CN109506374B - 一种热管式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能集热器，包括反射镜和集热管，所述集热管位于反射镜的焦点位置，所述反射镜将太阳能反射给集热管用于加热集热管中的水，集热管内部设置热管，所述热管包括集箱和散热端，所述集箱设置在集热管的底部，所述散热端与集箱连通，所述散热端从集箱上部开始向上延伸，所述散热端为多根，所述集箱的底部连接在集热管的内壁上。本发明提供了一种新的热管结构的太阳能集热管，通过在集热管底部设置热管，通过热管传热速度快的特点，提高对太阳能的热传输速度，能够进一步满足热量的吸收能力。

Description

一种热管式太阳能集热器

技术领域

本发明涉及一种集热管技术，尤其涉及一种新式结构的热管的集热管。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括电力领域，例如电厂的余热利用等。

集热管是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为蒸汽的机械设备。集热管应用领域广泛，广泛适用于制衣厂，干洗店，饭店，馍店，食堂，餐厅，厂矿，豆制品厂等场所。目前的集热管也广泛应用于各种疾病的治疗中，尤其是应用于对肌肉、韧带等因为老化和老损引起的慢性病的治疗，例如CN2167709Y专利，但是目前的现有技术中，例如CN2167709Y专利，因为直接通过加热来产生蒸汽，会导致产生的蒸汽温度过高，而且会导致产生的蒸汽中水分过多，而药物因为是颗粒所以可能会出现沉积在下部，所以喷出的蒸汽中有效成分含量过低，而且温度过高，而且现有技术中智能化程度不高，无法进行有效的智能化操作。

背景技术中，当利用太阳能加热集热管，太阳能或者直接加热集热管，或者通过二次换热产生蒸汽，尤其是直接加热集热管，利用集热管内部的对流换热来进行集热管上部和下部的流体对流换热，但是此种情况下需要下部热流体自然对流到上部，换热效率低。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的结构的太阳能集热管，充分利用热源，降低能耗。

发明内容

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管结构集热管，以实现太阳能的充分利用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳能集热器，包括反射镜和集热管，所述集热管位于反射镜的焦点位置，所述反射镜将太阳能反射给集热管用于加热集热管中的水，其特征在于，集热管内部设置热管，所述热管包括集箱和散热端，所述集箱设置在集热管的底部，所述散热端与集箱连通，所述散热端从集箱上部开始向上延伸，所述散热端为多根，所述集箱的底部连接在集热管的内壁上。作为优选，所述热管的下端的底部是集热管的内壁。

作为优选，至少两根相邻的散热端之间设置连通管。

作为优选，集热管的中心位于反射镜的焦点位置。

作为优选，所述集热管的底部设置集箱，所述散热端下部与集箱连通。

作为优选，所述集箱的下壁面是集热管的底部的面。

散热端的外径为d，同一排的相邻的散热端圆心之间的距离为S，散热端的圆心与相邻排的临近的两个散热端圆心构成等腰三角形的顶角为A，则满足下面要求：

Sin(A)＝a*(d/S)³-b*(d/S)²+c*(d/S)+e,其中a,b,c,e是参数，满足如下要求：

8.20<a<8.22,6.19<b<6.21；0.062<c<0.063,0.83<e<0.84,0.12<d/S<0.55。

作为优选，a＝8.21,b＝6.20,c＝0.0625,d＝0.835；

作为优选，所述集热管为多根，所述多根为并联结构。

作为优选，所述集热管为多根，所述多根为串联并联混合结构。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明对太阳能集热管进行了改进，通过在集热管底部设置热管，通过热管传热速度快的特点，快速的将太阳能传递到集热管的上部，提高对太阳能的热传输速度，能够进一步满足热量的吸收能力。

