CN202066228U - 太阳能“翅片式u形”集热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型的太阳能“翅片式U形”集热管，结构主要包括“U”形铜管、风帆形翅片、单密封盖、透明保温管、反光膜片等，由于采用单密封盖和单层透明保温管相结合的真空密封保温措施，实现了直接由“U”形铜管的翅片作为太阳辐照面的集热方案，改变了现有技术的集热、传热方式，且取消了多余低效的中间传热环节，简化了结构，使翅片收集的辐射能量直接传递到“U”形铜管内的传热介质中，明显降低了辐照面的表面温度，提高了热传递速率，提高了热效，并使风帆形翅片、吸热槽道、反射聚热、亚光黑体等多项能明显提高有效集热面积和集热效能的技术措施获得运用，达到辐射吸收比α达96％，相比热效提高了近40％，且成本降低的技术效果，故具有结构设计合理、成本降低、热效提高之特点，以及热扩散损失小、热传递速率高、可靠度、工艺简单、安装方便、易于大批量生产等优点。

Description

太阳能“翅片式U形”集热管

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能“U形”集热管，特别是一种能明显提高太阳辐射能量利用率的太阳能集热管，属于太阳能运用领域。 

背景技术

现有技术的太阳能“U形”集热管实际是一“U形管式的光热转化系统”。其结构主要包括“U”形导热铜管、金属导热圈、塑料盖和层间涂有金属吸热涂层的“真空玻璃”集热管，所述“U”形导热铜管由直径φ8～φ10mm、长度3000～4000mm的铜管弯曲成“U”形，所述金属导热圈分别与“U”形导热铜管的外圆面和玻壳内圆相配合，所述塑料盖将“U”形铜管的集热段盖装在“真空玻璃”集热管内(附图5)。所述“U”形导热铜管内灌装传热介质，所述传热介质通过循环流动用于对水箱内胆内的储水或集中供热系统的加热联箱中的储水加热。 

现有太阳能热水器的热效率并不高，太阳能“真空玻璃”集热管热水器的新标准为≥38.24％，因其可达到的有效集热面积利用率为64.5％；外层管玻壳的透射比τ为93％；内层管吸热涂层的吸收比α为91％，基本都达到极限值，则理论可达的最大集热能效为55.15％(64.459％×93％×92％)。因“U”导热型铜管是安装在“真空玻璃”集热管内，故其理论集热效率与“真空玻璃”集热管相同，又因无“真空玻璃”集热管所存在的管内热水留存，则扣除其它损耗，“U型”集热管的实际集热效率可达45％左右。 

由于，“真空玻璃”集热管内金属涂层吸收的能量需通过内层玻壳传递到管内，增加了玻壳热阻，再通过管内空间的空气以低效的自然对流方式对“U”形铜管的集热段加热，虽在玻璃管内与热管间增加一金属导热圈，因导热圈与玻壳和热管间的圆度、同心度、直线性及加之公差要求(附图5)，造成不能相互贴合紧密，特别是金属导热圈与“U”形铜管间的安装不便，与玻壳则需保有配合间隙，故仍需靠空气传热，使传热速率大大降低，与太阳能“真空玻璃”集热管直接对水的热交换方式比，传热速率相差巨大，从而大幅度的抬高了辐照面既金属吸热涂层的表面温度，降低了“真空玻璃”集热管的集热效率，则降低了“U”形管的效能，是导致其热效低于“真空玻璃管”的主要原因之一。 

现有“真空玻璃”集热管的辐射吸收比α最大可达92％，基本已达极限值。因其内层管外圆表面金属吸热涂层厚度受到金属喷涂工艺的限制，就如同电镀层厚存在的工艺问题一样，层厚一大就会起皮脱落，所以现金属吸热涂层目视都可看见明显透光现象却无法解决弥补，故要将α值进一步提升的可能性已不大。 

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述太阳能“U形”集热管的不足之处，设计一种能较大幅度增加有效集热面积和辐射吸收比α，大幅度提高“U形”集热管的热效，适合各地区使用，且结构合理，工艺简单，成本低、安装使用方便，易于大批量生产的太阳能“翅片式U形”集热管。 

本实用新型的太阳能“翅片式U形”集热管，其结构主要包括透明保温管、与透明保温管中心对称的弧形风帆构成的铝制的风帆型翅片、橡胶密封圈、单密封盖、抽排气管、“U”形铜管和反光膜片，所述单密封盖安装在“U”形铜管的近管口处，所述橡胶密封圈安装在单密封盖上，所述风帆形翅片安装在“U”形铜管的集热段上，所述安装了“U”形铜管和翅片的单密封盖盖装在透明保温管上。 

