CN108444113A - 一种新型太阳能蒸汽集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型太阳能蒸汽集热器，其由全真空玻璃集热管、金属棒形热管、导热铝箔、汽包、外包有螺旋弹簧的套筒密封结构、内部灌注石蜡PCM材料的半圆筒蓄热器组成。其中，金属棒形热管蒸发端和铝翅片管一同插入全真空玻璃集热管，热管冷凝端包裹在一个套筒式密封结构中，该套筒外表面经纳米流体改性处理，同时外表面包裹有螺旋弹簧，强化相变换热。本发明中，真空玻璃集热管吸收太阳能，经由热管迅速将热量传递到汽包并加热汽包内冷水，同时，热量通过对流、导热的方式传递到汽包内的蓄热器，在多云天气，蓄热器可保障蒸汽发生器不受辐照强度波动影响稳定运行，在夜晚可释放热量起到保温作用利于第二天迅速启动。

Description

一种新型太阳能蒸汽集热器

技术领域

本发明属于太阳能热利用领域的技术，集太阳能集热、蒸汽蓄热、高效沸腾换热技术为一体。具体为开水器、海水淡化器等装置提供稳定高品质的蒸汽。

背景技术

太阳能是目前最理想、最具商业开发价值、技术相对较成熟的新能源技术，其具有典型的清洁、无污染且辐射总功率巨大、取之不尽用之不竭的优点，对太阳能进行开发和利用是世界各国政府大力提倡的能源方案，对人类走出自身的能源、环境困境具有重要意义。

目前对于太阳能的利用形式有光伏发电，热发电和直接利用太阳能热量。但是太阳能的利用存在一些局限性，太阳光照只在白天才有，简单的太阳能利用方式在夜晚是没有能量输出的。解决太阳能的不可持续输出的问题是一个重要的课题，蓄热器的加入可以有效地弥补这一缺陷。

太阳能蒸汽集热器是一种典型的太阳能热利用设备，目前发展非常迅速，可以为开水器、海水淡化器等家用设备提供稳定高品质的蒸汽，也可以为工业生产提供廉价的蒸汽，应用非常广泛。改进现有的技术，得到质量更高，运行更容易的产品是技术人员的努力方向。传统的太阳能蒸汽集热器存在集热效率低、换热热阻较高、蓄热能力差的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种新型太阳能蒸汽式集热器，其包括全真空太阳能集热管、金属棒形热管、导热铝箔、汽包、外表面经纳米改性处理且外包螺旋弹簧的套筒密封结构和内部灌注有石蜡PCM材料的半圆筒蓄热器。热管蒸发段和导热铝箔一同插入真空太阳能集热管，热管冷凝端插入套筒密封结构，套筒密封结构插入汽包内部，套筒外表面经Cu纳米颗粒改性处理且外表面包有螺旋弹簧以加强沸腾换热，汽包内部以套筒密封结构对称安装两个半圆筒蓄热器，蓄热器内灌注有石蜡相变蓄热材料，汽包上部接绝热耐压橡皮管将蒸汽引向用汽单位。

本发明通过如下技术方案实现：

一种太阳能蒸汽集热器，包括太阳能真空集热管、金属棒形热管、套筒密封结构、汽包和安装在汽包内部的蓄热器。棒状热管的蒸发端及导热铝箔插入太阳能真空集热管，热管冷凝端插入套筒内部，热管冷凝端经由套筒导热、对流换热加热汽包内部的工质产生蒸汽，蒸汽经由绝热耐压橡皮管进入用汽单位。汽包内安装有两个半圆筒蓄热器，蓄热器内部灌注石蜡相变蓄热材料。

所述太阳能蒸汽集热器是一种能够提供水蒸气的中温集热器，可以提供100度到140度的饱和蒸汽，其蒸汽温度由蒸汽管出口处的调节阀控制。太阳能真空集热管吸收太阳能通过导热方式传递给导热铝箔，导热铝箔通过导热及辐射方式将热量传递给热管蒸发端，热管通过相变换热快速将热量从蒸发端传递到冷凝端，热管冷凝端通过导热将热量传递到密封套筒的内表面，套筒的外表面通过沸腾换热的方式将热量传递到汽包内部工质并产生蒸汽，蒸汽在压力作用下通过绝热耐压橡胶管自发流入到用汽单位；

