一種接近逆流換熱效果的太陽能真空集熱管及系統的製作方法
2023-06-15 04:00:11 2
本發明屬於太陽能集熱管技術領域，尤其涉及一種接近逆流換熱效果的太陽能真空集熱管及系統。
背景技術：
太陽能作為最清潔的能源之一，在環境汙染嚴重的今天得到了越來越廣泛的關注和應用。然而由於季節、晝夜等自然條件的限制以及陰晴雨雪等隨機天氣因素的影響，太陽輻照度呈現分散性和間歇性，給大規模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續穩定的能源，就需要將晴朗日間的太陽輻射儲存起來，以供夜間及陰雨天使用。相變蓄熱材料利用物質在相變過程中產生的相變熱來進行熱量的儲存和利用，具有蓄熱密度高、蓄放熱過程近似等溫等優點，可以很好的應用於太陽能儲存。
可查的文獻表明，國內外已經有很多專家學者嘗試相變蓄熱式太陽能集熱器的研製。如太陽能相變蓄熱集熱管(申請號：200820150741.8)披露了相變蓄熱材料封裝於密封容器中，密封容器置於太陽能集熱管中，在太陽能集熱管與密封容器之間填充傳熱介質。這項技術的缺點為球形密封容器在傳熱介質中隨機性較高，難以保證集熱管的溫度和流量穩定，而且複雜的結構增加了製作成本，降低了使用壽命。相變儲能型太陽能真空集熱管(申請號：201410024269.3)披露了金屬翅片成層狀設置在內壁內並劃分為多個換熱空間，在每個換熱空間內填充相變材料，u型水管通過換熱空間進行換熱。這項技術的缺點為當相變材料過熱時，集熱管內高壓力難以釋放，造成安全隱患。相變蓄熱式太陽能真空集熱管及其組成的太陽能熱水器(申請號：201510321109.x)披露了金屬內管內填充有相變蓄熱材料，相變蓄熱材料內埋有u型換熱管，u型換熱管的進口端和出口端均伸出金屬內管的開口端並穿過密封蓋固定。這項技術的缺點是單純的u型換熱管與相變材料間換熱面積較小，換熱效率較低。
技術實現要素：
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種接近逆流換熱效果的太陽能真空集熱管，有效解決太陽能利用分散性、間接性問題，提高相變材料導熱係數，提高換熱效率，安全穩定，使用壽命長等優點。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
一種接近逆流換熱效果的太陽能真空集熱管，包括外管和內管，所述外管內套設有內管，外管和內管之間形成真空腔，所述內管內設有換熱管，所述內管與換熱管之間填充相變材料；其特徵在於，所述換熱管包括進口集管、出口集管和與進口集管和出口集管相連通的管子，所述的進口集管在內管的內側，出口集管在內管的外側。
作為優選，所述管子是浮動盤管，浮動盤管為一個或者多個，每個浮動盤管包括多根圓弧形的管束，多根圓弧形的管束的中心線為同心圓的圓弧，相鄰管束的端部通過集箱連通，使得管束的端部形成管束自由端，所述多根圓弧形的管束形成串聯結構。
作為優選，所述同心圓是以內管的中心線為圓心的圓。
作為優選，距離圓心越遠，所述的管束之間的間距越小。
作為優選，距離圓心越遠，所述的管束之間的間距越小的幅度不斷的增加。
作為優選，從同心圓的圓心向外，至少設置三根管束，其中連通第n根和n+1根之間的集箱和連通第n+1根和第n+2根之間的集箱位於不同端，其中n>＝1。
作為優選，所述進口集管和出口集管位於第一端，所述的連通第1根和2根之間的集箱位於第一端相對的第二端。
作為優選，所述外管的第一端設有真空抽氣口，所述外管和內管之間設有吸氣劑，所述吸氣劑與真空抽氣口相對應；
所述真空抽氣口呈尖嘴狀。
作為優選，所述內管的第一端外側設有支撐件，所述吸氣劑設置於支撐件上；
所述支撐件呈s形或u型或w形。
作為優選，所述相變材料為由石蠟和納米鋁粉混合物製成。
作為優選，所述混合物中納米鋁粉的質量分數為0.3～0.6％。
