CN106440541B - 一种双源一体式高效集热蒸发器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双源一体式高效集热蒸发器,包括蛇形制冷剂管、吸热翅片板、围合边框、透明玻璃盖板、上集管、下集管及若干根支管;所述围合边框围设在蛇形制冷剂管的外围;所述透明玻璃盖板盖在围合边框的上方;每所述支管上均设置有多翼第一翅片,且各支管的一端均并联连通上集管,另一端均并联连通下集管;所述蛇形制冷剂管的前段设置在吸热翅片板上形成一第一制冷剂管段,后段穿设于各支管内部形成一第二制冷剂管段;所述第二制冷剂管段的底部以及边缘均设置有保温层。本发明优点:可以充分利用太阳能和空气能进行换热,并根据太阳辐射条件和室外气温变化,在多种运行模式之间进行合理切换,实现全天候高效供热和提供生活热水。

Description

一种双源一体式高效集热蒸发器
技术领域
本发明涉及一种集热蒸发器,特别涉及一种双源一体式高效集热蒸发器。
背景技术
将太阳能热利用技术与热泵技术有机结合的太阳能热泵系统,能够较好地解决“太阳能与建筑一体化”和“全天候供热”的问题,且以高效、节能、环保等优点成为国内外学者的研究热点。该太阳能热泵系统形式多样、布置灵活,被广泛应用于集中供热、空调及供热水系统中。
集热蒸发器是太阳能热泵的关键设备,尤其在直膨式太阳能热泵系统中,其性能和造价对该系统将产生重大影响。在现有技术中,对太阳能集热器已有较多的研究和市场推广,但目前直膨式太阳能热泵集热蒸发器基本上都是沿用太阳能平板式集热器或螺旋管翅式蒸发器,最初使用普通的平板式太阳能集热器,后来又发展为裸平板且有底部保温层的平板集热器,甚至还有结构更为简单的,既无玻璃盖板也无保温层的全裸平板式集热器。
例如,申请日为:2015.11.10,申请号为:201510760429.5的中国发明专利公开了带太阳能集热功能的风冷蒸发器,该风冷蒸发器依靠翅片管和风机来实现制冷剂同时与空气和太阳能换热,类似“全裸板式集热蒸发器”,翅片管表面设高效吸收太阳能涂层,对太阳能吸收能力较理想,可以提高蒸发温度和系统的制热效果。但当太阳辐射强度不足时,换热效果不佳,且通过风机提供动力来抽吸空气,需要多消耗电能。
申请日为:2014.09.04,申请号为:201410449074.3的中国发明专利公开了一种单蒸发器型太阳能空气源复合热泵及其运行方法,该发明提出的热泵中,集热-蒸发器采用将集热板放入隔热良好、上有透明盖板的外壳内,承压不易结垢,制冷剂管联置于集热板下实现对太阳辐射能和空气能同时吸收蒸发换热。但本发明中,集热板面没有设置高效的太阳能吸收涂层,使得对太阳能吸收能力比较有限,而且集热板占用空间面积大,吸热面对流散热损失大,底部保温层及边缘围合面的密封性,也在一定程度上阻碍了空气的对流换热;同时,通过风机来加强扰动气流,需要多消耗电能。
申请日为:2013.08.15,申请号为:201320497144.3的中国发明专利公开了一种高效太阳能热泵集热蒸发器,在该集热蒸发器中,蒸发换热管与吸热翅片固定连接成一体形成的管翼式吸热蒸发板,虽然设置吸热翅片可以极大的强化传热,但对空气能和太阳能的吸收能力仍比较差,效果也不理想。
申请日为:2009.11.10,申请号为:200910193824.4的中国发明专利公开了一种新型太阳能/空气能双源一体式高效集热蒸发器,该集热器正面结构类似于平板式太阳集热器,剖面类似于翅片式空气换热器,并通过金属翅片折角形成烟囱作用,类似“百叶窗型翅片”,可以强化自然对流条件下的空气对流换热,但本发明存在以下缺陷:翅片折角透光性差,会产生较大的太阳光余弦效应,使有效吸热面积减小,光热转换效率较低。
综上所述,现有的集热蒸发器都存在对不同辐射强度的太阳能和不同温度的空气热能的利用效率不够理想、光热转换效率较低、热损失大等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题,在于提供一种双源一体式高效集热蒸发器,通过该高效集热蒸发器来充分利用太阳能和空气能进行换热,以实现太阳能热泵的全天候高效供热和提供生活热水。
