CN103090562A - 平板热管太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

一种平板热管太阳能集热器，它包括作为集热器的平板热管，其特征是在平板热管位于集热面一侧的内壁上设置具有良好吸收性能和透过性能的毛细多孔结构。本发明的优点如下：（1）平板热管内壁面布置毛细多孔结构，该结构具有良好的吸收性能，热管内工质可以通过该结构均匀地布置在其内壁面，这使得整个集热面都直接通过相变换热进行集热，具有更高效的吸收效果。（2）由于内壁面工质的均布导致当整个集热面内工质蒸发时，集热面温度均匀一致且具有相对较低的温度，这使得集热面具有更低的辐射率，热损更小。综合上述两点，本发明的热水器可以快速高效的吸收太阳辐射热。

Description

平板热管太阳能集热器

技术领域

    本发明涉及太阳能热水器，尤其涉及一种平板热管太阳能集热器。

背景技术

热管利用工质在蒸发段的相变吸热，利用工质蒸汽的流动进行传输，因此它具有吸热效果好，热传导能力强的特点，而且相变换热过程是靠热管内特定的压力和温度条件完成的，无需运动部件，安全可靠，这使得当其一个应用于太阳能热水器的时候使热水器具有防冻、热传输快、无结垢、启动快等优点。因此，热管成为太阳能集热器上的选择，目前应用较为广泛的热管型集热器是真空管式热管太阳能热水器和平板式热管太阳能热水器。如图1所示一种真空管式热管太阳能热水器的集热器，该型集热器的核心集热部件由热管1和真空管2复合而成，热管1置于真空管2中，太阳光辐射进入真空管2中加热热管1，热管1中的工质受热在蒸发端3受热蒸发，工质蒸气在冷凝端4冷凝，将热量传递给集管5中的二次换热介质或者水，热管1中的工质蒸气冷凝回流至冷凝端3。

如图2所示为平板热管式平板太阳能集热器，由图中可以看出，该型集热器原理也是利用热管工作原理，太阳光照射平板热管8，热量加热平板热管8中蒸发端3中工质，工质在低压下蒸发，工质蒸气在平板热管8中冷凝端4中冷凝，热量由集管5中的二次介质或者水将热量带走，顶部左右两侧分别为集管的介质进口6和介质出口7。

由以上分析可以看出，热管真空管集热器与平板热管集热器都是利用热管原理来进行集热的，这两类集热器是热管式太阳能集热器的主要发展方向。但是这两类集热器都存在很大的缺陷。在目前的热管式太阳能集热器中所用的热管就是普通的热管，这与太阳能集热器的具体工作情况是不符合的。在热管类型的产品中主要利用工质在低压下蒸发吸收汽化潜热来进行热量传输的，效率最高的部分就集中在工质蒸发的位置，而在这两类集热器中，太阳光的整个辐射面是集热器的整个集热面，而热量的带出是靠热管管壁或者平板热管的管壁将热量通过热传导的方式带给蒸发端的工质的，因此集热面的大部分并不是直接的相变换热，从图中看出，集热器表面大部分处于非相变的位置，这些部分的温度势必要高于进行相变换热的位置，而温度的高低决定了其吸收太阳能辐射的能力同时也决定了其对外辐射的能力，这种现象的存在导致了整个集热器的效率并不能达到理想的状态，同时集热器表面的温度分布也不均匀。尤其当两类集热器安装时有一定的倾斜角度，这使得冷凝工质在回流过程中无法通过集热面，这些是导致热管式太阳能热水器性能不佳的主要原因。

发明内容

    本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够令平板热管集热器集热面内面均布工质，令整个集热面都实现蒸发换热，大幅提升集热器的吸收效果和换热性能。

本方案是通过如下技术措施实现的：一种平板热管太阳能集热器，它包括作为集热器的平板热管，其特征是在平板热管位于集热面一侧的内壁上设置具有良好吸收性能和透过性能的毛细多孔结构。

