CN106979626B - 一种相变蓄热式太阳能真空集热管及真空集热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相变蓄热式太阳能真空集热管及真空集热系统，包括外管和内管，所述外管内套设有内管，外管和内管之间形成真空腔，所述内管内设有换热管，所述内管与换热管之间填充相变材料；所述换热管为换热盘管，所述换热盘管为弹性管束盘管。本发明提供一种相变蓄热式太阳能真空集热管，有效解决太阳能利用分散性、间接性问题，提高相变材料导热系数，提高换热效率，安全稳定，使用寿命长等优点。

Description

一种相变蓄热式太阳能真空集热管及真空集热系统

技术领域

本发明属于太阳能集热管技术领域，尤其涉及一种相变蓄热式太阳能真空集热管及真空集热系统。

背景技术

太阳能作为最清洁的能源之一，在环境污染严重的今天得到了越来越广泛的关注和应用。然而由于季节、昼夜等自然条件的限制以及阴晴雨雪等随机天气因素的影响，太阳辐照度呈现分散性和间歇性，给大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续稳定的能源，就需要将晴朗日间的太阳辐射储存起来，以供夜间及阴雨天使用。相变蓄热材料利用物质在相变过程中产生的相变热来进行热量的储存和利用，具有蓄热密度高、蓄放热过程近似等温等优点，可以很好的应用于太阳能储存。

可查的文献表明，国内外已经有很多专家学者尝试相变蓄热式太阳能集热器的研制。如太阳能相变蓄热集热管(申请号：200820150741.8)披露了相变蓄热材料封装于密封容器中，密封容器置于太阳能集热管中，在太阳能集热管与密封容器之间填充传热介质。这项技术的缺点为球形密封容器在传热介质中随机性较高，难以保证集热管的温度和流量稳定，而且复杂的结构增加了制作成本，降低了使用寿命。相变储能型太阳能真空集热管(申请号：201410024269.3)披露了金属翅片成层状设置在内壁内并划分为多个换热空间，在每个换热空间内填充相变材料，U型水管通过换热空间进行换热。这项技术的缺点为当相变材料过热时，集热管内高压力难以释放，造成安全隐患。相变蓄热式太阳能真空集热管及其组成的太阳能热水器(申请号：201510321109.X)披露了金属内管内填充有相变蓄热材料，相变蓄热材料内埋有U型换热管，U型换热管的进口端和出口端均伸出金属内管的开口端并穿过密封盖固定。这项技术的缺点是单纯的U型换热管与相变材料间换热面积较小，换热效率较低。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种相变蓄热式太阳能真空集热管，有效解决太阳能利用分散性、间接性问题，提高相变材料导热系数，提高换热效率，安全稳定，使用寿命长等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种相变蓄热式太阳能真空集热管，包括外管和内管，所述外管内套设有内管，外管和内管之间形成真空腔，所述内管内设有换热管，所述内管与换热管之间填充相变材料；所述换热管为换热盘管，所述换热盘管为弹性管束盘管。

作为优选，所述换热盘管包括进口集管、出口集管和浮动盘管，浮动盘管与进口集管和出口集管相连通；浮动盘管为一个或者多个，每个浮动盘管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为同心圆的圆弧，相邻管束的端部通过集箱连通，使得管束的端部形成管束自由端，所述多根圆弧形的管束形成串联结构。

作为优选，所述同心圆是以内管的中心线为圆心的圆。

作为优选，从同心圆的圆心向外，至少设置三根管束，其中连通第n根和n+1根之间的集箱和连通第n+1根和第n+2根之间的集箱位于不同端，其中n>＝1。

作为优选，所述进口集管和出口集管位于第一端，所述的连通第1根和2根之间的集箱位于第一端相对的第二端。

作为优选，所述外管的第一端设有真空抽气口，所述外管和内管之间设有吸气剂，所述吸气剂与真空抽气口相对应；

所述真空抽气口呈尖嘴状。

作为优选，所述内管的第一端外侧设有支撑件，所述吸气剂设置于支撑件上；

所述支撑件呈S形或U型或W形。

作为优选，所述相变材料为由石蜡和纳米铝粉混合物制成。

作为优选，所述混合物中纳米铝粉的质量分数为0.3～0.6％。

作为优选，设进口集管和出口集管的内径为R，距离圆心最近的圆弧的半径为r1，换热器内管的内径为r2，管束的内径为c，管间距为d，满足如下关系：

(r2-r1)/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.2<＝R/c<＝1.5，3.42<＝a<＝7.60；

1.5<R/c<＝1.8，2.36<＝a<3.42；

1.8<R/c<＝2.1，1.87<＝a<2.36。

30mm<r1<40mm；70mm<r2<80mm；100mm<r3<110mm；

5mm<R<15mm。

作为优选，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

一种真空集热系统，包括前面所述的真空集热管。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1、首次采用弹性管束结构作为集热管，并将弹性管束和相变材料结合在一起，弹性管束对相变材料有很好的响应，可以产生较大的扰动，提高换热效率，激发多阶频率的振动，能量分布较均匀。

