CN201779883U - 一种热管式平板集热器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及太阳能热利用装置领域内的一种热管式平板集热器，包括框架，框架内底部设有保温层和底板，框架内设有上循环集管和下循环集管，上、下循环集管之间经带吸热翅片的集热管相连通，集热管及其吸热翅片表面设有太阳能吸热涂层，框架上表面设有玻璃盖板，上循环集管中设置有换热管，换热管至少一端穿出上循环集管，并在穿出处与上循环集管密封连接，上循环集管和换热管内的空间相隔离，上循环集管、下循环集管、集热管所封闭的空间内装有热管介质，上循环集管和下循环集管之间还设有至少一根热管介质回流管。工作时，热管介质在集热器内相对有序流动，换热循环有序高效地进行，使集热器有效得热量得到提高，大大扩展了使用的范围。

Description

一种热管式平板集热器
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能热利用装置，特别涉及一种集热器。
背景技术
现有技术中，有一种热管平板式太阳能集热器，其专利号为：CN200410044821.1，其结构主要包括上循环集管、下循环集管，所述上循环集管、下循环集管之间由若干集热管相连通，集热管两侧设有集热翅片，所述上循环集管内设有至少一根换热管，换热管的首端和尾端伸出于上循环集管外；上循环集管、下循环集管和集热管所封闭的空间内装有热管介质液体。本实用新型使用时，利用热管介质液体的汽液两相变化时的潜热传递热能，装置内部不结垢、热效率高，冬天不会冻裂；该装置扩展了能够安全使用的地域和每年安全使用的时间，甚至可以在不少寒冷地区全年安全运行，不仅适用于高温地区，也适用于低温地区。其不足之处在于：在日光照射时，集热管和吸热翅片吸热并将热能传递给集热管内呈液态的热管介质，热管介质液体受热后汽化上升，进入上循环集管，在上循环集管内遇到换热管，换热后热管介质便从气体变为液体，经集热管回流到下循环集管，完成一次换热循环，问题在变为液体的热管介质要从集热管向下回流，而经吸热翅片吸热将集热管中的热管介质加热后变成的气体是向上流动的，每时每刻都有向上的气体与下行液体一定的冲突与干扰，影响集热效果。此外，集热管的吸热效率本身也不够高。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的缺陷，提出一种热管式平板集热器，使其吸热效率提高。
为实现上述目标，本实用新型的技术方案如下：一种热管式平板集热器，包括框架，框架内底部设有保温层和底板，框架内设有上循环集管和下循环集管，所述上循环集管和下循环集管之间经带吸热翅片集热管相连通，集热管及其吸热翅片表面设有太阳能吸热涂层，所述框架上表面设有玻璃盖板，所述上循环集管中设置有换热管，换热管至少一端穿出上循环集管，并在穿出处与上循环集管密封连接，上循环集管和换热管内的空间相隔离，上循环集管、下循环集管、集热管所封闭的空间内装有热管介质，上循环集管和下循环集管之间还设有至少一根热管介质回流管。
在日光照射时，集热管和吸热翅片吸热并将热能传递给集热管内呈液态的热管介质，热管介质液体受热后汽化上升，进入上循环集管，在上循环集管内遇到换热管，换热后热管介质便从气体变为液体，大部分经热管介质回流管回流到下循环集管，不再大量沿集热管内顶着大量上升气流逆行向下了，热管介质在集热器内相对有序流动，换热循环便有序高效地进行。与现有技术相比，本实用新型可明显提高热效率，该装置的换热管内不会结垢，抗冻，不仅适用于高温地区，避免结水垢，也适用于低温甚至寒冷的地区，防止冻坏，尤其在冬天，集热器有效得热量得到提高，大大扩展了能够安全使用的地域和每年安全使用的时间。
为进一步提高集热效率，在集热管与保温层之间设有聚光反射板。所述聚光反射板的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面的截线为一对称曲线，该对称曲线的对称轴一侧的曲线由至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成，各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线Li满足下列方程：
Figure BSA00000258610600031
其中，i＝0，1，2，3，4，5......；
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径；
Pi为抛物线的焦参数，为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍；
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；
Figure BSA00000258610600032
为抛物线轴的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；
L1与L0的交点A1(ρ1，θ1)
L2与L1的交点A2(ρ2，θ2)
Li与Li-1的交点Ai(ρi，θi)
抛物线L0的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，此时，抛物线L0未旋转，旋转角
Figure BSA00000258610600033
为0；
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为
Figure BSA00000258610600034
称偏转角为
Figure BSA00000258610600035
抛物线L2    旋转的角度为
Figure BSA00000258610600036
抛物线Li    旋转的角度为
Figure BSA00000258610600037
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：
Figure BSA00000258610600038
其中：i＝0，1，2，3……
Figure BSA00000258610600039
Figure BSA000002586106000310
曲线上任意一点Ai(ρi，θi)对于集热聚焦圆的张角为2βi，βi为正；
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的同一侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最小偏转角为αi；
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的两侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的左侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，右侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为αi；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为逆时针时为正；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为顺时针时为负；
