CN114659278B - 一种太阳能集热管及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能集热管，所述集热管包括翅片、热管和真空集热管，所述热管设置在真空集热管内，传热支撑翅片包括中心空槽、外展翅片、弹性弯折、内收翅片和末端凹槽。翅片与太阳能真空玻璃管及导热热管紧密连接，通过翅片自身弹性力，向外卡住真空玻璃管，中心空槽通过向内压力固定热管，翅片末端凹槽与中心空槽形成自固定。翅片采用铝合金为制作材料，与普通支撑翅片相比，其热阻大幅降低，太阳能利率显著提高。

Description

一种太阳能集热管及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种热管式太阳能集热器中热管的传热与支撑装置，属于太阳能高效利用领域。

背景技术

随着国家双碳目标的提出，太阳能因其可再生性且在使用过不会产生污染物的特性，成为能源利用的焦点。相关测量表明，晴朗天气的太阳辐射量在500W/m2，如何将更加高效的利用太阳能，在减少能源浪费中显得尤为重要。

太阳能集热器是一种将太阳能转化为热能的装置。目前太阳能热水器主要分为两类：一种为依靠真空集热管吸收太阳能加热管内工质，依靠工质上下温差进行自然对流换热；另一种为将真空集热管吸收的太阳能通过翅片传导至内置热管中，通过热管拥有高等效导热系数的特性，将热量传导至集热器上端的集水器中与工质进行换热。

热管式太阳能热水器具有效率高、质量轻、抗冻性强、无漏水漏电等优势，但为提高太阳能吸收量，一般真空玻璃管与热管直径差别较大，需要翅片维持热管在真空玻璃管中的位置固定，同时金属翅片也可将热量由真空玻璃管内表面传导至热管表面上，例如图3所示的翅片。除了图3所示的翅片结构，现有技术中也存在类似的翅片结构，例如CN207317282U，CN201497233U，上述的翅片结构存如下问题：CN207317282U中传热翅片与支撑装置未分体式，在装配时操作难度较高，且传热翅片形状复杂，制作较为困难，成本较高；CN201497233U中形状与图3略有不同，但其传热原理与图3相同，因此热阻值较大，不利于热管对于太阳能的吸收。为实现翅片的批量生产，翅片一般要求仅采用弯折或冲压的方式进行制造，因此设计一种拥有良好导热吸能的热管支撑翅片是必要的。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种导热能力强的热管式太阳能内热管支撑装置的太阳能集热管及其内翅片。

本发明技术方案如下：一种太阳能集热管，所述集热管包括翅片、热管和真空集热管，所述热管设置在真空集热管内，翅片设置在热管和真空集热管之间，所述翅片包括中心空槽、左侧外展翅片、右侧外展翅片、左侧弹性弯折、右侧弹性弯折、左侧内收翅片、右侧内收翅片、左侧末端凹槽和右侧末端凹槽，中心空槽下部开口，开口的两个端部分别连接左侧外展翅片、右侧外展翅片的一端，左侧外展翅片、右侧外展翅片的另一端分别连接左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的一端，左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的另一端分别连接左侧内收翅片、右侧内收翅片的一端，左侧内收翅片、右侧内收翅片的另一端分别连接左侧末端凹槽和右侧末端凹槽；所述中心空槽包覆在热管外壁，中心空槽贴紧真空集热管内壁，左侧内收翅片、右侧内收翅片贴紧并且位于热管上方，所述左侧末端凹槽和右侧末端凹槽包覆在中心空槽外部。

作为优选，左侧外展翅片、右侧外展翅片形成夹角20°～60°。

作为优选，中心空槽直径与所配合使用热管直径比为0.85～0.95。

作为优选，左侧弹性弯折与右侧弹性弯折为圆弧结构。

作为优选，左侧弹性弯折与右侧弹性弯折长度相同且其数值与所配合真空集热管半径比为1.1～1.2。

作为优选，左侧弹性弯折与右侧弹性弯折弧度相同，其弧度值与二分之一中心空槽弧度的比值和真空玻璃管半径与其半径比值相同。

作为优选，左侧内收翅片、右侧内收翅片分别与左侧弹性弯折、右侧弹性弯折切线垂直，且长度相同，其数值为真空玻璃管与热管半径的差值。

太阳能集热管的安装方法，将热管表面涂抹润滑油后插入中心空槽中，进一步将传热支撑翅片一端捏紧使左侧弹性弯折与右侧弹性弯折相触碰，插入真空玻璃管入口，进一步将整根传热支撑翅片与热管一起推入真空玻璃管中，左侧末端凹槽和右侧末端凹槽将自动贴合中心空槽，安装完毕。