2、通过理论分析、数值模拟和实验研究的方式，对弹性管束的结构尺寸进行了优化，使得弹性管束的结构达到最大的震动效果，从而进一步扰动相变材料，提高换热效果。

3、在真空管与集热管间填充相变材料，将晴朗日间的太阳辐射储存起来，以供夜间及阴雨天使用，有效解决了太阳能利用分散性、间接性的问题。

4、采用石蜡与纳米铝粉混合物作为相变材料，在基本保持石蜡原本的相变潜热及相变温度的同时，提高导热系数30％以上。

附图说明

图1为本发明相变蓄热式太阳能真空集热管的结构图；

图2为图1中A-A截面的剖视图；

图3是图2中的结构尺寸示意图。

附图标记如下：1-抽气口、2-吸气剂、3-弹性管束、4-金属内管、5-选择性吸收涂层、6-玻璃外管、7-相变材料、8-可伐合金、9-波纹管、10-吸气膜、11-支撑件、31-进口集管、32-出口集管、33-管束、34-集箱

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。

如图1所示的一种相变蓄热式太阳能真空集热管，包括外管6和内管4，所述外管6内套设有内管4，外管6和内管4之间形成真空腔，所述内管4内设有换热管，所述内管4与换热管之间填充相变材料；所述换热管为换热盘管3，所述换热盘管为弹性管束盘管3。

本发明创造性的将弹性管束3应用到太阳能集热器中，通过设置弹性管束，使得流体在弹性管束内加热流动的时候，对弹性管束进行冲击，从而诱导弹性管束震动，达到强化传热的效果，同时还能防止弹性管束的结垢。在外部的相变材料，在吸热中也不断的融化，慢慢的在加热管内也会形成流动，同时结合管束的震动，加快了相变材料的流动，进一步强化了对太阳能热量的吸收。

进一步优选，所述的内管4是金属内管，所述的外管6是玻璃外管。

进一步优选，所述的换热盘管3的结构如图2所示，所述换热盘管3包括进口集管31、出口集管32和浮动盘管33，浮动盘管33与进口集管31和出口集管32相连通；浮动盘管31为一个或者多个，每个浮动盘管31包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为同心圆的圆弧，相邻管束的端部通过集箱34连通，使得管束的端部形成管束自由端，所述多根圆弧形的管束形成串联结构。例如图2中的自由端B、C、D端。

传统的浮动盘管都是利用流体的流动的冲击进行振动除垢作用进行强化传热，都是用于强制对流换热，而太阳能集热管内流体的流动采用自然对流的方式，而本发明首次将浮动盘管应用于太阳能集热管加热，通过设置浮动盘管，加热流体受热后会产生体积膨胀，诱导浮动盘管3自由端B、C、D产生振动；而蓄热材料也在吸热过程中不断的进行融化，蓄热材料的流动在集热管内管和外管之间逐步形成自然对流进而逐渐软化变成流体，从而达到强化吸收太阳能的目的。

作为优选，所述同心圆是以内管4的中心线为圆心的圆。即以内管4的横截面的中心为圆心。通过如此设置能够起到达到均匀分配管束的效果。

作为优选，所述的进口集管31在内管4的内侧，出口集管31在内管4的外侧。即进口集管31连接的是管径最小的管束，出口集管32连接的是管径最大的管束。

通过如此设置能够使得集热管的换热效率达到最大。因为管束内流动的是冷流体，内管4和外管6之间的蓄热材料的温度是从外向内温度越来越低。因为外部的蓄热材料(即靠近内管外壁)首先被太阳能加热，因此温度最高，而内部的蓄热材料因为吸收太阳能少，因此温度最低。将入口集管31设置在内部，出口集管32设置在外部，使得热交换的形式形成类似换热效果最好的逆流换热的形式，从而达到最佳的换热效果。

作为优选，从同心圆的圆心向外，至少设置三根管束，其中连通第n根和n+1根之间的集箱34和连通第n+1根和第n+2根之间的集箱34位于不同端，其中n>＝1。

例如，如图2所示，包括4根管束，其中第1根管束与第2根管束通过集箱C连通，第2根管束和第3根管束通过集箱B连通，第3根和第4根通过集箱D连通，从而使得流体在四根管束内形成串联结构。C、D和B端位于不同的端部。其中B和进口集管31和出口集管32位于一端，C、D位于另一端。

作为优选，位于同一端的集箱为分开结构。例如，如图2所示，集箱C和集箱D之间是分开结构。这一点也是本发明的一个开创性的创新点。现有的弹性管束集箱都是连在一起的，通过分开结构使得管束末端彻底形成自由端，进一步加强扰动，强化传热。