Figure BSA00000258610600041
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线同一侧有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为逆时针为正，
Figure BSA00000258610600042
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线两侧均有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为顺时针为负，
Figure BSA00000258610600043
空间曲面为所述对称曲线沿其所在平面的垂线方向拉伸而成，所述极点拉伸成一直线，集热管中心线沿该直线设置。
与现有技术相比，该聚光反射板的截线采用若干段参数精确的抛物线按上述参数方程规定的条件接续组成的曲线系为无数条抛物线段组成，与任意一段抛物线段所在的抛物线的轴相平行的太阳入射光线，均可汇聚到相应抛物线的焦点，由于设置在极点处的集热管或本身具有一定的体积，故与相应抛物线轴的夹角小于一定值的太阳入射光线均能被该抛物线段反光面反射到集热管上，该聚光反射板汇聚中午前后一定时间范围内相对强的入射光线以获得相对于其它形状聚光反光面更佳的聚光效果。
为进一步保证阳光热能更多地传递给集热管，所述集热管外的吸热翅片为圆周方向上间隔分布的至少3片。聚光反射板的反射光能更多地被吸热翅片截获，以进一步提高吸热效率。
上述技术方案中，所述换热管外表面也可设有换热翅片。
为避免热管介质与集热管发生反应，所述集热管内设有与其紧密结合的铜管、钢管或不锈钢管。该方案为集热管采用复合材料制造提供了可能，例如集热管外层由铝材制成，而内层可由铜材制成等。
作为本实用新型的进一步改进，所述换热管可有如下技术方案：其一，换热管两端开口并分别从上循环集管两端伸出。换热翅片最好沿换热管径向分布。该换热管中可插接热管，也可充填其他传热介质，将装置内产生的热能传递给其他介质。其二，所述换热管呈U型，U型两端开口并从上循环集管一端伸出。其三所述换热管一端开口，另一端封闭，二次换热热管的一端从换热管敞口端插入换热管内，二次换热热管的另一端插入被加热的外设的储热设备中。
附图说明
图1为本实用新型一种结构示意图；
图2为图1的A-A向视图；
图3为图1的B-B断面图；
图4为本实用新型第二种结构示意图；
图5为本实用新型第三种结构示意图；
图6、图7为空间曲线的截线形成原理图；
图8为空间曲线的截线结构示意图。
图中：1上循环集管，2换热管，3框架，4集热管，5聚光反射板，6下循环集管，7热管介质，8玻璃盖板，9保温底板，10热管介质回流管，11保温层，12吸热翅片，14二次换热热管，15水箱。
具体实施方式
如图1、2、3，为一种热管式平板集热器，包括框架3，框架3内底部设有保温底板9，框架3内设有上循环集管1和下循环集管6，所述上循环集管1和下循环集管6之间经带吸热翅片12的集热管4相连通，集热管4及其吸热翅片12表面设有太阳能吸热涂层，所述框架3上表面设有玻璃盖板8，上循环集管1中设置有换热管2，换热管2至少一端穿出上循环集管1，并在穿出处与上循环集管1密封连接，上循环集管1和换热管2内的空间相隔离，上循环集管1、下循环集管6、集热管4所封闭的空间内装有热管介质7，上循环集管1和下循环集管6之间还设有两根热管介质回流管10。在集热管4与保温底板9之间设有聚光反射板5，聚光反射板5和保温底板9之间设有保温层11；聚光反射板5的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面的截线为一对称曲线，该对称曲线的对称轴一侧的曲线由至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成，各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线Li满足下列方程：
Figure BSA00000258610600061
其中，i＝0，1，2，3，4，5......；
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径；
Pi为抛物线的焦参数，为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍；
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；
Figure BSA00000258610600062
为抛物线轴的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；
L1与L0的交点A1(ρ1，θ1)
L2与L1的交点A2(ρ2，θ2)
Li与Li-1的交点Ai(ρi，θi)
抛物线L0的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，此时，抛物线L0未旋转，旋转角
Figure BSA00000258610600071
为0；
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为
Figure BSA00000258610600072
称偏转角为
Figure BSA00000258610600073
抛物线L2    旋转的角度为
Figure BSA00000258610600074
抛物线Li    旋转的角度为
Figure BSA00000258610600075
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：
Figure BSA00000258610600076
其中：i＝0，1，2，3……
Figure BSA00000258610600078
曲线上任意一点Ai(ρi，θi)对于集热聚焦圆的张角为2βi，βi为正；
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的同一侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最小偏转角为αi；
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的两侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的左侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，右侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为αi；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为逆时针时为正；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为顺时针时为负；
Figure BSA00000258610600079
