CN105387637B - 一种内翅片集热管太阳能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能热水器，包括集热器，所述集热器包括集热管，所述集热管包括吸热端和放热端，所述放热端设置在水箱中；所述集热管包括扁平管和肋片，所述扁平管包括互相平行的管壁，所述肋片设置在管壁之间，所述肋片包括倾斜于管壁的倾斜部分，相邻的倾斜部分形成的夹角为A，沿着扁平管横截面管壁的中部向两侧的侧壁方向，所述的相邻的倾斜部分形成的夹角A越来越小。本发明减缓集热管中部的流动压力，相应的增加两侧的流动压力，解决扁平管换热的情况下的内部压力不均匀的问题。

Description

一种内翅片集热管太阳能热水器

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1×10 ¹⁸ kW·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，太阳能热水器采用集热管进行吸热，但是集热管因为换热问题，可能导热热量的损失，而且因为集热管内部设置肋片，导致流体阻力上升，从而导致换热系数低的问题。

针对上述问题，本发明提供了一种新的太阳能热水器，从而解决太阳能吸热和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，包括集热器，所述集热器包括集热管，所述集热管包括吸热端和放热端，所述放热端设置在水箱中；所述吸热膜设置在集热管吸热端的面向太阳的一面；

所述集热管包括扁平管和肋片，所述扁平管包括互相平行的管壁和侧壁，所述侧壁连接平行的管壁的端部，所述侧壁和所述平行的管壁之间形成流体通道，所述肋片设置在管壁之间，所述肋片包括倾斜于管壁的倾斜部分，所述的倾斜部分与平行的管壁连接，所述倾斜部分将流体通道彼此隔开形成多个小通道，相邻的倾斜部分在管壁上连接，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形；在倾斜部分上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

相邻的倾斜部分形成的夹角为A，沿着扁平管横截面管壁的中部向两侧的侧壁方向，所述的相邻的倾斜部分形成的夹角A越来越小。

作为优选，包括透明玻璃板、隔热层，所述吸热膜设置在集热管吸热端的面向太阳的一面，透明玻璃板覆盖在集热管的吸热端上部，吸热端与透明玻璃板之间设置隔热层。

作为优选，隔热层为真空层。

作为优选，透明玻璃板采用钢化玻璃；

作为优选，吸热膜通过溅射的方式设置在热管吸热端上。

作为优选，隔热层17的厚度为18mm～25mm；作为优选为20 mm。

作为优选，同一个倾斜部分设置多排三角形通孔，多排通孔为错列结构。

作为优选，连通孔为等腰三角形，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成的三角形是等腰三角形；

连通孔的等腰三角形的顶角为B，相邻的倾斜部分以及管壁之间构成的等腰三角形的顶角为A，则满足如下公式：

Sin(B)=a+b*sin(A/2) -c* sin(A/2)²；

其中a,b,c是参数，其中0.565<a<0.559,1.645<b<1.753,1.778<c<1.883;

60°<A<160°；35°<B<90°。

作为优选，a=0.5931,b=1.6948,c=1.8432;

80°<A<120°；50°<B<60°。

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)本发明通过倾斜部分形成的夹角A的变化，使得中部的小通道的流通面积大，两侧的小通道流通面积变小，这样符合流体流动的压力分布规律，从而减缓中部的流动压力，相应的增加两侧的流动压力，解决扁平管换热的情况下的内部压力不均匀的问题。

2）本发明通过在集热管的肋片上设置连通孔，保证相邻的小通道之间的连通，解决集热管换热的情况下的内部压力不均匀的问题，提高了换热效率，提高了使用寿命。

3）通过连通孔沿着扁平管横截面方向上的面积变化，在降低阻力的同时，进一步提高换热效率。

4）通过热水器设置透明玻璃板、隔热层、吸热膜、底板等部件，提高了热水器太阳能利用效率。

5）本发明通过大量的实验，确定了最佳的扁平集热管的结构尺寸，从而使得保证换热阻力的情况下，使得换热效果达到最佳。

附图说明

图1是本发明太阳能热水器截面结构示意图；

图2是本发明集热管横截面结构示意图；

图3是本发明一个集热管内肋片设置通孔位置处的横切面的结构示意图；

图4是本发明设置通孔结构倾斜部分平面的示意图；

图5是本发明设置通孔结构倾斜部分平面的另一个示意图；

图6是本发明的三角形通孔结构示意图。

附图标记如下：

1集热管，2流体通道，3管壁，4倾斜部分，5顶点，6连通孔，7肋片，8水箱，9吸热端，10放热端，11底板，12吸热膜，13玻璃板，14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所示，所述太阳能热水器包括水箱8和集热器，所述集热器包括集热管1，所述集热管1为扁平热管。所述集热管1包括吸热端9和放热端10，所述放热端10设置在水箱8中。吸热端9吸收太阳能，通过放热端10将热量传递给水箱中的水。

