CN109028606B - 一种变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变流道金属丝‑岩石蓄热式太阳能集热器，通过在变径流道的集热蓄热段填充金属丝和岩石颗粒，不仅实现了换热面积的增加、换热时间的延长并能够实现流体的连续扰动，从而进一步增强系统的换热效果，且在具备快速集热的同时使集热器具备了利用自身显热储热的功能，具有集热和传热速度快、集热和蓄热材料来源广泛且价格低廉、热稳定性及热效率高、热损耗小、出风温度高、节能环保的特征。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热利用领域，涉及一种太阳能集热器，尤其涉及一种集热、储热一体化的低、中温太阳能集热器。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源一直备受关注，太阳能光热的高效利用能够显著减少化石燃料碳排放，提高环境品质。平板型太阳能集热器具有结构简单、运行可靠的优点，但常规的集热器不能克服由于太阳能的间断性和不稳定性导致的温度波动和夜间及阴天集热功能失效，此外市场上的平板型太阳能集热器虽然吸热快，但散热也快，导致太阳能的热利用率较低。因此，亟需开发适宜推广的高效太阳能空气集热蓄热技术，以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述缺点和不足，本发明提供了一种变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器，通过在变径流道的渐扩段填充金属丝和岩石颗粒，而渐缩段为流体自由通道，不仅实现了换热面积的增加、换热时间的延长并能够实现流体的连续扰动，从而进一步增强系统的换热效果，提高了太阳能热利用率，且在具备快速集热的同时使集热器具备了利用自身显热储热的功能，且其集热效果显著、蓄热性能稳定，可应用于建筑物采暖、供热系统及热风干燥等领域。
为解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案为：
一种变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器，包括一顶部开口、底部封闭的保温外壳和一设置于所述保温外壳顶部的透明盖板，所述透明盖板与所述保温外壳形成一密闭空腔，所述保温外壳的侧壁上设有一流体进口和一流体出口，其特征在于：
所述密闭空腔中设有蛇形排列的变径流道，所述变径流道的进口与所述流体进口连通，所述变径流道的出口与所述流体出口连通，
所述变径流道上设有多个集热蓄热段和自由流通段，各所述集热蓄热段之间使用自由流通段相互连通，所述集热蓄热段的流通面积大于所述自由流通段的流通面积，
所述集热蓄热段中铺设有多层集热体和蓄热材料，所述集热体为涂覆有吸热材料的金属丝，所述蓄热材料为蓄热颗粒，且所述集热蓄热段的最上层铺设的是一层集热体，以下各层由集热体和蓄热材料交错布置。
优选地，沿流体的流动方向，所述集热蓄热段的流体入口部分其流通面积逐渐增大，所述集热蓄热段的流体出口部分其流通面积逐渐减小。
优选地，在所述集热蓄热段和自由流通段的交界处采用金属丝作为隔断，以防止所述蓄热颗粒进入所述自由流通段。
优选地，所述保温外壳采用铝或铝合金制备，其内壁设有耐热保温层。
优选地，所述透明盖板为双层真空玻璃盖板。
优选地，所述金属丝为铁、铝、铜、锌、碳钢或不锈钢的丝状物，所述丝状物可以是上述金属及其合金在机械加工过程中产生的丝状切削废料，或者是利用上述金属及其合金专门加工的金属丝状物。
优选地，所述蓄热颗粒为大理石、花岗岩、绿沸石或白云石，岩石颗粒当量直径在2cm-10cm之间。
优选地，所述太阳能集热器的流体工质为气体或液体。可用于建筑物供暖、热风干燥等场合。
根据本发明的另一方面，还提供了一种太阳能热利用系统，包括支架以及设置在所述支架上的太阳能集热器，所述太阳能集热器通过管路与热利用单元连通，其特征在于，所述太阳能集热器为本发明的上述变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器采用涂覆有吸热材料的金属丝作为集热体，可有效增大集热面积并有助于加强流体的湍动，而变径流道能够更进一步增加流体的扰动，上述特征共同作用可显著增强集热器的传热效果，蓄热颗粒一方面可作为骨架支撑金属丝集热体，更主要的是作为显热蓄热材料储存太阳能光热，进而可延长集热器在夜间和阴天的使用时间，从而可抑制流体温度波动并在一定程度上减少金属丝集热体出现的局部“热斑”。本发明结构简单、集热和蓄热材料来源广泛、成本低廉，可广泛应用于建筑供暖、热风干燥等领域。
附图说明
图1是本发明的变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器的结构示意图；
图2是图1的A-A截面剖视图；
图3是图1的俯视图；
图4是太阳能热利用系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1～3所示，本发明的变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器，包括顶部开口、底部封闭的保温外壳1，外壳1采用铝或铝合金，其由盖板、壁板和底板组成，外壳1的内部四周壁板和底板紧贴有保温板，保温板为高强度耐热材料，透明盖板2采用双层真空玻璃，具有透射率高、隔热性能好的特点；透明盖板2与保温外壳1形成密闭空腔，且保温外壳1的侧壁上设有流体进口和流体出口。保温外壳1的密闭空腔中设有蛇形排列的变径流道6，变径流道6的进口与壳体流体进口连通，变径流道6的出口与壳体流体出口连通。
