CN112212522A - 一种夜间除垢的太阳能集热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种夜间除垢的太阳能集热装置，包括集热管箱、左上管、右上管和放热管组，集热管箱包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左上管，右放热管组的出口连接右上管；所述第一出口和第二出口设置在集热管箱一侧；在集热管箱内设置电加热器，电加热器在晚上运行，电加热器是采取间歇式的加热方式即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。本发明一方面辅助太阳能集热装置晚上进行加热，另一方面通过电加热器的运行使得集热管进行持续的振动从而进行除垢工作。

Description

一种夜间除垢的太阳能集热装置

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能集热器系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10 ¹⁸ kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利 用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

针对集热器的结构，现有技术已经进行了很多的研发和改进，但是整体来说集热能力不足，而且还存在运行时间长容易结垢问题，影响集热效果。

无论哪种形式和结构的太阳能集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，集热器的结构对太阳能的吸收起到重要的作用。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的环路热管太阳能集热系统化，从而解决热管换热量低及其换热不均匀的问题。

在应用中发现，太阳能持续集热加热或者晚上不加热会导致内部流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致换集热管振动性能大大减弱，从而影响集热管的除垢以及加热的效率。因此需要对上述太阳能集热器进行改进。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种新式结构的集热装置。该集热装置能够提高白天进行集热，晚上进行辅助加热和除垢的操作，提高了热利用效果和除垢效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集热装置，所述集热装置包括位于下部的集热管箱、左上管、右上管和放热管组，左上管、右上管位于集热管箱的上部，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组，左放热管组与左上管和集热管箱相连通，右放热管组与右上管和集热管箱相连通，从而使得集热管箱、左上管、右上管和放热管组形成加热流体封闭循环，所述放热管组为一个或多个，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；集热管箱包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左上管，右放热管组的出口连接右上管；其特征在于，在集热管箱内设置电加热器，电加热器在晚上运行，电加热器是采取间歇式的加热方式即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。

作为优选，所述左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的中部对称。

作为优选，所述左放热管组的放热管是以左上管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右上管的轴线为圆心分布。

作为优选，左上管21的中心与右上管22的中心之间的距离为M，左上管21的管径、右上管22的半径相同，为B，放热管中最内侧放热管的轴线的半径为N1,最外侧放热管的轴线的半径为W2,则满足如下要求：

N1/W2=a*Ln(B/M)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.5788<a<0.6002，1.6619<b<1.6623；作为优选，a＝0.5790， b＝1.6621。

作为优选，35<B<61mm；230<M<385mm；69<N1<121mm，119<W2<201mm。

作为优选，放热管组的放热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<N1/W2<0.62；0.154<B/M<0.166。

作为优选，0.57<N1/W2<0.61；0.158<B/M<0.162。

作为优选，集热箱体底部的中点与左上管21、右上管22圆心之间形成的夹角A为40－100度（角度），优选为60度（角度）。

作为优选，放热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过电加热器晚上在周期内间歇式的换热，能够实现放热管组周期性的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及换热效果。

2、本发明将换热管周期性不断增加加热功率以及降低加热功率，使得加热流体受热后会产生体积不停的处于变化状态中，诱导换热管自由端产生振动，从而强化传热。

3、本发明提出了新式结构的集热装置，该集热装置能够提高集热效果，提高集热管的放热能力，减小能量的耗费。

4、一种新式结构的集热装置，通过在有限的空间设置更多的放热管组，增加管束的振动范围，从而强化传热，增强除垢。

5、本发明通过流体流动方向上的放热管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高换热效率。

6、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了集热装置的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

附图说明：

图1为本发明集热装置的主视图。

图2为本发明集热系统的主视图。

图3是本发明图1集热装置的左侧观测视图。

图4是本发明图1集热装置的底部观察视图。

图5是本发明集热装置放热管组错列布置结构示意图。

图6是集热装置尺寸结构示意图。

图7是热源间隙式加热的坐标示意图。

图8是热源周期性增加以及降低加热功率坐标示意图。

图9是热源周期性增加以及降低加热功率的另一个实施例坐标示意图。

图10是热源加热功率线性变化的坐标示意图。

图中：1、放热管组，左放热管组11、右放热管组12、左上管21，22、右上管，3、自由端，4、自由端，5、自由端，6、自由端，7、放热管，8、集热管箱，9、电加热器，10第一管口， 13第二管口，左回流管14，右回流管15，16反射镜，17支撑件，箱体18。