作為優選，設進口集管和出口集管的內徑為r，距離圓心最近的圓弧的半徑為r1，換熱器內管的內徑為r2，管束的內徑為c，管間距為d，滿足如下關係：
(r2-r1)/d＝(r/c)a；其中a是係數，滿足如下條件：
1.2<＝r/c<＝1.5，3.42<＝a<＝7.60；
1.5<r/c<＝1.8，2.36<＝a<3.42；
1.8<r/c<＝2.1，1.87<＝a<2.36。
30mm<r1<40mm；70mm<r2<80mm；100mm<r3<110mm；
5mm<r＝1。
例如，如圖2所示，包括4根管束，其中第1根管束與第2根管束通過集箱c連通，第2根管束和第3根管束通過集箱b連通，第3根和第4根通過集箱d連通，從而使得流體在四根管束內形成串聯結構。c、d和b端位於不同的端部。其中b和進口集管31和出口集管32位於一端，c、d位於另一端。
作為優選，位於同一端的集箱為分開結構。例如，如圖2所示，集箱c和集箱d之間是分開結構。這一點也是本發明的一個開創性的創新點。現有的彈性管束集箱都是連在一起的，通過分開結構使得管束末端徹底形成自由端，進一步加強擾動，強化傳熱。
進一步優選，如圖2所示，所述進口集管31和出口集管32位於第一端，所述的連通第1根和2根之間的集箱位於第一端相對的第二端。
進一步優選，所述外管6的末端設有真空抽氣口，所述外管6和內管1之間設有吸氣劑，所述吸氣劑與真空抽氣口相對應；
所述真空抽氣口呈尖嘴狀。
作為優選，所述內管4的末端外側設有支撐件11，所述吸氣劑設置於支撐件11上；
所述支撐件11呈s形或u型或w形。
作為優選，所述相變材料為由石蠟和納米鋁粉混合物製成。
作為優選，所述混合物中納米鋁粉的質量分數為0.3～0.6％。
一種真空集熱系統，包括水箱和集熱管，所述集熱管的一端插入水箱中，所述集熱管就是前面所述的真空集熱管。
彈性管束的振動使得在傳熱管表面無法形成穩定的附面層，從而大幅度地降低了附面層的導熱熱阻。另外，管束的振動加強了對周圍流體的擾動，冷熱流體的混合強烈，流體間的對流熱阻也得到有效降低。這樣，從減小管外對流換熱熱阻來說流體誘導振動對強化傳熱極為有利。與常用的強化傳熱方法比，彈性管束的強化傳熱有其獨到之處。諸如肋片管、螺旋槽管、粗糙表面、波節管、等離子處理表面及其他強化傳熱管，清潔表面的傳熱能力較強，而傳熱表面結垢後傳熱能力急劇下降。而彈性管束始終在流體的誘導下維持一定頻率、振幅下振動。這樣不僅加強了傳熱管表面附近的繞流、強化了傳熱，而且降低了汙垢附著的機率。研究還發現，管束的振動可分解為面內的自由伸縮、面外的上下浮動兩種分量。面內的自由伸縮還可使附著的汙垢迅速剝落。因此，彈性管束以其優越的抗結垢能力使得它具有良好的複合強化傳熱效果。
平面彈性管束換熱器的nu數的計算公式為：
平面固定管束換熱器的nu數的計算公式為：
式中，prf為採用流體平均溫度為定性溫度的普朗特數，prw為採用壁面溫度為定性溫度的普朗特數，re為流體雷諾數。
經實驗測得，清潔表面彈性管束換熱器的平均傳熱係數比固定管束提高200％，與其他類型的換熱器相比，彈性管束在低流動雷諾數下強化傳熱的效果非常明顯。
由於平面彈性管束進出口視為理想約束，利用直接剛度疊加法建立彈性管束振動方程：
式中，m為總體質量陣，c為管內流體流速，g為柯氏力阻尼陣，kp為管束剛度陣，kf為流體動能剛度陣，q為流體節點位移。
在流體誘導振動作用下，管束振動呈現出亞毫米級別的正弦函數變化，振動方向主要垂直於管束水平面，隨著入口流速的增大，振動幅值逐步增大，而振動頻率保持不變。平面彈性管束的振動失穩極限流速在3.3565～3.3569m/s之間，本發明的太陽能集熱器因為處於自然對流或者接近自然對流的狀態，實際工作時的管內流速遠小於該極限流速。
通過理論分析、數值模擬和實驗中發現，進口集管、出口集管的內徑、管束的內徑、管間距的數據不能過大或者過小，過大或者過小都會影響彈性管束的震動頻率，導致震動效果變差，從而影響換熱。