2)将相邻的散热端之间设置连通管，通过设置连通管，可以避免散热端之间受热不均匀，实现散热端之间的压力均衡，避免不同散热端之间的受热不均匀导致的缺陷。

3)本发明通过连通管过分布数量以及管径的变化规律，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

4)对散热端的分布规律进行了大量的数值模拟和实验研究，在研究的基础上总结了最佳的散热端分布的关系式。

附图说明

图1本发明太阳能系统示意图。

图2是本发明太阳能集热管结构示意图。

图3是本发明集热管设置连通管的结构示意图。

图4为本发明散热端水平面投影结构示意图。

图5是本发明集热管传并联结构示意图。

图6为本发明控制结构示意图。

图7是图4的尺寸标识图。

图中：1-反光镜，2-集热管，3–热管散热端，4-热利用装置，5-集热器,6-连通管，7-中央控制器,8-出水管路,9-集箱，10-入口管，11-散热器入口管，12-集热器回水管路，13-温度传感器，14-阀门，15-阀门，16-阀门，17-温度传感器，41-蓄热器，42-散热器

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。

图1公开了一种太阳能系统，所述太阳能系统包括太阳能集热器5和热利用装置4，所述太阳能集热器吸收太阳能，加热流经的流体，然后流体进入热利用装置进行利用。

如图2-5公开了一种利用热管的槽式太阳能集热器5，所述集热器包括反射镜1和集热管2，所述集热管2位于反射镜1的焦点位置，所述反射镜1将太阳能反射给集热管2用于加热集热管2中的水，所述集热器还包括设置在集热管2内的热管，如图1所示，所述热管设置在集热管2内部，所述热管包括集箱9和散热端3，所述集箱9设置在集热管2的底部，所述散热端3与集箱9连通，所述散热端3从集箱9上部壁面开始向上延伸，所述散热端3为多根，所述集箱9的底部连接在集热管2的内壁上。

传统的太阳能集热器都是通过太阳光直接照射集热管产生蒸汽，利用集热管内部的对流换热来进行集热管上部和下部的流体对流换热，但是此种情况下需要下部热流体自然对流到上部，换热效率低，本发明通过在集热管底部设置热管，因为热管受热后里面的气体立刻蒸发上升的热管的上部的蒸发端，在上部进行换热，这样热量就快速的传递到集热管上部，可以快速的提高换热效率，提高太阳能的热利用率。

本发明通过在下端设置集箱，将热量先集中在集箱中，然后传递给热管散热端，可以快速将热量传递出去。

作为优选，所述集箱9的底部是集热管2的内壁。这样使得热管和集热管可以作为一个整体，将集热管的内壁作为热管的下端壁面，减少接触热阻，使得整体结构紧凑、

作为优选，所述集热管和热管是一体化制造。

作为优选，至少两个相邻的散热端3之间设置连通管6。例如如图3所示，互相靠近的两个散热端3之间设置连通管6。当然，图3仅仅是示意图，虽然只展示了两根散热端，但是并不表明只有两根散热端。通过设置连通管6，可以避免散热端3之间受热不均匀，实现散热端之间的压力均衡，避免不同散热端之间的受热不均匀导致的缺陷。

作为优选，从散热端3下部向散热端3上部，相邻连通管6之间的距离不断增加。因为热管在底部吸收太阳能，然后在集热管内放热。随着散热端竖直部分流体的向上流动，流体不断的放热，随着流体不断的放热，不同散热端内的压力逐渐降低，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡，节约连通管数量，节能材料。

作为优选，从散热端3下部向散热端3上部，相邻连通管6之间的距离不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，从散热端3下部向散热端3上部，连通管6的直径不断减小。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的放热，随着流体不断的放热，不同散热端内的压力越来越小，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从散热端3下部向散热端3上部，连通管6的直径不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，集热管的中心位于反射镜的焦点位置。通过集热管中心位于反射镜焦点位置，可以保证集热管全方位加热均匀。

作为优选，所述集热管中流经药液。所述集热管是一种药液加热功能的集热管。

作为优选，集热管2为多根，所述多根集热管为串联结构。

作为优选，如图5所示，所述多根集热管为串并联混合结构。

所述的散热端为多个，沿着集箱上部壁面中心线向两侧方向，所述散热端的分布密度越来越小。在数值模拟和实验中发现，沿着集热管底部的中心向外的径向方向，热管的受热量越来越小，而且不同位置的散热端的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。因为越靠近中心，聚焦的太阳能越多，受热量越来越大，导致换热能力也在增加，因此，本发明通过在集热管底部的不同位置设置散热端的密度不同，从而使的整体散热端温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着集箱上部壁面中心线向两侧方向，所述散热端的分布密度越来越小的幅度不断的增加。作为散热端分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的散热端分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9％左右的换热效率。