进一步优选，如图2所示，所述进口集管31和出口集管32位于第一端，所述的连通第1根和2根之间的集箱位于第一端相对的第二端。

进一步优选，所述外管6的末端设有真空抽气口，所述外管6和内管1之间设有吸气剂，所述吸气剂与真空抽气口相对应；

所述真空抽气口呈尖嘴状。

作为优选，所述内管4的末端外侧设有支撑件11，所述吸气剂设置于支撑件11上；

所述支撑件11呈S形或U型或W形。

作为优选，所述相变材料为由石蜡和纳米铝粉混合物制成。

作为优选，所述混合物中纳米铝粉的质量分数为0.3～0.6％。

一种真空集热系统，包括水箱和集热管，所述集热管的一端插入水箱中，所述集热管就是前面所述的真空集热管。

弹性管束的振动使得在传热管表面无法形成稳定的附面层，从而大幅度地降低了附面层的导热热阻。另外，管束的振动加强了对周围流体的扰动，冷热流体的混合强烈，流体间的对流热阻也得到有效降低。这样，从减小管外对流换热热阻来说流体诱导振动对强化传热极为有利。与常用的强化传热方法比，弹性管束的强化传热有其独到之处。诸如肋片管、螺旋槽管、粗糙表面、波节管、等离子处理表面及其他强化传热管，清洁表面的传热能力较强，而传热表面结垢后传热能力急剧下降。而弹性管束始终在流体的诱导下维持一定频率、振幅下振动。这样不仅加强了传热管表面附近的绕流、强化了传热，而且降低了污垢附着的几率。研究还发现，管束的振动可分解为面内的自由伸缩、面外的上下浮动两种分量。面内的自由伸缩还可使附着的污垢迅速剥落。因此，弹性管束以其优越的抗结垢能力使得它具有良好的复合强化传热效果。

平面弹性管束换热器的Nu数的计算公式为：

平面固定管束换热器的Nu数的计算公式为：

式中，Pr_f为采用流体平均温度为定性温度的普朗特数，Pr_w为采用壁面温度为定性温度的普朗特数，Re为流体雷诺数。

经实验测得，清洁表面弹性管束换热器的平均传热系数比固定管束提高200％，与其他类型的换热器相比，弹性管束在低流动雷诺数下强化传热的效果非常明显。

由于平面弹性管束进出口视为理想约束，利用直接刚度叠加法建立弹性管束振动方程：

式中，m为总体质量阵，c为管内流体流速，G为柯氏力阻尼阵，k_p为管束刚度阵，k_f为流体动能刚度阵，q为流体节点位移。

在流体诱导振动作用下，管束振动呈现出亚毫米级别的正弦函数变化，振动方向主要垂直于管束水平面，随着入口流速的增大，振动幅值逐步增大，而振动频率保持不变。平面弹性管束的振动失稳极限流速在3.3565～3.3569m/s之间，本发明的太阳能集热器因为处于自然对流或者接近自然对流的状态，实际工作时的管内流速远小于该极限流速。

通过理论分析、数值模拟和实验中发现，进口集管、出口集管的内径、管束的内径、管间距的数据不能过大或者过小，过大或者过小都会影响弹性管束的震动频率，导致震动效果变差，从而影响换热。

本发明进一步研究了达到最大振动状态的集热管的具体结构尺寸。具体研究结果是先通过理论分析和数值模拟，然后在通过实验进行验证，从而得到最大的振动效果的结构尺寸关系式。

作为优选，设进口集管和出口集管的内径为R，距离圆心最近的圆弧的半径为r1，换热器内管的内径为r2，管束的内径为c，管间距为d，满足如下关系：

(r2-r1)/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.2<＝R/c<＝1.5，3.42<＝a<＝7.60；

1.5<R/c<＝1.8，2.36<＝a<3.42；

1.8<R/c<＝2.1，1.87<＝a<2.36。

30mm<r1<40mm；70mm<r2<80mm；100mm<r3<110mm；

5mm<R<15mm；

管束的半径优选为3-10mm；

管束之间距离优选为10-20mm。

作为优选，所述盘管的材料是铜合金，含铜在62％～68％。

上述经验公式是通过大量的实验进行了验证。在满足上述经验公式的情况下，换热盘管的振动效果达到最佳。通过上述经验公式，也为太阳能集热管的设计提供了一个优化的设计公式。