本发明是这样实现的:一种双源一体式高效集热蒸发器,包括一蛇形制冷剂管、一吸热翅片板、一围合边框、一透明玻璃盖板、一上集管、一下集管以及若干根支管;
所述围合边框围设在所述蛇形制冷剂管的外围;所述透明玻璃盖板盖在所述围合边框的上方;每所述支管上均设置有多翼第一翅片,且各所述支管的一端均并联连通所述上集管,另一端均并联连通所述下集管;
所述蛇形制冷剂管的前段设置在所述吸热翅片板上形成一第一制冷剂管段,该蛇形制冷剂管的后段穿设于各所述支管内部形成一第二制冷剂管段;所述第二制冷剂管段的底部以及边缘均设置有保温层。
进一步地,所述吸热翅片板由若干片第二翅片组成,且所述蛇形制冷剂管的前段在每一直管段的两侧均水平设置有一所述第二翅片。
进一步地,所述第二翅片上均匀设置有若干个第一开孔。
进一步地,所述第一翅片和第二翅片的厚度均为0.1~0.3mm。
进一步地,每所述第一翅片和第二翅片的表面均涂有一光谱选择性吸收涂层。
进一步地,所述光谱选择性吸收涂层为黑铬涂层。
进一步地,围设在所述第一制冷剂管段外围的所述围合边框上设置有若干个第二开孔。
进一步地,每所述支管上均设置有三翼第一翅片,且相邻两第一翅片之间的夹角为120°。
进一步地,所述上集管和下集管的一端均封闭,另一端均不封闭。
进一步地,所述蛇形制冷剂管的后段的每一直管段均依次穿过所述上集管、支管内部以及下集管。
本发明具有如下有益效果:
1、高效集热蒸发器的第一制冷剂管段近似“全裸板式”蒸发器,又使用带第一开孔的第二翅片作为蒸发盘管,且第二翅片表面涂有光谱选择性吸收涂层,可以在实现高效吸收太阳能的同时加强空气的对流换热,并减少散热面积,降低热量损失;
2、在高效集热蒸发器的第二制冷剂管段中设置有带第一翅片的支管,可以极大的利用太阳能同时加热支管和蛇形制冷剂管,不仅可以提高蒸发温度得到较高的COP值,且被加热的支管内的空气或者热水可以被额外利用,这大大提高了供热系统的加热效率和对不同辐射强度的太阳能的利用率;
3、在高效集热蒸发器的上方设置有透明玻璃盖板,可以有效克服因吸热面被污染而导致集热效率低下、光谱选择性吸收涂层被腐蚀等问题出现,这有助于提高太阳能热泵系统的稳定性;
4、可以根据太阳辐射条件和室外气温变化,在多种运行模式之间进行合理切换,并实现全天候高效供热和提供生活热水;同时,该高效集热蒸发器安装和维护都十分方便,且便于在工程中应用推广。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明双源一体式高效集热蒸发器的结构示意图(除去透明玻璃盖板)。
图2为本发明双源一体式高效集热蒸发器的正视图。
图3为图2的仰视图(带透明玻璃盖板)。
图4为图2的右视图(带透明玻璃盖板)。
图5为本发明中第一制冷剂管段的结构示意图。
图6为本发明中第二制冷剂管段的结构示意图。
图7为本发明中第二翅片与直管段的连接示意图。
图8为本发明中支管与直管段的连接示意图。
附图标记说明:
100-高效集热蒸发器,1-蛇形制冷剂管,11-直管段,2-吸热翅片板,21-第二翅片,211-第一开孔,3-围合边框,31-第二开孔,4-透明玻璃盖板,5-上集管,6-下集管,7-支管,71-第一翅片,8-保温层,a1-第一制冷剂管段,a2-第二制冷剂管段。
具体实施方式
请参照图1至图8所示,本发明一种双源一体式高效集热蒸发器100的较佳实施例,包括一蛇形制冷剂管1、一吸热翅片板2、一围合边框3、一透明玻璃盖板4、一上集管5、一下集管6以及若干根支管7;
所述围合边框3围设在所述蛇形制冷剂管1的外围;所述透明玻璃盖板4盖在所述围合边框3的上方,该透明玻璃盖板4可以对整个高效集热蒸发器100起到很好的保护作用,以避免吸热面受到污染(例如灰尘等覆盖在吸热面上,这会影响到正常吸热);每所述支管7上均设置有多翼第一翅片71,以增大有效吸热面积,提高热效率,且各所述支管7的一端均并联连通所述上集管5,另一端均并联连通所述下集管6,在实施时,可以将空气或者冷水从下集管6通入,空气或者冷水在通过各支管7的过程中,可以吸收支管7上的热量,这样,就可以在上集管5中得到热空气或者热水;
