CN106016785A - 自适应抗冻太阳能平板集热器 - Google Patents

Abstract

一种自适应抗冻太阳能平板集热器，包括板芯组件和保温层，保温层部分或全部紧贴板芯组件，板芯组件主要由吸热板、集管和排管连接而成，保温层与排管中部相对的中部位置的保温性能弱于其它部位的保温性能，保温层的中部位置占板芯组件高度的5%‑20%。当集热器排管受冻冻结时，排管中部的保温性能低（即导热性能强），同时受排管两端上集管、下集管的热库影响和热诱导，冻结顺序是先排管中部，后排管两端，排管中部内存的水相变结冰，体积膨胀，并将两端还未冻结的水沿着排管轴向空间陆续挤走，而对排管径向又不至产生大于其管壁束力的挤压应力，从而保护排管管壁不被胀破。

Description

自适应抗冻太阳能平板集热器

技术领域

本发明属于太阳能低温热利用领域，尤其涉及一种自适应抗冻太阳能平板集热器。

背景技术

目前，市售的太阳能平板集热器，大多不具有自我主动的直接抗冻能力，而是通过其所在系统的帮助来被动的间接防冻。例如，太阳能平板集热器在冬季结冰前，采用一次水循环系统的，需要提前采取热水回灌保温、低位放水排空等方法来保护平板集热器；采用二次水循环系统的，则需要在其一次端应用防冻介质来保护平板集热器。这样都会导致整体系统设计复杂、可靠性差、效能下降、成本增高等问题。为克服这些缺陷，特对自适应抗冻太阳能平板集热器进行了研发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种自适应抗冻太阳能平板集热器，它能主动抗冻，简化太阳能平板集热器及其系统的防冻结构。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：它包括板芯组件和保温层，保温层部分或全部紧贴板芯组件，板芯组件主要由吸热板、集管和排管连接而成，保温层与排管中部相对的中部位置的保温性能弱于其它部位的保温性能，保温层的中部位置占板芯组件高度的5%-20%。由于水的冻结顺序规律，总是由低温处向高温处逐渐发展，当集热器排管受冻冻结时，排管中部的保温性能低（即导热性能强），同时受排管两端上集管、下集管的热库影响和热诱导，冻结顺序是先排管中部，后排管两端，排管中部内存的水相变结冰，体积膨胀，并将两端还未冻结的水沿着排管轴向空间陆续挤走，而对排管径向管壁又不至产生大于其管壁束力的挤压应力，从而保护排管管壁不被胀破。通过顺应水的冰冻规律而有效管控引导太阳能平板集热器流道内部的结冰渐冻顺序和膨胀应力，使太阳能平板集热器的流道具有遇冷结冰时冻而不裂的主动抗冻性能，遇热化冰时自我复苏的自动恢复能力，以此来适应各种工况要求和寒冷的气候环境。故它能主动抗冻，简化太阳能平板集热器及其系统的防冻结构。

本发明一个示例是，所述保温层由同种材料制成，且保温层中部薄，其它部位厚。

本发明一个示例是，所述保温层的厚度自排管中部向排管两端的集管逐渐增加，保温层中部的厚度为1-20mm，其它部位的厚度为10-40 mm。

本发明一个示例是，所述保温层的中部位置为使排管中部裸露的热诱导通孔。排管中部直接裸露在保温层以外，可进一步弱化该位置的保温性能，提高导热性能，促使排管中部优先冻结。

本发明一个示例是，所述热诱导通孔安装有导热块，导热块的保温性能弱于保温层。导热块可进一步弱化该位置的保温性能，提高导热性能，促使排管中部优先冻结。

本发明一个示例是，所述导热块为设有轴向安装孔的半纺锤形结构，轴向安装孔与排管紧贴配合。半纺锤形结构有助于提高导热块的换热面积，提高导热性能，导热块紧贴排管则利于冰冻的冰核由排管中部发起，并向排管两端逐步蔓延式扩散。

