CN108088095A - 一种平板型太阳能空气集热器 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能加热技术领域，具体涉及一种平板型太阳能空气集热器。为了解决常规太阳能空气集热器存在热量交换不充分以及局部存在高温的问题，本发明公开了一种平板型太阳能空气集热器。该集热器，包括壳体、吸热板和扰流板；壳体设有进风口和出风口，并且在壳体的底部和四个侧壁上均设有保温层，在壳体的顶部设有玻璃盖板；吸热板位于壳体内部，与玻璃盖板平行设置；扰流板位于壳体内部，将进风口和出风口之间的气流通道分割为S形结构；扰流板上设有扰流喷嘴，扰流喷嘴贯穿扰流板。本发明的平板型太阳能空气集热器，不仅可以加强空气与吸热板的热交换量，提高集热器效率，而且可以提高吸热板温度分布的均匀度，减少高温区域和降低最高温度。

Description

一种平板型太阳能空气集热器

技术领域

本发明属于太阳能加热技术领域，具体涉及一种平板型太阳能空气集热器。

背景技术

太阳能空气集热器是一种常用的太阳能热利用装置，它以空气作为传热介质，将收集到的热量传送到供能端，具有结构简单、造价低廉，接受太阳辐射面积大，可广泛应用于建筑物供暖、产品干燥等诸多领域的优点。

其中，在公开号为CN 204268719U的中国专利中公开了一种太阳能空气集热器。在该太阳能空气集热器中设置有多个直通玻璃管，并且在玻璃管内设有扰流板和扰流片，利用扰流片对气流进行扰动，形成紊流，提高气流与直通玻璃管壁的热量交换系数，从而增加气流吸收热量的能力。但是，对上述设有扰流板和扰流片结构的太阳能空气集热器研究分析发现，虽然可以增加气流吸收热量的能力，同时也带来了热量交换不充分以及局部出现高温的情况，从而降低了太阳能空气集热器的工作效率和使用寿命。

发明内容

为了解决常规太阳能空气集热器存在热量交换不充分以及局部存在高温的问题，本发明提出了一种平板型太阳能空气集热器。该平板型太阳能空气集热器，包括壳体、吸热板和扰流板；其中，所述壳体设有进风口和出风口，并且在所述壳体的底部和四个侧壁上均设有保温层，在所述壳体的顶部设有玻璃盖板；所述吸热板位于所述壳体内部，与所述玻璃盖板平行设置；所述扰流板位于所述壳体内部，将所述进风口和所述出风口之间的气流通道分割为S形结构；所述扰流板上设有扰流喷嘴，所述扰流喷嘴贯穿所述扰流板。

优选的，所述扰流喷嘴的轴线、所述进风口的轴线以及所述出风口的轴线相互平行设置。

优选的，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为40％～80％。

进一步优选的，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为60％。

进一步优选的，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为40％。

进一步优选的，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为80％。

优选的，所述扰流喷嘴采用管状结构，并且位于所述扰流板中靠近所述出风口的一侧。

进一步优选的，所述扰流喷嘴的长度为相邻所述扰流板之间距离的20％～30％。

优选的，所述吸热板位于所述壳体的底部和所述玻璃盖板的中间区域，将所述壳体的内部分为上下两层，并且在上下两层同时设有所述扰流板，形成上层气流流道和下层气流流道。

进一步优选的，所述上层气流通道和所述下层气流通道相互独立，并且所述进风口和所述出风口同时与所述上层气流通道和所述下层气流通道连通。

本发明的平板型太阳能空气集热器与现有常规的太阳能空气集热器相比较，具有以下有益效果：

1、在本发明中，通过在扰流板上开设扰流喷嘴，增加了空气在壳体内部的流动范围，带动了扰流板背面的空气流动，增强了空气与吸热板之间的热交换量，提高了出风口空气的温度以及集热器效率。

