CN107062646A - 一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，涉及换热技术和太阳能热利用技术领域。将太阳能集热器和蓄热器采用平板微热管阵列进行组装，并且蓄热收集太阳能和加热相变材料的两个不同功能段的热管分离并搭接处理，可减少太阳能热利用系统中的二次换热热损失，减小系统占地面积，并且避免了热管蒸发段过长而无法正常运行的问题。
Description
技术领域
本发明涉及换热技术和太阳能热利用技术领域，特别是涉及一套以空气或液体为换热介质并应用搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置。
背景技术
太阳能是一种清洁无污染的绿色能源，并且储备量巨大，取之不尽，用之不竭。太阳能利用技术中，太阳能光热利用是一种比较普遍的应用形式，但太阳能同时又具有能流密度低、间歇出现且功率不稳定等缺点，因此，若要合理的应用太阳能，加入储热手段便使得用户在用能方面供求双方在时间和强度上的不匹配问题得以改善。现有的储热手段以显热储能为主，并存在这许多问题，比如：能量密度小，输出不稳定，并且装置体积大。与显热储热相比之下，相变储热储能密度大，放热时输出功率稳定，温度近似相等，是一种十分理想的储热技术。
在太阳能热利用系统中，将太阳能集热器和蓄热器采用高效传热元件—热管，进行一体化安装可有效的降低换热介质与蓄热器的二次换热热损失，节省系统空间。但热管过长时，在取热时由于充液率的影响，将影响热管的工作效率，从而无法有效地进行热量传递。采用平板微热管阵列分段搭接的方法可充分克服这一问题，若吸收太阳能的热管段(集热段)与加热相变材料或被相变材料加热的热管段(蓄热段)进行有效搭接，使太阳能集热、蓄热一体化装置中不同功能的热管段进行分离并在不同工况下高效运行。
发明内容
本发明的目的在于开发设计出一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置。将太阳能集热器和蓄热器采用平板微热管阵列进行组装，并且蓄热收集太阳能和加热相变材料的两个不同功能段的热管分离并搭接处理，可减少太阳能热利用系统中的二次换热热损失，减小系统占地面积，并且避免了热管蒸发段过长而无法正常运行的问题。
一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，主要包括灌装相变材料的蓄热箱体(1)、玻璃盖板(2)、吸热涂层(3)、取热通道(4)、相变材料(5)、平板微热管阵列组件(6)及后壳(7)。
平板微热管阵列组件的外部沿长度方向依次分为三段，分别为集热段、蓄热段、取热段；平板微热管阵列组件(6)由多组平板微热管单元组成的平板式结构，每组平板微热管单元由两个平板微热管沿长度方向端部表面上下重叠搭接而成；重叠搭接部位属于蓄热段(10)；每个平板微热管内部装有可流动和蒸发的换热工质；每个平板微热管内部结构包括两个或两个以上并列的微型热管，进一步所述各微型热管内壁均设置有微型翅片，相邻微翅片间形成微型槽道结构；所述平板微热管为金属铝一次性按压形成。所述微型热管内部采用抽真空灌装工质(如R141b)并密封封装。
集热段的正面设有吸热涂层(3)，吸热涂层(3)可附与薄壁金属板上后与平板微热管阵列组件的集热段相贴附，也可采用真空溅射的方式直接与平板微热管阵列组件的集热段的正面相接触；玻璃盖板(2)放置于吸热涂层(3)正面上，两者间距为20～50mm；后壳(7)位于集热段的背面，玻璃盖板(2)与后壳(7)形成四周密封的隔热保温空气层；
蓄热段的正面和背面设有强化换热的装置，且蓄热段的(如焊接或粘接强化换热翅片、泡沫金属等)置于灌注有相变材料(5)的蓄热箱体(1)内；
提取热量时，取热段与取热通道(4)连接，提取热量时，取热段与取热通道(4)中的流体进行换热；当取热通道(4)为空气通道(8)时，取热段在空气通道(8)的内部，并且正面和背面应设有强化换热的措施(如焊接或粘接强化换热翅片、泡沫金属等)；而取热通道(4)为液体通道(9)时，取热段位于液体通道(9)的外部，并且两者的外表面应采用机械连接(如法兰按压连接等)并且连接面涂覆导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻；所述取热通道可采用风道形式，与平板微热管阵列的取热段直接换热，也可采用液体流道形式，与平板微热管阵列的取热段进行间壁式换热。
