CN110358507A - 一种用于集热管的换热工质及该集热管和灌注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于集热管的换热工质及该集热管和灌注方法。所述换热工质包括液体工质和均匀分散在液体工质中的固体纳米颗粒，形成固液混合的悬浊液。所述集热管包括冷凝端、环封口、真空夹层、罩玻璃管、内管、吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层、选择性吸收涂层和换热工质。所述灌注方法包括采用真空排气灌注法将固液混合的换热工质从冷凝端灌注进内管内腔后，将集热管进行周期性的旋转和翻转。本发明的换热工质应用于全玻璃热管式真空太阳集热管，能够有效提前集热管的启动时间，提高集热管的启动性能，从而大幅提高集热和换热性能。

Description

一种用于集热管的换热工质及该集热管和灌注方法

技术领域

本发明涉及一种用于集热管的换热工质及该集热管和灌注方法，特别涉及一种用于全玻璃热管式真空太阳集热管的固液混合状态的换热工质及该集热管和灌注方法，属于太阳能热利用领域。

背景技术

太阳能热水系统越来越得到社会的认可。2013年全玻璃真空管热水系统总销量为5706万平方米。因此，作为太阳能热水系统的核心元件——全玻璃真空太阳集热管也得到了快速的发展。目前，全玻璃真空太阳集热管仍然以双层同轴全玻璃真空太阳集热管为主，但因管中有水，依靠对流换热等因素，在实际使用中存在着诸多问题。为此，经过不断的努力，行业内技术人员成功的开发了全玻璃热管式真空太阳集热管，实现了由管中有水的对流换热向管中无水的高效相变换热技术发展。但由于诸多因素的限制，全玻璃热管式真空太阳集热管还没有为市场所认可，主要问题在于集热管的热性能和安全性不足。其中主要因素与全玻璃热管式真空太阳集热管的工质及工质量的选择有关。因此，选择合适的换热工质，是解决全玻璃热管式真空太阳集热管热性能和可靠性的关键因素之一。

发明内容

为了提高全玻璃热管式真空太阳集热管的热性能和安全性，本发明提出了一种用于全玻璃热管式真空太阳集热管的换热工质，包括液体工质和均匀分散在液体载体中的固体纳米颗粒，形成固液混合的悬浊液。

优选的，所述液体工质选自去离子水、无水乙醇、硫酸、盐酸、氨水、丙酮、硫酸铜溶液、氯化钙溶液、溴化锂溶液其中之一或其组合。

优选的，所述液体工质为重量比为3:7的无水乙醇和去离子水的混合物。

优选的，所述固体纳米颗粒选自一氧化硅、二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛、氧化铜。

优选的，所述固体纳米颗粒为二氧化硅。

优选的，所述固体纳米颗粒的粒径不大于50nm。

优选的，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的1～30％；优选的，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的2～7％；更优选的，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的5％。

相应的，本发明还提出了包括本发明的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管，包括冷凝端、环封口、真空夹层、罩玻璃管、内管、吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层、选择性吸收涂层和换热工质，其中：

所述内管的底部为圆头形状，所述罩玻璃管的底部为圆尖头形状，所述内管被所述罩玻璃管包围，中间形成所述真空夹层，并被所述环封口所封闭，所述冷凝端为所述环封口顶部熔封出的一封闭段，为圆头形状；

所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层涂覆在所述内管的内壁；

所述选择性吸收涂层涂覆在所述内管与所述罩玻璃管的中间，用于吸收太阳辐射；

所述换热工质填充在所述内管中。

优选的，所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层的厚度不大于1微米。

优选的，所述换热工质的体积占所述内管的腔体体积的1～20‰。

优选的，所述真空夹层内还设置有环形支撑件。

优选的，所述真空夹层内还设置有吸气剂镜面及非蒸散型吸气剂，所述吸气剂镜面设置在所述真空夹层的底部圆头处，所述吸气剂负载于所述吸气剂镜面上。

相应的，本发明还提出了向本发明的集热管中灌注本发明的换热工质的灌注方法，包括采用真空排气灌注法将固液混合的换热工质从冷凝端灌注进内管内腔后，将集热管进行周期性的旋转和翻转，以保证固液混合的换热工质能够流过全玻璃热管式真空太阳集热管内管的内表面，形成固液膜，并最终经受热蒸发固化形成吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层，部分固液混合的换热工质则流到集热管的内管底部。