所述太阳能集热器还包括透明玻璃板13、隔热层14、吸热膜12。吸热膜12设置在集热管1吸热端9的上面（即面向太阳的一面），透明玻璃板13覆盖在集热管的吸热端9的正面，吸热端9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。作为优选透明玻璃板16采用钢化玻璃、隔热层为真空层；作为优选，吸热膜12通过溅射的方式设置在热管1吸热端9的正面。

底板11设置在集热管1下部，所述底板为保温材料。

作为优选，隔热层17的厚度为18mm～25mm；作为优选为20 mm。

如图2所示，所述集热管包括扁平管1和肋片7，所述扁平管1包括互相平行的管壁3和侧壁12，所述侧壁12连接平行的管壁2的端部，所述侧壁12和所述平行的管壁3之间形成流体通道2，所述肋片7设置在管壁3之间，所述肋片7包括倾斜于管壁的倾斜部分4，所述的倾斜部分4与平行的管壁3连接，所述倾斜部分4将流体通道2彼此隔开形成多个小通道10，相邻的倾斜部分4在管壁上连接，所述相邻的倾斜部分4以及管壁3之间构成三角形；在倾斜部分4上设置连通孔6，从而使相邻的小通道10彼此连通。

通过设置连通孔6，保证相邻的小通道10之间的连通，从而使得压力大的小通道内的流体可以向邻近的压力小的小通道内流动，解决扁平管换热的情况下的内部压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，提高了换热效率，同时也提高了集热管的使用寿命。

作为优选，沿着扁平管横截面的管壁3的中间（即图2横截面示意图中管壁3的中间位置）向两侧侧壁12方向，不同倾斜部分4上的所述的通孔6面积不断的变小。其中，位于扁平管1的中间位置，即图2横截面示意图中管壁3的中间位置，通孔6的面积最大。主要原因是通过实验发现，因为流体分配不均匀，中间压力最大，从中间向两侧压力逐渐减小。因此通孔面积的分配，使得中部的流体尽可能向两边流动，减少中部的流动阻力，同时为了避免开孔面积过大造成换热面积的减少，使得开孔面积根据压力来进行变化，在降低阻力的同时，进一步提高换热效率。

作为优选，沿着扁平管横截面的中间向侧壁12方向，不同倾斜部分4上的所述的通孔6面积不断的变小的幅度越来越大。通过如此设置，也是符合流动压力的变化规律，进一步降低流动阻力的同时，提高换热效率。

作为优选，所述连通孔6的形状为等腰三角形，所述等腰三角形的底边的中点到顶角的方向与流体的流动方向相同。也就是说，等腰三角形的顶角方向为流体流动方向。通过实验发现，将顶角方向设置为与流动方向保持一致，可以提高换热效率，同时降低流动阻力。通过如此设置，可以提高10%左右的换热效率，同时降低9%左右的阻力。

作为优选，所述的相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形是等腰三角形，以后简称第二等腰三角形。通过设置成为等腰三角形，可以保证流体流动均匀，提高换热效果。

作为优选，所述倾斜部分顶点5为平面，所述相邻的两个倾斜部分4的顶点5相连，所述顶点5与管壁3相连。因为设置定点5为平面，因此使得倾斜部分4与管壁接触面积大，从而使得管壁和倾斜部分更充分更好的接触。使得安装更加容易，避免滑动。

作为优选，相邻的倾斜部分4以及管壁之间构成三角形中，倾斜部分4相对的内表面的连接点形成三角形的顶点，所述三角形的顶点位于管壁上。

如图6所示，所述等腰三角形的顶角为B，如图4,5所示，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多排三角形通孔6。如图5所示，多排通孔6为错列结构。

在实验中发现，通孔的面积不能过大，过大的话会导致换热面积的损失，降低换热效率，过小的话，造成局部压力分配依然不均匀，同理，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。根据实验发现，第一等腰三角形的顶角和第二等腰三角形的顶角为一定规律的变化，例如第二等腰三角形顶角变大，从而导致换热通道的小通道面积增加，相应的流动阻力变小，因此此时第二等腰三角形的流通面积就要变小，这样可以减少通孔6的面积，同时保证流动阻力的情况下，提高换热效率。因此第一等腰三角形和第二等腰三角形顶角之间存在如下关系：