本發明進一步研究了達到最大振動狀態的集熱管的具體結構尺寸。具體研究結果是先通過理論分析和數值模擬，然後在通過實驗進行驗證，從而得到最大的振動效果的結構尺寸關係式。
作為優選，設進口集管和出口集管的內徑為r，距離圓心最近的圓弧的半徑為r1，換熱器內管的內徑為r2，管束的內徑為c，管間距為d，滿足如下關係：
(r2-r1)/d＝(r/c)a；其中a是係數，滿足如下條件：
1.2<＝r/c<＝1.5，3.42<＝a<＝7.60；
1.5<r/c<＝1.8，2.36<＝a<3.42；
1.8<r/c<＝2.1，1.87<＝a<2.36。
30mm<r1<40mm；70mm<r2<80mm；100mm<r3<110mm；
5mm<r<15mm；
管束的半徑優選為3-10mm；
管束之間距離優選為10-20mm。
作為優選，所述盤管的材料是銅合金，含銅在62％～68％。
上述經驗公式是通過大量的實驗進行了驗證。在滿足上述經驗公式的情況下，換熱盤管的振動效果達到最佳。通過上述經驗公式，也為太陽能集熱管的設計提供了一個優化的設計公式。
作為優選，隨著r/c的增加，a的數值不斷的減小。
作為優選，管束的數量為3-5根，優選為3或4根。
如圖3所示，所述的進口集管和出口集管的圓心的連線的延長線經過集熱器內管的圓心。
作為優選，同一端集箱與管束的連接點的連線經過集熱器內管的圓心。
作為優選，所述進口集管和出口集管的圓心的連線與第二端的集箱與管束的連接點的連線形成的夾角b為50－70度(角度)。進一步優選為55－65度(角度)。
作為優選，距離圓心越遠，所述的管束之間的間距越小。
進一步優選，距離圓心越遠，所述的管束之間的間距越小的幅度不斷的增加。
通過理論以及實驗研究發現，主要原因如下：1)因為距離圓心越遠，所述的蓄熱材料溫度越高。通過縮小管束之間的間距，使得距離圓心越遠，分布的管束的數量越多。管束增加，使得彈性管束的自由端也隨著距離圓心越遠，數量分布也越多，因此管束的震動區域越大，使得溫度高的區域加強換熱效果，提高了整體的換熱效果。
2)隨著距離圓心越遠，數量越多，則吸熱面積越大，吸熱能力越強。
3)隨著距離圓心的距離越大換熱能力越強，則使得換熱管束的換熱過程越來越接近管殼式換熱器的逆流換熱，進一步加強換熱效果。
通過實驗發現，採取管束之間的間距變化，可以提高10％以上的換熱效果。
進一步優選，作為優選，距離圓心越遠，所述的管束的內徑越來越小。
進一步優選，距離圓心越遠，所述的管束之間的間距越小的幅度不斷的增加。
主要原因如下：1)因為距離圓心越遠，所述的蓄熱材料溫度越高。通過管束內徑變化，增加管束的震動頻率，因為小管徑更容易震動。管束震動頻率增加，使得溫度高的區域加強換熱效果，提高了整體的換熱效果。
2)隨著距離圓心的距離越大還熱能力越強，則使得換熱管束的換熱過程越來越接近管殼式換熱器的逆流換熱，進一步加強換熱效果。
通過實驗發現，採取管束之間的間距變化，可以提高12％以上的換熱效果。
整體結構如圖1和圖2所示，一種相變蓄熱型太陽能真空集熱管由抽氣口1、吸氣劑2、彈性管束3、金屬內管4、選擇性吸收塗層5、玻璃外管6、相變材料7、可伐合金8、波紋管9、吸氣膜10以及支撐件11組成，玻璃外管6與金屬內管4組成u型套管，玻璃外管6採用pyrex玻璃，金屬內管4採用不鏽鋼材料，二者一端密封，另一端通過可伐合金8過渡封接。為解決金屬和玻璃之間線膨脹係數不統一的問題，在金屬內管4和玻璃外管6之間採用波紋管9進行膨脹補償，採用無縫不鏽鋼管制作。玻璃外管6密封端設有真空抽氣口1。金屬內管4外壁上塗有選擇性吸收塗層5，玻璃外管6密封端內壁塗有吸氣膜10。玻璃外管6與金屬內管4之間抽真空並設有支撐件11及吸氣劑2。金屬內管4與彈性管束3間填充相變材料7，相變材料7採用石蠟與納米鋁粉混合物，其中納米鋁粉質量分數為0.3～0.6％。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。