一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件的製作方法

2023-06-01 09:29:11

專利名稱：一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能利用，特別是平板太陽能熱利用技術領域。
背景技術：
太陽能熱水器主要由水箱，集熱體，透明蓋板，上下集管和上下循環管等部件組成。根據熱水器型式和功能不同，可以少掉幾個部件，也可以增加ー些部件。當太陽照射到集熱體後，集熱體吸熱，主要通過導熱和對流形式將其傳遞給集熱體內的水，吸熱後的水匯入上集管，再經上循環管最後流入水箱。而水箱中的冷水經下循環管，下集管又流入集熱體，在這裡進一步吸熱，完成ー個循環。當水箱中的水經一段時間循環加熱達到要求溫度後，可供用戶使用。太陽能熱水器主要有真空管熱水器和平板熱水器，目前在我國較普通使用的是真空管熱水器。然而，由於結構上的限制，它很難實現二次循環且不適於建築一體化，這限制了它的發展空間。早期傳統的平板熱水器，是ー個整體的盒式結構熱水器，這種熱水器，其傳熱效率低，抗壓性能差，現已基本不用了。目前廣泛使用的是管翼式平板熱水器，管翼式熱水器，其集熱體元件是由ー根金屬管(通常是銅管)，在其兩側焊上金屬翼板(通常是銅板)而形成的，當太陽照射到該管翼吸熱體經翼板吸熱後，首先通過導熱沿著翼板將熱傳到銅管，再以對流換熱的形式，將熱傳遞到水。這種集熱體，其承壓性能較好，然而其傳熱性能差，熱效率低，這主要原因是1.有較大的接觸熱阻，由於吸熱的翼板是焊或鉚在圓管的兩側壁上，在接觸處存在較大的接觸熱阻。2.換熱面(與水接觸的圓管內表面積)小於吸熱面(主要是翼板面積)，在相同條件下換熱量減少。3.有較大的熱損失，由於有較大的接觸熱阻和較小的導熱面(因為翼板與圓管只是線接觸)，致使翼板溫度升高，使散熱損失増大，熱效率低。4.不利的流態，流體在低速(自然循環熱水器屬於這種情況)，小直徑的圓管內流動，除了入口段以外湍動度都很小，使壁面與流體之間的換熱係數小。
發明內容由於現有技術的不足，本發明提供一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，它是ー個管道，可大幅提高平板熱水器熱效率。本發明的集熱體元件，由一根直徑為d圓管經模加工形成的設有多個被此銜接的多拱變通道節21(圖1)，再在其向陽面塗上吸收性塗層後而成的集熱體元件(圖1)，圖2為該集熱體元件側向圖。每ー個多拱變通道節的形狀，由它的進ロ截面PP (圖1)，中間截面ZZ (圖I)和出口截面qq (圖I)的三個基準面決定，以這三個基準面為基礎，軸向連接進ロ截面PP (圖I)與中間截面zz (圖I)周界上的相應點,和中間截面zz (圖I)與出口截面qq (圖I)周界上的相應點，便構成ー個多拱變通道節外形。該多拱變通道集熱體元件，可以由不同的多拱變通道節21組成，軸向沿著集熱體元件任意一個截面，其周長相同，截面積不等。[0008]所說的多拱變通道節的入口截面PP和出口截面qq (圖I )，可以為相同的或不同的矩形(圖3)。所說的多拱變通節的中間截面ZZ (圖I)為多拱圓弧形面(圖4)，其底i j和兩側ai和gj均為直線，而上底為多拱的圓弧形線W(圖4)，其拱數可以是任意的奇數，也可以是直線。如果是直線ag，則中間截面也為矩形。所說的多拱變通節的中間截面ZZ (圖1)，也可以與進出口矩形截面形狀相同，此時，多拱變通道段2 (圖I)就變成ー個矩形窄條扁通道。該發明的多拱變通道平板熱水器集熱體元件，它不存在接觸熱阻，増大了與水接觸的換熱面，降低了集熱體元件溫度，減少集熱體元件上部散熱損失，且由於下底為平面，減少與保溫層接觸面積，故又減少了集熱體元件下部散熱損失，在流體主流方向，流體微團多次流經變通道，不斷的加速，減速，減壓、增壓，形成劇烈湍動，在橫向上，由於拱形結構，流體在向陽面和背光面受熱不同，產生二次流，主流與二次流的疊加，引起流體微團強烈的·湍動，又提高了換熱係數。上述諸原因使本發明多拱變通道集熱體元件傳熱性能十分優越，大大提高了平板熱水器效率，是平板熱水器理想的集熱體元件，又由於結構簡單，可靈活組合與滿足不同換熱面需要和適應不同的安裝位置要求，因此，它還特別可用於太陽能建築一體化中。

