CN105318573A - 一种太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能热水器，包括水箱和热管，所述热管包括吸热部分和放热部分，所述放热部分设置在水箱中，所述热管吸热部分吸收太阳能，通过放热部分将热量传递给水箱中的水；其特征在于，所述热管为扁平管。本发明太阳能热水器通过采用扁平热管，使得热管中的流体能够充分接触管壁，保证吸热和放热效果，强化了太阳能的吸收，节约了能源。

Description

一种太阳能热水器

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能热水器。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10¹⁸kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国政府在《政府工作报告》也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

一般情况下，集热器加热的水需要通过热交换的方式传递给其他流体，或者进行存储。但是太阳能集热系统的水循环系统是一个封闭的系统，循环水循环加热，但是在循环水循环过程中会产生一些不凝气体，此外，有时候太阳光线强烈的情况下，集热器中的水会形成汽水混合物，因此在加热的水进行换热的情况下，因为存在不凝气体或者因为形成汽水热水，从而导致换热系数的降低，使得太阳能无法充分利用。

针对上述问题，本发明提供了一种新的太阳能热水器，从而解决太阳能热水与其流体进行换热的情况下的换热系数低的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的太阳能系统，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳能热水器，包括水箱和热管，所述热管包括吸热部分和放热部分，所述放热部分设置在水箱中，所述热管吸热部分吸收太阳能，通过放热部分将热量传递给水箱中的水；其特征在于，所述热管为扁平管。

作为优选，所述扁平管包括互相平行的管壁，所述相邻的管壁之间形成流体通道，热管包括设置在扁平管中的翅片，所述翅片设置在放热部分。

作为优选，所述翅片设置在管壁之间，所述翅片包括垂直于管壁的垂直部分，在垂直部分上通过冲压方式加工突尖，从而使垂直部分两侧的流体通过垂直部分上冲压方式形成的孔连通；所述突尖从垂直部分沿着混合物流动方向向外延伸。

作为优选，，所述突尖为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在垂直部分上，并且垂直于管壁，相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的垂直部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b,所述突尖的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，满足如下公式：

c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,

sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))²，

其中Ln是对数函数，c1、c2、c3、c4、c5、c6是系数，

0.237<c1<0.255,0.675<c2<0.703,0.867<c3<0.885，0.673<c4<0.711，

1.135<c5<1.152,

6.8<c6<7.6；

19°<a<71°，55°<b<165°；

10mm<w<15mm，6mm<H<14mm；

0.19<L*sin(a)/w<0.41,0.29<c6*h/H<0.47；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离，W是以相邻的垂直部分相对的面的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

作为优选，所述放热部分外部设置横向翅片。

作为优选，沿着热管的宽度的中部向两侧，所述横向翅片的高度逐渐减小。

作为优选，所述突尖的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，同一个倾斜部分设置多个突尖，沿着热水的流动方向，所述的夹角a越来越小。

作为优选，同一个倾斜部分设置多个突尖，多个突尖交错从倾斜部分两侧向外延伸。

作为优选，所述突尖延伸的长度为L，同一个倾斜部分设置多个突尖，沿着热水的流动方向，所述的长度L越来越小。

作为优选，所述突尖为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的顶角为b，同一个倾斜部分设置多个突尖，沿着热水的流动方向，所述的顶角b越来越大。

作为优选，所述突尖为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的底边为S1，同一个倾斜部分设置多个突尖，沿着热水的流动方向，所述的S1越来越小。

与现有技术相比较，本发明的太阳能热水器具有如下的优点：

1）本发明太阳能热水器通过采用扁平热管，使得热管中的流体能够充分接触管壁，保证吸热和放热效果。

2）本发明将冲压的突尖的板翅散热片应用到太阳能蓄热系统，解决了含有不凝气体的换热效率低的问题，大大的节约了能源，克服了太阳能换热系统效率低的问题，明显的提高了换热效率。

3）一方面可以破坏层流底层，另一方面与“打孔”翅片相比，未因打孔损失换热面积，而且“尖”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，强化不同的热阻环节；

4）冲压“突尖”形成的小孔，借助“突尖”下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热；

5）针对含有不凝气体的热水，能够借助“突尖”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动；

6）通过在放热部分外部设置横向翅片，一方面减少了水在水箱流动过程中的阻力，同时也进一步强化了传热。

7）通过设置横向翅片的高度在扁平热管宽度方向上的变化，使得散热效果进一步提高。

8）通过大量的实验，确定了最佳的板翅式散热管的结构尺寸；

9）通过设计相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b,所述突尖的延伸方向与热水的流动方向的夹角为a等参数沿着流体流动方向的变化，提高了换热效率或者降低流体压力。