本方案的具体特点还有，所述毛细多孔结构是指电化学加工沟槽结构或者微粒结构或者多层金属丝网敷设结构。

所述电化学加工沟槽结构是采用电化学手段在平板热管集热面内壁面加工而成，沟槽特征尺寸如下：槽深0.1mm-0.2mm、槽宽0.01mm-0.02mm、间距0.01mm-0.02mm。

所述微颗粒结构采用反复磁控溅射的方法将金属颗粒直接溅射到蒸发面上制作而成。

所述反复磁控溅射方法是指在制作过程中，将集热器溅射面清洗后放置于磁控溅射炉内，选用高纯度（99.99%）铜棒作为靶材，加热集热器温度至270℃以上，第一次溅射控制溅射电流0.5A，溅射时间50分钟，第二次溅射降低电流至0.3A，溅射时间60分钟，第三次溅射降低电流至0.1A，溅射时间为80分钟，通过几次反复溅射（根据具体要求确定溅射的条件和次数），集热器内壁面就形成由内到外孔径逐渐增大的多层毛细多孔结构。

所述多层金属丝网结构是采用不同目数的紫铜丝网，然后按目数由高到低层叠在集热器内壁面，形成多层丝网结构，多层丝网依靠丝网本省的弹性直接与集热面内壁面结合。

紫铜丝网的目数是600目，800目和1000目。

所述平板热管的内部空间厚度为3-10毫米，其内部分为多个间隔的空腔，其间隔距离为10-30毫米；或者平板热管采用多个平板热管的结构。

平板热管内进行抽真空操作，压力为1×10^-1～1×10^-2Pa。管内封装工质，工质为超纯水或者乙醇或者丙酮。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：通过对热管集热面（尤其针对平板热管集热面）进行特殊处理，在集热面内面形成毛细多孔结构，该结构具有优良的吸收率和透过率，当液体工质与集热面接触时，工质会非常均匀在多孔结构内分布，最终液体工质会在集热面内面均布，当太阳光辐射到集热面上时，集热面内面的工质会同时蒸发，整个集热面上的蒸发换热均匀一致，极大提升了集热面的蒸发换热效果。而工质在冷凝端冷凝后，一部分会在集热面的另一面回流至蒸发端，另一部分会被深入到冷凝端的多孔结构吸收进入集热面。如此往复循环，实现了集热器的良性循环，令集热器的集热性能大幅提升。

本方案有以下几个特点：第一，工况特殊，在本方案中，热源是太阳光辐射，其能量密度很低，当采用相变换热的方式吸收这些热量时，整个吸热面相变吸热的相变换热强度并不是很大，为了使工质蒸汽能够有效克服毛细多孔结构的阻力就要求毛细多孔结构特别薄，然而为了使得在整个吸热面内壁面上都有工质分布就要求其毛细过孔结构的毛细抽吸力特别强，为了满足上述要求，就必须获得薄而密实的毛细多孔结构。第二，加工尺寸特殊，由于其特殊的使用场合和工况使其加工尺寸非常小，常规尺度或者小尺度的毛细多孔结构根本无法满足要求。第三，加工工艺特殊，由于其特殊的使用条件和特殊的加工尺寸导致其加工工艺相对特殊，本方案中的沟槽结构采用电化学腐蚀的方法完成，本方案中的颗粒结构采用磁控溅射方法完成，本方案中的丝网结构不能焊接，只能靠丝网本身的弹力贴合在吸热面内壁上，因为焊接会将丝网埋入焊料当中，无法形成有效的毛细多孔结构。

通过以上的设计及布置，在平板太阳能集热板的内壁面形成一层薄的毛细多孔结构，该结构的存在能够使得内壁面始终能够有一薄层工质均匀分布，当太阳辐射热量至集热板吸热面的时候，吸热板温度升高，此时在一定压力条件下的内壁面工质就会吸热蒸发，变为气体，由于内壁薄层非常薄，这些气体能够很容易的克服阻力进入到空腔内，这些气体在冷凝端受热冷凝变为液体回流到蒸发端，这样压力的降低又使得工质蒸汽能够继续往冷凝端流动，进而形成一个往复不断的循环，伴随这样一个循环过程，太阳辐射热量也就高效的被带到冷凝端。通过这样的换热方式，平板太阳能集热板的表面能够均匀一致的进行换热，整个集热板的表面温度均匀一致，而且由于采用的是相变换热，使得整个换热过程高效而迅速，极大的提高了平板集热器的集热效果。

