真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統及用於該系統的工質的製作方法
2023-06-13 19:47:46 2
專利名稱：真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統及用於該系統的工質的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能利用領域，具體地說，涉及一種真空相變傳熱式太陽能平板 集熱系統及用於該系統的工質。
背景技術：
太陽能被公認為一種可持續發展的環保能源，隨著科技的不斷發展，人們利用 太陽能已由被動、半主動逐步發展到積極主動的開發利用。如何有效的利用太陽能以彌 補煤、石油、天然氣等有限能源的不足，是當代科學界的熱門課題。迄今為止，人們所 採用的太陽能平板集熱器主要有兩種類型。第一種是常規平板集熱器，這種集熱器已商 品化生產，主要在太陽能熱水系統中用作為集熱部件。其特徵在於，主要由吸熱板和 上、下集管組成的管板式集熱器和由兩塊壓有凹槽的金屬板對焊形成的扁盒式集熱器等 等。儘管集熱器的吸熱板結構多種多樣，但基本上都是利用太陽能通過吸熱元件直接加 熱水，這種方法存在吸熱元件內的水在冬季容易結冰和對吸熱元件腐蝕等問題。因此， 這種集熱器在0°c以下不能使用，並且技術經濟性較差。第二種是熱管式太陽能平板集 熱器，其特徵在於，利用若干根重力熱管做成吸熱板，熱管內的工質從吸熱板獲得熱量 蒸發，然後通過冷凝器在蓄熱器放出熱量加熱水且自身被冷凝，在重力作用下返回集熱 器，再從吸熱板獲得量，並且所選的工質具有防凍功能。然而，由於熱管根數太多很 難形成分體遠程連接，不宜在建築物牆面安裝，此外該種集熱器製作成本太高、熱效率 低、且製造工藝複雜，難以推廣應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統及 用於該系統的工質，該系統針對常規集熱器在0°c以下不能使用，或是熱管式太陽能平板 集熱器成本高、不能分體安裝和不易推廣等問題，提出了一種創新裝置，即集熱器與蓄 熱器分體安裝、利用工質真空相變傳熱的太陽能平板集熱系統，這種系統效率高，成本 低，在o°c以下仍可正常使用。這種系統的集熱器不僅可以安裝在建築物的屋頂，而且可 以安裝在其牆面。本發明另一個要解決的技術問題是提供一種專用於真空相變傳熱式太陽能平板 集熱系統的工質，該工質為多組分複合工質，通過反覆蒸發、冷凝的相變循環傳熱，將 液體加熱。本發明解決上述問題所採用的技術方案是真空相變傳熱式太陽能平板集熱系 統，真空蒸發器置於平板集熱器框體內部並貫穿平板集熱器框體形成兩個連接端；冷凝 器置於蓄熱器內部並貫穿蓄熱器形成兩個連接端；所述真空蒸發器一端與氣液分離器接 通，氣液分離器氣體出口通過蒸氣上升管與冷凝器的一端接通，液分離器液體出口通過 蒸發器供液管與真空蒸發器的另一端接通，冷凝器的另一端通過冷凝液回流管與氣液分 離器接通。
具體地，所述真空蒸發器是蛇形盤管且蛇形盤管上連接有吸熱元件。冷凝器也 可以是其他任意形式的盤管。真空蒸發器安裝在平板集熱器框體內，蛇形管上連接有吸 熱元件，吸熱元件面積與集熱器的受光面積相等，工質在蛇形管內吸收來自吸熱元件的 熱量，然後蒸發將熱量帶走。所述真空蒸發器的換熱面積與吸熱元件面積之比為0.30 0.80。所述冷凝器是為蛇形、螺旋形或長圓形盤管，蓄熱器設有冷水進水管和熱水出 水管。冷凝器也可以是其他任意形式的盤管，安裝在蓄熱器內，工質在冷凝器內冷凝放 出熱量加熱蓄熱器內的物質。所述冷凝器的換熱面積與吸熱元件面積之比為0.30 1.0。所述氣液分離器底部連接有疏水閥，冷凝器的冷凝液回流管與氣液分離器底部 的側面相連。