若取热通道为液体通道(9)，所采用的通道形式为平板型液体管道，优选为一种多通道扁管。
所述的蓄热箱体(1)应在下端面与上端面加工有定位和安装平板微热管阵列组件(6)的矩形通孔；通孔部位，通孔孔壁与平板微热管阵列组件之间用橡胶圈挤压密封并涂抹密封胶用以防止相变材料(5)泄漏。
后壳(7)为顶部加工有安装平板微热管阵列的矩形孔，底部加工有使平板微热管阵列底部插入的矩形条缝。
蓄热箱体(1)、取热通道(4)和后壳(7)均使用保温材料进行隔热保温处理。
相变材料(5)主要通过发生相态变化吸收或者释放相变焓和一部分显热的方式达到蓄热或者放热的目的，可采用有机物(如石蜡、脂肪酸等)或无机盐(三水醋酸钠等)等。
在吸收太阳能并储存在相变材料(5)中时，还可同时提取热量，做到蓄、放热同时进行。
在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。
所述平板微热管的微型通道橫截面形状为矩形或圆形，所述微型通道的当量直径为1～5mm。
所述平板微热管单元为两个平板微热管阵列两端外表面相紧密接触，在取热时集热段不影响蓄热段的正常运行。两平板微热管阵列两端外表面采用机械连接(如法兰按压连接等)并在连接处涂抹导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻。
本发明的技术效果：
本发明在于利用高效热传输元件平板微热管阵列配合吸热涂层和强化换热的措施，并采用两支平板微热管阵列两端外表面相搭接的形式，避免了热管蒸发段过长导致取热时无法有效运行的问题。
工业应用中可通过合理匹配集热面积、相变材料的质量和种类、蓄热箱体的容量、平板微热管阵列各个功能段的尺寸以及强化换热的措施等，从太阳能热利用系统中各装置的搭配形式和热量传递过程等角度对太阳能热利用系统进行改善，实现了减少换热介质与相变材料之间的二次换热热损失以及系统的占地面积等的改善。合理有效的利用可再生能源—太阳能，并配合使用环保的相变材料为一些用热场合提供所需的热量，不受时间和供求双方用能强度不匹配的限制，平稳的将热量供给用户。
附图说明
图1是一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置的外观模型图。
图2是一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置中核心传热单元所用的平板微热管单元的搭接效果图；
图3是一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置中核心传热单元所用的平板微热管阵列的搭接形式的结构分解图；
图4是一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置的内部构造图；A为整体内部图；B为平板微热管单元图；
图5是当一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置的取热通道为液体通道时所采用的多通道扁管的结构外观及剖视图，上面图为外
观，下面图为上图所述AA方向剖视图。
图6为取热通道为空气通道的结构示意图；
图7为取热通道为液体通道的结构示意图；
1蓄热箱体、2玻璃盖板、3吸热涂层、4取热通道、5相变材料、6平板微热管阵列组件、7后壳、8空气通道、9液体通道、10强化换热翅片、11螺栓、12金属法兰、13垫片、14平板两微热管、15螺母。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明。
图1为该装置的外观，从外观上看，与一般平板太阳能集热器很相近，但却具备吸收太阳能和储存太阳能两种功能，性价比较高。根据用热需求，取热通道中可以采用空气进行直接的热量提取或者采用液体(水或导热油等)进行间壁式换热。白天暴露在太阳光下，可通过太阳能加热吸热涂层(3)并加热平板微热管阵列组件(6)的集热段，同时进行吸热和放热的过程，夜间工况下通过相变材料(5)加热传热元件并加热取热流体进而将相变材料(5)中的热量进行提取。
