CN107062659A - 一种螺旋变化的太阳能真空集热管及真空集热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋变化的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；所述内管的第一端和外管的第一端均密封，内管的第二端与外管的第二端之间通过封接件连接；所述换热管为螺旋弹性盘管，从第二端到第一端，所述的螺旋弹性盘管的螺距不断的减小。本发明采用螺距变化结构的弹性管束和相变材料结合在一起，因为螺旋弹性管束的螺距变化、空间布置以及质量轻等有点，使其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。

Description

一种螺旋变化的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，尤其涉及一种螺旋变化的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，提供一种螺旋变化的太阳能真空集热管，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：

一种螺旋变化的太阳能真空集热管，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；所述内管的第一端和外管的第一端均密封，内管的第二端与外管的第二端之间通过封接件连接；其特征在于，所述换热管为螺旋弹性盘管，从第二端到第一端，所述的螺旋弹性盘管的螺距不断的减小。

作为优选，从第二端到第一端，螺旋盘管的螺距不断的减小的幅度不断增加。

作为优选，所述弹性盘管包括进口集管、出口集管和螺旋盘管，螺旋盘管为两个，分别是第一盘管和第二盘管，其中第一盘管与进口集管连通，第二盘管与出口集管连通，两个盘管在第一端通过集箱连通，使得盘管连接集箱的端部形成管束自由端。

作为优选，螺旋盘管绕着内管的中心线为螺旋，所述第一盘管和第二盘管间隔布置。

作为优选，所述进口集管和出口集管位于第二端。

作为优选，从第二端到第一端，螺旋盘管的管径不断的减小。

作为优选，从第二端到第一端，螺旋盘管的管径不断的减小的幅度不断增加。

作为优选，进口集管、出口集管的内径为R，集热管内管的内径为r3，螺旋盘管的内径为c，从集热管第二端观察(盘管在集热管横截面所在的面上的投影)，距离圆心最近的第一盘管的半径为r1，距离圆心最近的第二盘管的半径为r2，管间距为d，满足如下关系：

[(r3-r2)/(r3-r1)]/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.8<＝R/c<＝2.2，0.080<＝a<＝0.11；

2.2<R/c<＝2.6，0.066<＝a<0.080；

2.6<R/c<＝3，0.057<＝a<0.066。

20mm<r1<30mm；30mm<r2<40mm；80mm<r3<90mm；100mm<r4<110mm；

5mm<R<15mm；

作为优选，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

所述外管的第一端设有真空抽气口。

优选的，所述外管第一端的内侧壁上涂覆有吸气膜。

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。

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。

所述内管外侧壁上涂覆有选择性吸收涂层。

所述内管和外管之间形成U型腔体。

所述内管的第二端和外管的第二端之间还连接有波纹管。

所述盘管为空间锥螺旋形。

所述封接件为可伐合金。

所述外管为玻璃材质制成。

所述内管为不锈钢材质制成。

所述相变材料为由石蜡和纳米铝粉混合物制成。

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，包括前面所述的真空集热管。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1、本发明采用螺距变化结构的弹性管束和相变材料结合在一起，因为螺旋弹性管束的螺距变化、空间布置以及质量轻等有点，使其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、首次采用锥螺旋弹性管束结构作为集热管，并将锥螺旋弹性管束和相变材料结合在一起，因为锥螺旋弹性管束的空间布置以及质量轻等有点，使其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。

3、通过理论分析、数值模拟和实验研究的方式，对锥螺旋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。

4、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。

5、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为本发明螺旋变化的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-螺旋盘管、34-螺旋盘管、35-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所示的一种螺旋变化的太阳能真空集热管，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3，所述内管4与换热管3之间填充相变材料7；所述内4管的第一端和外6管的第一端均密封，内管4的第二端与外管6的第二端之间通过封接件连接。