本发明一个示例是，所述板芯组件与保温层在排管中部围成中空层。排管中部直接腾空并裸露在中空层里，利于排管中部优先受冷冻结。

本发明一个示例是，所述板芯组件与保温层之间设有支撑中空层的支撑板。

本发明一个示例是，所述保温层至少由两种不同材料制成，导热系数高的材料靠近排管中部，导热系数低的材料靠近排管两端的集管，且保温层厚度均匀。厚度均匀的保温层工艺相对简单，有助于提高生产效率和降低生产成本。

本发明一个示例是，所述保温层为整体成型或分体组合成型的毡被或包囊，保温层通过依附、粘贴、涂刷或卡夹与板芯组件相互固定，且保温层完全包裹集管和排管毗连集管的端部。保温层内含纤维状、泡沫状、块状、粉状等形态的固体物。在集管的外围包裹保温层，可对集管保温，使集管内的水热含量尽量减少损失，进而使集管内的水迟冻、少冻甚至是不冻，而成为排管的干涉热库热源，有利于保持集管对排管两端的热库影响和热诱导，切实改善集热芯板的抗冻能力和冻结顺序。

本发明一个示例是，所述分体组合成型的保温层包括上下叠置的保温内层与保温外层，保温内层位于板芯组件两端并包裹集管和排管毗连集管的端部，保温外层覆盖在两保温内层上。

本发明一个示例是，所述两保温内层均由第一保温内层和第二保温内层两部分组成，第一保温内层用于包裹集管和排管毗连集管的端部，第二保温内层置于第一保温内层与排管中部之间，且第一保温内层比第二保温内层的厚度厚20%-60%。

以上各种示例，既可以单独作为一个实施例，也可以在保证不矛盾的前提下，各示例任意组合构成组合式实施例。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例三的结构示意图；

图4为本发明实施例四的结构示意图；

图5为本发明实施例五的结构示意图；

图6为本发明实施例六的结构示意图；

图7为本发明实施例七的结构示意图；

图8为本发明实施例八的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制，相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

各附图中，排管11内的箭头代表结冰方向。即板芯组件1内存的水从排管11中部向两端逐渐蔓延式冻结的相变结冰顺序。

排管11中部是指以排管11的水平中线（与排管11轴线相垂直）为基准，上下分别偏移板芯组件1高度的2.5%-10%所形成的区域，即排管11中部的高度占板芯组件1高度的5%-20%，保温层2中部位置是指保温层2与排管11中部相对的区域。

实施例一

如图1所示，本实施例包括板芯组件1和保温层2，保温层2全部紧贴板芯组件1。板芯组件1主要由吸热板、排管11和集管12连接而成。吸热板和排管由金属材料制成并焊接为一体，集管12由非金属柔性材料制成。保温层2为内含纤维状、泡沫状、块状、粉状等形态的固体物所集成的毡被或包囊，并通过依附、粘贴、涂刷或卡夹与板芯组件相互衔接与固定。保温层2完全包裹集管12和排管11毗连集管12的端部。保温层2与排管11中部相对的中部位置的保温性能弱于其它部位的保温性能，保温层2的中部位置占板芯组件1高度的5%-20%（优选值是8%、10%、12%、15%或18%）。

本实施例中，保温层2由同种材料整体成型，且中部薄（厚度为1-20mm），其它部位厚（厚度为10-40 mm），保温层2的厚度自排管11中部向排管11两端的集管12逐渐增加。通过改变保温层2各部位的保温性能，使排管11中部的保温性能最弱作为先冻诱导区，集管12保温性能最强作为冰冻陈纳区，排管11中部与集管12之间的区域作为渐冻引导区，从而有效控制板芯组件1内的结冰顺序，最大限度的避免板芯组件1的水管因水结冰而胀裂。