所述真空蒸發器、氣液分離器、蒸氣上升管、冷凝器、冷凝液回流管、蒸發器 供液管的順序連接構成工質循環迴路，工質循環迴路中的工質充裝量是真空蒸發器容積 的5 50%。所述真空蒸發器內的真空度為4 98kPa。一種專用於上述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統的工質，所述工質為 水、氨、乙醚、呋喃、丙酮、丁酮、氯仿、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、戊烷、異戊 烷、己烷、環己烷中的一種或者一種以上構成，其沸點為30°C 90°C。上述工質是多組 分複合工質，為易相變的一種液相物質或幾種液相物質，其沸點在30°C 90°C範圍內可調。具體地，所述工質為水，其絕對壓力為4.24 70.11kPa;或者所述工質為乙 醇，真空度為63.09kPa ；或者所述工質為摩爾成分0.22丙酮和摩爾成分0.78甲醇的混合 物，其絕對壓力為Iatm ；或者所述工質為摩爾成分0.35丙酮和摩爾成分0.65氯仿的混合 物，其真空度為32.32kPa。本發明的工作原理是採用蛇形盤管的真空蒸發器替代傳統平板集熱器的集熱 元件，其作用類似於空調或冰箱的蒸發器，管內工質在壓差的作用下單向流動並吸熱蒸 髮帶走潛熱，到達蒸發器出口端時處於蒸氣狀態，傳熱效率較高；而傳統平板集熱器管 內是水，其經過集熱器吸收的是顯熱，利用冷熱水的密度差進行自然循環，傳熱效率較 低。蒸發器通過蒸氣上升管、可分體布置蓄熱器中的冷凝器、冷凝液回流管和蒸發器供 液管形成一個封閉的工質循環迴路，迴路內充裝傳熱工質。在白天有日照情況下，工質 在真空蒸發器內受熱蒸發成為飽和蒸氣或溼蒸氣，然後經氣液分離器通過蒸氣上升管進 入蓄熱器中的冷凝器。在冷凝器內，蒸氣向冷凝管外的水放熱，被冷凝、冷卻，同時使 蓄熱器中的物質被加熱。冷凝冷卻液在重力作用下通過冷凝液回流管返回到氣液分離器 的底部，再通過蒸發器供液管回到真空蒸發器，完成一個工作循環。在循環過程中，工 質在真空蒸發器中吸收太陽供給吸熱元件的能量被加熱、蒸發，在冷凝器中放出氣化潛 熱和顯熱被冷凝、冷卻成過冷液體，這種相變循環反覆進行，將蓄熱器的物質加熱到所 需溫度。如果蓄熱器內的物質可以流動，則傳熱效果更佳。工質循環迴路中的氣液分 離器可以起到氣液分離的作用，保證循環能正常運行。如果由真空蒸發器出來的是溼蒸 氣，則分離出的飽和液體會降到氣液分離器的底部；如果由冷凝器出來的是溼蒸氣，則分離出蒸氣會通過蒸氣上升管進入冷凝器。如果蓄熱器內盛水並做相應保溫，則系統可 以為帶蓄熱水箱的分體式防凍太陽能熱水器；如果蓄熱器內裝有固體蓄熱物質並做相應 保溫，則裝置可以變為帶蓄熱的分體式防凍太陽能空氣加熱器。綜上所述，本發明的有益效果是
(1)本發明利用一個封閉的工質自然循環迴路將相距較遠的平板集熱器框體和蓄熱 器連接起來，在迴路中充裝低沸點多組分複合工質，通過進行反覆的相變循環，將蓄熱 器中待加熱物質(例如水)加熱。所述系統結構簡單，可以在o°c以下正常使用、實現 遠距離換熱，易於推廣應用，可廣泛應用於太陽能供熱系統中，尤其適用於太陽能建築 一體化的供熱系統。(2)本發明採用多組分複合工質，無腐蝕作用，沸點在較大範圍可調，即使在 北方氣溫較低時不會發生凝固等現象，冬季仍可保證所述系統正常運行，增加了所述系 統的適用範圍。
圖1是本發明真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統流程示意圖。圖中標記相對應的部件名稱1 一平板集熱器框體；2—真空蒸發器；3—蒸發 器供液管；4一氣液分離器；5—冷凝液回流管；6—蒸氣上升管；7—冷凝器；8—蓄熱 器；9一冷水進水管；10—熱水出水管。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式 不限於此。實施例1