2、在本发明中，通过对扰流喷嘴在扰流板上的占比作进一步限定，当扰流喷嘴的占比达到60％时，可以使出风口的空气温度和集热器效率达到最高，并且吸热板温度分布的均匀度达到最高，而局部高温的区域和最高温度降到最低，从而获得了更好的空气与吸热板的热交换效果，提高了吸热板的使用寿命。

3、在本发明中，将扰流喷嘴设计为管状结构，并且将其长度设定为相邻两个扰流板之间距离的20％～30％。这样，将穿过扰流喷嘴的气流改进为射流状态，增强穿过扰流板的气流速度，从而可以吹散在扰流板背面产生的局部涡旋，进而抑制扰流板背面局部高温空气的停滞，进一步提高该区域空气与吸热板之间的热交换量，降低局部高温，提高集热器效率。

附图说明

图1为本发明平板型太阳能空气集热器去除玻璃盖板后的结构示意图；

图2为本发明平板型太阳能空气集热器沿图1中A-A方向的剖面示意图；

图3为实施例1中获得吸热板的温度分布图；

图4为实施例1中获得流体域空气流动图；

图5为实施例2中获得吸热板的温度分布图；

图6为实施例2中获得流体域空气流动图；

图7为实施例3中获得吸热板的温度分布图；

图8为实施例3中获得流体域空气流动图；

图9为实施例4中获得吸热板的温度分布图；

图10为实施例4中获得流体域空气流动图；

图11为对比例1中获得吸热板的温度分布图；

图12为对比例1中获得流体域空气流动图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

结合图1和图2所示，本发明的平板型太阳能空气集热器包括壳体1、吸热板2和扰流板3。其中，壳体1采用长方形盒装结构，并且在其长度方向的一组对角位置分别设有进风口11和出风口12，用于空气进出壳体1。在壳体1的底部和四个侧壁上均设有保温层4，在壳体1的顶部设有玻璃盖板5。吸热板2位于壳体1的内部，并且与玻璃盖板5平行设置。扰流板3位于壳体1的内部，将进风口11和出风口12之间的气流通道形成S形结构。扰流板3上设有扰流喷嘴31，并且扰流喷嘴31贯穿扰流板3，连通扰流板3两侧的气流通道。

此时，空气由进风口11进入壳体1内部后，一部分空气沿S形的气流通道流向出风口12位置，另一部分空气则通过扰流喷嘴31直接穿过扰流板3流向出风口12位置。这样，一部分空气沿S形气流通道流动，可以增加空气与吸热板2之间的热交换量，提高热交换效率，同时另一部分空气沿垂直扰流板3的方向流动，穿过S形气流通道上的死角位置，带动该区域空气的流动，实现整个壳体1内部空气的流动，从而增加空气与吸热板3之间的热交换量，避免了在吸热板2上出现局部高温的情况，进而提高了太阳能空气集热器的集热效率和使用寿命。

此外，在本发明中，将扰流喷嘴31沿壳体1的长度方向设置，使扰流喷嘴31的轴线、进风口11的轴线以及出风口12的轴线相互平行。这样，通过进风口11进入壳体1的空气可以直接流向扰流板3并且穿过扰流喷嘴31，从而保证空气穿过扰流喷嘴31后仍然保持一定的速度，提高对周围空气的带动效果。

优选的，扰流喷嘴31采用管状结构，并且扰流喷嘴31位于扰流板3中靠近出风口12的一侧，并且将管状扰流喷嘴31的长度设置为相邻两个扰流板3之间距离的20％～30％。此时，通过采用管状的扰流喷嘴31可以使空气穿过扰流喷嘴31后形成射流状态，从而具有更高的流速。这样，不仅可以带动周围空气的流动，提高空气与吸热板2进行热交换的快速稳定性，提高热交换的效率，而且利用更高的流速可以吹散由于空气沿S形气流通道进行流动过程中在扰流板3背部产生的局部涡旋，从而抑制扰流板3背面局部高温空气的停滞，降低局部高温，提高吸热板2上温度分布的均匀度。