本发明所设计太阳能热水器的核心吸热部件为内壁面带有毛细多孔结构的平板热管组成的集热器。毛细多孔结构通过以下几种途径获取。首先，采用电化学方法对内壁面进行处理，令内壁面均布沟槽结构，沟槽结构尺寸以产生良好的吸收性能为标准。其次，在内壁面溅射金属颗粒。再次，在内壁面敷设金属丝网结构，金属丝网采用多目数丝网层叠布置，内侧敷设高目数丝网，外层敷设低目数丝网，以形成多孔毛细结构。

热管内工质在低压下蒸发温度不超过30摄氏度（温度可根据压力不同而改变），因此太阳光辐射热很容易使工质蒸发，工质蒸发吸收热量，同时迅速将热量传导至集热器冷凝端，在冷凝端，工质蒸气与热媒进行冷凝换热，热媒在管路内通过自然对流循环，也可根据实际情况采用泵驱动热媒循环以增强换热效率。通过对本发明所述的平板热管进行应用，其换热效果相对于未经处理的平板热管集热器效果大幅提升。对比实验表明，7月份正午日照正常情况下其冷凝端峰值温度可达130.5摄氏度，而不带有毛细多孔结构的集热器其峰值温度只有120.3摄氏度。同时，对本发明所述热管型集热器进行测试，7月份正常日照，测得其日有用得热量都在11MJ/m²以上，平均热损因数达到0.3 W/(m³·K)，由于同类型不带有毛细多孔结构的平板热管集热器不能迅速将太阳辐射热量带走，其表面温度过高导致其热损达到小于0.7W/(m³·K)。分别测试带有毛细多孔结构和不带有毛细多孔结构的两个平板集热器，带有毛细多孔结构平板集热器表面最大温差3摄氏度，不带有毛细多孔结构集热器表面温差最大达到15摄氏度，同时不带有毛细多孔结构集热器表面平均温度比带有毛细多孔结构集热器表面平均温度高5摄氏度，这充分说明不带有毛细多孔结构集热器热量没有被及时带走且整个集热面热量分布极其不均匀，其有益效果如前文所述。综上所述，本发明中集热面内面带有毛细多孔结构的平板热管集热器的优点是显而易见的，如下：（1）平板热管内壁面布置毛细多孔结构，该结构具有良好的吸收性能，热管内工质可以通过该结构均匀地布置在其内壁面，这使得整个集热面都直接通过相变换热进行集热，具有更高效的吸收效果。（2）由于内壁面工质的均布导致当整个集热面内工质蒸发时，集热面温度均匀一致且具有相对较低的温度，这使得集热面具有更低的辐射率，热损更小。综合上述两点，本发明的热水器可以快速高效的吸收太阳辐射热。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1为普通热管真空管太阳能热水器集热原理示意图；图2是平板热管式平板太阳能集热器示意图；图3是新型热管式太阳能热水器集热原理示意图。图4是单平板热管构成的平板热管集热器结构示意图；图5是多个平板热管构成的平板热管集热器结构示意图；图6是沟槽结构示意图；图7是烧结颗粒结构示意图；图8是丝网结构示意图；

    图中，1、热管，2、真空集热管，3、蒸发端，4、冷凝端，5、集管，6、热媒入口，7、热媒出口，8、平板热管，9、毛细多孔结构，10、加强筋。

具体实施方式

如图2所示，一种平板热管太阳能集热器，它包括作为集热器的平板热管8，在平板热管8位于集热面一侧的内壁上设置具有良好吸收性能和透过性能的毛细多孔结构9。所述毛细多孔结构9是指电化学加工沟槽结构或者微粒结构或者多层金属丝网敷设结构。

