着温度的升高当压力达到一定的高度时气囊以及低热容液体导热介质推动所述滑动头突破弹性卡柱，弹性卡柱被推入腔体内壁，滑动头迅速滑向所述自激发扰动强化换热装置的顶部，所述滑动头推动排管底部的导热介质迅速沿排管向上扰动同时令连接的扰动丝产生形变，在滑动头的推动和介质受热密度降低的双重作用下，排管内的导热介质离开排管底部向上流动，流过上集管沿介质出口管路流动最终进入到水箱的夹套内，进入水箱的高温导热介质将热量传递给水箱内的冷水并温度降低，降温后的导热介质密度增大下沉，沿水箱上的介质出口流回到集热器，经过集热器的下集管回到排管底部的杯状腔体所在的位置，这些低温介质冷却所述杯状腔体，使得气囊内的气体受冷收缩恢复到最初的状态，如此完成一个循环。在这个循环过程中，所述自激发扰动强化换热装置中的滑动头对整个太阳能热水器系统内的导热介质产生一个往复循环的扰动作用，而其扰动丝则会连续不断的产生形变，这个形变在整个集热器排管内对导热介质进行扰动，两者的共同作用大大增强了其换热效果。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，它是一种能够通过自激发扰动对太阳能集热器中导热介质进行扰动的装置，通过这种扰动进而增强了导热介质的换热效果，本方案的优点如下：（1）所述自激发扰动装置无需动力，通过光热直接驱动。（2）所述自激发扰动装置体积小，重量轻，安装使用方便，不会对系统产生其它的影响。（3）所述自激发扰动装置产生振荡波，振荡波会给系统内的导热介质带来不断的扰动，导热介质的扰动能够提高介质与所在流道内的换热系数。（4）所述自激发扰动装置使得整个太阳能热水系统对太阳辐射的响应时间更短，较单纯依靠自然对流换热的系统热的更快。（5）所述自激发扰动装置能够在集热器集管内产生轴向和径向的扰动，大幅增强换热。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。

图1 自激发扰动强化换热装置结构示意图；图2带自激发扰动强化换热装置平板太阳能热水器。

图中，1-杯状腔体；2-气囊；3-滑动头；4-弹性卡柱；5-弹簧；6-低热容液体导热介质；7-氮气或其它惰性气体；8-扰动丝；9-自激发扰动强化换热装置；10-排管；11-上集管；12-下集管；13-导热介质；14-水箱介质入口；15-水箱介质出口；16-水箱；17-水；18-集热器。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种太阳能用自激发扰动强化换热装置，它包括一端开口的杯状腔体1和扰动丝8，在杯状腔体1中设置有滑动头3，滑动头3与杯状腔体1间水密封；在杯状腔体1中位于滑动头3一侧内装有低热容液体导热介质6和气囊2；在杯状腔体1中位于滑动头3另一侧设置有与滑动头3配合的弹性卡柱4和弹簧5，弹簧5顶持在滑动头3和杯状腔体1开口部之间，扰动丝8的下端与滑动头3的顶部连接，扰动丝8的另一端与上集管11内壁连接。

所述杯状腔体1为金属腔体；杯状腔体1外径与排管10内径之比为0.25-0.5，气囊2体积与杯状腔体1内腔体积之比为0.2-0.5。

所述气囊2为聚合材料制成；气囊2内部密封气体；气体压力为常压；气体种类为氮气或者氩气等惰性气体。

所述滑动头3为金属材质；所述弹性卡柱4嵌入杯状腔体1内壁，有弹性，在一定压力范围内可限制滑动头3；在杯状腔体1开口部设置有固定弹簧5的内翻边，限制弹簧5弹出，弹簧5具有限制滑动头3的作用。

实施例2：本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，如图2所示，本发明还提供一种太阳能集热器，它包括排管10和与排管10连通的下集管12，在每根排管10下部且位于下集管12的上方设置有自激发扰动强化换热装置，自激发扰动强化换热装置包括一端开口的杯状腔体1，在杯状腔体1中设置有滑动头3，滑动头3与杯状腔体1间水密封；在杯状腔体1中位于滑动头3一侧内装有低热容液体导热介质6和气囊2；在杯状腔体1中位于滑动头3另一侧设置有与滑动头3配合的弹性卡柱4和弹簧5，弹簧5顶持在滑动头3和杯状腔体1开口部之间。扰动丝8具有一定弹性且呈螺旋线形，扰动丝8中心轴向的投影圆直径小于杯状腔体1的开口直径，扰动丝8一端固定在滑动头3上，扰动丝8穿过排管10后的另一端固定在上集管11内壁。