所述导热铝箔为一“凹”型结构，由内环和外环组成，内环和外环通过肋片连接，内环与热管蒸发端管壁紧密贴合，热管蒸发端直径较外环直径小很多，两者构成一种带有聚热作用的集热器，具有中温集热能力；

套筒密封结构包括有套筒，所述套筒外表面套有螺旋弹簧，以强化沸腾换热。该密封套筒通过上下螺帽压紧其底部裙带进行安装和固定，热管冷凝端通过过盈配合插入密封套筒内部。

所述密封套筒外表面及螺旋弹簧通过纳米流体进行表面改性处理，具体处理方式为，首先配置Cu纳米流体，然后将套筒在煮沸的纳米流体中浸泡5-6小时，在套筒及弹簧表面形成纳米涂层以强化沸腾换热。所述汽包内部对称安装有两个半桶蓄热器，蓄热器内部灌注石蜡PCM蓄热材料，在多云天气，蓄热器可保障蒸汽发生器不受辐照强度波动影响稳定运行，在夜晚可释放热量起到保温作用利于第二天迅速启动。

本发明利用了热管工质通过相变换热可进行高效热传递及相变蓄热材料高蓄热密度的传热学原理；利用了流体在压差驱动下能自发流动的流体动力学原理；经过纳米流体改性处理的表面会形成多孔结构，该发明利用了多孔、凹坑壁面可以强化沸腾传热的传热学原理。与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1.该发明提出的新型太阳能蒸汽集热器结构紧凑，占地面积小，与用汽单位仅通过绝热耐压橡皮管连接，使用方便，应用范围广。

2.集热器采用热管式集热单元，热管冷凝端与汽包通过密封套筒结构传递热量，对套筒外表面及螺旋弹簧表面通过纳米流体进行改性处理形成纳米涂层，强化沸腾换热，采用的“凹”型导热铝箔具有导热及聚热功能，与热管结合可构成中高温集热元件。

3.本发明在汽包内加装了2个半圆筒蓄热器，在夜晚和光照不足时可以对汽包水起到保温和加热作用，提高了装置的工作稳定性，使得装置的运行更加平稳，启动更加迅速。

附图说明

图1是本发明的运行原理图；

图2是本发明的热管式集热单元图；

图3是本发明的密封套筒结构图；

图4是本发明的热管冷凝端与密封套筒安装图。

图中：1、全真空玻璃集热管，2、汽包，3、保温材料，4、半圆筒蓄热器，5、热管，6、淡水工质，7、绝热耐压橡皮管，8、用水单位，9、支架，10、热管蒸发端，11、导热铝箔，12、选择性吸热涂层，13、热管冷凝端，14、外玻璃管，15、内玻璃管，16、外螺纹，17、密封套筒，18、密封套筒经纳米流体改性处理的外表面，19、汽包壁，20、下螺帽，21、内螺纹，22、裙带，23、上螺帽，24、螺旋弹簧

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，该实施例以本发明的技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，所述的太阳能蒸汽集热器由太阳能真空集热管1、汽包2、热管5、半圆筒蓄热器4、淡水工质6、绝热耐压橡皮管7、用水单位8和支架9组成。

请参阅图1和图2，所述热管式集热元件由太阳能真空集热管1、热管5及导热铝箔11组成；太阳能真空集热管1包括外玻璃管14、内玻璃管15及选择性吸收涂层12；导热铝箔11外环与内玻璃管15紧密贴合，内环与热管蒸发端10紧密贴合；热管冷凝端13插入位于汽包2内部的密封套筒17。

请参阅图1和图3，所述的密封套筒结构由密封套筒17、螺旋弹簧24、上螺帽23、下螺帽20组成，其中密封套筒17底部有裙带结构22，密封套筒17外部套有螺旋弹簧24，且相互紧密配合，密封套筒的外表面及弹簧表面经过Cu纳米颗粒处理，强化沸腾换热，下螺帽20通过焊接的方式固连在汽包壁上。安装过程中，密封套筒17从图中方向插入下螺帽20，裙带卡在下螺帽变径处，然后将上螺帽旋入压紧裙带结构22。