实施例二

如图2所示，本实施例是在实施例一的基础上，在保温层2与排管11中部相对的中部位置（即先冻诱导区）设有使排管11中部裸露的热诱导通孔。

实施例三

如图3所示，本实施例是在实施例二的基础上，在保温层2的热诱导通孔安装有保温性能弱于保温层2的导热块3，导热块3为设有轴向安装孔的半纺锤形结构，轴向安装孔与排管11紧贴配合。保温层2采用分体组合成型。

本实施例中的保温层2可以采用同种材料或不同材料制成。保温性能较高的用于包裹集管12和排管11毗连集管12的端部。

实施例四

如图4所示，本实施例与实施例一的区别是，本实施例的保温层2采用分体组合成型，以降低保温层2的制造难度。

本实施例的保温层2包括上下叠置的保温内层21与保温外层22，保温内层21位于板芯组件1两端并包裹集管12，保温外层22覆盖在两保温内层21上，以增大保温层2在集管12的厚度。保温内层21、保温外层22的各自厚度整体基本均匀等厚，保温内层21整体厚度5-20mm（优选值是8mm、10mm、12mm、15mm或18mm），保温外层22整体厚度10-30mm（优选值是12mm、15mm、18mm、22mm、25mm或28mm）。即保温层2的总厚度10-50mm（优选值是12mm、25mm、36mm、43mm或48mm）。

保温内层21完全包裹集管12并连续包裹覆盖排管11毗连集管12的端部，任一端的保温内层21沿排管11的轴向连续包裹覆盖的高度不小于板芯组件1高度的20%，且不大于板芯组件1高度的40%。两保温内层21的总包裹覆盖高度不小于板芯组件1高度的40%，且不大于板芯组件1高度的80%。保温外层22则完全包裹覆盖整体板芯组件1的高度。

实施例五

如图5所示，本实施例与实施例四的区别在于，保温内层21与保温外层22的结构。

本实施例中，两保温内层21均由第一保温内层211和第二保温内层212两部分组成，且第一保温内层211比第二保温内层212的厚度厚20%-60%（优选值是30%、40%或50%），第一保温内层211用于包裹集管12和排管11毗连集管12的端部，第二保温内层212作为渐冻引导区的保温层。

保温外层22的厚度基本均匀，而且呈阶梯状结构。

实施例六

如图6所示，本实施例与实施例五的区别在于，本实施例的保温层2并非全部紧贴板芯组件1，而只有部分与板芯组件1紧贴。具体是，保温外层22与排管11中部相对的位置没有紧贴板芯组件1，即板芯组件1、保温内层21、保温外层22在排管11中部（即先冻诱导区）围成中空层23，使排管11中部直接裸露腾空在中空层23内。

实施例七

如图7所示，本实施例是在实施例六的基础上，在板芯组件1与保温外层22之间增加支撑板24，以支撑中空层23，避免保温外层22塌陷。

实施例八

如图8所示，本实施例的保温层2厚度均匀平直，且由三种不同材料整体成型，导热系数高的材料靠近排管11中部（即先冻诱导区），导热系数低的材料靠近排管11两端的集管12（即冰冻陈纳区）。

