CN216924789U - 太阳能热管和热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于热管结构，公开了一种太阳能热管，包括管体(1)，所述管体(1)包括透明吸热段(11)和金属冷凝段(12)，所述透明吸热段(11)和所述金属冷凝段(12)通过柔性绝热段(13)连接，所述透明吸热段(11)内部设置有吸光介质层(2)。此外，本实用新型还公开一种具有上述太阳能热管的热水器。本实用新型的热管能够有效提高太阳能的利用效率。

Description

太阳能热管和热水器

技术领域

本实用新型涉及热管结构，具体地，涉及一种太阳能热管。此外，本实用新型还涉及一种具有上述太阳能热管的热水器。

背景技术

化石燃料的燃烧产生大量二氧化碳，导致温室效应越来越严重。开发利用太阳能，对于节约能源、保护自然环境、减缓气候变化，都具有极其重大的意义。

太阳能的直接利用形式主要有光热、光电和光化学三种，其中太阳能光热利用是指将太阳辐射能直接转化为热能，这是能源科学的一个重要组成部分。太阳能热水器是我国太阳能热利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的太阳能产品之一。真空管太阳能热水器是目前市场上广泛应用的一类热水器种，其中热管式真空管太阳能热水器采用热管技术，与其他类型的太阳能热水器相比，具有耐冰冻、启动快、保温好、承压高等不可替代的优点。

热管是利用汽化潜热高效传递热能的元件，它可将大量热量通过很小的横截面积进行传输而无需外加动力，其有效导热系数远高于相同几何尺寸的金属铜。

现有热管式太阳热水器中采用的热管均为传统金属热管。金属热管结构按照工作原理可以分为蒸发段、绝热段、冷凝段，其基本工作原理是在蒸发段涂覆光谱选择性吸收涂层吸收太阳辐射能并将其转化为热能，然后将收集到的热能传递给热管内的工作介质，介质吸热汽化后通过绝热段进入冷凝段液化并释放出大量热量。从能量转换与传递路径看，太阳辐射能转化为热能发生在热管壁面导致热管壁面的温度要明显高于其他区域，因而热管壁面与周围环境的辐射热损失较大，另一方面，热管壁面吸收的热量从外壁传递至内壁，然后以对流的形式传递给热管内介质，需要克服壁面的导热热阻和对流热阻。以上两方面因素导致现有热管式太阳热水器存在大量热损失。

实用新型内容

本实用新型所要解决的第一方面的技术问题是提供一种太阳能热管，该热管能够有效提高太阳能的利用效率。

本实用新型所要解决的第二方面的技术问题是提供一种应用上述太阳能热管的热水器，该太阳能热水器中的热管能够有效提高太阳能的利用效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供一种太阳能热管，包括管体，所述管体包括透明吸热段和金属冷凝段，所述透明吸热段和所述金属冷凝段通过柔性绝热段连接，所述透明吸热段内部设置有吸光介质层。

优选地，所述柔性绝热段的一端套设在所述透明吸热段上，另一端套设在所述金属冷凝段上。

进一步优选地，所述柔性绝热段和所述透明吸热段之间、以及所述柔性绝热段和所述金属冷凝段之间设置有胶黏层。

优选地，所述透明吸热段为高硼硅玻璃管段。

优选地，所述金属冷凝段为紫铜管段。

优选的，所述柔性绝热段为氟橡胶管段。

优选地，所述吸光介质层为吸光流体层，且所述吸光流体层内部设置有吸光纳米颗粒。

第二方面，本实用新型提供一种热水器，包括上述第一方面所述的太阳能热管。

优选地，还包括水箱，所述水箱上设置有适于所述金属冷凝段插入的插入孔。

进一步优选地，所述水箱和所述太阳能热管的连接处设置有密封垫。

本实用新型的太阳能热管，通过采用透明吸热段能够提高光透过率，通过设置在透明吸热段内部的吸光介质层，能够有效提高光热转换效果。而且，将太阳能热管分为透明吸热段和金属冷凝段，既不会降低金属冷凝段的换热效果，同时也能够通过设置在透明吸热段和金属冷凝段之间的柔性绝热段扩展太阳能热管的灵活性和适用范围。