附图说明

图1是本发明太阳能热水器整体结构示意图；

图2是本发明集热管的结构示意图；

图3是本发明太阳能热水器截面结构示意图；

图4是本发明集热管放热部分横截面结构示意图；

图5是本发明外部设置外部翅片集热管横截面的结构示意图；

图6是本发明一个集热管内翅片横切面的结构示意图；

图7是本发明集热管内翅片设置突尖结构垂直部分平面的示意图；

图8是本发明集热管内翅片设置突尖结构垂直部分平面的另一个示意图；

图9是本发明内翅片的三角形突尖结构示意图；

图10是本发明内翅片三角形突尖流道中的切面结构示意图；

图11本发明突尖向垂直部分两侧延伸的结构示意图；

图12是图2中A－A截面改进结构的示意图；

图13是图2中B－B截面改进结构的示意图。

附图标记如下：

1热管，2流体通道，3管壁，4垂直部分，5水平部分，6突尖，7翅片，8吸热部分，9水箱，10放热部分，11外部翅片，12水箱入口管，13水箱出口管，14底板，15吸热膜，16玻璃板，17隔热层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

本发明涉及一种太阳能热水器，所述太阳能热水器的结构如图1-3所示，所述太阳能热水器包括水箱9和集热器，所述集热器包括集热管，所述集热管优选为热管1。所述集热管包括吸热部分8和放热部分10，所述放热部分10设置在水箱9中。吸热部分8吸收太阳能，通过放热部分10将热量传递给水箱中的水。所述热管为扁平管。本发明通过采用扁平热管，减少热管1高度，使得热管内的流体能够分布更大的面积，从而使得热管中的流体能够充分接触热管管壁，保证吸热和放热效果。

作为优选，所述太阳能集热器还包括透明玻璃板16、隔热层17、吸热膜15，作为优选透明玻璃板16采用钢化玻璃、隔热层为真空层。吸热膜15设置在热管1吸热部分8的正面（即面向太阳的一面），作为优选，通过溅射或涂抹的方式设置在热管1吸热部分8的正面，透明玻璃板16覆盖在热管的吸热部分8的正面，吸热部分8与透明玻璃板16之间留有隔热层17，作为优选，隔热层为真空层。

作为优选，隔热层17的厚度为15mm～35mm；作为优选为23mm。

如图1所示，所述水箱9两侧分别设置进水管12和出水管13，所述进水管12设置在水箱9的下部位置，出水管13设置在水箱9的上部位置。

作为优选，如图1-3所示实施例中优选在平板热管的放热部分10外部设置有若干金属制的散热翅片11，作为优选，翅片11可以是铜或铝制造。作为优选，翅片11为横向翅片，因为水箱中的水是从进口到出口流动，通过设置横向翅片，使得散热翅片11的设置方向与水流动方向平行，减少了流动阻力。散热翅片11与热管的放热部分10的结合的最佳方式为焊接方式，或者采用一体化结构。

如图2所示，所述扁平管包括互相平行的管壁3，所述相邻的管壁3之间形成流体通道2。在扁平管1内部设置翅片7，优选在热管1的放热部分10中设置翅片7。所述翅片7包括与管壁3垂直的垂直部分4，所述垂直部分互相平行。

如图4、5所示，作为优选，所述垂直部分连接上下管壁3，从而将热管1内部分为多个小通道。作为优选，各微通道水力直径为2mm～8mm，最佳优选的单根微热管水力直径为4-6mm，各微通道相互独立并通过垂直部分相互连接，彼此互为支持，起到加强筋的作用，可以显著提高平板热管1的结构强度，提高平板热管1的可靠性。各微通道内自然形成热管效应，并排排列的微通道形成微通道阵列，单根微热管的水力直径不得低于2mm，使得微热管阵列的总体热输运极限要高于吸收太阳能的能力，同时，单根微通道的水力直径不得高于8mm，使得单根微通道的内部承压能力要高于20大气压。

本发明的太阳能集热器的工作原理是：吸热部分8吸收太阳辐射，即太阳能热透过玻璃板被与吸热膜有机结合的平板热管的吸热部分8大量吸收(或者说是被紧密贴合有或溅射有或涂吸热膜的平板热管1的吸热部分8大量吸收，平板热管的吸热部分8间接吸收太阳能辐射热量后，其吸热部分8的液体工质迅速吸热蒸发，高温蒸汽通过各微通道阵列的热管效应通过各微通道管路进入放热部分，进行冷凝放热，也就是说，在热管1的另一端，即在水箱9内放热，在水箱内，由放热部分10通过各翅片11及其热管放热部分10管壁与水换热。