变径流道6上设有多个集热蓄热段和自由流通段，各集热蓄热段之间使用自由流通段相互连通，集热蓄热段的流通面积大于所述自由流通段的流通面积，且沿流体的流动方向，集热蓄热段的流体入口部分的流通面积逐渐增大，集热蓄热段的流体出口部分的流通面积逐渐减小。
集热蓄热段中铺设有多层集热体3和蓄热材料4，最上层铺设的是一层集热体，以下各层由集热体和蓄热材料交错布置。集热体3为金属丝，有利于增强流体的湍动效果，且金属丝表面喷涂黑色涂料，以提高集热效果；蓄热材料4为岩石颗粒，具有导热系数较低和热稳定性好的特征，有利于延长释热时间和实现长周期蓄热；金属丝3和岩石颗粒4交错布置，并在集热蓄热段和自由流通段的相连部位放置金属丝作为隔断，防止岩石颗粒被流体带入的自由流通段。
如图4所示，本发明的太阳能集热器8在使用时安装在支撑架构15上(可为建筑屋面或单独的支架)，尽量保证周围无高大建筑物遮挡，以确保太阳光直射集热器。太阳能集热器的流体进口5、流体出口7通过法兰与送风管道14和出风管道11相连，其中送风管道14与风机12相连，在送、出风管道上分别设置送风风阀13和出风风阀10以调节风量。
太阳能集热器8工作时，表面涂覆吸热材料的金属丝由于入射光能够多次反射而具有较高的吸收率，同时与常用的金属板集热体相比，金属丝集热体的比表面积显著增大，从而具有更大的吸热面积。此外，由于导热、对流和辐射的作用，岩石颗粒的温度也会升高，储存一部分热量。当冷侧空气自流体进口5由风机12送入集热器8，空气在金属丝和岩石颗粒间流动并与之换热，且由于金属丝和变径流道的共同影响，能够有效增强空气的湍动效果、强化传热，空气经由蛇形变径流道的流体出口送出，完成一次循环。在夜晚或短时阴天时，冷侧空气在进入风道以后，与蓄积了一定热量的岩石颗粒进行热量交换，同样经风道出口送出，从而能够延长集热器的使用时间。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述实施方式，任何熟悉本领域的专业技术人员，在不脱离本发明的宗旨下，利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰，均属本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种变流道金属丝-岩石蓄热式太阳能集热器，包括一顶部开口、底部封闭的保温外壳和一设置于所述保温外壳顶部的透明盖板，所述透明盖板与所述保温外壳形成一密闭空腔，所述保温外壳的侧壁上设有一流体进口和一流体出口，其特征在于：
所述密闭空腔中设有蛇形排列的变径流道，所述变径流道的进口与所述流体进口连通，所述变径流道的出口与所述流体出口连通，
所述变径流道上设有多个集热蓄热段和自由流通段，各所述集热蓄热段之间使用自由流通段相互连通，所述集热蓄热段的流通面积大于所述自由流通段的流通面积，
所述集热蓄热段中铺设有多层集热体和蓄热材料，所述集热体为涂覆有吸热材料的金属丝，所述蓄热材料为蓄热颗粒，且所述集热蓄热段的最上层铺设的是一层集热体，以下各层由集热体和蓄热材料交错布置。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：沿流体的流动方向，所述集热蓄热段的流体入口部分其流通面积逐渐增大，所述集热蓄热段的流体出口部分其流通面积逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：在所述集热蓄热段和自由流通段的交界处采用金属丝作为隔断，以防止所述蓄热颗粒进入所述自由流通段。
4.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述保温外壳采用铝或铝合金制成，其内壁设有耐热保温层。
5.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述金属丝为铁、铝、铜、锌、碳钢或不锈钢的丝状物，所述丝状物为上述金属及其合金在机械加工过程中产生的丝状切削废料。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述透明盖板为双层真空玻璃盖板。
7.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述自由流通段中也设有所述集热体。
8.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述蓄热颗粒为大理石、花岗岩、绿沸石或白云石，岩石颗粒当量直径在2cm-10cm之间。
9.根据权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于：所述太阳能集热器的流体工质为气体或液体。
10.一种太阳能热利用系统，包括支架以及设置在所述支架上的太阳能集热器，所述太阳能集热器通过管路与热利用单元连通，其特征在于，所述太阳能集热器为上述权利要求1至9任一项所述的太阳能集热器。
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