第一等腰三角形的顶角为B，第二等腰三角形的顶角为A，则满足如下公式：

Sin(B)=a+b*sin(A/2) -c* sin(A/2)²；

其中a,b,c是参数，其中0.565<a<0.559,1.645<b<1.753,1.778<c<1.883;

60°<A<160°；35°<B<90°。

作为优选，a=0.5931,b=1.6948,c=1.8432;

80°<A<120°；50°<B<60°；

通过上述的公式，可以确定第一等腰三角形和第二等腰三角形顶角之间的最佳关系，在此关系下能够保证在满足流动阻力的情况下，达到最佳的换热效率。

作为优选，H=7-18mm。进一步作为优选，10<H<11mm。

作为优选，第一等腰三角形底边的长度为h，满足如下公式：

0.28<d*（h/H）<0.36；其中d是参数，0.7<d<2.0；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离。

作为优选， 1.0<d<1.4。

作为优选，随着顶角为A的增加，所述的d变小。

作为优选，随着H的增加，所述的d变小。

管壁的宽度为W，优选为7.4>W/H>4.6，进一步优选，6.8>W/H>5.6。

对于倾斜部分形成的顶角A不同的情况，例如沿着管壁的中部向两侧的侧壁方向，所述的相邻的倾斜部分形成的夹角A越来越小的情况，前面的公式中的A采取倾斜部分相邻的两个顶角的平均值来计算。

一通过上述的优化设计，可以进一步提高集热管的换热性能，同时降低流动阻力。

本发明是通过多个不同尺寸的集热管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，总结出的最佳的扁平管管壁的尺寸优化关系。

作为优选，所述的同一排的相邻的等腰三角形通孔的底边都在一条线上，同一排相邻的通孔距离为S1，所述2.9×h<S1<3.3×h，其中S1是以相邻两个等腰三角形通孔的底边的中点的距离。优选为3.2×h =S1。

作为优选，相邻排的通孔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3.8*L<S2<4.8*L。优选为S2＝4.4*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通孔，也依然适用。

作为优选，肋片的壁厚为0.5-0.9mm；作为优选，0.6-0.7mm。

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，沿着管壁3的中部向两侧的侧壁12方向，所述的相邻的倾斜部分4形成的夹角A越来越小。

通过上述夹角A的变化，使得中部的小通道的流通面积大，两侧的小通道流通面积变小，这样符合流体流动的压力分布规律，从而减缓中部的流动压力，相应的增加两侧的流动压力。

作为优选，沿着管壁的中部向两侧的侧壁方向，所述的相邻的倾斜部分形成的夹角A越来越小的幅度逐渐增加。如此设置也符合压力分布规律，从而使得压力分配达到最佳的均匀效果。

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 (7)

1.一种太阳能热水器，包括集热器，所述集热器包括集热管，所述集热管包括吸热端和放热端，所述放热端设置在水箱中；

其特征在于，所述集热管包括扁平管和肋片，所述扁平管包括互相平行的管壁，以及连接平行的管壁的端部的侧壁，所述侧壁和所述平行的管壁之间形成流体通道，所述肋片设置在管壁之间，所述肋片包括倾斜于管壁的倾斜部分，所述的倾斜部分与平行的管壁连接，所述倾斜部分将流体通道彼此隔开形成多个小通道，相邻的倾斜部分在管壁上连接，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成三角形；在倾斜部分上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

相邻的倾斜部分形成的夹角为A，沿着扁平管横截面管壁的中部向两侧的侧壁方向，所述的相邻的倾斜部分形成的夹角A越来越小。

2.如权利要求1所述的太阳能热水器，包括透明玻璃板、隔热层，吸热膜设置在集热管吸热端的面向太阳的一面，透明玻璃板覆盖在集热管的吸热端上部，吸热端与透明玻璃板之间设置隔热层。

3. 如权利要求2所述的太阳能热水器，隔热层为真空层。

4. 如权利要求2所述的太阳能热水器，透明玻璃板采用钢化玻璃。

5. 如权利要求2所述的太阳能热水器，隔热层的厚度为18mm～25mm。

6.如权利要求1所述的太阳能热水器，连通孔为等腰三角形，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成的三角形是等腰三角形；

连通孔的等腰三角形的顶角为B，所述相邻的倾斜部分以及管壁之间构成的三角形是等腰三角形，顶角为A，则满足如下公式：

Sin(B)=a+b*sin(A/2) -c* sin(A/2)²；

其中a,b,c是参数，其中0.565<a<0.559,1.645<b<1.753,1.778<c<1.883;

60°<A<160°；35°<B<90°。

7.如权利要求6所述的太阳能热水器， a=0.5931,b=1.6948,c=1.8432;

80°<A<120°；50°<B<60°。