图2和图3为两平板微热管阵列的搭接形式及其结构示意图。平板微热管阵列组件(6)的每个单元为两个平板微热管(14)的两端外表面相紧密接触，在取热时集热段不影响蓄热段的正常运行。两平板微热管两端外表面采用机械连接(如法兰按压连接等)并在连接处涂抹导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻。在这里展示的是采用法兰连接的形式，即由两个金属法兰(12)对两个上下表面相互贴合的平板微热管表面通过螺栓(11)和螺母(15)靠拧紧力的作用连接在一起，并在平板两微热管(14)接触的表面应涂抹导热硅胶或导热硅脂等减少接触热阻的物质。在两金属法兰(12)间设有垫片(13)防止金属法兰(12)因拧紧力的作用而变形。在法兰的外表面也应设有强化换热的措施，如贴附强化换热翅片(10)等。
图4为一种新型的基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置内部构造示意图，该新型装置主要由蓄热箱体(1)、玻璃盖板(2)、选择性吸收涂层(3)、取热通道(4)、相变材料(5)、平板微热管阵列组件(6)及后壳(7)组成，其中，取热通道(4)又分为空气通道(8)或液体通道(9)。平板微热管阵列组件(6)由上至下依次分为集热段、蓄热段和取热段三个功能段：集热段正面与选择性吸收涂层(3)紧密贴附，或采用真空溅射等方式直接镀在平板微热管阵列的集热段表面；蓄热段位于蓄热箱体(1)中，并在蓄热段的正面和背面设有强化换热措施，如粘接或粘接强化换热翅片等，相变材料(5)位于蓄热箱体(1)中，并与平板微热管阵列组件(6)的外表面接触；取热段与取热通道(3)中的流体进行换热，当取热通道(3)为空气通道(8)时，取热段应在空气通道(8)的内部，并且正面和背面应设有强化换热的措施(如焊接或粘接强化换热翅片、泡沫金属等)；而取热通道(3)为液体通道(9)时，取热段应位于液体通道(9)的外部，并且两者的外表面应采用机械连接，如法兰按压连接等，并采用导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻，并且所采用的通道形式宜为平板型液体管道，以一种多通道扁管最优。后壳(7)为顶部加工有安装平板微热管阵列的矩形孔，底部加工有使平板微热管阵列底部插入的矩形条缝，采用胶条密封。蓄热箱体(1)、取热通道(4)和后壳(7)均使用保温材料进行隔热保温处理。装置在吸收太阳能时，宜根据当地纬度加减10°朝南放置。工作原理为：太阳照射在选择性吸收涂层(3)时，吸收涂层(3)吸收太阳能，并将热量传递给平板微热管阵列(14)中的工质，使得平板微热管阵列内的循环工质在蒸发段吸热蒸发，将热传到蓄热箱体(1)内蓄热段，将热量传至相变材料(5)，同时微热管内的循环工质冷凝回流，如此循环反复进行太阳能与相变材料(5)之间的热交换；当取热通道(4)中有换热流体流过时，蓄热箱体内的平板微热管阵列(14)的蓄热段转换为热管的蒸发段，将相变材料(5)释放热量给微热管中的工质，同样通过管内工质的相变过程将热量高效迅速的传递给换热通道(4)内的取热流体，从而加热取热通道(4)中的换热工质。
图5为当一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置的取热通道(4)为液体通道时所采用的多通道扁管的结构及外观。平板的结构易于与传热构件接触，特别是平板微热管阵列(14)等平板状传热构件。该多通道扁管的进口和出口设有稳压稳流段以保证内部每个通道中的流体均匀的分配。多孔扁管的厚度为7.5mm，壁厚1mm，内部通道数量在2～11个，除两端含曲面的通道其余等距离分布。
本发明涉及的一种新型的基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，为一个以空气或液体为换热介质，相变材料为蓄热介质的集合太阳能集热和蓄热两种功能的蓄热装置，最主要应用领域为太阳能热利用领域和热储存领域，与传统太阳能热利用集热系统相比较有以下优点：1、结合了太阳能集热器和相变蓄热装置的功能，可同时进行太阳能的手机和储存，通过合理匹配设计参数，可有效改善分体式太阳能热利用集热系统由于太阳能集热器和蓄热装置分开放置并采用管道连接所产生的占地面积大，系统漏热量大等问题。2、将传统显热蓄热改为相变蓄热，增大了蓄热装置的储能密度，降低了空间占有率，真正实现了太阳能在时间上的转移。3、将负责收集太阳能和加热相变材料的热管分离并独立运行，集热段的充液率不影响蓄热段在取热工况时的正常运行。