作为优选，从第二端到第一端，螺旋盘管的螺距不断的减小。

作为优选，从第二端到第一端，螺旋盘管的螺距不断的减小的幅度不断增加。

通过理论以及实验研究发现，主要原因如下：1)因为距离第二端越远，所述的蓄热材料温度越高。通过缩小螺旋盘管的螺距，使得距离第二端越远，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)随着距离第二端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，采取螺距的变化，可以提高8％以上的换热效果。

作为优选，所述换热管3是锥螺旋弹性盘管，从第一端到第二端，所述的换热管3的螺旋外径逐渐变大。

本发明创造性的将锥螺旋弹性盘管3应用到太阳能集热器中，通过设置锥螺旋弹性盘管，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。

作为优选，所述弹性盘管3包括进口集管31、出口集管32和螺旋盘管33，34，螺旋盘管为两个，分别是第一盘管33和第二盘管34，其中第一盘管33与进口集31管连通，第二盘管34与出口集管32连通，两个盘管33、34在第一端通过集箱35连通，使得盘管33、34的端部形成管束自由端A。因此，第一盘管33和第二盘管34形成串联结构。

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基本接近自然对流的方式，而本发明首次将锥螺旋弹性盘管应用于太阳能集热管加热，通过设置锥螺旋弹性盘管，加热流体受热后会产生体积膨胀，诱导浮动盘管3、4自由端A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，螺旋盘管33、34绕着内管4的中心线螺旋，所述第一盘管33和第二盘34管间隔布置。例如，如图2所示，除了最内层和最外层外，第一盘管33设置在第二盘管34之间，第二盘管34设置在第一盘管33之间。通过如此设置，能够保证第一盘管和第二盘管内吸热均匀，通过保证盘管内的整体吸热均匀，避免温度过高或者过低。

作为优选，所述进口集管31和出口集管32位于第二端。

进一步优选，作为优选，距离第二端越远，所述的管束的直径越来越小。

进一步优选，距离第二端越远，所述的管束直径减小的幅度不断的增加。

主要原因如下：1)因为距离第二端越远，所述的蓄热材料温度越高。通过管束直径变化，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)随着距离第二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，采取管束之间的直径变化，可以提高11％以上的换热效果。

空间锥螺旋复合强化传热元件的螺旋曲率变化及截面椭圆率变化对管内二次流产生明显影响，在低雷诺数下，其换热性能良好，阻力较小。同时，浮动支撑的螺旋管束具有更多的弹性特征，管束间交叉排列，易于振动的形成和持续。

由于空间锥螺旋管束两端为固支约束，利用直接刚度叠加法建立螺旋管的振动方程：

式中，M为总体质量矩阵，G为柯氏力阻尼矩阵，U为管内流体流速，K_p为管束单元刚度矩阵，K_f为流体动能刚度矩阵，q为流体节点位移。

利用模态综合法计算螺旋管束的固有频率及振型，结果表明空间锥螺旋管束的固有振型以轴向振动为主，横向振动较少。管内流动对空间锥螺旋管束的基频影响很大。随着流速增大，管束的基频减小，其振动失稳的极限流速在1.26～1.27m/s之间，空间锥螺旋弹性管束换热器实际工作时的管内流速远小于该极限流速。

空间锥螺旋式弹性传热元件其振型单一，低阶固有频率较低，便于流体诱导振动的诱发和控制。同时，管束的应力较小，保证其具备一定的使用寿命。

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。

进口集管、出口集管的内径为R，集热管内管的内径为r3，螺旋盘管的内径为c，从集热管第一端观察(盘管在集热管横截面所在的面上的投影)，距离圆心最近的第一盘管的半径为r1，距离圆心最近的第二盘管的半径为r2，管间距为d，满足如下关系：

[(r3-r2)/(r3-r1)]/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.8<＝R/c<＝2.2，0.080<＝a<＝0.11；