一种热管式太阳能传热支撑翅片，所述翅片包括中心空槽、左侧外展翅片、右侧外展翅片、左侧弹性弯折、右侧弹性弯折、左侧内收翅片、右侧内收翅片、左侧末端凹槽和右侧末端凹槽，中心空槽下部开口，开口的两个端部分别连接左侧外展翅片、右侧外展翅片的一端，左侧外展翅片、右侧外展翅片的另一端分别连接左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的一端，左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的另一端分别连接左侧内收翅片、右侧内收翅片的一端，左侧内收翅片、右侧内收翅片的另一端分别连接左侧末端凹槽和右侧末端凹槽。

作为优选，翅片为一层金属板弯折、冲压形成，无需焊接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过四根翅片从不同方向角度的固定，使重力热管在真空玻璃管中位置更加稳定；

2)翅片在安装过程中实现自卡功能，无需人工调整各翅片位置；

3)相较于CN207317282U此类翅片，在安装过程中无需调整翅片角度，翅片各方向向阳时吸热量基本相同；

4)金属导热系数较高，在未增加加工难度与安装难度的前提下，增加翅片数量，提高太阳辐射吸收量。

附图说明

图1为传热支撑翅片配合使用图；

图2为传热支撑翅片结构图；

图3为现有技术中一般结构翅片配合使用图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行补充说明。

图1-2展示了本发明的太阳能集热管及其内翅片结构示意图。如图2所示，一种热管式太阳能传热支撑翅片1，所述传热支撑翅片1包括中心空槽4、左侧外展翅片5、右侧外展翅片6、左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8、左侧内收翅片9、右侧内收翅片10、左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12，中心空槽4下部开口，开口的两个端部分别连接左侧外展翅片5、右侧外展翅片6的一端，左侧外展翅片5、右侧外展翅片6的另一端分别连接左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8的一端，左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8的另一端分别连接左侧内收翅片9、右侧内收翅片10的一端，左侧内收翅片9、右侧内收翅片10的另一端分别连接左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12。

本发明对现有技术的翅片进行了改进，增加了左侧内收翅片9、右侧内收翅片10，同时增加了左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12，通过两侧末端凹槽的自卡功能，增加翅片结构的稳定性，同时增加翅片数量，提高太阳辐射吸收量。

所述翅片1沿着太阳能集热管的纵向轴线延伸。

作为优选，翅片1为一层金属板弯折、冲压形成，无需焊接。所述翅片是一体化制造，制造工艺简单。

图1公开了一种太阳能集热管，所述集热管包括翅片1、热管2和真空集热管3，所述热管2设置在真空集热管3内，翅片1设置在热管2和真空集热管3之间，所述中心空槽4包覆在热管2外壁，左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8贴紧真空集热管3内壁，左侧内收翅片9、右侧内收翅片10贴紧在一起并且位于中心空槽4的相反的一侧，所述左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12包覆在中心空槽外部。所述左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8沿着内壁壁面从左右两个方向延伸到左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8内壁连接点后，左侧内收翅片9、右侧内收翅片10贴近在一起并向着中心空槽4的中心点延伸。

本发明的集热管，因为设置了内翅片，而且内翅片的左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8，沿着内壁壁面从左右两个方向延伸到左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8内壁连接点，从而使得内翅片几乎与整个内壁面积接触，增加了换热面积，从而进一步提高换热效率。

本发明的集热管，因为左侧内收翅片9、右侧内收翅片10贴近在一起并向着中心空槽4的中心点延伸，而且因为所述左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12包覆在中心空槽外部，除了进一步增加换热面积，提高换热效率，还增加了翅片对热管的支撑力度，提高了中心热管的稳固性。增加了两侧内收翅片，大幅提升了真空玻璃管内壁向热管的热量传输。

真空集热管3为真空玻璃管。

进一步，中心空槽4下部开口大小是所配合使用热管2周长的0.05～0.15，在与热管2配合过程中保证配合紧密，减少空气热。

进一步，左侧外展翅片5、右侧外展翅片6的延长线经过中心空槽4中心轴。通过经过圆心，能够使得热量向中心传递，提高传热效率。

进一步，左侧外展翅片5、右侧外展翅片6形成夹角20°～60°。优选是30-40°。形成上述选择的夹角有利于提高翅片支撑稳定性，同时可以降低对加工精度的需求。

保证传热支撑翅片1在配合过程中存在松弛度，左侧外展翅片5、右侧外展翅片6长度相同，其数值为真空玻璃管3与热管2半径的差值。

进一步，左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8为圆弧结构，其圆心在中心空槽4中心轴线上，左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8长度相同且其数值与所配合真空玻璃管3半径比为1.1～1.2，保证在于真空玻璃管3配合过程中保证配合紧密，减少空气热阻，左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8弧度相同，其弧度值与二分之一中心空槽4弧度的比值和真空玻璃管3半径与其半径比值相同，即假设真空玻璃管3半径为22mm，左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8半径为25mm，中心空槽4弧度为330°，左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8弧度为x，则

x＝145.2°，以保证在配合之后左侧内收翅片9与右侧内收翅片10相触碰，使传热支撑翅片1在真空玻璃管3结构更加稳定。

进一步，左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8与左侧内收翅片9、右侧内收翅片10连接处的切线分别与左侧弹性弯折7、右侧弹性弯折8垂直，且长度相同，其数值为真空玻璃管3与热管2半径的差值；该角度下保证两侧内收翅片平行紧靠，平衡两侧弹性弯折所施加的压力，保证翅片总体结构稳定。