作为优选，所述每个散热端3的直径和长度都相同。

作为优选，所述的散热端3为多个，沿着集箱上部壁面中心线向两侧方向，所述散热端的管径越来越小。具体原因与前面散热端分布密度的原因相同。

作为优选，沿着集箱上部壁面中心线向两侧方向，所述散热端的管径越来越小的幅度不断的增加。具体原因与前面散热端分布密度的原因相同。

作为优选，所有散热端3的分布密度和长度都相同。

所述的散热端3为多个，沿着集热管内流体的流动方向，所述散热端的分布密度越来越大。在数值模拟和实验中发现，沿着流体的流动方向，流体温度越来越高，因此流体吸热能力逐渐下降，散热端散热能力逐渐下降，因此出现了不同位置的散热端的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。本发明通过在集热管的不同位置设置散热端的密度不同，从而使的沿着流体流动方向，散热端的放热能力不断下降，通过分布更多的散热端，使其分散热量，从而使得整体散热端温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，所述散热端的分布密度越来越大的幅度不断的增加。作为散热端分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的散热端分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9％左右的换热效率。

作为优选，所述每个散热端3的直径和长度都相同。

作为优选，集热管的长度为C，沿着集热管流体流动方向，最前端的散热端的密度是M_尾，则距离散热端最前端距离为l位置的散热端密度M规律如下：M＝b*M_尾+c*M_尾*(l/C)^a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：

1.075<a<1.119,0.94<b+c<0.99，0.465<b<0.548。

作为优选，随着l/C增加，a逐渐减小。

作为优选，1.09<a<1.11,b+c＝0.99，0.503<b<0.508；

上述优化的公式是通过大量的实验和数值模拟得到的，能够使得散热端的分布密度达到最优化的分布，能够整体上热量分布均匀，换热效果好，同时能够节省材料。

作为优选，所述的散热端为多个，沿着集热管内流体的流动方向，所述散热端的管径越来越大。

作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，所述散热端的管径越来越小的幅度不断的增加。具体原因参见散热端密度变化。

作为优选，所有散热端的分布密度和长度都相同。

沿着烟气流动方向，集热管的长度为C，沿着烟气流动方向，集热管最前端的散热端的管径是D_尾，则距离散热端尾部距离为l位置的散热端管径D规律如下：

D²＝b*(D_尾)²+c*(D_尾)²*(l/C)^a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：

1.085<a<1.125,0.985<b+c<1.015，0.485<b<0.645。

作为优选，随着l/C增加，a逐渐减小。

作为优选，1.093<a<1.106,b+c＝1，0.548<b<0.573；

上述优化的公式是通过大量的实验和数值模拟得到的，能够使得散热端的分布密度达到最优化的分布，能够整体上热量分布均匀，换热效果好，同时能够节省材料。

作为优选，所述的散热端3为多个，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的分布密度越来越大。在数值模拟和实验中发现，沿着流体的流动方向，流体温度越来越高，因此流体吸热能力逐渐下降，散热端散热能力逐渐下降，因此出现了不同位置的散热端的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。本发明通过在集热管的不同位置设置连通管的密度不同，从而使的沿着流体流动方向，散热端的放热能力不断下降，通过分布更多的连通管，使其分散压力，从而使得整体散热端温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的分布密度越来越大的幅度不断的增加。作为连通管分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的散热端分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9％左右的换热效率。

作为优选，所述每个连通管的直径和长度都相同。

作为优选，所述的散热端3为多个，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的直径越来越大。在数值模拟和实验中发现，沿着流体的流动方向，流体温度越来越高，因此流体吸热能力逐渐下降，散热端散热能力逐渐下降，因此出现了不同位置的散热端的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。本发明通过在集热管的不同位置设置连通管的直径不同，从而使的沿着流体流动方向，散热端的放热能力不断下降，通过分布更多的连通管，使其分散热量，从而使得整体散热端温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的直径越来越大的幅度不断的增加。作为连通管直径的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的散热端分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9％左右的换热效率。