Claims (8)
1.一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，主要包括灌装相变材料的蓄热箱体(1)、玻璃盖板(2)、吸热涂层(3)、取热通道(4)、相变材料(5)、平板微热管阵列组件(6)及后壳(7)；
平板微热管阵列组件的外部沿长度方向依次分为三段，分别为集热段、蓄热段、取热段；平板微热管阵列组件(6)由多组平板微热管单元组成的平板式结构，每组平板微热管单元由两个平板微热管沿长度方向端部表面上下重叠搭接而成；重叠搭接部位属于蓄热段(10)；每个平板微热管内部装有可流动和蒸发的换热工质；每个平板微热管内部结构包括两个或两个以上并列的微型热管；
集热段的正面设有吸热涂层(3)，吸热涂层(3)可附与薄壁金属板上后与平板微热管阵列组件的集热段相贴附，也可采用真空溅射的方式直接与平板微热管阵列组件的集热段的正面相接触；玻璃盖板(2)放置于吸热涂层(3)正面上，两者间距为20～50mm；后壳(7)位于集热段的背面，玻璃盖板(2)与后壳(7)形成四周密封的隔热保温空气层；
蓄热段的正面和背面设有强化换热的装置，且蓄热段置于灌注有相变材料(5)的蓄热箱体(1)内；
取热段与取热通道(4)连接，提取热量时，取热段与取热通道(4)中的流体进行换热；
所述的蓄热箱体(1)应在下端面与上端面加工有定位和安装平板微热管阵列组件(6)的矩形通孔；通孔部位，通孔孔壁与平板微热管阵列组件之间用橡胶圈挤压密封并涂抹密封胶用以防止相变材料(5)泄漏。
2.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，平板微型热管内壁均设置有微型翅片，相邻微翅片间形成微型槽道结构；所述平板微热管为金属铝一次性按压形成。所述微型热管内部采用抽真空灌装工质并密封封装。
3.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，所述取热通道采用风道形式，与平板微热管阵列的取热段直接换热，或采用液体流道形式，与平板微热管阵列的取热段进行间壁式换热；当取热通道(4)为空气通道(8)时，取热段在空气通道(8)的内部，并且正面和背面应设有强化换热的措施；而取热通道(3)为液体通道(9)时，取热段位于液体通道(9)的外部，并且两者的外表面应采用机械连接并且连接面涂覆导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻。
4.按照权利要求3的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，若取热通道为液体通道(9)，所采用的通道形式为平板型液体管道，为一种多通道扁管。
5.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，后壳(7)为顶部加工有安装平板微热管阵列的矩形孔，底部加工有使平板微热管阵列底部插入的矩形条缝。
6.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，蓄热箱体(1)、取热通道(4)和后壳(7)均使用保温材料进行隔热保温处理；相变材料(5)采用有机物或无机盐。
7.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，平板微热管的微型通道橫截面形状为矩形或圆形，所述微型通道的当量直径为1～5mm。
8.按照权利要求1的一种基于搭接式平板微热管阵列的太阳能集热、蓄热一体化装置，其特征在于，平板微热管单元为两个平板微热管阵列两端外表面相紧密接触，两平板微热管阵列两端外表面采用机械连接并在连接处涂抹导热硅胶或导热硅脂以减少接触热阻。
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