进一步，左侧末端凹槽11、右侧末端凹槽12与左侧内收翅片9、右侧内收翅片10连接处的切线分别与左侧内收翅片9、右侧内收翅片10垂直，且弧度值、半径均相同，其弧度值为中心空槽4的二分之一，其半径与热管2半径相同；使两侧凹槽能与中心空槽完全贴合，增加传热效率。

进一步，传热支撑翅片1通过一张铝合金板弯折冲压制作，表面涂黑，且其长度与真空玻璃管3内部空间长度即热管2蒸发段长度相同，翅片的厚度为0.2～0.3mm。

进一步，传热支撑翅片1在配合安装过程：将热管2表面涂抹润滑油后插入中心空槽4中，进一步将传热支撑翅片1一端捏紧使左侧弹性弯折7与右侧弹性弯折8相触碰，插入真空玻璃管3入口，进一步将整根传热支撑翅片1与热管2一起推入真空玻璃管3中，左侧末端凹槽11和右侧末端凹槽12将自动贴合中心空槽4，安装完毕。上述安装方式简单，节省成本，翅片在安装过程中实现自卡功能，无需人工调整各翅片位置。

作为对比计算，选择常见支撑翅片13与本发明进行设计工况下的传热对比，假设真空玻璃管3内壁面温度为100℃，内径为44mm，热管2蒸发段表面温度为40℃，外径为8mm，两种翅片均选择0.25mm铝合金板一体化制作，根据傅里叶导热定律及辐射传热计算公式分别计算空气导热、翅片导热以及翅片辐射量得：

本发明每米总热阻为0.11℃/W，常见支撑翅片每米总热阻为0.24℃/W，热阻大幅降低，导热系数显著提高。

本发明还对上述的热管式太阳能传热支撑翅片1的结构进行了优化，通过大量的仿真实验确定了最佳的参数关系。

翅片1的总长度：L

中心空槽直径：d1

热管外径：d2

真空玻璃管内径：d3

左侧外展翅片、右侧外展翅片形成夹角：α

通过上述的优化关系，可以使得太阳能集热管在相同厚度、四翅片等效传热量的前提上，保证以较短的耗材，采用弯折、冲压的加工方式，达到最高的结构强度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳能集热管，所述集热管包括翅片、热管和真空集热管，所述热管设置在真空集热管内，翅片设置在热管和真空集热管之间，其特征在于，所述翅片包括中心空槽、左侧外展翅片、右侧外展翅片、左侧弹性弯折、右侧弹性弯折、左侧内收翅片、右侧内收翅片、左侧末端凹槽和右侧末端凹槽，中心空槽下部开口，开口的两个端部分别连接左侧外展翅片、右侧外展翅片的一端，左侧外展翅片、右侧外展翅片的另一端分别连接左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的一端，左侧弹性弯折、右侧弹性弯折的另一端分别连接左侧内收翅片、右侧内收翅片的一端，左侧内收翅片、右侧内收翅片的另一端分别连接左侧末端凹槽和右侧末端凹槽；所述中心空槽包覆在热管外壁，中心空槽贴紧真空集热管内壁，左侧内收翅片、右侧内收翅片贴紧并且位于热管上方，所述左侧末端凹槽和右侧末端凹槽包覆在中心空槽外部。

2.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，左侧外展翅片、右侧外展翅片形成夹角20°~60°。

3.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，中心空槽的直径与所配合使用热管直径比为0.85~0.95。

4.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，左侧弹性弯折与右侧弹性弯折为圆弧结构。

5.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，左侧弹性弯折与右侧弹性弯折长度相同且其数值与所配合真空集热管半径比为1.1~1.2。

6.如权利要求1所述的太阳能集热管，其特征在于，左侧内收翅片、右侧内收翅片分别与左侧弹性弯折、右侧弹性弯折切线垂直，且长度相同，其数值为真空集热管与热管半径的差值。

7.如权利要求1所述的一种太阳能集热管的安装方法，其特征在于，将热管表面涂抹润滑油后插入中心空槽中，进一步将翅片一端捏紧使左侧弹性弯折与右侧弹性弯折相触碰，插入真空集热管入口，进一步将整根翅片与热管一起推入真空集热管中，左侧末端凹槽和右侧末端凹槽将自动贴合中心空槽，安装完毕。

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