參見圖1所示，本實施例的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統包括平板集熱器框 體1、氣液分離器4、蓄熱器8、真空蒸發器2、冷凝器7。真空蒸發器2、置於平板集熱 器框體1內部並貫穿平板集熱器框體1形成兩個連接端；冷凝器7置於蓄熱器8內部並貫 穿蓄熱器8形成兩個連接端。所述真空蒸發器2—端與氣液分離器4接通，氣液分離器 4氣體出口通過蒸氣上升管6與冷凝器7的一端接通，液分離器4液體出口通過蒸發器供 液管3與真空蒸發器2的另一端接通，冷凝器7的另一端通過冷凝液回流管5與氣液分離 器4接通。其中，真空蒸發器2是蛇形盤管，安裝在平板集熱器框體1內，蛇形管上連接 有吸熱元件，吸熱元件面積與集熱器的受光面積相等。工質在蛇形管內吸收來自吸熱元 件的熱量，然後蒸發將熱量帶走。所述真空蒸發器2的換熱面積與吸熱元件面積之比為 0.30 0.80。冷凝器7是任意形式的盤管，如蛇形、螺旋形、長圓形盤管等，安裝在蓄熱器8 內，其換熱面積與吸熱元件面積之比為0.30 1.0。工質在冷凝器7內冷凝放出熱量加熱 蓄熱器8內的物質。氣液分離器4是一個任意形狀的密閉容器，其底部連接有疏水閥(或不接閥 門)、並與蒸發器供液管3相連接，其頂部與蒸氣上升管6相連，真空蒸發器2的蒸氣管道可以任意角度與氣液分離器4上部的側面相連，冷凝器7的冷凝液回流管5與氣液分離 器4底部的側面相連。上述真空蒸發器2、氣液分離器4、蒸氣上升管6、冷凝器7、冷凝液回流管5、 蒸發器供液管3的順序連接(參照圖1的連接方式)構成工質循環迴路。真空蒸發器2、 連接管件、冷凝器7用銅或不鏽鋼製成，氣液分離器4用不鏽鋼製成，採用焊接或螺紋連 接成一體後，打壓檢漏。然後鬆開連接螺母，將真空蒸發器2和冷凝器7分別裝入平板 集熱器框體1和蓄熱器8內，再連接好管路。最後，對系統抽真空並灌裝工質，工質灌 裝量為真空蒸發器容積的5% 50%。實施例2
一種專用於實施例1所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統的工質，所述工質 是多組分複合工質。所述多組分複合工質為液氣相變物質的一種或幾種。所述液氣相變物質為水、丙酮、氯仿、甲醇、乙醇中的一種或者一種以上。例1，用水作為工質，真空度為85.59kPa，系統裝好後工質的蒸發溫度為55°C。例2，用乙醇作為工質，真空度為63.09kPa，系統裝好後工質的蒸發溫度為 55 °C。例3，用丙酮和甲醇的混合物作為工質，丙酮、甲醇的摩爾比為0.22: 0.78，絕 對壓力為latm，系統裝好後工質的蒸發溫度為55.28°C。例4，用丙酮和氯仿的混合物作為工質，丙酮氯仿的摩爾比為0.35: 0.65，真空 度為32.32kPa，，系統裝好後工質的蒸發溫度為55°C。以上所述，僅是本發明的較佳實施案例，並非對本發明做任何形式上的限制， 凡是依據本發明的技術實質上對以上實施案例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入 本發明的保護範圍之內。如上所述，便可較好的實現本發明。
權利要求
1.真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，包括平板集熱器框體(1)、 氣液分離器(4)、蓄熱器(8)、真空蒸發器(2)、冷凝器(7)，真空蒸發器(2) 置於平板集熱器框體(1)內部並貫穿平板集熱器框體(1)形成兩個連接端；冷凝器(7)置於蓄熱器(8)內部並貫穿蓄熱器(8)形成兩個連接端；所述真空蒸發器(2) 一端與氣液分離器(4)接通，氣液分離器(4)氣體出口通過蒸氣上升管(6)與冷凝 器(7)的一端接通，液分離器(4)液體出口通過蒸發器供液管(3)與真空蒸發器 (2)的另一端接通，冷凝器(7)的另一端通過冷凝液回流管(5)與氣液分離器(4) 接通。