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。

如图1所示，一种集热装置，包括集热管箱8、左上管21、右上管22和放热管组1，所述放热管组1包括左放热管组11和右放热管组12，左放热管组11与左上管21和集热管箱8相连通，右放热管组12与右上管22和集热管箱8相连通，从而使得集热管箱8、左上管21、右上管22和放热管组1形成加热流体封闭循环，集热管箱8内填充相变流体，每个放热管组1包括圆弧形的多根放热管7，相邻放热管7的端部连通，使多根放热管7形成串联结构，并且使得放热管7的端部形成放热管自由端3-6；集热管箱8包括第一管口10和第二管口13，第一管口10连接左放热管组11的入口，第二管口13连接右放热管组12的入口，左放热管组11的出口连接左上管21，右放热管组12的出口连接右上管22；所述第一管口10和第二管口13设置在在集热管箱8一侧。

作为优选，左放热管组11和右放热管组12沿着集热管箱的中间位置对称。

作为优选，左上管21、右上管22和放热管组1设置在箱体18内，箱体18中设置流动的流体，所述流体优选是空气或者水。

作为优选，所述左上管21、右上管22与集热管箱8沿着水平方向延伸。

作为优选，流体沿着水平方向流动。

作为优选，沿着左上管21、右上管22与集热管箱8水平方向延伸上设置多个放热管组1，所述放热管组1之间是并联结构。

作为优选，所述左上管21与集热管箱8之间设置左回流管14，所述右上管22与集热管箱8之间设置右回流管14。作为优选，所述回流管设置在集热管箱8的两端。

集热管箱8内填充相变流体，优选是汽液相变流体。所述流体在集热管箱8进行加热蒸发，沿着放热管束向左上管21、右上管22流动，流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导放热管自由端产生振动，换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至箱体18内的换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。流体在左右上管冷凝放热后又通过回流管回流到集热管箱。

本发明通过对现有技术进行改进，将上管和放热管组分别设置为左右分布的两个，使得左右两侧分布的放热管组都能进行振动换热除垢，从而扩大换热振动的区域，越能够使的振动更加均匀，换热效果更加均匀，增加换热面积，强化换热和除垢效果。、

上述结构已经进行了专利申请，本申请是对上述结构进行进一步改进，增强除垢以及换热效果。

在太阳能集热器的运行中，虽然上述结构具有弹性振动除垢效果，但是长时间运行发现除垢效果需要进一步改进。

研究以及实践中发现，持续性的稳定性的集热会导致内部换热部件的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致放热管组1振动性能大大减弱，从而影响管组1的除垢以及加热的效率。例如白天持续的集热，或者晚上持续不集热，导致除垢效果下降，因此需要对上述集热装置进行如下改进。

作为一个改进，在集热管箱8内设置电加热器9。通过电加热器在晚上运行，一方面辅助太阳能集热装置晚上进行加热，另一方面通过电加热器的运行使得集热管进行持续的振动从而进行除垢工作。

作为一个优选，电加热器9是采取间歇式的加热方式即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。优选加热的时间是不加热的时间的3倍。

作为优选，中部电加热器9采用电加热方式。

如图7所示，在一个周期时间T内，集热管箱8的电加热器9的加热功率P变化规律如下：

0-3T/4，即四分之三个周期内,P＝n，其中n为常数数值，单位为瓦（W），即加热功率保持恒定；

3T/4-T的四分之一个周期内,P=0。即电加热器9不加热。

优选T是50－80分钟。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为一个优选，所述电加热器9设置为多个,每个电加热器9独立控制,随着时间的变化,电加热器9启动的数量进行周期性变化。