圖I是本發明多拱變通道平板熱水器集熱體元件示意圖。圖2是本發明多拱變通道平板熱水器集熱體元件側向圖。圖3是本發明多拱變通道節進出口截面圖。圖4是本發明多拱變通道節中間截面圖。圖5是實施方案2中間矩形截面圖。
具體實施方式
考慮直徑d= (30-80)mm，長L= (1000— 2000mm)的金屬圓管形成的多拱變通道集熱體元件。在軸向，將L分成三段，分別為入口段I (圖1)，多拱變通道段2 (圖I)和出口段3(圖1)，順序連接。入口段長為I1等於出ロ段長度為宜，因而多拱變通道段2長度為l=(L-2 I1)mm,將其N等分，N=(6_8)，可作N個的多拱變通道節21 (圖I)，每ー個多拱變通道節21 (圖I)的形狀由它的三個基準面形狀決定，其入口截面PP (圖I)和出口截面qq(圖I)均為矩形(圖3)，該矩形高Hpq= (6 — 7) mm,則其底Bp q= (Ji d/2 —Hp q)mm,其中間截面zz (圖I)的截面形狀為多拱圓弧形面(圖4)。該圓弧形面(圖4)的下底ij為直線，下底ij的長Bz= (Bp q — 6)mm為宜；兩側邊ai和gj的高為Hz= (Hp q+A)mm,Λ為中心截面高度Hz與進ロ截面高度Hm之差，取Λ = (I - 6)mm,則可確定多拱圓弧形面的高Hz;為作出多拱圓弧形面(圖4)的上底多拱圓弧形線W，連結a g線，將a g線M等分，可作M個的圓弧拱，其圓弧拱的節距t=Bz/M;對每ー個的圓弧拱，只要確定該圓弧線上的任意三個點，如始點，終點和中點，便可確定該圓弧線。因此a g線上M等分的各節點可作為每ー個圓弧拱線的始點和終點。圓弧拱線的另外一點為各圓弧拱線的中點，若取定各圓弧拱線中點到a g線(即每一個圓弧拱線的弦線)的距離h= (3+0. 5 Δ) mm,則可確定各圓弧的中點，這樣可作出每ー個圓弧拱線，從而作出多拱圓弧形面(圖4)，即中間截面zz(圖I).其中間截面zz (圖I)的計算周長C1為Cl=Bz+2Hz +」^ )(角度按弧度計算)由於管徑d確定後,其原園周長C也確定,但中間截面zz (圖I)的計算周長C1,一般不等於原園周長C，因此要進行校核。為此，設定允許相對誤差ε,若計算相對誤差
S1 =100%滿足允許誤差ε要求，則認為所選參數合適，否則，則微調Λ，重新計算
C1直至滿足誤差要求為止。以三個基準面為基礎縱向連接進ロ截面周界與中心截面周界上的相應點和中心截面周界與出口截面周界上的相應點，則形成ー個多拱變通道節外形。中心截面上底的拱數可以是任意的奇數，但也不必過多，以便於製造，綜合考慮各因素，取三拱、單拱或直線為宜，分別形成單拱，三拱和矩形變通道節。對於三拱的，按第一、第三拱上凸，第二拱下凹布置(圖4);對於單拱的，則按上凸布置，以便形成較圓滑的過度曲線；對於直線的，則中間截面為矩形(圖5)，其底Bzi= (Bp ,-6) mm，則其高Hzi= Hzi=(開d / 2-Bzl)mm。此時,其計算弧長C1 一定等於原園周長C,故不必校核。其中間截面zz(圖I)的截面形狀如與進出口矩形截面形狀相同，此時，多拱變通道段2 (圖I)就變成ー個矩形窄條扁通道，其高以(6-7) mm為宜。實施方案例一——三拱變通道節製作例考慮直徑d=76mm，長L=1856mm的圓管，取入口段，出口段長I1=I2=SOmm,則多拱變通道段長為1696_，將其分成8等分，N=8,每等分長1=212_，即可作8節的三拱變通節。每ー個三拱變通道節的進出口截面設為矩形(圖3)，兩側高Hp q=6mm，底Bp ,=開d / 2_Hp q=113. 38mm。每ー個三拱變通道節的中間截面為三拱圓弧形面(圖4)，M=3，其底Bz= (Bp q — 6)=107. 