有关本实用新型的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施方式中太阳能热管的截面示意图；

图2是图1中的A部分放大示意图。

附图标记说明

1 管体 2 吸光介质层

3 胶黏层

11 透明吸热段 12 金属冷凝段

13 柔性绝热段

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的基本实施方式中，如图1所示，提供一种太阳能热管，包括管体1，管体1包括透明吸热段11和金属冷凝段12，透明吸热段11和金属冷凝段12通过柔性绝热段13连接，透明吸热段11内部设置有吸光介质层2。

根据本实用新型，透明吸热段11可以是任意一种能够透明耐高温材质制成的一端开口的管状，如耐高温透明高分子材料和耐高温玻璃材料，如现有技术中的耐高温聚碳酸酯材料、高硼硅玻璃材料等。金属冷凝段12可以是能够保证一定硬度的金属材料制成的一端开口的管状，如不锈钢管或者紫铜管。柔性绝热段13可以是任意一种能够达到绝热目的的材质制成、如天然橡胶材料或人工橡胶。吸光介质层2可以采用现有技术中能够吸收光能的相变材料，通过吸光介质层2吸光并将其转化为内能，然后通过吸光介质层2的相变实现热量的传递。具体地，该吸光介质层2可以是能够将光能转化为热能的、能够相变的固体或液体，或者是分散有能够将光能转化为热能的颗粒的透明固体或液体。吸光介质层2的形状可以与透明吸热段11内部匹配。上述提到的固体可以是在温度高于0℃的条件以固体形式存在的物质，如环己烷，其在当温度大于7℃时，以液体形式存在，小于7℃时，以固体形式存在。上述提到的颗粒可以是现有技术中公开的任意一种能够将光能转化为内能的颗粒，如石墨烯。

透明吸热段11和柔性绝热段13之间、以及金属冷凝段12和柔性绝热段13之间可能通过任意可行的方式密封连接，且透明吸热段11和金属冷凝段12不直接接触。在连接过程中，保证透明吸热段11和金属冷凝段12之间气流连通。

太阳能热管内处于负压状态，其负压的数值及吸光介质层2的大小可以是本领域技术人员根据实际情况确定。

上述基本实施方式提供的太阳能热管工作时，太阳能热管沿斜向下方向设置或者竖直设置，且金属冷凝段12的一端朝上，太阳光照射至透明吸热段11，然后进入吸光介质层2，吸光介质层2吸收太阳能并将其转化为热能，实现相变转化为气相进入金属冷凝段12，在金属冷凝段12冷凝后变为液相进入透明吸热段11继续吸热，重复上述工作。

上述基本实施方式提供的太阳能热管，采用透明吸热段11并配合吸光介质层2，将以前的金属吸热管段替换成透明吸热段11，能够将表面式吸热转换为体积式吸热，进而提高对太阳光的吸收效率，进而提高太阳光的利用效率。而且，将太阳能热管分为透明吸热段11和金属冷凝段12，既不会降低金属冷凝段12的换热效果，同时也能够通过设置在透明吸热段11和金属冷凝段12之间的柔性绝热段13扩展太阳能热管的灵活性和适用范围。

作为本实用新型的一个具体实施方式，柔性绝热段13的一端套设在透明吸热段11上，另一端套设在金属冷凝段12上。通过上述方式能够降低透明吸热段11、金属冷凝段12和柔性绝热段13的安装难度，简化安装步骤。

柔性绝热段13和透明吸热段11之间、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12之间可以通过过盈配合的方式连接，也可以通过其它可行的方式连接。在本实用新型的一个具体实施方式中，如图2所示，柔性绝热段13和透明吸热段11之间、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12之间设置有胶黏层3。该胶黏层3可以是现有技术中公开的任意一种胶干后形成的，具体地，在透明吸热段11和金属冷凝段12的端部涂覆胶粘剂，并在胶粘剂未干的情况下将柔性绝热段13的两端分别套设在透明吸热段11的端部和金属冷凝段12的端部，将柔性绝热段13和透明吸热段11的连接处、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12的连接处固定，待胶粘剂干透后，能够将柔性绝热段13和透明吸热段11、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12固定，并在柔性绝热段13和透明吸热段11之间、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12之间形成胶黏层3。上述胶粘剂可以是不同材质的胶粘剂，如柔性绝热段13和透明吸热段11之间采用能够使得柔性绝热段13和透明吸热段11连接的胶粘剂，柔性绝热段13和金属冷凝段12至今采用能够使得柔性绝热段13和金属冷凝段12连接的胶粘剂。当然也可以采用同一种胶粘剂。在本实用新型的一个具体实施方式中，胶水采用乐泰4210胶粘剂。