因此，本发明集热管的主要形成过程为：固液混合的换热工质的灌注——换热工质在内管内表面形成固液膜，部分换热工质流到内管底部——固液膜中的液体工质受热蒸发——固体纳米颗粒受热固化，在内管内表面形成吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层(亲水性吸液膜)——内管底部形成固液混合的换热工质——即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)对于现有技术中的全玻璃热管式真空太阳集热管而言，其在启动前换热工质全部流回到内管底部，由于吸气剂遮挡的因素，使全玻璃热管式真空太阳集热管的启动速度很慢，启动时间延后。而本发明通过采用固液混合的换热工质，当全玻璃热管式真空太阳集热管接受太阳光时，将太阳光能转化为热能，首先加热附着在内管内表面上的固液混合的换热工质，液体工质随之蒸发，流向集热管的冷凝端，经冷凝后回流，而存留在内管内表面的固体纳米颗粒则在高温作用下固化到集热管内管内表面，形成多孔状结构，对回流的液体工质形成有效的阻拦和留存作用，从而可以提前全玻璃热管式真空太阳集热管的启动时间，提高集热管的启动性能；另一方面，流到集热管底部的固液混合的换热工质内由于存有固体纳米颗粒，部分固体纳米颗粒附着在集热管底部，使换热工质更容易吸收热量从而沸腾汽化，进一步使集热管的启动时间提前，大幅提高全玻璃热管式真空太阳集热管的集热和换热性能。

(2)在空晒条件下，全玻璃热管式真空太阳集热管内会产生200～300℃的高温，在此温度条件下，液体工质会大量汽化后产生过大的压力，易造成集热管受压爆炸，破碎，不仅丧失了使用性能，甚至可能存在危险。为此，需要严格控制换热工质的体积不高于内管的腔体体积的20‰，以保证基本的安全性能，但不低于1‰，以保证基本的集热和换热性能。

(3)本发明采用真空排气灌注法向全玻璃热管式真空太阳集热管中灌注换热工质。由于固液混合的换热工质以纳米悬浊液态存在，不会对灌注设备有较大的影响。当换热工质灌注到内管中时，在集热管生产、包装、运输、安装和使用过程，一部分换热工质会在集热管内管内表面形成液膜，部分换热工质则流道集热管的底部。

附图说明

图1为采用本发明的固液混合的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管A；

图2为采用本发明的固液混合的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管B。

[符号说明]

1——冷凝端；2——环封口；3——真空夹层；4——罩玻璃管；5——内管；6——吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层；7——选择性吸收涂层；8——支撑件；9——换热工质；10——吸气剂镜面；11——吸气剂。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

如图1所示，为采用本发明的固液混合的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管A，该集热管主要由冷凝端1、环封口2、真空夹层3、罩玻璃管4、内管5、吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6、选择性吸收涂层7、支撑件8、换热工质9、吸气剂镜面10、吸气剂11等部分组成，所述内管5的底部为圆头形状，所述罩玻璃管4的底部为圆尖头形状，所述内管5被所述罩玻璃管4包围，中间形成所述真空夹层3，并被所述环封口2所封闭，所述冷凝端1为所述环封口2顶部熔封出的一封闭段，为圆头形状，所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6涂覆在所述内管5的内壁，所述选择性吸收涂层7涂覆在所述内管5与所述罩玻璃管4的中间，所述换热工质9填充在所述内管5中，所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6的厚度为1微米，所述换热工质9的体积占所述内管5的腔体体积的15‰，所述真空夹层3内设置有环形支撑件8，所述真空夹层3内设置有吸气剂镜面10及非蒸散型吸气剂11，所述吸气剂镜面10设置在所述真空夹层3的底部圆头处，所述吸气剂11负载于所述吸气剂镜面10上。

所述换热工质9为固液混合的悬浊液，包括液体工质和均匀分散在液体工质中的固体纳米颗粒，所述液体工质为质量比为3:7的无水乙醇和去离子水的混合物，所述固体纳米颗粒为粒径为50nm的二氧化硅，质量为所述液体工质的5％。

所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6和所述换热工质9是通过以下方法形成：采用真空排气灌注法将固液混合的换热工质9从冷凝端1灌注进内管内腔后，将集热管进行周期性的旋转和翻转，以保证固液混合的换热工质9能够流过全玻璃热管式真空太阳集热管内管5的内表面，形成固液膜，并最终经受热蒸发固化形成吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6，部分固液混合的换热工质9则流到集热管的内管底部。