38mm,若中間截面高度Hz與進ロ截面高度Hp ^差Λ =3mm,則Hz=Hp q+Λ =9mm,和各圓弧中點到其弦線ag線的距離h=3+l. 5=4. 5mm,節距t=Bz/M=35. 79mm,因而確定了各圓弧拱線的始點，終點a、c、e、g及各圓弧拱線中點b、d、f。因而可作出三圓弧拱形線W (圖4)，從而確定了中間截面。校核若允許相對誤差ε =1%經計算,原園周長c=238. 76mm,計算周長(^=237. 23mm,其相對誤差為O. 6% < 1%,滿足要求，所選參數合適。縱向連結進ロ截面周界與中間截面周界上的相應點及中間截面與出ロ截面周界上的相應點便製得三拱變通道節，對於三拱變通道節，第一、三拱上凸，第二拱下凹布置實施方案例ニ ——矩形變通道節製作例取一根直徑d=76mm，長L=1856mm的圓管，取入口段，出口段長I1=I2=SOmm,則多拱變通道段長為1696_，將其分成8等分，N=8，每等分長1=122_，即可作8節的矩形變通道節。每節的矩形變通道節的進ロ截面和出口截面為矩形(圖3)，兩側高Hp q=6mm，則底Bp q=(7Td/2-Hp ,)=113. 38mm,每節的矩形變通道節的中間截面為矩形(圖5)，其底Bzi=Bm —6=107. 38mm,則高Hzl= d/2-Bzl=12mm.因而可作出矩形的中間截面。縱向連接進ロ截面周界與中間截面周界上的相應點和中間截面周界與出口截面周界上的相應點，則製得矩形變通道節。對於矩形變通道節，其計算周長C1等於原園周長C，故不必進行校核計算。
權利要求1.一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，是ー個管道，沿流體流動方向，分入口段、多拱變通道段和出口段，其特徵是多拱變通道段由多個彼此銜接的多拱變通道節組成。
2.根據權利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特徵是多拱變通道節由它的進ロ截面、中間截面和出口截面的三個基準面決定，進ロ截面和出口截面可以為相同的或不同的矩形，而中間截面為多拱圓弧形面，其下底和兩側高均為直線，上底為多拱圓弧形線W。
3.根據權利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特徵是三拱變通節，其長為212臟，進出ロ截面為矩形，矩形高Hp q=6mm,底Bp q=113. 38mm ;其中間截面為三圓弧拱形面，該三圓弧拱形面的下底Bz=107. 38mm,高Hz=9mm,各圓弧中點到其弦線距離h=4. 5mm,節距t=35. 79mm。
4.根據權利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特徵是矩形變通節，其長為212mm，進出口截面為矩形，矩形高Hp q=113. 38mm ;其中間截面也為矩形，該矩形的下底BZ1=107. 38mm,高 Hzl=12mm。
專利摘要一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，是一個管道，沿著流體流動方向，分入口段、多拱變通道段和出口段，多拱變通道段由多個彼此銜接的多拱變通道節組成，軸向沿著集熱體元件的任意一個截面，其周長相同，截面積不等。該多拱便通道平板熱水器集熱體元件，由於沒有接觸熱阻，能引起流體強烈湍動強化傳熱，故可大大提高熱水器效率，此外又由於結構簡單，可靈活組合，還特別可用於太陽能建築一體化中。本實用新型還提出了三拱和矩形變通道結構集熱體元件製作例和參數選擇原則。
文檔編號F24J2/46GK202613805SQ20112052679
公開日2012年12月19日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者傅太平, 翁榮周, 唐源欣, 傅志森 申請人:泉州聖弗樂太陽能科技有限公司