作为优选，在垂直部分4上通过冲压方式加工突尖6，从而使垂直部分4两侧的流体通过垂直部分4上通过冲压方式形成的孔连通；所述突尖6从垂直部分4向外延伸。

通过设置突尖6，具有如下的优点：

1）一方面可以破坏层流底层，没有损失换热面积，而且“尖”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，强化换热；

2）冲压突尖形成的小孔，借助突尖下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热。

3）针对含有不凝气体的流体或者两相流体，能够借助“突尖”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动。

在放热部分10内采取上述措施，能够极大的提高了流体的换热效率。与正常的流体换热相比，能够提高15－25％的换热效率。

作为优选，所述的突尖6与流体的流动方向所形成的夹角为锐角，需要说明的是，此处以及后面所提及的流体的流动方向是指流体从吸热部分向放热部分的流动方向。

作为优选，如图6所示，所述的翅片7为垂直型翅片，所述翅片7包括水平部分5和垂直部分4，所述水平部分5与管壁3平行并且与管壁3贴在一起，所述垂直部分4与水平部分5连接。

图7中流体的流动方向是从左往右。但此处的左右只是说明流体沿着突尖的流动方向，并不表示实际一定左右流动。

如图10所示，所述突尖6的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，如图6所示，沿着流体的流动方向，同一个垂直部分4设置多个突尖6，沿着流体的流动方向，所述的夹角a越来越大。

通过实验发现，通过夹角a的逐渐变大，与夹角a完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高10％左右的换热效率。

作为优选，所述突尖6延伸的长度为L，沿着流体的流动方向，同一个垂直部分4设置多个突尖6，沿着流体的流动方向，所述的长度L越来越大。通过实验发现，通过长度L的逐渐变大，与长度L完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高9％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，长度L变大的幅度越来越小。通过实验发现，长度L的变大的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，所述突尖6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在垂直部分4上，作为优选，底边与垂直部分的垂直方向相同，所述等腰三角形的顶角为b，沿着流体的流动方向，同一个垂直部分4设置多个突尖6，沿着流体的流动方向，在底边长度保持不变的情况下，所述的突尖顶角b越来越小。通过实验发现，通过突尖顶角b的逐渐变小，与顶角b完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高7％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，顶角b变小的幅度越来越小。通过实验发现，顶角b变小的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低4％左右的流动阻力。

作为优选，所述突尖6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在垂直部分上，作为优选，底边与垂直部分的垂直方向相同，所述等腰三角形的底边长度为h，沿着流体的流动方向，同一个垂直部分4设置多个突尖6，沿着流体的流动方向，同一个垂直部分4设置多个突尖，在顶角保持不变的情况下，沿着流体的流动方向，所述的h越来越大。通过实验发现，通过h的逐渐变大，与h完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高7％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，同一垂直部分设置多排突尖6，如图6和7所示，每排突尖之间的距离为S2，沿着流体的流动方向，所述的S2越来越大。之所以如此设置，主要目的是通过S2的变大，实现在保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力。通过实验发现，流动阻力降低10％左右。

所述S2是以相邻排的突尖的底边为计算距离的。

作为优选，如图8所示，多排突尖6为错列结构。图8中流体是从上往下流动。但此处的上下只是说明流体沿着突尖的流动方向，并不表示实际一定上下流动。

在实验中发现，相邻管壁3的距离不能过大，过大会导致换热效率的降低，过小会导致流动阻力过大，同理，对于等腰三角形的底边长度、顶角、突尖、翅片垂直部分的距离与流体流动方向的夹角都不能过大或者过小，过大或过小都会导致换热效率的降低或者流动阻力的变大，因此在相邻管壁3的距离、等腰三角形的底边长度、顶角、突尖、翅片垂直部分与流体流动方向的夹角之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的换热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下（10MPa以下），在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的换热管壁的尺寸优化关系。

作为优选，所述突尖为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在垂直部分上，优选垂直于管壁，相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的垂直部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b,所述突尖的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，满足如下公式：

c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,

sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))²，

其中Ln是对数函数，c1、c2、c3、c4、c5、c6是系数，

0.237<c1<0.255,0.675<c2<0.703,0.867<c3<0.885，0.673<c4<0.711，

1.135<c5<1.152,

6.8<c6<7.6；

19°<a<71°，55°<b<165°；

10mm<w<15mm，6mm<H<14mm；

0.19<L*sin(a)/w<0.41,0.29<c6*h/H<0.47；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离，W是以相邻的垂直部分相对的面的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

作为优选，c1=0.243，c2=0.696，

c3=0.878，c4=0,689，c5=1.142,c6=7.2。

通过上述公式的出的“突尖”的最佳的几何尺度，可以提高换热效率，同时可以实现仅对粘性底层、或包含液膜、及至包含气相边界层不同尺度内热阻的强化，避免措施过度，造成不必要的阻力损失。