2.2<R/c<＝2.6，0.066<＝a<0.080；

2.6<R/c<＝3，0.057<＝a<0.066。

作为优选，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

20mm<r1<30mm；30mm<r2<40mm；80mm<r3<90mm；100mm<r4<110mm；

5mm<R<15mm；

管束的半径优选为2-10mm；进一步优选为5-7mm；

管束之间距离优选为5-15mm。进一步优选为7-11mm。

作为优选，所述盘管的材料是铜合金，含铜在62％～68％。

螺距优选10-15mm。

作为优选，集箱35与内管第一端的端点所在的平面的距离为35-40mm。

集箱35与内管第一端的端点所在的平面的距离过长会导致管束的扭曲振动引起应力集中，再加上内管中相变材料温度和压力的变化，会造成主应力方向上疲劳断裂，导致管束疲劳失效，使用寿命降低。

集箱35与内管第一端的端点所在的平面的距离过短会导致管束换热面积不足，且振动频率较低，使得换热效率降低。

作为优选，内管的长度为50-55mm。

作为优选，螺旋盘管33、34部分在内管长度的百分比为64-80％。

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。

进一步优选，从集热管第一端观察(即盘管在集热管上的投影)，距离圆心越远，所述的管束的间距d越来越大。

进一步优选，距离圆心越远，所述的管束的间距d越来越大的幅度不断的增加。

主要原因如下：1)因为距离圆心越近，所述的蓄热材料温度越高。通过管束间距变化，增加管束的震动频率。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)随着距离圆心越近换热能力越强，通过分布更多盘管，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，采取管束间距的变化，可以提高8％以上的换热效果。

整体结构图如图1和图2所示，一种螺旋变化的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 (10)

1.一种螺旋变化的太阳能真空集热管，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；所述内管的第一端和外管的第一端均密封，内管的第二端与外管的第二端之间通过封接件连接；其特征在于，所述换热管为螺旋弹性盘管，从第二端到第一端，所述的螺旋弹性盘管的螺距不断的减小。

2.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征在于，从第二端到第一端，螺旋盘管的螺距不断的减小的幅度不断增加。

3.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征在于，所述弹性盘管包括进口集管、出口集管和螺旋盘管，螺旋盘管为两个，分别是第一盘管和第二盘管，其中第一盘管与进口集管连通，第二盘管与出口集管连通，两个盘管在第一端通过集箱连通，使得盘管连接集箱的端部形成管束自由端。

4.如权利要求3所述的太阳能真空集热管，其特征在于，从第一端到第二端，所述的换热管的螺旋外径逐渐变大。

5.如权利要求3所述的太阳能真空集热管，其特征在于，螺旋盘管绕着内管的中心线为螺旋，所述第一盘管和第二盘管间隔布置。

6.如权利要求3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二端。

7.如权利要求2所述的太阳能真空集热管，其特征在于，进口集管、出口集管的内径为R，集热管内管的内径为r3，螺旋盘管的内径为c，从集热管第一端观察，距离圆心最近的第一盘管的半径为r1，距离圆心最近的第二盘管的半径为r2，管间距为d，满足如下关系：

[(r3-r2)/(r3-r1)]/d＝(R/c)^a；其中a是系数，满足如下条件：

1.8<＝R/c<＝2.2，0.080<＝a<＝0.11；

2.2<R/c<＝2.6，0.066<＝a<0.080；

2.6<R/c<＝3，0.057<＝a<0.066；

20mm<r1<30mm；30mm<r2<40mm；80mm<r3<90mm；100mm<r4<110mm；5mm<R<15mm。

8.如权利要求7所述的太阳能真空集热管，其特征在于，随着R/c的增加，a的数值不断的减小。

9.如权利要求1所述的太阳能真空集热管，其特征是，所述混合物中纳米铝粉的质量分数为0.3～0.6％。

10.一种真空集热系统，其特征是，包括至少一个如权利要求1-9任一项所述的太阳能真空集热管。