CN105333646A - 太阳能集热器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明太阳能集热器及其工作方法涉及一种同时具有集热和制冷功能的集热装置及其工作方法。其目的是为了提供一种功能全面、使用安全、结构简单的太阳能集热器及其工作方法。本发明太阳能集热器包括管架、联箱，联箱包括外壳和内胆，内胆中填充有换热工质，内胆两侧设置有换热工质的进口和出口，管架上排列有太阳能管，太阳能管包括内管和罩玻璃管，内管上方设置有冷凝管，冷凝管与内管之间形成内真空腔体，内管与罩玻璃管之间形成外真空腔体，内真空腔体上部的内壁上固定有环形隔板，环形隔板上安装有阻流管，阻流管的中轴线与内管的中轴线平行，内真空腔体底部设置有集热工质，内管表面涂覆有选择性吸收涂层，冷凝管伸入到联箱的内胆中。
Description
技术领域
本发明涉及一种集热装置，特别是涉及一种同时具有集热和制冷功能的太阳能集热器及其工作方法。
背景技术
太阳能集热器是一种将太阳的辐射能转换为热能的设备。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以太阳能集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。由于用途不同，集热器及其匹配的系统类型分为许多种，名称也不同，如用于炊事的太阳灶、用于干燥物品的太阳能干燥器、用于熔炼金属的太阳能熔炉，以及太阳房、太阳能热电站、太阳能海水淡化器等等。本发明所涉及的是通过太阳能管的集热和制冷功能对换热工质进行温度的调整，常见的太阳能集热器多采用热管中介质的蒸发来实现集热。普通热管在介质蒸发过程中，当无法向外换热时，则因工质不断的回流和导致管内温度持续升高造成饱和蒸汽压力过大，容易炸管。而同时具有集热和制冷两种功能的太阳能集热器比较少见，而且结构复杂，组装困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功能全面、使用安全、结构简单的太阳能集热器及其工作方法。
本发明太阳能集热器，包括管架，管架上方放置有联箱，联箱包括外壳和内胆，所述内胆中填充有换热工质，内胆左右两侧分别设置有换热工质的进口和出口，所述管架上水平排列有多个太阳能管，所述太阳能管包括内管和套装在内管外侧的罩玻璃管，内管上方设置有冷凝管，其中冷凝管与内管之间形成内真空腔体，内管与罩玻璃管之间形成外真空腔体，内真空腔体内壁上固定有水平设置的环形隔板，所述环形隔板固定在内真空腔体的上部，环形隔板上安装有阻流管，所述阻流管的中轴线与内管的中轴线平行，内真空腔体底部设置有集热工质，内管外表面涂覆有选择性吸收涂层，所述太阳能管上部的冷凝管伸入到联箱的内胆中。
本发明太阳能集热器，其中所述冷凝管、内管和罩玻璃管的接口处密封形成环封口，环形隔板与内真空腔体的连接处位于环封口的上方或下方，且距环封口的距离不大于400mm。
本发明太阳能集热器，其中所述外真空腔体内设置有支架，支架上放置有吸气剂。
本发明太阳能集热器，其中所述联箱的外壳和内胆之间为保温层。
本发明太阳能集热器，其中所述太阳能管和联箱的内胆的接触面下方设置有密封圈，太阳能管和联箱的外壳的接触面下方设置有挡风圈。
本发明太阳能集热器，其中所述联箱的内胆中设置有温度传感器。
本发明太阳能集热器，其中所述集热工质为混合溶液，如质量比为0.1:1.0～1.0:0.1的溴化锂-水混合溶液，或为固液混合物，如质量比为0.5:2～2:0.5的沸石-水混合物。
本发明太阳能集热器，其中所述阻流管上下两端距离环形隔板的距离差不大于阻流管长度的3/4。
本发明太阳能集热器，其中所述选择性吸收涂层采用AL-N/AL涂层或SS-ALN/cu涂层。
本发明太阳能集热器的工作方法，包括集热过程和制冷过程，所述集热过程中，太阳能管中内管外侧的选择性吸收涂层将吸收的太阳能转化为热能，并将太阳能管内的集热工质加热，集热工质内的水气化为蒸汽向上流动，经过阻流管进入冷凝管，此时换热工质的进口进入换热工质，将冷凝管上的热量换走，完成集热过程，同时冷凝管内的水蒸气遇冷冷凝成水，留存在冷凝管内；所述制冷过程中，冷凝管内存留的冷凝水不断蒸发，并被内管底部的低含水的集热工质吸附，冷凝水蒸发时吸收大量的热量，降低冷凝管内温度，联箱的换热工质出口一端进入温度较高的换热工质，将冷凝管上的冷量换走，完成制冷过程。