所述蛇形制冷剂管1的前段设置在所述吸热翅片板2上形成一第一制冷剂管段a1,该第一制冷剂管段a1不设任何保温措施,类似“全裸式”平板集热蒸发器,既可以高效吸收太阳能,又可以极大的加强空气的对流换热,该蛇形制冷剂管1的后段穿设于各所述支管7内部形成一第二制冷剂管段a2,该第二制冷剂管段a2通过将蛇形制冷剂管1穿设于支管7内部,不仅可以充分利用太阳能对支管7和蛇形制冷剂管1进行同时加热,提高蒸发温度得到更高的COP值,且支管7内被加热的热空气经压缩成高温高压气流后,还可以与储热水箱(未图示)中待加热的水进行换热,而如果直接通入冷水,则可以将冷水加热成热水,因此,可以大大提高太阳能的利用率和系统的加热效率;所述第二制冷剂管段a2的底部以及边缘(即四周边缘)均设置有保温层8,可以减少散热损失,极大的增加集热效率,提高COP值。
所述吸热翅片板2由若干片第二翅片21组成,且所述蛇形制冷剂管1的前段在每一直管段11的两侧均水平设置有一所述第二翅片21。由于蛇形制冷剂管1在弯折后都对应有一直管段11,通过将该直管段11“贯穿”在两个第二翅片21之间,可以提高蛇形制冷剂管1对热量的吸收。
所述第二翅片21上均匀设置有若干个第一开孔211,设置第一开孔211可以减少散热面积,降低热量损失,并加强空气的对流换热,均匀设置可以使温度分布更加均匀,对空气能的吸收也更加有效。
所述第一翅片71和第二翅片21的厚度均为0.1~0.3mm,这有助于太阳能和空气能的高效吸收,在加工时,可以采用紫铜或者铝材加工而成。所述第一翅片71和第二翅片21的表面均涂有一光谱选择性吸收涂层(未图示),以实现对太阳能进行有效的吸收。为了提高太阳能的光热转换效率,所述光谱选择性吸收涂层优选为黑铬涂层。
围设在所述第一制冷剂管段a1外围的所述围合边框3上设置有若干个第二开孔31,在设置该第二开孔31时,优选为均匀设置第二开孔31,该第二开孔31可以实现在无动力的条件下,进一步加强第一制冷剂管段a1内空气的对流换热以及进一步促进对空气能的有效吸收。
每所述支管7上均设置有三翼第一翅片71,且相邻两第一翅片71之间的夹角为120°。由于我国位于北半球,太阳能集热器一般朝正南布置,且与水平面的倾斜角为20°左右。又因太阳东出西落的运动特性,在早上和下午的太阳高度角比较低时,如果设置平面两翼第一翅片71会产生较大的余弦效应,使得对太阳光的有效吸热面积变小,系统的热效率较低;如果均匀设置上三翼第一翅片71,则无论太阳高度的角度如何,吸热面产生的余弦效应都比较弱,此时对太阳光的有效吸热面积大,系统的热效率高;而如果设置三翼以上第一翅片71,则不仅对余弦效应的改善不明显,且会增加第一翅片的材料消耗和热损失(没有太阳照射的第一翅片71相当于是一块散热片)。
所述上集管5和下集管6的一端均封闭,另一端均不封闭,以使空气或者水能够从下集管6进入,并从上集管5出来。
所述蛇形制冷剂管1的后段的每一直管段11均依次穿过所述上集管5、支管7内部以及下集管6,在实施时,直管段11穿过上集管5和下集管6的部位需要用胶等封住,以确保内部密封,减少热量的散失。
在实施时,将本发明高效集热蒸发器100应用于直膨式太阳能热泵上,可以最终实现全天候高效供热和提供生活热水。
请重点参照图1和图2所示,本发明的工作原理:高效集热蒸发器100在工作过程中,当太阳辐射比较充足时,吸热面蒸发温度会很快上升到环境温度以上,此时就以太阳能作为该高效集热蒸发器100的低位热源,由第一翅片71和第二翅片21来高效吸收太阳能,并充分利用吸收的太阳能来同时加热支管7和蛇形制冷剂管1,除了可以得到制冷剂,被加热的支管7内的空气或者热水可以被额外利用,大大提高了供热系统的加热效率和对不同辐射强度的太阳能的利用率;
当太阳辐射出现不足情况时,吸热面蒸发温度低于环境温度,此时蛇形制冷剂管1内的制冷剂会同时吸收太阳能和空气热能,由于蛇形制冷剂管1的前段不设保温层8,围合边框3上均匀开设有第二开孔31用于引导空气流,使整个第一制冷剂管段a1近似“全裸板式”蒸发器,第二翅片21上均匀开设有第一开孔211用于加强空气对流换热,因此,可以促进空气能的高效吸收;蛇形制冷剂管1的后段设置有带第一翅片71的支管7,可以极大的利用太阳能同时加热支管7和蛇形制冷剂管1,实现太阳能的高效吸收利用,同时,在第二制冷剂管段a2设置有保温层8,可以大大减少热量的散失,提高加热效率;