作为一个优选，电加热器9为n个，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，启动一个电加热器9，直到3T/4时间电加热器9全部启动，然后再每隔T/4n的时间，关闭一个电加热器9，直到T时间电加热器9全部关闭。

作为优选，每个电加热器加热功率都相同。关系图如图8所示。

通过上述的时间变化性的进行加热，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，沿着集热管箱8长度方向电加热器9设置为多段，每段独立控制，随着时间的变化，在周期前段时间内，电加热器的沿着箱体18内流体流动方向相反方向依次启动，直到全部段都启动，然后从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

作为优选，在四分之三个周期3T/4内，电加热器的沿着箱体18内流体流动相反方向依次启动，直到全部段都启动，然后在后面的四分之一个周期T/4内，从流体流动方向开始依次关闭，直到周期结束，全部段关闭。

即假设电加热器为n段，则在一个周期T内，每隔3T/4n的时间，从箱体18内流体流动相反方向开始启动一个段，直到3T/4时间所有段全部启动，然后再每隔T/4n的时间，从流体流动方向开始，关闭一个段，直到T时间全部段关闭。

作为优选，每个段加热功率都相同。

通过电加热器沿着流体流动方向逐渐启动，可以使得后端加热温度高，形成类似逆流效果，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，所述电加热器9为多个，每个电加热器9功率不同，可以一个或者多个组合形成不同的加热功率，在周期的前段时间（优选是四分之三个周期）内,按照时间循序，先是单个电加热器9启动，单个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再启动两个电加热器9，两个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立启动，然后再逐渐增加电加热器9启动的数量，如果数量为n，则n个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立启动；直到最后所有的电加热器9启动，保证所述换热部件的加热功率依次增加。在周期的后段时间（优选是四分之一个周期）内，先是单个电加热器9不启动，单个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再不启动两个电加热器9，两个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立不启动，然后再逐渐增加换热部件不启动的数量，如果数量为n，则n个电加热器9按照加热功率依次增加的顺序独立不启动；直到最后所有的电加热器9不启动，保证所述电加热器9的加热功率依次降低。

例如所述电加热器9为三个，分别是第一电加热器9D1、第二电加热器9D2和第三电加热器9D3，加热功率分别为P1，P2和P3，其中P1<P2<P3，P1+P2>P3；即其中第一电加热器9、第二电加热器9之和大于第三电加热器9，按照时间顺序依次启动第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三，在剩下的周期时间内不启动的顺序是第一，第二，第三，第一加第二，第一加第三，第二加第三，然后是第一第二第三。

通过电加热器9逐渐增加减少加热功率，进一步促进流体的流动，增加弹性振动效果。通过上述的时间变化性的加热功率的变化，可以使得流体在弹性管束内频繁的蒸发膨胀以及收缩，从而不断的带动弹性管束的振动，从而能够进一步实现加热效率以及除垢操作。

作为优选，在周期前段时间内，电加热器9的加热功率是线性增加的，周期后段时间内，换热部件的加热功率是线性减少的，参见附图9。

作为优选，线性增加的增长幅度小于线性减小的增长幅度。

作为优选，电加热器9是电加热器。

通过输入电流或电压的变化实现加热功率的线性变化。

通过设置多个电加热器，实现电加热器的逐渐数量增加的启动，实现线性变化。

作为优选，周期是50－300分钟，优选50－80分钟。

作为优选，所述左放热管组的放热管是以左上管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右上管的轴线为圆心分布。通过将左右上管设置为圆心，可以更好的保证放热管的分布，使得振动和加热均匀。

作为优选，所述左放热管组、右放热管组均为多个。

作为优选，左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的竖直方向轴心所在的面镜像对称。通过如此设置，能够使得换热的放热管分布更加合理均匀，提高换热效果。

作为优选，集热管箱8是扁平管结构。通过设置扁平管结构使得吸热面积增加。使得即使安装位置有点偏移，也能保证集热管箱8位于反射镜焦点位置处。

作为优选，左放热管组21和右放热管组22在水平延伸方向上错列分布，如图5所示。通过错列分布，能够使得在不同长度上进行振动放热和除垢，使得振动更加均匀，强化换热和除垢效果。

