CN105758009B - 一种集热管流量规律变化的太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热器，包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间，所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接长方形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，沿着两块管板结构连接点向两边最低位置延伸方向上，不同集热管内的流体流量越来越大。本发明使流体保持均匀混度，避免了流体混合中热量的损失，同样可以保证集热管温度基本保持相同，延长集热管整体使用寿命。

Description

一种集热管流量规律变化的太阳能集热器

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热器。

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。太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳能集热器。但目前的太阳能集热器内部设置翅片，以增强换热。

现有技术中给出了一种管板式结构所有集热管内的流量都相同，这样造成吸热多的集热管温度过高，从而造成使用寿命减少。

发明内容

本发明旨在提供一种节能环保的太阳能集热器，提高一种温度均匀的集热器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种太阳能集热器，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述太阳能集热器系统包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间，所述的集热管的横截面是长方形，所述的集热板连接长方形的角；

所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接长方形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

其特征在于，沿着两块管板结构连接点向两边最低位置延伸方向上，不同集热管内的流体流量越来越大。

作为优选，沿着两块管板结构连接点向两边最低位置延伸方向上，不同集热管的流体流量越来越大的幅度不断的变大。

作为优选，所述的集热管横截面积是正方形，所述正方形的内边长为L，所述连通孔为圆，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;

0.34<l/L<0.38;

0.14<r/L<0.17;

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）通过流体流量的变化，从而使得所有集热管内流体加热温度基本相同，从而使流体保持均匀混度，避免了流体混合中热量的损失，同样可以保证集热管温度基本保持相同，达到相同的使用寿命，从而延长集热管整体使用寿命。

2）提供了一种新式结构的太阳能集热器，可以保证不同集热管内部保持基本相同的压力，从而延长集热管整体使用寿命，而且还可以保证集热管内翅片的换热面积，强化传热。

3) 通过集热管内的通孔的面积的规律变化，达到最优的集热效果以及流动阻力。

4）本发明通过多次试验，在保证换热量最大以及流动阻力满足要求的情况下，得到一个最优的太阳能集热器优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

附图说明

图1是本发明太阳能集热器的结构示意图；

图2是本发明集热管横截面结构示意图；

图3是本发明内翅片连通孔分布示意图；

图4是本发明内翅片连通孔错列分布示意图；

图5是本发明集热管内正方形尺寸示意图。

附图标记如下：

1反射镜，2集热管，3集热板，4内翅片，5连通孔，6小通道。

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。

图1展示了一种太阳能集热器，所述集热器包括集热管2、反射镜1和集热板3，相邻的两个集热管2之间通过集热板3连接，从而使多个集热管2和相邻的集热板3之间形成管板结构；所述太阳能集热器系统包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜1的焦点D位于管板结构形成的夹角之间。

作为一个改进，所述的集热管2的横截面是长方形，所述的集热板3连接长方形的角。

现有技术一般都采用圆管结构，但是在实践中发现采用圆管结构，对于两个圆管之间距离比较近时，因为两个靠近的圆弧之间的距离很小，使得两个圆管相邻的部分无法充分地吸收太阳能。而本发明通过设置集热管横截面为方管结构，克服了圆管结构的缺点，使得相邻的集热管2之间具有相对于圆管来说较多的空间，从上部照射和下部反射，使得太阳能能够反射进去，从而达到吸热均匀，从其他角度反射，相对于圆管而言，也能够达到吸收更多热量的目的。

作为优选，所述的集热管2的横截面是正方形。

传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，一旦位置发生偏移，则热量就不会集热到集热管中，通过上述结构，太阳光照射在反射镜1，通过反射镜1反射到管板结构，将热量集热到管板结构中的集热管2中。通过这种结构，即使因为安装或者运行问题导致管板结构位置发生改变，则太阳能依然会集热到集热管2中，从而避免热量损失；同时因为传统的集热器都是将集热管直接设置在焦点上，造成集热管局部过热，造成集热管局部损失过大，寿命过短，甚至造成集热管内部过热，产生过热蒸汽，充满整个集热管，造成集热管内部压力过大，损坏集热管，而采取本申请的结构，既可以将热量充分的吸收，又可以将热量相对的分散，避免热量过于集中，使得整体集热管吸热均匀，延长集热管的使用寿命。

作为一个优选，反射镜1的焦点D位于两块管板结构最低端连线的中点上。通过上述设置，可以保证最大程度上吸收太阳能，避免太阳能因为焦点偏移而损失，同时还能保证板状结构尽量可能减少遮挡的照射在反射镜1上的阳光。通过实验证明，采用上述结构，太阳能吸收的效果最好。

作为优选，所述集热管2内部设置内翅片4，所述内翅片4连接长方形的对角，如图2所示。所述内翅片4将集热管2内部分为多个小通道6，在内翅片上设置连通孔5，从而使相邻的小通道6彼此连通。