而在阴雨天或者夜间时,则只能从空气中获得热量,由于第一制冷剂管段a1近似“全裸板式”蒸发器,又使用了带第一开孔211的第二翅片21作为蒸发盘管,大大加强了内部空气的自然对流传热,使制冷剂能够在蒸发温度低于环境温度的情况下,从环境中获得足够的热量。
总之,本发明具有如下有益效果:
1、高效集热蒸发器的第一制冷剂管段近似“全裸板式”蒸发器,又使用带第一开孔的第二翅片作为蒸发盘管,且第二翅片表面涂有光谱选择性吸收涂层,可以在实现高效吸收太阳能的同时加强空气的对流换热,并减少散热面积,降低热量损失;
2、在高效集热蒸发器的第二制冷剂管段中设置有带第一翅片的支管,可以极大的利用太阳能同时加热支管和蛇形制冷剂管,不仅可以提高蒸发温度得到较高的COP值,且被加热的支管内的空气或者热水可以被额外利用,这大大提高了供热系统的加热效率和对不同辐射强度的太阳能的利用率;
3、在高效集热蒸发器的上方设置有透明玻璃盖板,可以有效克服因吸热面被污染而导致集热效率低下、光谱选择性吸收涂层被腐蚀等问题出现,这有助于提高太阳能热泵系统的稳定性;
4、可以根据太阳辐射条件和室外气温变化,在多种运行模式之间进行合理切换,并实现全天候高效供热和提供生活热水;同时,该高效集热蒸发器安装和维护都十分方便,且便于在工程中应用推广。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解,我们所描述的具体的实施例只是说明性的,而不是用于对本发明的范围的限定,熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化,都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:包括一蛇形制冷剂管、一吸热翅片板、一围合边框、一透明玻璃盖板、一上集管、一下集管以及若干根支管;
所述围合边框围设在所述蛇形制冷剂管的外围;所述透明玻璃盖板盖在所述围合边框的上方;每所述支管上均设置有多翼第一翅片,且各所述支管的一端均并联连通所述上集管,另一端均并联连通所述下集管;
所述蛇形制冷剂管的前段设置在所述吸热翅片板上形成一第一制冷剂管段,该蛇形制冷剂管的后段穿设于各所述支管内部形成一第二制冷剂管段;所述第二制冷剂管段的底部以及边缘均设置有保温层;
所述吸热翅片板由若干片第二翅片组成,且所述蛇形制冷剂管的前段在每一直管段的两侧均水平设置有一所述第二翅片;
围设在所述第一制冷剂管段外围的所述围合边框上设置有若干个第二开孔。
2.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:所述第二翅片上均匀设置有若干个第一开孔。
3.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:所述第一翅片和第二翅片的厚度均为0.1~0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:每所述第一翅片和第二翅片的表面均涂有一光谱选择性吸收涂层。
5.根据权利要求4所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:所述光谱选择性吸收涂层为黑铬涂层。
6.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:每所述支管上均设置有三翼第一翅片,且相邻两第一翅片之间的夹角为120°。
7.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:所述上集管和下集管的一端均封闭,另一端均不封闭。
8.根据权利要求1所述的一种双源一体式高效集热蒸发器,其特征在于:所述蛇形制冷剂管的后段的每一直管段均依次穿过所述上集管、支管内部以及下集管。
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