如图6所示，所述电化学加工沟槽结构是采用电化学手段在平板热管集热面内壁面加工而成，沟槽特征尺寸如下：槽深0.1mm-0.2mm、槽宽0.01mm-0.02mm、间距0.01mm-0.02mm。

如图7所示，所述微颗粒结构采用反复磁控溅射方法将金属颗粒直接溅射到蒸发面上制作而成。所述反复磁控溅射方法是指在制作过程中，将集热器溅射面清洗后放置于磁控溅射炉内，选用高纯度（99.99%）铜棒作为靶材，加热集热器温度至270℃以上，第一次溅射控制溅射电流0.5A，溅射时间50分钟，第二次溅射降低电流至0.3A，溅射时间60分钟，第三次溅射降低电流至0.1A，溅射时间为80分钟，通过几次反复溅射（根据具体要求确定溅射的条件和次数），集热器内壁面就形成由内到外孔径逐渐增大的多层毛细多孔结构9。

如图8所示，所述多层金属丝网结构是采用不同目数的紫铜丝网，然后按目数由高到低层叠在集热器内壁面，形成多层丝网结构，多层丝网依靠丝网本省的弹性直接与集热面内壁面结合。紫铜丝网的目数是600目，800目和1000目。

如图4所示，所述平板热管8的内部空间厚度为3-10毫米，其内部分为多个间隔的空腔，其间隔距离为10-30毫米；或者如图5所示，平板热管8采用多个平板热管的结构。平板热管8内进行抽真空操作，压力为1×10^-1～1×10^-2Pa。是管内封装工质，工质为超纯水或者乙醇或者丙酮。

Claims (10)

1.一种平板热管太阳能集热器，它包括作为集热器的平板热管，其特征是在平板热管位于集热面一侧的内壁上设置具有良好吸收性能和透过性能的毛细多孔结构。

2.根据权利要求1所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述毛细多孔结构是指电化学加工沟槽结构或者微粒结构或者多层金属丝网敷设结构。

3.根据权利要求2所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述电化学加工沟槽结构是采用电化学手段在平板热管集热面内壁面加工而成，沟槽特征尺寸如下：槽深0.1mm-0.2mm、槽宽0.01mm-0.02mm、间距0.01mm-0.02mm。

4.根据权利要求2所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述微颗粒结构采用反复磁控溅射的方法将金属颗粒直接溅射到蒸发面上制作而成。

5.根据权利要求4所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述反复磁控溅射方法是指在制作过程中，将集热器溅射面清洗后放置于磁控溅射炉内，选用纯度99.99%的铜棒作为靶材，加热集热器温度至270℃以上，第一次溅射控制溅射电流0.5A，溅射时间50分钟，第二次溅射降低电流至0.3A，溅射时间60分钟，第三次溅射降低电流至0.1A，溅射时间为80分钟，通过几次反复溅射根据具体要求确定溅射的条件和次数，集热器内壁面就形成由内到外孔径逐渐增大的多层毛细多孔结构。

6.根据权利要求2所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述多层金属丝网结构是采用不同目数的紫铜丝网，然后按目数由高到低层叠在集热器内壁面，形成多层丝网结构，多层丝网依靠丝网本省的弹性直接与集热面内壁面结合。

7.根据权利要求6所述的平板热管太阳能集热器，其特征是紫铜丝网的目数是600目，800目和1000目。

8.根据权利要求1所述的平板热管太阳能集热器，其特征是所述平板热管的内部空间厚度为3-10毫米，其内部分为多个间隔的空腔，其间隔距离为10-30毫米；或者平板热管采用多个平板热管的结构。

9.根据权利要求1所述的平板热管太阳能集热器，其特征是平板热管内进行抽真空操作，压力为1×10^-1～1×10^-2Pa。

10.根据权利要求9所述的平板热管太阳能集热器，其特征是管内封装工质，工质为超纯水或者乙醇或者丙酮。

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