为了进一步提高太阳能的吸收效率，在本实用新型的一个具体实施方式中，透明吸热段11为高硼硅玻璃管段。高硼硅玻璃的透光率(2mm)为92％，导热率为1.2W/(m·K)，较高的透光率使得绝大部分太阳光能够直接透过壁面进而被吸光介质层2吸收，较低的导热率有助于减少透明吸热段11的热损失。同时，高硼硅玻璃具有非常低的热膨胀系数，仅为普通玻璃的三分之一，具有较高的抗断裂性能，即使温度骤然变化，高硼硅玻璃也不易破碎。

在本实用新型的一个具体实施方式中，金属冷凝段12为紫铜管段。紫铜具有较为合适的硬度，不太容易发生形变，能够保证形状的不变。而且具有较好的换热效果，能够有效将金属冷凝段12内的热量传送至金属冷凝段12外部，热量损失小，具有较好的换热效果。同时也具有较低的成本，降低太阳能热管的生产成本，使其更适合工业化生产。

在本实用新型的一个具体实施方式中，柔性绝热段13为氟橡胶管段。氟橡胶和金属之间、以及氟橡胶和塑料/玻璃之间具有良好的相容性，以氟橡胶管作为柔性绝热段13，能够右下解决太阳能热管的封装及承压问题，而且将透明吸热段11和金属冷凝段12通过柔性的绝热段13连接，能够使得该太阳能热管相比于传统热管具有一定的柔性，扩展了太阳能热管应用的灵活性和适用范围。

为了进一步提高太阳能的吸收效率，在本实用新型的一个具体实施方式中，吸光介质层2为吸光流体层，且所述吸光流体层内部设置有吸光纳米颗粒。具体的，该吸光流体层可以是分散有吸光纳米颗粒的水，相比于纯水，纳米颗粒的加入能够显著提升对太阳光的吸收，同时也能够充分将太阳能转化为热能。研究表明，附有纳米颗粒的吸光流体层可以吸收超过95％的入射太阳光。

优选地，吸光纳米颗粒为石墨烯。与其他纳米颗粒相比，石墨烯具有特殊的低维层状结构，存在高密度的二维自由电子，接收光照时这些电子可以很容易地从π轨道激发到π*轨道，达到激发态，在电子弛豫回到基态的同时产生热量。同时石墨烯具有超高的力学强度、优异的导热性能等特性。因此，使用石墨烯纳米流体作为吸光纳米颗粒，与吸光流体层、透明吸热段11配合，有效提高太阳能热管的光热转换效率。

在本实用新型的一个具体实施方式中，吸光介质层2为分散有石墨烯的悬浮液，石墨烯的含量为50ppm。石墨烯的分散方式可以是现有技术中公开的任意一种分散方式，如超声分散、震荡分散等。经试验验证，50ppm的石墨烯悬浮液的光热转换效率基本在80％以上，具有良好的光热转换性能。而且，由试验可知，相同照射条件下，太阳能热管的温度升高速率明显高于紫铜金属热管，说明太阳能热管的透明吸光段的太阳能利用率高于紫铜金属热管，具有良好的节能效益。

第二方面，本实用新型提供一种热水器，包括上述任一具体实施方式所述的太阳能热管。

该热水器具备上述太阳能热管的优点，这里就不一一赘述。

在本实用新型的一个具体实施方式中，还包括水箱，水箱上设置有适于金属冷凝段12插入的插入孔。

具体地，插入孔可以设置有多个，多个插入孔分散设置在水箱上，能够进一步提高太阳能热水器的换热效率。优选地，多个插入孔排列成一排沿水平方向设置在水箱上。金属冷凝段12完全插入至水箱的插入孔内。