2.根據權利要求1所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所述真 空蒸發器(2)是蛇形盤管且蛇形盤管上連接有吸熱元件。
3.根據權利要求1或2所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所 述真空蒸發器(2)的換熱面積與吸熱元件面積之比為0.30 0.80。
4.根據權利要求1或2所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所 述冷凝器(7)是為蛇形、螺旋形或長圓形盤管，蓄熱器(8)設有冷水進水管(9)和 熱水出水管(10)。
5.根據權利要求1或2所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所 述冷凝器(7)的換熱面積與吸熱元件面積之比為0.30 1.0。
6.根據權利要求1或2所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所 述氣液分離器(4)底部連接有疏水閥，冷凝器(7)的冷凝液回流管(5)與氣液分離 器(4)底部的側面相連。
7.根據權利要求1或2所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所 述真空蒸發器(2)、氣液分離器(4)、蒸氣上升管(6)、冷凝器(7)、冷凝液回流 管(5)、蒸發器供液管(3)的順序連接構成工質循環迴路，工質循環迴路中的工質充 裝量是真空蒸發器容積的5 50%。
8.根據權利要求7所述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，其特徵在於，所述真 空蒸發器內的真空度為4 98kPa。
9.一種專用於上述的真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統的工質，其特徵在於， 所述工質為水、丙酮、氯仿、甲醇、乙醇的一種或者一種以上構成，其沸點為30°C 90 "C。
10.根據權利要求9所述的專用於真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統的工質，其特 徵在於，所述工質為水，其絕對壓力為4.24 70.11kPa;或者所述工質為乙醇，真空度 為63.09kPa;或者所述工質為摩爾成分0.22丙酮和摩爾成分0.78甲醇的混合物，其絕對 壓力為Iatm ；或者所述工質為摩爾成分0.35丙酮和摩爾成分0.65氯仿的混合物，其真空 度為 32.32kPa。
全文摘要
本發明公開了一種真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統及用於該系統的工質。真空相變傳熱式太陽能平板集熱系統，真空蒸發器置於平板集熱器框體內部並貫穿平板集熱器框體形成兩個連接端；冷凝器置於蓄熱器內部並貫穿蓄熱器形成兩個連接端；所述真空蒸發器一端與氣液分離器接通，氣液分離器氣體出口通過蒸氣上升管與冷凝器的一端接通，液分離器液體出口通過蒸發器供液管與真空蒸發器的另一端接通，冷凝器的另一端通過冷凝液回流管與氣液分離器接通。本發明可以在0℃以下正常使用、實現遠距離換熱，易於推廣應用，可廣泛應用於太陽能供熱系統中，尤其適用於太陽能建築一體化的供熱系統。
文檔編號F24J2/34GK102012115SQ20101056848
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月1日 優先權日2010年12月1日
發明者李建明, 陳志 , 高宇 申請人:四川天乙太陽能科技有限公司