所述反光膜片粘贴在透明保温管的背光面的外表面上，所述反光膜片选用镜面铝膜片或镜面pet(涤纶)膜片。 

所述抽排气管镶嵌在单密封盖上，所述单密封盖选用酚醛胶木或增强尼龙或增强PP注塑加工。 

所述橡胶密封圈选用圆形或V形或设有多圈密封凸筋的管状结构。 

所述风帆形翅片的各处仰光面和风帆的外侧仰光面上均设有与翅片为一体的轴向锯齿形吸热槽道，所述风帆形翅片的仰光面上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成亚光面，所述亚光面选用电化处理成深色表面，成为所谓黑体表面结构。 

所述风帆形翅片的翅片结构选用单面风帆形翅片或双面风帆形翅片。 

所述单面风帆形翅片的背光面上设有“U”形双卡槽，所述“U”形铜管的集热段直接压入风帆形翅片上的“U”形双卡槽中安装。 

所述透明保温管外形截面选用圆形或在圆形两边外侧设置平张角结构，所述透明保温管选用单层透明保温管，或选用双层透明真空玻璃保温管，所述选用单层透明保温管的集热管，用单密封盖上镶嵌的抽排气管抽真空保温，所述选用双层透明真空玻璃保温管的集热管，则通过真空玻璃管的自身保温性能保温，所述 单层透明保温管选用塑料Pc或PMMO合金，或选用玻璃加工，所述选用Pc或PMMO合金的保温管与密封盖的安装选用塑料热熔焊接工艺熔焊连接密封。 

本实用新型的太阳能“翅片式U形”集热管，由于采用单密封盖和单层透明保温管相结合的真空密封保温措施，实现了直接由“U”形铜管的翅片作为太阳辐照面的集热方案，改变了现有技术的集热、传热方式，使风帆形翅片、吸热槽道、反射聚热、亚光黑体等多项能明显提高集热效能的技术措施获得运用，并取消了多余低效的中间传热环节，简化了结构，使翅片收集的辐射能量直接传递到“U”形铜管内的传热介质中，明显降低了辐照面的表面温度，提高了热传递速率，故能较大幅度的提高热效能。 

由于，铝制翅片可通过挤压拉升加工工艺获得整体式结构，从而使能大幅度提高对太阳辐照能量吸收能力的轴向锯齿形吸热槽道、风帆形翅片，在实际加工中得以实现，大大提高了集热效能，且铝材的比重小，加工成本低，故具有工艺简单、成本降低，适合大批量生产使用之特点。 

由于，采用风帆形的翅片结构，在太阳照射前管产生的背影结束对后管遮挡时开始，翅片集热面均获得太阳的正投影辐射，从而保证了正投影面积最大化。由于，在迎光面上设有锯齿形吸热槽道，使投射到槽道一面上的辐射能量在部分被反射到另一面时在该面被吸收，即使材质表面的辐射吸收α比仅达80％，余20％经另一面二次吸收后的总吸收比α值仍高达96％，且铝制翅片表面易于经亚光发黑处理成所谓黑体表面，理论上黑体表面的α值可达1，所以经该处理后的铝制翅片的吸收比α将进一步提高。 

由于通过在透明保温管配以抽真空保温和反光膜片，使单管有效集热面积大大增加，使集热翅片背光面的辐射被反射回去，减小了热辐射扩散损失，提高了总体保温性能和集热性能。由于，光线随入射角的增加反光强度增大，导致圆形玻管两侧边即玻璃壳体厚度面积的光线被反射出去，在透明玻璃套管每边增加2mm～2.5mm折光张角的张角透明玻璃套管，射入的辐射能量经反光膜片反光聚焦，则该部分辐射能量将得到充分利用，相比同管径的“真空玻璃”集热管，增加了辐照面的有效集热面集(金属吸热涂层或集热翅片至张角边的宽度增加12mm)，按标准计算，由20根集热管组装的集热器辐照面的有效面积利用率将由现有“真空玻璃”集热管的65％提高到86％，以辐射吸收α为96％、比透射比τ仍为92％计：则理论可达的最大集热能效达75％(85％×92％×96％)，总体集热能效将提高20％左右，相比提高近40％。 