在本实用新型的一个具体实施方式中，水箱和太阳能热管的连接处设置有密封垫。密封垫的设置能够保证水箱和太阳能热管之间的密封性，防止水从水箱中漏出。

作为本实用新型的一个相对优选的具体实施方式，如图1和图2所示，提供一种热水器，包括水箱和太阳能热管，所述太阳能热管包括透明吸热段11和金属冷凝段12，透明吸热段11为高硼硅玻璃管段，金属冷凝段12为紫铜管段，透明吸热段11和金属冷凝段12通过柔性绝热段13连接，柔性绝热段13为氟橡胶管段，柔性绝热段13的一端套设在透明吸热段11上，另一端套设在金属冷凝段12上，柔性绝热段13和透明吸热段11之间、以及柔性绝热段13和金属冷凝段12之间设置有胶黏层3，透明吸热段11内部设置有吸光介质层2，吸光介质层2为吸光流体层，且所述吸光流体层内部设置有吸光纳米颗粒；水箱上设置有适于所述金属冷凝段12插入的插入孔，所述插入孔设置有多个，多个所述插入孔排列成一排并水平设置水箱上，且水箱和太阳能热管的连接处设置有密封垫，透明吸热段11从与柔性绝热段13连接端到另一端沿斜向下的方向设置。

上述优选实施方式提供的热水器工作时，太阳光照射至透明吸热段11，然后进入吸光介质层2，吸光介质层2中的吸光纳米颗粒吸收太阳能并将其转化为热能然后传递至吸光流体层，是的吸光流体层的流体吸热相变转化为气相进入金属冷凝段12，金属冷凝段12温度升高，将热量传送至水箱内的水，流体冷凝后变为液相继续进入透明吸热段11吸热，重复上述工作，从而实现将太阳能转化为水的热能。

上述优选实施方式提供的热水器，采用透明吸热段11并配合吸光介质层2，将以前的金属吸热管段替换成透明吸热段11，能够将表面式吸热转换为体积式吸热，进而提高对太阳光的吸收效率，进而提高太阳光的利用效率。而且，将太阳能热管分为透明吸热段11和金属冷凝段12，既不会降低金属冷凝段12的换热效果，同时也能够通过设置在透明吸热段11和金属冷凝段12之间的柔性绝热段13降低透明吸热段11和金属冷凝段12的换热效率，从而进一步提高太阳能的利用效率。而且，柔性绝热段13的设置能够扩展太阳能热管的灵活性和适用范围。将金属冷凝段12插入水箱内能够使得金属冷凝段12内的热量能够最大程度地传送至水箱内的水，从而提高太阳能的利用效率，密封垫的设置方式水箱内的水从插入孔处溢出。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种太阳能热管，其特征在于，包括管体(1)，所述管体(1)包括透明吸热段(11)和金属冷凝段(12)，所述透明吸热段(11)和所述金属冷凝段(12)通过柔性绝热段(13)连接，所述透明吸热段(11)内部设置有吸光介质层(2)。

2.根据权利要求1所述的太阳能热管，其特征在于，所述柔性绝热段(13)的一端套设在所述透明吸热段(11)上，另一端套设在所述金属冷凝段(12)上。

3.根据权利要求2所述的太阳能热管，其特征在于，所述柔性绝热段(13)和所述透明吸热段(11)之间、以及所述柔性绝热段(13)和所述金属冷凝段(12)之间设置有胶黏层(3)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能热管，其特征在于，所述透明吸热段(11)为高硼硅玻璃管段。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能热管，其特征在于，所述金属冷凝段(12)为紫铜管段。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能热管，其特征在于，所述柔性绝热段(13)为氟橡胶管段。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能热管，其特征在于，所述吸光介质层(2)为吸光流体层，且所述吸光流体层内部设置有吸光纳米颗粒。

8.一种热水器，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的太阳能热管。

9.根据权利要求8所述的热水器，其特征在于，还包括水箱，所述水箱上设置有适于所述金属冷凝段(12)插入的插入孔。

10.根据权利要求9所述的热水器，其特征在于，所述水箱和所述太阳能热管的连接处设置有密封垫。

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