通过设置内翅片4，将集热管2内部分为多个小通道6，进一步强化传热，但是相应的流体流动的压力增加。通过设置连通孔5，保证相邻的小通道6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，解决冷凝端的内部各个小流道27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，同时通过连通孔5的设置，也降低了集热管内部的压力，提高了换热效率，同时也提高了集热管的使用寿命。

优选的，沿着集热管2内流体的流动方向，所述连通孔5的面积不断的增加。

所述的连通孔5为圆形结构，沿着集热管2内流体的流动方向，所述圆形结构的半径不断的增加。

因为沿着集热管2内流体的流动方向，集热管2内的流体不断的吸热甚至蒸发，因此使得集热管的压力不断的增加，而且因为连通孔5的存在，使得集热管2内部的压力分配越来越均匀，因此连通孔的面积需要很大，通过设置不断的变大，从而使得在保证热管内部压力均匀和压力的情况下，通过连通孔面积的变化来增加换热面积，从而提高换热效率。

优选的，沿着集热管2内流体的流动方向，所述连通孔5的面积不断的增加的幅度不断增加。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。通过如此设置，通过是实验发现可以提高9%左右的换热效率，同时阻力基本保持不变。

优选的，沿着集热管2内流体的流动方向，连通孔5的分布数量越来越多，进一步优选，所述连通孔数量26不断的增加的幅度不断增加。

通过上述数量的分布原理与面积减少原理相同，与连通孔数量完全相同相比，通过数量分布来减少流通面积。

在实际实验中发现，连通孔5的面积不能过小，过小的话会导致流动阻力的增加，从而导致换热的减弱，连通孔5的面积不能过大，面积过大，会导致换热面积的减少，从而降低换热效果。同样，集热管2的横截面积不能过大，过大导致管板结构单位长度上分布的换热管过少，同样导致换热效果变差，集热管流动面积也不能过小，过小会导致流动阻力增加，从而导致换热效果变差。因此连通孔5与集热管横截面面积及其相邻连通孔5之间的距离必须满足一定要求。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的集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，总结出的最佳的集热器的尺寸优化关系。

本发明是集热器管2横截面是正方形下进行的尺寸优化。

所述正方形的内边长（即正方形的外边长减去壁厚）为L，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;

0.34<l/L<0.38;

0.14<r/L<0.17;

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

其中，l等于相邻连通孔5圆心之间的距离。如图3、4所示的左右相邻和上下相邻的连通孔圆心之间的距离。

进一步优选，15mm<l<45mm。

优选的，随着r/L的增加，所述的a,b增加。

作为优选，a=1.57,b=2.93。

作为优选，同一个集热管的l和r选择平均l和r。

作为优选，如图3、4所示，每个内翅片上设置多排连通孔5，如图4所示，所述多个连通孔5为错排结构。通过错排接构，可以进一步提高换热，降低压力。

作为优选，不同集热管2内翅片4中的连通孔5的直径不相同。沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2的连通孔5的直径越来越大。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高，通过分析主要原因是因为有管板结构的阻挡，导致中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高，从而导致内部流体流动的压力越来越大。通过连通孔5的直径的不断变大，从而使得连通孔总面积不断变大，可以根据不同位置集热管2的内部压力来设置连通孔的直径来缓解压力不断的变化，这样一方面可以保证不同集热管内部保持基本相同的压力，从而延长集热管整体使用寿命，而且还可以保证集热管内翅片的换热面积，强化传热。

作为优选，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2的连通孔5的直径越来越大的幅度不断的增加。

在实验中发现，对于吸热量，沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上的增幅逐渐递减，因此将连通孔面积做了如此变化，以满足相应的要求。

作为优选，最大的连通孔面积与最小的连通孔面积的比值小于1.27。

作为优选，每个集热管内的连通孔数量相同。

作为优选，同一个集热管内每一个连通孔面积都相同。

为优选，不同集热管2内翅片4中的连通孔5的之间的间距不相同。沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2的连通孔5的之间的间距越来越小。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高，通过分析主要原因是因为有管板结构的阻挡，导致中部受热最少，而从中部向两边延伸，吸收热量逐渐升高，从而导致内部流体流动的压力越来越大。通过连通孔5的之间的间距的不断变小，从而使得连通孔总面积不断变大，可以根据不同位置集热管2的内部压力来设置连通孔的直径来缓解压力不断的变化，这样一方面可以保证不同集热管内部保持基本相同的压力，从而延长集热管整体使用寿命，而且还可以保证集热管内翅片的换热面积，强化传热。

作为优选，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2的连通孔5的之间间距越来越小的幅度不断的增加。

在实验中发现，对于吸热量，沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上的增幅逐渐递减，因此将连通孔之间的间距做了如此变化，以满足相应的要求。

作为优选，所有集热管内的连通孔直径相同。

作为优选，两个管板结构之间的夹角小于150度。

作为优选，同一个集热管内的连通孔间距都相同。

作为优选，不同集热管内的流体流量不同。沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2内的流体流量越来越大。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高。通过流体流量的变化，从而使得所有集热管内流体加热温度基本相同，从而使流体保持均匀混度，避免了流体混合中热量的损失，同样可以保证集热管温度基本保持相同，达到相同的使用寿命，从而延长集热管整体使用寿命。