通过单面风帆形翅片与反光膜片聚焦相结合不仅提高了有效集热面积，并因单密封盖上的两“U”形安装卡槽设于同一面上，且安装方向一致，故可在安装单密封盖后再安装翅片，使之可在注塑加工单密封盖时直接将“U”形铜管镶嵌其中，具有安装工艺简单方便、管面贴合好、导热性好、可靠度高，同时使翅片的材料消耗大幅度减少，而相比现技术的金属导热圈，料耗降低了65％，而增加的反光膜片的每平米售价却不大于10元。同时在最主要的太阳辐照时段，阳光将直接照射在翅片的横筋上，缩短了集热能量至“U”形铜管的传递距离，提高了热传递速率，提高了热效。 

太阳能“翅片式U形”集热管上所使用的各项技术措施都能明显提高相应的效能，产生明显的技术效果，只需投入较少费用，就使太阳能“U”形集热管的成本降低、熱效提高，具有结构设计合理、工艺简单、成本降低、安装使用方便、易于大批量生产，以及热扩散损失小、传热速率快、集热效率高适合各地区使用等优点。 

附图说明

附图1是本实用新型的实施例中的一种结构示意图； 

附图2是本实用新型的两种翅片截面结构示意图； 

附图3是本实用新型的实施例中的另一种结构示意图； 

附图4是本实用新型中橡胶密封圈的一种结构示意图； 

附图5是本实用新型的辐照投影面积示意图； 

附图6是现有技术的太阳能“U形”集热管截面结构示意图。 

附图1中的图1.1是主视图，图1.2是仰视图，其中：1是透明保温管，2是风帆形翅片，3是橡胶密封圈，4是单密封盖，5是“U”形管，6是抽排气管，7是“U”形管的翅片集热段，8是反光膜片，A是太阳能“翅片式U形”集热管的中心线，中心线左侧是半剖视图。 

附图2中的图2.1是双面风帆形翅片，图2.2是单面风形型翅片，图2.3是仰光面局部放大，其中：9是与轴向中心对称的弧形风帆，10是仰光面，11是仰光面局部放大的轴向锯齿形槽道齿形，14是“U”形卡槽。 

附图3中是另一种盖装方式，其中：1是透明保温管，4是单密封盖，5是“U”形管，6是抽排气管，15是铜套管。 

附图4中：3是橡胶密封圈，3A凸筋；A是中心线，中心线左侧是半剖视图。 

附图5中：45°和48°均是太阳高度角，1是单层透明保温管，1A是折光张角，2是风帆型翅片，8是反光膜片，45°β是翅片的最大风帆长度夹角，h1是两管的反光膜间的距离，h2是两翅片间的距离；h3是两管间的中心距。 

附图6中：Y1是金属导热圈，Y2是“真空玻璃”集热管内层管及其外圆表面的金属吸热涂层，Y3是“U”型导热管，Y4是“真空玻璃”集热管的外层管壳。 

具体实施方式

附图是以太阳能“翅片式U形”集热管为例，非限制性公开了本实用新型中的具体实施例，对于其它类型的太阳能“U形”集热管同样适用。结合附图对本实用新型作进一步描述如下。 

参见附图1中的图1.1图1.2，本实用新型的太阳能“翅片式U形”集热管，其结构主要包括透明保温管1、与透明保温管中心对称的弧形风帆9(附图2)构成的铝制的风帆形翅片2、橡胶密封圈3、单密封盖4、“U”型铜管5、抽排气管6和反光膜片8，所述橡胶密封圈3安装在单密封盖4上，所述单密封盖4安装在“U”形铜管5的近管口处，所述橡胶密封圈3安装在单密封盖4上，所述风帆形翅片2安装在“U”型铜管5的集热段7上，所述安装了“U”形铜管5和翅片2的单密封盖4盖装在透明保温管1上。 

所述反光膜片8粘贴在透明保温管1的背光面的外表面上，所述反光膜片8选用镜面铝膜片或镜面pet(涤纶)膜片。 

所述抽排气管6镶嵌在单密封盖4上，所述单密封盖4选用酚醛(胶木)或增强尼龙或增强PP注塑加工，所述单密封盖4通过在立式注塑机上注塑加工直接将“U”形铜管镶嵌在单密封盖上。 