请参阅图1和图4，所述密封套筒结构安装完成后如图4所示，热管冷凝端13插入安装好的密封套筒结构，热管冷凝端与该结构之间为紧密配合，仅靠压力即可完成安装固定过程。

以下为本发明的一实施例。

实施例

本实施例中，热管式太阳能集热管与地面成30°倾斜摆放，汽包直径为130mm，长为2000mm，汽包与24根商品化的金属热管式全真空玻璃集热管配合使用，其中全真空玻璃集热管外径为58mm，内径为47mm，有效长度为1600mm；安装在玻璃集热管内的金属热管冷凝端外径为28mm，长为120mm；上螺帽内径分别为30mm和38mm，外径分别为33.5mm和43mm，螺纹公称直径为36mm，下螺帽内径分别为30mm和38mm，外径分别为34mm和43mm，螺纹公称直径36mm，密封套筒外径29.5mm，内径28mm。

本实例中，集热单元总采光面积为2.03m²,按夏天7小时工作时间内，太阳能平均辐射强度740W/m²,常压条件下可制得100度蒸汽5.2kg。

本发明的工作过程如下所述：

太阳光照射到全玻璃真空太阳集热管1上，然后通过全玻璃真空太阳集热管1内壁上的可选择性吸收涂层12将光能转化为热能，然后通过导热传递到导热铝箔11上，再通过导热和辐射传递到热管蒸发端10的工作介质，工作介质通过相变换热将热量快速传递至热管冷凝端13，热量通过导热和沸腾换热的方式从热管冷凝端13经密封套筒传递到汽包内,加热并使淡水工质6蒸发，通过绝热耐压橡胶管7进入用水单位8。

在晴天无云的情况下，汽包内淡水工质6向半圆筒蓄热器4放热，半圆筒蓄热器内的石蜡PCM材料通过显热和潜热完成蓄热过程；在多云天气，蓄热器可以保障蒸汽发生器不受辐照强度波动影响稳定运行，在夜晚可以向汽包内淡水工质6释放热量起到保温作用，利于第二天的迅速启动。

本发明提出了一种新型太阳能蒸汽集热器，利用了热管工质通过相变换热可进行高效热传递及相变蓄热材料高蓄热密度的传热学原理；利用了多孔表面强化沸腾传热的传热学原理；利用了流体在压差驱动下能自发流动的流体动力学原理；装置的占地面积小，集热效率高，安装方便，应用非常广泛，在无动力条件下可以正常高效运行，具有较高的商业价值。

Claims (5)

1.一种新型太阳能蒸汽集热器，包括太阳能真空集热管、金属棒形热管、导热铝箔、汽包、外表面经纳米改性处理且外包螺旋弹簧的套筒密封结构和内部灌注有石蜡PCM材料的半圆筒蓄热器；其特征在于，装有导热铝箔的金属棒形热管的蒸发端插入太阳能真空集热管，热管冷凝端插入套筒密封结构，该套筒密封结构位于汽包内部，汽包内部装有2个内部灌注石蜡PCM材料的半圆筒蓄热器；太阳能真空集热管吸收太阳能，热管通过相变换热将热量迅速传递到汽包内部加热工质产生蒸汽，蒸汽经由汽包上部的绝热耐压橡皮管引向用汽单位。

2.根据权利要求1所述的一种新型太阳能蒸汽集热器，其特征在于：带有导热铝箔的直径较小的金属棒形热管插入太阳能真空集热管，通过导热铝箔和太阳能真空集热管保持良好导热；热管直径较太阳能真空集热管直径小很多，两者构成一种带有聚热作用的集热器，具有中温集热能力。

3.根据权利要求1所述的一种新型太阳能蒸汽集热器，其特征在于：套筒密封结构包括有套筒，套筒外包有螺旋弹簧来加强沸腾换热能力；套筒底部有一弯折裙带，通过一个上下螺帽结构将裙带压紧在螺帽中间，从而形成密封结构，热管冷凝端从上螺帽一侧插入套筒内部，冷凝端和上下螺帽、套筒结构之间采用过盈配合的方式安装。

4.根据权利要求3所述的一种新型太阳能蒸汽集热器，其特征在于：套筒及弹簧外表面经过纳米流体改性处理，具体操作步骤为，配置出Cu纳米流体，然后将铜制套筒在煮沸的纳米流体中浸泡5-6小时，在套筒及弹簧表面形成纳米涂层。

5.根据权利要求1所述的一种新型太阳能蒸汽集热器，其特征在于：汽包内对称安装有两个半圆筒蓄热器，蓄热器内部灌注有石蜡PCM材料。