结合上述七个实施例可知，本发明的抗冻思路是利用太阳能平板集热器的保温层结构、材质与流道结构特性的配合，有效管控排管11内存的水先内后外地渐冻顺序，以形成从排管11中部向两端逐渐蔓延式冻结的相变结冰过程，这样，在排管11中部的水先冻结成冰而膨胀，并将两端还未冻结的水沿着排管11轴向空间被陆续挤走，而对排管11径向又不至产生大于其管壁束力的挤压应力，从而保护排管11管壁不被胀破，使太阳能平板集热器具有遇冷结冰时冻而不裂的主动抗冻性能，遇热化冰时自我复苏的自动恢复能力，以此来适应各种工况要求和寒冷的气候环境。具体措施是，将板芯组件1背面的排管11中部（占板芯组件1高度的5%-20%）设立为先冻诱导区，采用减少该位置保温材料的厚度、将该位置的保温材料替换为高导热性能材料、直接裸露该位置或在该位置附加导热块3等方式将先冻诱导区设为保温性能最弱的位置，利用板芯组件1的良好导热性能，创造一个相对的易冻环境，在寒冷的气候里诱导排管11中部内的水优先受冻和相变结冰。从先冻诱导区的两侧外缘，沿排管11轴向至两端集管12插接处为渐冻引导区，且采用加厚保温材料等方式逐渐提高保温性能，以此来有效管控理想的渐冻结冰顺序，形成从排管11中部向两端逐渐蔓延式冻结的结冰效果。集管12附加保温材料设为冰冻陈纳区，集热器受冻时，利用集管12柔性收纳存储排管11挤压过来的和集管12自身的结冰膨胀体积，同时调和与消化因膨胀而产生的各方应力；当集热器受热化冰时，集管12柔性使其恢复自身的正常体积，进而恢复正常的贯通和流畅工作。在实际使用中，排管11先冻结将水挤至集管12，集管12内的水逐渐冻结膨胀并将水挤到太阳能热水器的蓄水箱内，最后集管12内的水完全冻结，而由于集管12采用柔性材料制成，具有弹性，即使集管12内余下的一部分水冻结膨胀也不会导致集管12被胀裂。

Claims (12)

1.一种自适应抗冻太阳能平板集热器，包括板芯组件（1）和保温层（2），保温层（2）部分或全部紧贴板芯组件（1），板芯组件（1）主要由吸热板、集管（12）和排管（11）连接而成，其特征在于：所述保温层（2）与排管（11）中部相对的中部位置的保温性能弱于其它部位的保温性能，保温层（2）的中部位置占板芯组件（1）高度的5%-20%。

2.根据权利要求1所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述保温层（2）由同种材料制成，且保温层（2）中部薄，其它部位厚。

3.根据权利要求2所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述保温层（2）的厚度自排管（11）中部向排管（11）两端的集管（12）逐渐增加，保温层（2）中部的厚度为1-20mm，其它部位的厚度为10-40 mm。

4.根据权利要求1所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述保温层（2）的中部位置为使排管（11）中部裸露的热诱导通孔。

5.根据权利要求4所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述热诱导通孔安装有导热块（3），导热块（3）的保温性能弱于保温层（2）。

6.根据权利要求5所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述导热块（3）为设有轴向安装孔的半纺锤形结构，轴向安装孔与排管（11）紧贴配合。

7.根据权利要求1所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述板芯组件（1）与保温层（2）在排管（11）中部围成中空层（23）。

8.根据权利要求7所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述板芯组件（1）与保温层（2）之间设有支撑中空层（23）的支撑板（24）。

9.根据权利要求1所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述保温层（2）至少由两种不同材料制成，导热系数高的材料靠近排管（11）中部，导热系数低的材料靠近排管（11）两端的集管（12），且保温层（2）厚度均匀。

10.根据权利要求1—9任一项所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述保温层（2）为整体成型或分体组合成型的毡被或包囊，保温层（2）通过依附、粘贴、涂刷或卡夹与板芯组件（1）相互固定，且保温层（2）完全包裹集管（12）和排管（11）毗连集管（12）的端部。

11.根据权利要求10所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述分体组合成型的保温层（2）包括上下叠置的保温内层（21）与保温外层（22），保温内层（21）位于板芯组件（1）两端并包裹集管（12）和排管（11）毗连集管（12）的端部，保温外层（22）覆盖在两保温内层（21）上。

12.根据权利要求11所述的自适应抗冻太阳能平板集热器，其特征在于：所述两保温内层（21）均由第一保温内层（211）和第二保温内层（212）两部分组成，第一保温内层（211）用于包裹集管（12）和排管（11）毗连集管（12）的端部，第二保温内层（212）置于第一保温内层（211）与排管（11）中部之间，且第一保温内层（211）比第二保温内层（212）的厚度厚20%-60%。