作为优选，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

作为优选，管束的数量为3-5根，优选为3或4根。

如图3所示，所述的进口集管和出口集管的圆心的连线的延长线经过集热器内管的圆心。

作为优选，同一端集箱与管束的连接点的连线经过集热器内管的圆心。

作为优选，所述进口集管和出口集管的圆心的连线与第二端的集箱与管束的连接点的连线形成的夹角b为50－70度(角度)。进一步优选为55－65度(角度)。

作为优选，距离圆心越远，所述的管束之间的间距越小。

进一步优选，距离圆心越远，所述的管束之间的间距越小的幅度不断的增加。

通过理论以及实验研究发现，主要原因如下：1)因为距离圆心越远，所述的蓄热材料温度越高。通过缩小管束之间的间距，使得距离圆心越远，分布的管束的数量越多。管束增加，使得弹性管束的自由端也随着距离圆心越远，数量分布也越多，因此管束的震动区域越大，使得温度高的区域加强换热效果，提高了整体的换热效果。

2)随着距离圆心越远，数量越多，则吸热面积越大，吸热能力越强。

3)随着距离圆心的距离越大换热能力越强，则使得换热管束的换热过程越来越接近管壳式换热器的逆流换热，进一步加强换热效果。

通过实验发现，采取管束之间的间距变化，可以提高10％以上的换热效果。

进一步优选，作为优选，距离圆心越远，所述的管束的内径越来越小。

进一步优选，距离圆心越远，所述的管束之间的间距越小的幅度不断的增加。

主要原因如下：1)因为距离圆心越远，所述的蓄热材料温度越高。通过管束内径变化，增加管束的震动频率，因为小管径更容易震动。管束震动频率增加，使得温度高的区域加强换热效果，提高了整体的换热效果。

2)随着距离圆心的距离越大还热能力越强，则使得换热管束的换热过程越来越接近管壳式换热器的逆流换热，进一步加强换热效果。

通过实验发现，采取管束之间的间距变化，可以提高12％以上的换热效果。

整体结构如图1和图2所示，一种相变蓄热型太阳能真空集热管由抽气口1、吸气剂2、弹性管束3、金属内管4、选择性吸收涂层5、玻璃外管6、相变材料7、可伐合金8、波纹管9、吸气膜10以及支撑件11组成，玻璃外管6与金属内管4组成U型套管，玻璃外管6采用Pyrex玻璃，金属内管4采用不锈钢材料，二者一端密封，另一端通过可伐合金8过渡封接。为解决金属和玻璃之间线膨胀系数不统一的问题，在金属内管4和玻璃外管6之间采用波纹管9进行膨胀补偿，采用无缝不锈钢管制作。玻璃外管6密封端设有真空抽气口1。金属内管4外壁上涂有选择性吸收涂层5，玻璃外管6密封端内壁涂有吸气膜10。玻璃外管6与金属内管4之间抽真空并设有支撑件11及吸气剂2。金属内管4与弹性管束3间填充相变材料7，相变材料7采用石蜡与纳米铝粉混合物，其中纳米铝粉质量分数为0.3～0.6％。

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 (8)

1.一种相变蓄热式太阳能真空集热管，包括外管和内管，所述外管内套设有内管，外管和内管之间形成真空腔，所述内管内设有换热管，所述内管与换热管之间填充相变材料；其特征在于，所述换热管为换热盘管，所述换热盘管为弹性管束盘管；

所述换热盘管包括进口集管、出口集管和浮动盘管，浮动盘管与进口集管和出口集管相连通；浮动盘管为一个或者多个，每个浮动盘管包括多根圆弧形的管束，多根圆弧形的管束的中心线为同心圆的圆弧，相邻管束的端部通过集箱连通，使得管束的端部形成管束自由端，所述多根圆弧形的管束形成串联结构；

设进口集管和出口集管的内径为R，距离圆心最近的圆弧的半径为r1，换热器内管的内径为r2，管束的内径为c，管间距为d，满足如下关系：

(r2-r1)/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.2<＝R/c<＝1.5，3.42<＝a<＝7.60；

1.5<R/c<＝1.8，2.36<＝a<3.42；

1.8<R/c<＝2.1，1.87<＝a<2.36；

30mm<r1<40mm；70mm<r2<80mm；100mm<r3<110mm；

5mm<R<15mm。

2.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征在于，所述同心圆是以内管的中心线为圆心的圆。

3.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征在于，从同心圆的圆心向外，至少设置三根管束，其中连通第n根和n+1根之间的集箱和连通第n+1根和第n+2根之间的集箱位于不同端，其中n>＝1。

4.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征在于，所述进口集管和出口集管位于第一端，所述的连通第1根和2根之间的集箱位于第一端相对的第二端。

5.如权利要求1所述的集热管，其特征是，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

6.如权利要求1所述的集热管，其特征是，所述相变材料为由石蜡和纳米铝粉混合物制成。

7.如权利要求6所述的集热管，其特征是，所述混合物中纳米铝粉的质量分数为0.3～0.6％。

8.一种真空集热系统，其特征是，包括至少一个如权利要求1-7任一项所述的真空集热管。