作为优选，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，不同集热管2的流体流量越来越大的幅度不断的变大。

在实验中发现，对于吸热量，沿着管板结构的中部（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上的增幅逐渐递减，因此将集热管流量做了如此变化，以满足相应的要求。

作为优选，不同集热管的管内横截面积不同。沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管2的管内横截面积越来越大。在实验中发现，从中部向两侧延伸，吸热量逐渐升高。通过流体流量的变化，从而使得所有集热管内流体加热温度基本相同，从而使流体保持均匀混度，避免了流体混合中热量的损失，同样可以保证集热管温度基本保持相同，达到相同的使用寿命，从而延长集热管整体使用寿命。

作为优选，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管2的管内横截面积越来越大的幅度不断的变大。

所述集热管横截面积为正方形。

正方形的内边长（即正方形的外边长减去壁厚）为L，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上L越来越大。

作为优选，沿着两块管板结构连接点（即最高位置）向两边最低位置（即图2集热管A向B、C方向）延伸方向上，集热管2的L越来越大的幅度不断的变大。

作为优选，集热管2和集热板3的材料为铜铝合金，所述铜铝合金的组分的质量百分比如下： 3.7％ Cr ，3.3％ Ag ，2.2％ Mn ，1.25％ Zr ，1.23％ Ce ，1.25％ Ti，2.46％ Si，其余为Cu、Al，Cu、Al的比例为（8.53－10.23）:1.12。

铜铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过820℃均匀化处理，在640℃，采用热挤压成棒材，然后再经过565℃固溶淬火后，在230℃进行人工时效处理。

经测试，上述合金具有很高的导热系数，导热系数为大于250W/(m*k）。

通过增加铜铝合金中铜的比例，大大增加合金的耐热性能，同时还提高合金的抗腐性能。

作为优选，所述集热管2和集热板3外部涂敷防腐层。

作为优选，所述防腐层是由防腐涂料生成，防腐涂料由如下成分组成：片状锌粉8.3％，氧化铝为8％，硼酸为7.3％，丙烯酸为0.7％，润湿分散剂为0.4％， 增稠剂为0.15％，消泡剂为0.23％，余量的水。

一种制备上述水性防腐涂料的方法，该方法按照以下步骤实施，

a、按涂料总质量百分比，分别称取一定量的水、0.4％的润湿分散剂和0.23％的消泡剂，然后混合到一起，充分搅拌使之溶解制成涂料混合液A1，再向混合液A1中加入占涂料总质量的8.3％的片状金属粉，搅拌均匀制成涂料混合液A2；

b、按涂料总质量百分比，称取7.3％硼酸，组成混合液，加入到20％～40％的水中充分溶解制成无机酸混合液B1，再向混合液B1中加入8％的氧化物粉，搅拌至无沉淀制成无机酸混合液B2；

c、按涂料总质量百分比，称取0.7％的丙稀酸，加入到5％～15％的水中，充分搅拌均匀制成还原剂混合液C；

d、按涂料总质量百分比，称取0.15％的增稠剂羟乙基纤维素，加入到2.5％～15％的水中，搅拌至溶解呈半透明状且无凝胶出现即停止搅拌制成增稠剂混合液D；

e、将配制的无机酸混合液B2加入到涂料混合液A2中，然后加入还原剂混合液C配制量的1/5～1/2，边搅拌边加入增稠剂混合液D，再加入余量的水，继续搅拌30～90分钟，直到涂料混合液均匀一致无团聚颗粒为止，最后再加入剩余的还原剂混合液C，再搅拌10～40分钟，即得。

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于翅片管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好耐蚀涂层。

所述润湿分散剂为平平加系列中的SA-20，所述的增稠剂选用羟乙基纤维素；所述的消泡剂选用磷酸三丁酯。

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 (2)

1.一种太阳能集热器，包括集热管、反射镜和集热板，相邻的两个集热管之间通过集热板连接，从而使多个集热管和相邻的集热板之间形成管板结构；所述太阳能集热器系统包括两块管板结构，所述两块管板结构之间形成一定的夹角，所述夹角方向与反射镜的圆弧线结构弯曲的方向相对，反射镜的焦点位于管板结构形成的夹角之间，所述的集热管的横截面是长方形，所述的集热板连接长方形的角；

所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接长方形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；

其特征在于，沿着两块管板结构连接点向两边最低位置延伸方向上，不同集热管内的流体流量越来越大；所述的集热管横截面积是正方形，所述正方形的内边长为L，所述连通孔为圆，所述连通孔的半径r，同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：

l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；

其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;

0.34<l/L<0.38;

0.14<r/L<0.17;

30mm<L<120mm；

5mm<r<17mm。

2.如权利要求1所述的太阳能集热器，沿着两块管板结构连接点向两边最低位置延伸方向上，不同集热管的流体流量越来越大的幅度不断的变大。