作为优选，所述连通管的分布密度和每根连通管的长度都相同。

作为优选，如图4所示，从上部向下观察，或者在水平面投影上，所述的散热端为多排，其中相邻两排为错列布置；散热端的圆心与相邻排的临近的两个散热端圆心构成等腰三角形，所述散热端的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

通过数值模拟和实验发现，散热端3之间的距离，包括同一排的距离和相邻排之间的距离不能过小，过小会导致散热端分布过多，导致每根散热端的吸热量不足，过大会导致散热端分布太少，导致散热端过热，因此本申请通过大量的数值模拟和实验，总结出来散热端3分布的最优化的分布，使得散热端既不能吸热量不足，又不能吸热量过大。

如图4所示，从上部向下观察，或者在水平面投影上，或者在集箱的上部壁面上，散热端的外径为d，同一排的相邻的散热端圆心之间的距离为S，散热端的圆心与相邻排的临近的两个散热端圆心构成等腰三角形的顶角为A，则满足下面要求：

Sin(A)＝a*(d/S)³-b*(d/S)²+c*(d/S)+e,其中a,b,c,e是参数，满足如下要求：

8.20<a<8.22,6.19<b<6.21；0.062<c<0.063,0.83<e<0.84,0.12<d/S<0.55。

作为优选，a＝8.21,b＝6.20,c＝0.0625,d＝0.835；

作为优选，随着d/S的逐渐变小，a越来越大,b越来越小，c越来越大,e越来越大。

作为优选，15°<A<80°。

进一步优选，20°<A<40°。

进一步优选，0.3<d/S<0.5。

作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，a越来越大,b越来越小，c越来越大,e越来越大。

上述经验公式是通过大量数值模拟和实验得到，而且采取了3阶多项式的形式。通过上述关系式得到的结构，能够进一步实现最优化的散热端结构，而且经过试验验证，误差基本上在2.5％以内，使得误差进一步缩小。

作为优选，集热管管径为400－600毫米，进一步优选为500毫米。

散热端外径d为9－12毫米，进一步优选为11mm。

进一步优选，一种改进的太阳能系统，如图6所示，所述系统包括集热器5、蓄热器41和散热器42、阀门16、阀门14、阀门15、温度传感器17，所述集热器5与蓄热器41连通形成循环回路，集热器5与散热器42连通形成循环回路，蓄热器41和散热器42所在的管路并联，集热器5吸收太阳能，加热集热器5中的水，加热后的水通过出水管路8分别进入蓄热器41和散热器42，在散热器42中进行换热，在蓄热器41中和散热器42中流出的水在经过回水管路17进入集热器5中进行换热。

如图6所示，阀门16设置在出水管上，用于控制进入蓄热器41和散热器42的总的水量，阀门14设置在散热器42所在的管路的入口管16的位置，用于控制进入散热器42的水的流量，阀门15设置在蓄热器41所在的管路的入口管10的位置，用于控制进入蓄热器41的水的流量，温度传感器17设置在散热器42的入口的位置处，用于测量进入散热器42的水的温度。所述中央控制器7与阀门16、阀门14、阀门15、温度传感器17进行数据连接，以便监控阀门16、阀门14、阀门15的开度和温度传感器测量的温度。

优选的，所述中央控制器7与云端服务器数据连接，以便将监控的数据传递给云端服务器，云端服务器与客户端连接，客户端可以通过云端服务器得到监控的各种信息。

优选的，当温度传感器17测量的温度低于一定的温度的时候，中央控制器7控制阀门14加大开度，同时控制阀门15减少开度，以加大进入散热器42的热水的流量来加大散热量。当温度传感器17测量的温度高于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门14减少开度，同时控制阀门15加大开度，以减少进入散热器42的热水的流量来减少散热量。