结合图2所示，在本发明中，将吸热板2设置在壳体1的底部和玻璃盖板5之间，对壳体1的内部进行上下两层的分割，并且在吸热板2的上下两侧同时设置扰流板3，形成上层气流流道和下层气流流道。这样，在壳体1外形尺寸不变的情况下，可以降低每一层气流通道的高度，提高空气与吸热板2之间的热交换效率。其中，位于吸热板2上下两侧的扰流板3既可以采用对称设置，也可以根据不同情况，将上下两侧的扰流板3进行交错设置。

优选的，将上层气流通道和下层气流通道进行相互独立设置，并且使进风口11和出风口12同时与上层气流通道和下层气流通道连通。这样，通过上层气流通道和下层气流通道可以同时进行空气的独立加热，避免两层气流通道首尾连通时，由于热空气过长时间的停留在壳体1内部而导致热交换效率的下降。

接下来，通过软件模拟的方式，对本发明的平板型太阳能空气集热器进行性能分析。

实施例1

平板型太阳能空气集热器的形状尺寸参数为：壳体的长度为2000mm，宽度为1000mm，高度为65mm，进风口和出风口的尺寸同时为250mm×50mm。玻璃盖板的厚度为3.2mm，上层气流流道的高度为26.2mm，下层气流流道的高度为20mm。吸热板由八块长度为1890mm、宽度为112mm、厚度为0.32mm的铝锌板组成，吸热板表面镀有选择性吸收涂层，保温层选用岩棉。沿壳体的长度方向均布四块扰流板，并且沿扰流板的长度方向在上下两侧的扰流板上分别设置一排扰流喷嘴，其中扰流喷嘴在扰流板上的占比为60％。

模拟试验参数为：太阳辐射强度设定为725W/m²，环境温度设定为23.9℃，进风口的空气温度设定为25.4℃，进风口的空气质量流量为0.024kg/s。

通过CFD软件模拟分别获得如图3所示的吸热板温度分布图和如图4所示的壳体内流动域空气流动图，以及模拟所得出风口的空气温度为63.4℃，该平板型太阳能空气集热器效率为66.37％。

实施例2

采用与实施例1相同的方法和参数对平板型太阳能空气集热器进行模拟分析，其区别仅在于：扰流喷嘴在扰流板上的占比为40％。

通过CFD软件模拟分别获得如图5所示的吸热板温度分布图和如图6所示的壳体内流动域空气流动图，以及模拟所得出风口的空气温度为62.2℃，该平板型太阳能空气集热器效率为64.28％。

实施例3

采用与实施例1相同的方法和参数对平板型太阳能空气集热器进行模拟分析，其区别仅在于：扰流喷嘴在扰流板上的占比为80％。

通过CFD软件模拟分别获得如图7所示的吸热板温度分布图和如图8所示的壳体内流动域空气流动图，以及模拟所得出风口的空气温度为62.9℃，该平板型太阳能空气集热器效率为64.82％。

实施例4

采用与实施例1相同的方法和参数对平板型太阳能空气集热器进行模拟分析，其区别仅在于：扰流喷嘴采用管状结构，并且扰流喷嘴的长度为100mm。

通过CFD软件模拟分别获得如图9所示的吸热板温度分布图和如图10所示的壳体内流动域空气流动图，以及模拟所得出风口的空气温度为64.2℃，该平板型太阳能空气集热器效率为67.2％。

对比例1

采用与实施例1相同的方法和参数对平板型太阳能空气集热器进行模拟分析，其区别仅在于：扰流板采用平板型结构，不开设扰流喷嘴。

通过CFD软件模拟分别获得如图11所示的吸热板温度分布图和如图12所示的壳体内流动域空气流动图，以及模拟所得出风口的空气温度为61.1℃，该平板型太阳能空气集热器效率为62.37％。