实施例2

如图2所示，为采用本发明的固液混合的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管B，其与实施例1中集热管A的区别在于，冷凝端1的直径和罩玻璃管4的直径相同。

对比例1

本对比例1制备全玻璃热管式真空太阳集热管A1，其与实施例1中的集热管A相比，所灌注的换热工质不包括固体纳米颗粒，因此本集热管A1不包括吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6。

对比例2

本对比例2制备全玻璃热管式真空太阳集热管A2，其与实施例1中的集热管A相比，在灌注换热工质时不对集热管进行周期性的旋转和翻转，因此本集热管A2不包括吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层6。

实验例1

在17MJ/m²光照条件下分别对实施例1、对比例1和对比例2各20件集热管进行启动时间及日有用得热量测试，测试结果如表1所示。

表1

由上述实验数据可见：

(1)本发明集热管的启动时间比普通全玻璃热管式真空太阳能集热管提前约30分钟启动，即本发明集热管的冷凝段温度比普通全玻璃热管式真空太阳能集热管提前约30分钟显示温升变动。其主要原因在于，普通全玻璃热管式真空太阳能集热管工质全部在集热管底部，因吸气剂遮挡而延迟启动；而本发明集热管中的部分液体工质附着在集热管内管内表面的固体纳米颗粒涂层6内，很容易受热启动。

(2)本发明的集热管工作时，在相同的辐照条件下，得热量比普通全玻璃热管式真空太阳能集热管提高约10％-20％。其主要原因在于，普通全玻璃热管式真空太阳能集热管的工质在冷凝段冷凝后，很容易再次流回集热管底部；而本发明集热管的工质在冷凝段冷凝后因集热管内管内表面的固体纳米颗粒涂层6的吸附作用，而阻滞热管工质流回底部，实现工质和内管的充分换热。

Claims (10)

1.一种用于全玻璃热管式真空太阳集热管的换热工质，包括液体工质和均匀分散在液体工质中的固体纳米颗粒，形成固液混合的悬浊液。

2.根据权利要求1所述的换热工质，其特征在于，所述液体工质选自去离子水、无水乙醇、硫酸、盐酸、氨水、丙酮、硫酸铜溶液、氯化钙溶液、溴化锂溶液其中之一或其组合；优选的，所述液体工质为重量比为3:7的无水乙醇和去离子水的混合物。

3.根据权利要求1所述的换热工质，其特征在于，所述固体纳米颗粒选自一氧化硅、二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛、氧化铜；优选的，所述固体纳米颗粒为二氧化硅；优选的，所述固体纳米颗粒的粒径不大于50nm。

4.根据权利要求1所述的换热工质，其特征在于，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的1～30％；优选的，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的2～7％；更优选的，所述固体纳米颗粒的重量占所述液体工质重量的5％。

5.包括如权利要求1所述的换热工质的全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于，包括冷凝端、环封口、真空夹层、罩玻璃管、内管、吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层、选择性吸收涂层和换热工质，其中：

所述内管的底部为圆头形状，所述罩玻璃管的底部为圆尖头形状，所述内管被所述罩玻璃管包围，中间形成所述真空夹层，并被所述环封口所封闭，所述冷凝端为所述环封口顶部熔封出的一封闭段，为圆头形状；

所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层涂覆在所述内管的内壁；

所述选择性吸收涂层涂覆在所述内管与所述罩玻璃管的中间；

所述换热工质填充在所述内管中。

6.根据权利要求5所述的集热管，其特征在于，所述吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层的厚度不大于1微米。

7.根据权利要求5所述的集热管，其特征在于，所述换热工质的体积占所述内管的腔体体积的1～20‰。

8.根据权利要求5所述的集热管，其特征在于，所述真空夹层内还设置有环形支撑件。

9.根据权利要求5所述的集热管，其特征在于，所述真空夹层内还设置有吸气剂镜面及非蒸散型吸气剂，所述吸气剂镜面设置在所述真空夹层的底部圆头处，所述吸气剂负载于所述吸气剂镜面上。

10.向如权利要求5所述的集热管中灌注如权利要求1所述的换热工质的灌注方法，其特征在于，包括采用真空排气灌注法将固液混合的换热工质从冷凝端灌注进内管内腔后，将集热管进行周期性的旋转和翻转，以保证固液混合的换热工质能够流过全玻璃热管式真空太阳集热管内管的内表面，形成固液膜，并最终经受热蒸发固化形成吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层，部分固液混合的换热工质则流到集热管的内管底部。