作为优选，上述运行的模式是自动模式。

作为优选，所述中央控制器7与云端服务器数据连接，以便将监控的阀门14开度、阀门15的开度及进入散热器42的水的温度数据传递给云端服务器，云端服务器与客户端连接，客户端可以通过云端服务器得到监控的数据。

客户端根据得到的数据，可以输入阀门14开度、阀门15的开度的数值，通过云端服务器传递给中央控制器7，通过中央控制器来调节阀门14开度、阀门15的开度。此运行模式为手动模式。

当温度传感器17测量的温度低到一定程度的时候，此时散热器对外换热的能力会变差，无法满足正常的供暖需求，这表明太阳能集热器的集热能力也出现问题，例如太阳光线不是很强，或者晚上没有太阳的时候，此时中央控制器控制阀门16自动关闭，阀门14和阀门15会完全打开，蓄热器41和散热器42所在的管路形成一个循环管路，水进入蓄热器41，蓄热器41存储的热能对进入蓄热器41中水进行加热，加热的水进入散热器42中进行散热。

作为优选，客户端根据得到的温度传感器17测量的温度数据，手动输入指令，传递给云端服务器，然后通过云端服务器传递给中央控制器7，以决定是否关闭阀门16以及是否完全打开阀门14和阀门15。

通过上述的运行，可以在太阳光线强的时候，在满足散热器42的散热能力，即满足用户散热需求以后，将多于的热量通过蓄热器41进行存储，在太阳能集热器5供热能力不足的情况下，利用蓄热器存储的热能加热循环水，以满足散热器42的散热需求。这样可以充分利用太阳能，避免过多的热量的浪费。

作为优选，可以不利用进入散热器42中的水的温度来自动控制水的流量，可以采用测量散热器周边的环境温度，例如，测量散热器的室内温度(通过设置室内温度传感器，室内温度传感器与中央控制器数据连接)来自动控制进入散热器的水的流量，如果室内温度过低，则中央控制器自动调大阀门14的开度，增加进入散热器42的水的流量，如果室内温度过高，中央控制器自动降低阀门14的开度，则减少进入散热器42的水的流量。

作为优选，所述中央控制器7将监控的阀门14开度及室内温度数据传递给云端服务器，云端服务器与客户端连接，客户端可以通过云端服务器得到监控的数据。

客户端根据得到的数据，可以输入阀门14开度的数值，通过云端服务器传递给中央控制器7，通过中央控制器7来手动调节阀门14开度。

当然，作为优选，通过室内温度控制流量的一个前提是温度传感器17测量的温度需要高于一定温度，否则，太阳能集热器的集热能力变差的时候，无论如何增加流量，散热效果都不会很好。

在蓄热器和散热器所在的管路形成一个循环管路的时候，当温度传感器17测量的温度低于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门14加大开度，同时控制阀门15加大开度，以加大进入散热器42的热水的流量来加大散热量。当温度传感器17测量的温度高于一定的温度的时候，中央控制器控制阀门14减少开度，同时控制阀门15减少开度，以减少进入散热器42的热水的流量来加大散热量。此时的阀门14和15的开度保持一致。

客户端根据得到的数据，可以输入阀门14、阀门15开度的数值，通过云端服务器传递给中央控制器7，通过中央控制器7来手动调节阀门14、阀门15开度。

通过这样的控制，能够合理利用蓄热器的热量，避免热量的损失。

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 (2)

1.一种太阳能集热器，包括反射镜和集热管，所述集热管位于反射镜的焦点位置，所述反射镜将太阳能反射给集热管用于加热集热管中的水，其特征在于，集热管内部设置热管，所述热管包括集箱和散热端，所述集箱设置在集热管的底部，所述散热端与集箱连通，所述散热端从集箱上部开始向上延伸，所述散热端为多根，至少两根相邻的散热端之间设置连通管；所述的热管为多个，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的分布密度越来越大；从散热端下部向散热端上部，相邻连通管之间的距离不断增加。

2.如权利要求1所述的太阳能集热器，其特征在于，沿着集热管内流体的流动方向，所述连通管的分布密度越来越大的幅度不断的增加。

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