结合图3、图4、图11和图12所示，对比实施例1和对比例1可以，通过在扰流板上开设扰流喷嘴，不仅使整个吸热板上的温度分布更加均匀，并且大幅度减少了吸热板上高温区域的数量和最高温度，使整个吸热板上的温度更加均衡，而且在保持空气沿S形气流通道流动的过程中，在扰流板的背面出现了空气的流动，减少了扰流板背部的流动死区，增加了空气的流动范围，从而提高了该区域的空气与吸热板之间热交换量。同时，结合对实施例1和对比例1分别进行模拟获得的出风口温度以及对应集热器效率值可知，通过在扰流板上开设扰流喷嘴，不仅增加了出风口空气的温度，提高了空气与吸热板之间热量的交换量，而且大大提高了集热器效率，使集热器的使用寿命和使用性能得到提升。

结合图3至图8所示，对比实施例1、实施例2和实施例3可知，通过在扰流板上开设不同占比的扰流喷嘴，虽然都可以减少扰流板背部的流动死区，使扰流板之间出现空气的流动，增加空气的流动范围，但是扰流喷嘴的占比不同，对吸热板上的温度分布产生了明显的差异。其中，当扰流喷嘴的占比在60％的时候，整个吸热板上的温度分布最为均匀，局部高温区域最小、最高温度最低；当扰流喷嘴的占比降低至40％或上升至80％的时候，吸热板上的温度分布均匀度减低，并且局部高温的区域变多变大，最高温度也升高。同时，结合对实施例1、实施例2和实施例3分别进行模拟获得的出风口温度以及对应集热器效率可知，当扰流喷嘴的占比在60％时，出风口的空气温度和集热器效率也达到了最大值。

结合图3、图4、图9和图10所示，对比实施例1和实施例4可知，通过将扰流喷嘴设置为管状结构，并且将其长度设定为相邻扰流板之间距离的20％～30％，使扰流板之间区域的空气形成均匀规则的流动，提升整个S形气流通道中空气的流动速度，从而提高空气的热交换效率，使吸热板的温度分布更加均匀以及高温区域的最高温度更低。这样，不仅可以避免由于吸热板长时间存在局部高温发生完全变形后导致的吸热效率减低以及老化破损的问题，从而保证吸热板的长时间工作的稳定性和使用寿命，而且通过防止吸热板受热不均而发生完全变形，可以保证吸热板的平面度，从而使气流通道的尺寸稳定性，保证空气流动过程的平稳，提高集热器输出高温空气的稳定性。同时，结合对实施例1和实施例4分别进行模拟获得的出风口温度以及对应集热器效率值可知，将扰流喷嘴设置为管状结构后，出风口的温度和集热器效率均有所提升，使集热器的性能获得进一步的提升。

Claims (10)

1.一种平板型太阳能空气集热器，其特征在于，包括壳体、吸热板和扰流板；其中，所述壳体设有进风口和出风口，并且在所述壳体的底部和四个侧壁上均设有保温层，在所述壳体的顶部设有玻璃盖板；所述吸热板位于所述壳体内部，与所述玻璃盖板平行设置；所述扰流板位于所述壳体内部，将所述进风口和所述出风口之间的气流通道分割为S形结构；所述扰流板上设有扰流喷嘴，所述扰流喷嘴贯穿所述扰流板。

2.根据权利要求1所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴的轴线、所述进风口的轴线以及所述出风口的轴线相互平行设置。

3.根据权利要求1所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为40％～80％。

4.根据权利要求3所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为60％。

5.根据权利要求3所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为40％。

6.根据权利要求3所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴在所述扰流板上的占比为80％。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴采用管状结构，并且位于所述扰流板中靠近所述出风口的一侧。

8.根据权利要求7所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述扰流喷嘴的长度为相邻所述扰流板之间距离的20％～30％。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述吸热板位于所述壳体的底部和所述玻璃盖板的中间区域，将所述壳体的内部分为上下两层，并且在上下两层同时设有所述扰流板，形成上层气流流道和下层气流流道。

10.根据权利要求9所述的平板型太阳能空气集热器，其特征在于，所述上层气流通道和所述下层气流通道相互独立，并且所述进风口和所述出风口同时与所述上层气流通道和所述下层气流通道连通。