所述橡胶密封圈3选用圆形或V形或设有多圈密封凸筋3A的管状结构(附图3)。 

参见附图2中的图2.1、图2.2、图2.3，所述风帆形翅片2的各处仰光面10和风帆的外侧仰光面10上均设有与翅片为一体的轴向锯齿形吸热槽道11，所述风帆形翅片2的仰光面10上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成亚光面，所述亚光面选用电化处理成深色表面，所述仰光面10上选用先喷砂再做化学腐蚀处理加 工成亚光面(因喷砂处理的凹点表面是光滑面)，所述亚光面选用电化处理成深色表面，最终形成所谓黑体表面结构，则效果更好。 

所述风帆形翅片2的翅片结构选用单面风形型翅片图2.2或双面风帆形翅片图2.2，所述单面风帆形翅片2的背光面上设有“U”形卡槽14，所述“U”形铜管5的两根集热管段直接压入风帆形翅片上的两“U”形卡槽中安装。 

所述透明保温管1的外形截面选用圆形(附图1)或在圆形两边外侧设置平张角1A结构(附图4)，所述透明保温管1选用单层透明保温管(附图1、3、4)，或选用双层透明真空玻璃保温管，所述选用单层透明保温管的集热管，用单密封盖上镶嵌的抽排气管抽真空保温，所述选用双层透明真空玻璃保温管的集热管，则通过真空玻璃管的自身保温性能保温，所述单层透明保温管选用塑料Pc或PMMO合金，或选用玻璃加工，所述选用Pc或PMMO合金的保温管与密封盖的安装选用塑料热熔焊接工艺熔焊连接密封则效果更好。 

参见附图5，45°是翅片的风帆可达最短长度的太阳高度角α，48°是翅片的风帆长度的太阳高度角α，45°β是翅片的最大风帆长度夹角β。以太阳照射前管产生的背影结束对后管遮挡时开始计，只要风帆翅片夹角β≥90°-α，风帆形翅片在遮挡结束后均获得太阳辐射的正投影。太阳辐射经单层透明保温管1的折光张角1A折射、反光膜片8的反射和聚光作用，聚焦到集热翅片2上，其翅片风帆的弧形与保温管成同心圆，R半径随管径变化，相当于“真空玻璃”集热管内的吸热涂层管径，当双面风帆相互延伸连接即构成整圆形翅片，且在管外径相同的条件下基本相等。h3是两管间的中心距，h1是两玻璃管的反光膜片间的距离，h2是两翅片间的距离，等同于两真空玻璃集热管的吸热涂层间的空间距离，图中显示了风帆翅片、透明保温管及反光膜片对提高有效集热面积的作用。 

参见附图3，为另一种安装结构和单密封盖结构，其增加了铜套管15，所述装有翅片2的“U”形铜管5的管口端部穿过单密封盖4上镶嵌的铜套管15安装在两铜套管中，经焊接密封铜套管与“U”形铜管的缝隙。 

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。 

Claims (10)

1.一种太阳能“翅片式U形”集热管，结构主要包括橡胶密封圈、抽排气管、“U”形铜管、反光膜片，其特征还在于包括透明保温管、与透明保温管中心对称的弧形风帆构成的铝制的风帆形翅片、单密封盖，所述单密封盖安装在“U”形铜管的近管口处，所述橡胶密封圈安装在单密封盖上，所述风帆形翅片安装在“U”形铜管的集热段上，所述安装了“U”形铜管和翅片的单密封盖盖装在透明保温管上，所述反光膜片粘贴在透明保温管的背光面的外表面上。

2.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述风帆形翅片的各处仰光面和风帆的外侧仰光面上均设有与翅片为一体的轴向锯齿形吸热槽道。

3.如权利要求1或2所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述风帆形翅片的仰光面上选用喷砂或选用化学腐蚀处理加工成亚光面，所述亚光面选用电化处理成深色表面。

4.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述风帆形翅片的翅片结构选用单面风帆形翅片或双面风帆形翅片。

5.如权利要求4所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述单面风帆形翅片的背光面上设有“U”形卡槽，所述“U”形铜管的集热段直接压入风帆形翅片上的“U”形卡槽中安装。

6.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述抽排气管镶嵌在单密封盖上。

7.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述透明保温管选用单层透明保温管，或选用双层透明真空玻璃保温管。

8.如权利要求1或7所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述选用单层透明保温管的集热管，用单密封盖上镶嵌的抽排气管抽真空保温。

9.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U型”集热管，其特征还在于，所述单密封盖选用酚醛胶木或增强尼龙或增强PP注塑加工。

10.如权利要求1所述的太阳能“翅片式U形”集热管，其特征还在于，所述橡胶密封圈选用圆形或V型或设有多圈密封凸筋的管状结构。 

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