本发明太阳能集热器与现有技术不同之处在于本发明太阳能集热器在管架上安装有多个太阳能管，且太阳能管同时具有集热和制冷两种功能。太阳能管由罩玻璃管和内管之间形成外真空腔体，由内管和内管上方的冷凝管之间形成内真空腔体。内真空腔体内设置环形隔板和阻流管。当太阳照射到集热管内管的选择性吸收涂层上时，内管外侧的选择性吸收涂层将太阳能转化为热能，并将工质加热，工质内的水气化为蒸汽，向冷凝管方向流动，经过阻流管后进入冷凝管，蒸汽在太阳能管的冷凝管中遇冷后凝结盛水。由于环形隔板水平设置且环形隔板四周与内真空腔体内壁密封，凝结的水将会留在环形隔板上方，同时蒸汽冷凝时会释放大量的冷凝热。释放的冷凝热对冷凝管外侧联箱的内胆中的换热工质进行换热，将高温换热工质从出口输出，实现本发明太阳能集热器的集热功能。太阳能管在供热过程中，工质中所含的水不断蒸发，蒸汽不断在环形隔板上方冷凝并留在环形隔板上方，直至工质中全部的水都冷凝在环形隔板上方，太阳能管的热管工作作用完全失效，此过程中内管内的温度持续升高不会造成管内压力过大而导致集热管破损，使用时十分安全。而现有的常规太阳能集热管，当无法向外换热时，则因工质不断的回流和导致管内温度持续升高造成饱和蒸汽压力过大，而容易发生炸管。当夜间没有太阳时，内管因热容较低，对空辐射热损较大而温度降低。此时，内管内的低含水工质则体现出低温吸附水蒸气的特性，使管内的水蒸气量降低，环形隔板和阻流管上方存留的冷凝水不断蒸发，并被内管内的低含水工质吸附。冷凝管内存留的冷凝水蒸发时吸收大量的热量，致使冷凝段温度降低，冷凝管内的低温与换热工质进行换热，将低温换热工质从出口输出，实现本发明太阳能集热器的制冷功能。
下面结合附图对本发明的太阳能集热器及其工作方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明太阳能集热器的结构示意图；
图2为本发明太阳能集热器中太阳能管的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明太阳能集热器包括管架1，包括管架1上方放置有联箱6，联箱6长宽比为5:1～20:1，联箱6包括外壳和内胆7，外壳和内胆7之间为保温层5。内胆7中设置有温度传感器8，用于实时检测内胆7中的温度，内胆7中还填充有换热工质，换热工质为水或乙二醇水溶液。内胆7左右两侧分别设置有换热工质的进口4和出口9。管架1上水平排列有多个太阳能管2。太阳能管2的上部通过联箱6底部的通孔伸入到联箱6的内胆7中，太阳能管2和联箱6的内胆7的接触面下方设置有密封圈3，太阳能管2和联箱6外壳的接触面下方设置有挡风圈10。如图2所示，太阳能管2包括内管16和套装在内管16外侧的罩玻璃管17，内管16上方设置有冷凝管13，内管16和冷凝管13可选用玻璃，如高硼硅玻璃，或者金属材料，如铜或不锈钢，其中冷凝管13位于联箱6的内胆7中。冷凝管13、内管16和罩玻璃管17的接口处密封形成环封口，其中冷凝管13与内管16之间形成内真空腔体11，内真空腔体11内压强小于5.0x10-3Pa，内管16与罩玻璃管17之间形成外真空腔体12。内真空腔体11内壁上采用熔封、粘接或机械连接方式固定有水平设置的环形隔板15。环形隔板15固定在内真空腔体11的上部，环形隔板15与内真空腔体11的连接处位于环封口的上方或下方，且距环封口的距离不大于400mm，便于安装。环形隔板15上安装有竖直方向设置的阻流管14，阻流管14的中轴线与内管16的中轴线平行，阻流管14上下两端距离环形隔板15的距离差不大于阻流管14长度的3/4，距离差过大容易影响阻流管14安装的稳定性，进而影响阻流效果。内管16外表面涂覆有选择性吸收涂层(未画出)，选择性吸收涂层选用AL-N/AL涂层或SS-ALN/cu涂层。内真空腔体11底部设置有集热工质18，集热工质18选用质量比为0.1:1.0～1.0:0.1的溴化锂-水混合溶液，也可选用固液混合物，如质量比为0.5:2～2:0.5的沸石-水混合物。集热工质18的体积与内真空腔体11的体积比为0.01～0.5：1。外真空腔体12内设置有支架19，支架19用于保持内管16始终处于竖直方向，支架19上还放置有吸气剂20。设备使用一段时间后，外真空腔体12内的真空度将会下降，吸气剂20可以持续性地吸附外真空腔体12内的气体，保证外真空腔体12内的真空度不变。