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线同一侧有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为逆时针为正，
Figure BSA000002586106000710
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线两侧均有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为顺时针为负，
Figure BSA000002586106000711
空间曲面为所述对称曲线沿其所在平面的垂线方向拉伸而成，所述极点拉伸成一直线，集热管4的中心线沿该直线设置。
换热管2外表面设有换热翅片；集热管4外的吸热翅片12为圆周方向上间隔分布的至少3片；所述集热管4内设有与其紧密结合的铜管、钢管或不锈钢管。
换热管2两端开口并分别从上循环集管1两端伸出；换热管2外表面设置的换热翅片可沿径向分布。
集热管4可直接通入传热介质，以将热量带走并进行利用后再返回进行循环换热，可采用泵进行强制循环。
实施例2
如图4，与实施例1不同之处在于，换热管2两端开口中插入有二次热管，二次热管的另一端插入到水箱15中，组成热水器。
实施例3
与实施例1不同之处在于：所述换热管2一端开口，另一端封闭，二次换热热管14的一端从换热管2敞口端插入换热管2内，二次换热热管14的另一端插入被加热的外设的水箱15中。
本实用新型并不局限于上述实施例，所述换热管2还可以呈U型，U型两开口端从上循环集管1的同一端伸出。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热管式平板集热器，包括框架，框架内底部设有保温层和底板，框架内设有上循环集管和下循环集管，所述上循环集管和下循环集管之间经带吸热翅片的集热管相连通，集热管及其吸热翅片表面设有太阳能吸热涂层，所述框架上表面设有玻璃盖板，其特征在于：所述上循环集管中设置有换热管，换热管至少一端穿出上循环集管，并在穿出处与上循环集管密封连接，上循环集管和换热管内的空间相隔离，上循环集管、下循环集管、集热管所封闭的空间内装有热管介质，上循环集管和下循环集管之间还设有至少一根热管介质回流管。
2.根据权利要求1所述的热管式平板集热器，其特征在于：在集热管与保温层之间设有聚光反射板。
3.根据权利要求2所述的热管式平板集热器，其特征在于：所述聚光反射板的反光面形状为一空间曲面，该空间曲面的截线为一对称曲线，该对称曲线的对称轴一侧的曲线由至少三段顺序相连的抛物线L0、L1、L2……Li组成，各抛物线的焦点均位于平面极坐标系的极点，各段抛物线Li满足下列方程：
Figure FSA00000258610500011
其中，i＝0，1，2，3，4，5......；
ρ为抛物线上的点到极点的距离即极径；
Pi为抛物线的焦参数，为相应抛物线的顶点至焦点距离的二倍；
θ为极坐标系中抛物线上的点的极角或幅角，90°＜θ≤270°；
Figure FSA00000258610500012
为抛物线轴的偏转角，指抛物线轴以极点为中心沿逆时针方向旋转的角；
L1与L0的交点A1(ρ1，θ1)
L2与L1的交点A2(ρ2，θ2)
Li与Li-1的交点Ai(ρi，θi)
抛物线L0的轴与平面极坐标系的极轴的垂线间的夹角为0，此时，抛物线L0未旋转，旋转角
Figure FSA00000258610500021
为0；
抛物线L1的轴相对L0的轴沿逆时针方向旋转，旋转中心为平面极坐标系的极点，旋转的角度为称偏转角为
Figure FSA00000258610500023
抛物线L2    旋转的角度为
Figure FSA00000258610500024
抛物线Li    旋转的角度为
Figure FSA00000258610500025
相邻抛物线的焦参数P值满足下列方程：
其中：i＝0，1，2，3……
Figure FSA00000258610500027
Figure FSA00000258610500028
曲线上任意一点Ai(ρi，θi)对于集热聚焦圆的张角为2βi，βi为正；
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的同一侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最小偏转角为αi；
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的两侧有入射光线到达Ai点时，在Ai处的左侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为ωi，右侧入射光线相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的最大偏转角为αi；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为逆时针时为正；
相对于平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线的偏转角αi为顺时针时为负；
Figure FSA00000258610500029
仅在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线同一侧有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为逆时针为正，
在平面极坐标系的极轴的过点Ai处的垂线两侧均有入射光线到达Ai点时，偏转角αi为顺时针为负，
空间曲面为所述对称曲线沿其所在平面的垂线方向拉伸而成，所述极点拉伸成一直线，集热管中心线沿该直线设置。
4.根据权利要求1所述的一种热管式平板集热器，所述换热管外表面设有换热翅片。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述集热管外的吸热翅片为圆周方向上间隔分布的至少3片。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述集热管内设有与其紧密结合的铜管、钢管或不锈钢管。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述换热管两端开口并分别从上循环集管两端伸出。
8.根据权利要求7所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述换热管外表面设置的换热翅片沿径向分布。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述换热管呈U型，U型两端开口并从上循环集管一端伸出。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的一种热管式平板集热器，其特征在于：所述换热管一端开口，另一端封闭，二次换热热管的一端从换热管敞口端插入换热管内，二次换热热管的另一端插入被加热的外设的储热设备中。
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