作为优选，所述的同一排的相邻的突尖的底边都在一条线上，同一排相邻的突尖距离为S1，所述2.8×h<S1<3.6×h，其中S1是以相邻两个等腰三角形突尖的底边的中点的距离。优选为3.1×h=S1。

作为优选，相邻排的突尖的等腰三角形的底边互相平行，等腰三角形的顶点到底边中点的距离为L，相邻排的距离S2为3.4*L<S2<5.0*L。优选为S2＝4.3*L。

相邻排的等腰三角形的底边不同时，采取两条底边的加权平均数来计算。

作为优选，同一排的等腰三角形的夹角和底边完全相同。即形状完全相同，为相等形。

对于前面的公式，对于前后排尺寸不同的突尖，也依然适用。

作为优选，翅片的壁厚为0.4-1.1mm；作为优选，0.6-0.9mm。

对于没有提到的具体尺寸参数，按照正常的换热器进行设计。

作为优选，如图11所示，垂直部分上设置多个突尖6，所述突尖向垂直部分的不同侧延伸

作为优选，同一个垂直部分设置多排突尖，至少一排突尖与其他排突尖向垂直部分的延伸侧不同。

作为优选，相邻的每排突尖向垂直部分的不同侧延伸。

通过如此设置，可以使得流体在垂直部分两侧的通道中交替换热换质，进一步提高换热效率。与在同一侧相比，能够提高8％左右。

作为优选，如图2、5、12、13所示，在热管1的管壁3所述吸热部分8外部设置横向翅片11。

作为优选，所述翅片11为直板状。

作为优选，沿着流体的流动方向，外部翅片11高度不断的增加，高度增加的幅度越来越大。通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积。实验发现，通过如此设置，与翅片高度完全相同相比，可以提高大约5%的换热效率。

作为优选，如图12、13所示，沿着热管1横截面的中间向两侧，所述翅片11的高度不断减少。其中，位于热管1的中间位置，翅片的高度最高。

因为通过试验发现，热管在中部散热最多，从中部向两侧，散热逐渐变小，因此通过设置热管的外部翅片高度变化，这样使得热管的散热面积在中部最大，在两侧最小，使得中部散热能力最大，这样符合热管热量的散热规律，使得整体上热管散热均匀，避免热管局部温度过热，造成散热效果过差，造成热管寿命的缩短。

作为优选，如图12、13所示，所述翅片11为抛物线型，其中在热管1横截面的中间位置为抛物线的拐点。

作为优选，如图12、13所示，所述翅片11为圆弧型。

作为优选，从中间向两侧，所述翅片11的高度减少的幅度不断的增加。

通过上述设置，也是符合热管的散热规律，进一步提高热管的换热效率，增加热管的寿命。

作为优选，所述热管是重力热管。

作为优选，所述热管的内部设置毛细材料。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种太阳能热水器，包括水箱和热管，所述热管包括吸热部分和放热部分，所述放热部分设置在水箱中，所述热管吸热部分吸收太阳能，通过放热部分将热量传递给水箱中的水；其特征在于，所述热管为扁平管。

2.如权利要求1所述的太阳能热水器，其特征在于所述扁平管包括互相平行的管壁，所述相邻的管壁之间形成流体通道，热管包括设置在扁平管中的翅片，所述翅片设置在放热部分。

3.如权利要求2所述的太阳能热水器，所述翅片设置在管壁之间，所述翅片包括垂直于管壁的垂直部分，在垂直部分上通过冲压方式加工突尖，从而使垂直部分两侧的流体通过垂直部分上冲压方式形成的孔连通；所述突尖从垂直部分沿着混合物流动方向向外延伸。

4.如权利要求3所述的热管，其特征在于，所述突尖为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在垂直部分上，相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的垂直部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b,所述突尖的延伸方向与混合物的流动方向的夹角为a，满足如下公式：

c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/w)+c2,

sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))²，

其中Ln是对数函数，c1、c2、c3、c4、c5、c6是系数，

0.237<c1<0.255,0.675<c2<0.703,0.867<c3<0.885，0.673<c4<0.711，

1.135<c5<1.152,

6.8<c6<7.6；

19°<a<71°，55°<b<165°；

10mm<w<15mm，6mm<H<14mm；

0.19<L*sin(a)/w<0.41,0.29<c6*h/H<0.47；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离，W是以相邻的垂直部分相对的面的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

5.如权利要求1所述的太阳能热水器，所述放热部分外部设置横向翅片。

6.如权利要求5所述的太阳能热水器，其特征在于，沿着热管的宽度的中部向两侧，所述横向翅片的高度逐渐减小。