本发明太阳能集热器的工作原理如下：集热过程：当太阳照射到太阳能管2中内管16外侧的选择性吸收涂层上时，内管16上的选择性吸收涂层将太阳能转化为热能，并将太阳能管2内的集热工质18加热，集热工质18内的水气化为蒸汽向上流动，经过阻流管14进入冷凝管13。此时换热工质的进口4进入换热工质，将冷凝管13上的热量换走，实现太阳能集热器的集热功能，同时降低冷凝管13内的温度。冷凝管13内的水蒸气遇冷冷凝成水，留存在冷凝管13内。由此，太阳能管2不断的吸收太阳能，并持续换热给换热工质，实现太阳能集热器的持续集热。制冷过程：当夜间没有太阳能的时候，内管16因热容较低，对空辐射热损较大而温度降低。这时，内管16内低含水的集热工质18，则体现出低温吸附水蒸气的特性，使管内的水蒸气量降低。冷凝管13内存留的冷凝水不断蒸发，并被内管16底部的低含水的集热工质18吸附。冷凝水蒸发时吸收大量的热量，致使冷凝管13内温度降低，联箱6的换热工质出口9一端进入温度较高的换热工质，将冷凝管13上的冷量换走，实现太阳能集热器的制冷功能。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种太阳能集热器，其特征在于：包括管架，管架上方放置有联箱，联箱包括外壳和内胆，所述内胆中填充有换热工质，内胆左右两侧分别设置有换热工质的进口和出口，所述管架上水平排列有多个太阳能管，所述太阳能管包括内管和套装在内管外侧的罩玻璃管，内管上方设置有冷凝管，其中冷凝管与内管之间形成内真空腔体，内管与罩玻璃管之间形成外真空腔体，内真空腔体内壁上固定有水平设置的环形隔板，所述环形隔板固定在内真空腔体的上部，环形隔板上安装有阻流管，所述阻流管的中轴线与内管的中轴线平行，内真空腔体底部设置有集热工质，内管外表面涂覆有选择性吸收涂层，所述太阳能管上部的冷凝管伸入到联箱的内胆中。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述冷凝管、内管和罩玻璃管的接口处密封形成环封口，环形隔板与内真空腔体的连接处位于环封口的上方或下方，且距环封口的距离不大于400mm。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述外真空腔体内设置有支架，支架上放置有吸气剂。
4.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述联箱的外壳和内胆之间为保温层。
5.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述太阳能管和联箱的内胆的接触面下方设置有密封圈，太阳能管和联箱的外壳的接触面下方设置有挡风圈。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述联箱的内胆中设置有温度传感器。
7.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述集热工质为混合溶液，如质量比为0.1:1.0～1.0:0.1的溴化锂-水混合溶液，或为固液混合物，如质量比为0.5:2～2:0.5的沸石-水混合物。
8.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述阻流管上下两端距离环形隔板的距离差不大于阻流管长度的3/4。
9.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述选择性吸收涂层采用AL-N/AL涂层或SS-ALN/cu涂层。
10.一种如权利要求1所述的太阳能集热器的工作方法，其特征在于：包括集热过程和制冷过程，所述集热过程中，太阳能管中内管外侧的选择性吸收涂层将吸收的太阳能转化为热能，并将太阳能管内的集热工质加热，集热工质内的水气化为蒸汽向上流动，经过阻流管进入冷凝管，此时换热工质的进口进入换热工质，将冷凝管上的热量换走，完成集热过程，同时冷凝管内的水蒸气遇冷冷凝成水，留存在冷凝管内；所述制冷过程中，冷凝管内存留的冷凝水不断蒸发，并被内管底部的低含水的集热工质吸附，冷凝水蒸发时吸收大量的热量，降低冷凝管内温度，联箱的换热工质出口一端进入温度较高的换热工质，将冷凝管上的冷量换走，完成制冷过程。
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