作为优选，集热装置下部设置反射镜16，所述集热管箱位于反射镜16的焦点位置处，所述左放热管组和右放热管组位于流体通道中。从而形成一种太阳能集热系统。

作为优选，包括支撑件17，支撑件17支撑集热装置。

作为优选，包括流体通道，流体在流体通道内流动。如图2所示，所述集热管箱8位于流体通道下端，如图2所示。左上管21、右上管22、左放热管组11和右放热管组12设置在流体通道内，通过放热加热流体通道内的流体。

作为优选，流体的流动方向与左上管21、右上管22与集热管箱8延伸的方向相同。通过如此设置，使得流体在流动的时候冲刷房热管组，尤其是放热管组自由端，从而使得自由端振动，从而强化传热，达到除垢的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述放热管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组2（例如同一侧（左侧或者右侧））的管径不断变大。

沿着流体的流动方向，流体温度不断的提高，从而使得换热温差不断的减小，换热能力越来越弱。通过放热管组的管径变大，可以保证更多的蒸汽通过上部进入放热管组，保证沿着流体流动方向，因为蒸汽量大以及振动效果好，从而使得整体换热均匀。所有放热管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组（例如同一侧（左侧或者右侧））的放热管管径不断变大的幅度不断的增加。

通过如此设置，避免流体都在前部进行换热，而使的尽量换热向后部增加，从而形成类似逆流的换热效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述同一侧（左侧或者右侧）放热管组设置为多个，从上向下方向，同一侧（左侧或者右侧）相邻放热管组的间距不断变小。具体效果类似前面的管径变化的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，同一侧（左侧或者右侧）放热管组之间的间距不断变小的幅度不断的增加。具体效果类似前面的管径变化的效果。

在试验中发现，左上管21、右上管22的管径、距离以及放热管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大，则换热效率太差，放热管之间的距离太小，则放热管分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端的振动会产生影响，从而影响换热。因此左上管21、右上管22的管径、距离以及放热管的管径具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

左上管21的中心与右上管22的中心之间的距离为M，左上管21的管径、右上管22的半径相同，为B，放热管中最内侧放热管的轴线的半径为N1,最外侧放热管的轴线的半径为W2,则满足如下要求：

N1/W2=a*Ln(B/M)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.5788<a<0.6002，1.6619<b<1.6623；作为优选，a＝0.5790， b＝1.6621。

作为优选，35<B<61mm；230<M<385mm；69<N1<121mm，119<W2<201mm。

作为优选，放热管组的放热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<N1/W2<0.62；0.154<B/M<0.166。

作为优选，0.57<N1/W2<0.61；0.158<B/M<0.162。

作为优选，集热箱体底部的中点与左上管21、右上管22圆心之间形成的夹角A为40－100度（角度），优选为60度（角度）。

作为优选，放热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

作为优选，自由端3、4的端部之间以左集箱的中心轴线为圆心的弧度为95－130角度，优选120角度。同理自由端5、6和自由端3、4的弧度相同。通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

作为优选，放热管组1的管束是弹性管束。

通过将放热管组1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

所述放热管组1为多个，多个放热管组1为并联结构。

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 (3)

1.一种集热装置，所述集热装置包括位于下部的集热管箱、左上管、右上管和放热管组，左上管、右上管位于集热管箱的上部，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组，左放热管组与左上管和集热管箱相连通，右放热管组与右上管和集热管箱相连通，从而使得集热管箱、左上管、右上管和放热管组形成加热流体封闭循环，所述放热管组为一个或多个，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；集热管箱包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左上管，右放热管组的出口连接右上管；其特征在于，在集热管箱内设置电加热器，电加热器在晚上运行，电加热器是采取间歇式的加热方式即先加热一段时间，然后停止加热一段时间，然后再进行加热，不停地循环。

2.如权利要求1所述的集热装置，其特征在于，所述左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的中部对称。

3.一种换热装置，所述换热装置包括位于下部的集热管箱、左上管、右上管和放热管组，左上管、右上管位于集热管箱的上部。

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