在集热器18内的导热介质为乙二醇或丙二醇水溶液，杯状腔体1内腔气囊2周围灌装导热介质则为相应的为乙二醇或者丙二醇。

以图2所示，太阳能光照射到集热器18上，自激发扰动强化换热装置9被加热，自激发扰动强化换热装置9内的气囊2受热膨胀，随着继续加热，气囊2膨胀产生的压力达到能够克服装置弹性卡柱4的力的时候，滑动头3会逐渐将弹性卡柱4推进腔体内壁，此时滑动头3会突破弹性卡柱4向上移动同时推动扰动丝8产生一个形变，推动到一定程度就会被装置内的弹簧5限制，滑动头3的移动会使得导热介质内产生一个冲击波，冲击波和扰动丝8的形变能够增强导热介质的扰动，各个排管10内的导热介质受热后进入上集管11，沿上集管11进入水箱介质入口14，进入水箱16的热介质把热量传递给水箱16内的水，介质温度降低后密度升高下沉经过水箱介质出口15进入集热器的下集管12，沿下集管12进入到各个排管10底部，冷介质冷却自激发扰动强化换热装置9，同时冷却自激发扰动强化换热装置9内的气囊2，气囊2压力降低，弹簧5推动滑动头3恢复原位，此时弹性卡柱4又恢复到原位限制滑动头3，扰动丝8也恢复原来的形状，如此往复，自激发扰动强化换热装置9会周而复始的产生扰动波，这个扰动波会加剧导热介质的扰动进而增强换热。

选择两套同样的平板太阳能热水器，太阳能集热板尺寸为2.4米×0.8米，水箱为120升，其中一台集热器的排管内装有本发明所述自激发扰动强化换热装置，在7月份对两套平板太阳能热水器进行测试，连续测试7天，其中五天为全天晴朗，两天为多云天气。测试发现，在五个全天晴天中，光照条件较好，早晨7点到9点安装有本发明所述装置的热水器水箱的水温升温速度与不安装所述装置的热水器水箱的水温升温速度相同，9点至14：50前者水温升温速度大于后者，14：50时前者水箱水温达到全天最高点，此时后者比前者水温低3-6度，14：50点到17点时，前者水箱水温不再升高，后者水温继续升高，最终后者水温比前者水温低1-3度。在其余两天中，安装有本发明所述自激发扰动枪换换热装置的热水器水箱内水温能够在较短的时间内吸收更多的热量达到更高的温度，两天测试结果显示，安装装置的热水器水箱水温比不安装的水温高5-9度。

综上所述，安装本发明所述自激发扰动强化换热装置能够大幅改善自然对流换热的换热工况，通过对太阳能热水系统内导热介质的扰动大大提高了其换热系数，提高了系统的吸热效率，尤其当日照时间不足时能够提升热水器的吸热能力。

Claims (10)

1.一种太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是它包括扰动丝和一端开口的杯状腔体，在杯状腔体中设置有滑动头，滑动头与杯状腔体间水密封；在杯状腔体中位于滑动头一侧内装有低热容液体导热介质和气囊；在杯状腔体中位于滑动头另一侧设置有与滑动头配合的弹性卡柱和弹簧，弹簧顶持在滑动头和杯状腔体开口部之间；扰动丝为螺旋线形，螺旋线中心轴向投影圆直径小于杯状腔体开口直径，扰动丝具有一定弹性，扰动丝一端固定在滑动头上，另一端固定在太阳能集热器内部。

2.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是所述杯状腔体为金属腔体。

3.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是杯状腔体外径与太阳能集热器的排管内径之比为0.25-0.5，气囊体积与杯状腔体内腔体积之比为0.2-0.5。

4.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是所述气囊为聚合材料制成；气囊内部密封有带压气体；气体种类为氮气或者氩气。

5.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是所述滑动头为金属材质。

6.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是所述弹性卡柱嵌入杯状腔体内壁，弹性卡柱沿杯状腔体内壁圆周方向均布3-5个。

7.根据权利要求1所述的太阳能用自激发扰动强化换热装置，其特征是在杯状腔体开口部设置有固定弹簧的内翻边。

8.一种太阳能集热器，它包括排管，与排管连通的上集管和下集管，其特征是在每根排管下部且位于下集管的上方设置有自激发扰动强化换热装置，自激发扰动强化换热装置包括扰动丝和一端开口的杯状腔体，在杯状腔体中设置有滑动头，滑动头与杯状腔体间水密封；在杯状腔体中位于滑动头一侧内装有低热容液体导热介质和气囊；在杯状腔体中位于滑动头另一侧设置有与滑动头配合的弹性卡柱和弹簧，弹簧顶持在滑动头和杯状腔体开口部之间；扰动丝为螺旋线形，螺旋线中心轴向投影圆直径小于杯状腔体开口直径，扰动丝具有一定弹性，扰动丝一端固定在滑动头上，另一端固定在太阳能集热器内部。

9.根据权利要求8所述的太阳能集热器，其特征是杯状腔体外径与排管内径之比为0.25-0.5。

10.根据权利要求8所述的太阳能集热器，其特征是所述气囊为聚合材料制成；气囊内部密封有带压气体；气体种类为氮气或者氩气，气囊体积与杯状腔体内腔体积之比为0.2-0.5。