一种渐缩渐扩喷管式热管太阳能热水器的制作方法

本实用新型涉及太阳能热水器设备技术领域，尤其是一种渐缩渐扩喷管式热管太阳能热水器。

背景技术：

太阳能热水器是将太阳光能转化为加热的装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。真空管式太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转成主要依靠集热管，真空集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需热水。

真空管式太阳能热水器是由若干根真空管组成，管子之间存在着空隙，被太阳光照射时，有一部分太阳能没有被集热器所接收，太阳能利用率不高。

真空管式太阳能热水器为保证减少热量的流失，外层套有真空玻璃管，真空玻璃管价格昂贵且易碎，故在运输和安装时都要加倍小心。由于是玻璃材质，集热器储水箱与集热管采用橡塑性连接，因此，不可承受来自自来水和循环水泵的太大压力。

平板式太阳能热水器虽然安装方便，但管道口径小，阻力大，且大多采用铝合金管，在水质无法保证的情况下，极易腐蚀；采用铜管的，不仅价格昂贵，而且在高温(指60℃以上的热水中)下，极易产生水垢还会产生铜锈。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单，设计巧妙，性能稳定，热效率高，寿命长且价格便宜的渐缩渐扩喷管式热管太阳能热水器。

本实用新型的技术方案是：一种渐缩渐扩喷管式热管太阳能热水器，包括太阳能水箱5、支架6和集热器13，所述太阳能水箱5下部连接集热器13，所述集热器13由集热管1、敞口保温箱7、玻璃盖板8、吸热板9、相变蓄热层10和保温层11组成，所述敞口保温箱7内部横向排布多根集热管1；

所述集热管1由一根大热管2和七根振荡热管3组成，所述大热管2的上端与太阳能水箱5连接并套有橡胶密封圈，所述大热管2的下端插入敞口保温箱7的固定座12的插孔中固定，并套有橡胶密封圈，所述大热管2壁面均匀地插入七根振荡热管3，所述振荡热管3为环状结构，七根所述振荡热管3围绕大热管2呈圆周排布，相邻两根所述振荡热管3之间的角度α为30°；

所述敞口保温箱7外面覆盖了一块玻璃盖板8，涂以玻璃胶并使用防漏水结构将玻璃盖板8进行固定；

所述吸热板9表面有横向排布凹槽，所述凹槽呈四分之一圆柱状，所述凹槽的曲率半径与集热管1的大热管2外半径相等，所述大热管2的外壁面与吸热板9表面的凹槽14无缝贴合。

进一步的，位于所述大热管2内部的振荡热管3装有渐缩渐扩喷管4(亦称作拉瓦尔喷管)，所述渐缩渐扩喷管4的形状呈沙漏状，内径由大变小向中间收缩至一个窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张。

进一步的，所述振荡热管3内部装有充液率为40％～60％的工作介质，所述工作介质可采用如下工质：纯水、正丁醇-水溶液、Al2O3-水溶液、质量分数为5％的Cu-水溶液、乙醇和银-乙醇纳米混合溶液等。

进一步的，所述大热管2和振荡热管3均采用不锈钢材质。

进一步的，所述大热管2的内表面涂布一层氧化层，减少不锈钢和水的反应。

进一步的，所述玻璃盖板8为双层中空玻璃。

进一步的，所述敞口保温箱7内壁覆盖了一层保温层11，所述保温层11为聚氨酯保温材料，所述保温层11上还覆盖一层相变蓄热层10，所述相变蓄热层10上覆盖了一层吸热板9。

进一步的，所述集热管1和吸热板9表面涂有太阳能光谱选择性吸收涂料。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型采用了振荡热管代替真空集热管与大热管结合，而振荡热管的热阻远远小于真空管，并且吸热效果明显，承压效果好，振荡热管的成本低，结构简单易实现。与常规热管不同的是，振荡热管内部无需吸液芯材料，因而具有结构简单，制造容易，成本低廉的优点，尤为可贵的是，对其结构和设计参数进行优化后，其运行性能基本不受重力作用的影响。因此能在重力场倒置、微重力场或者重力场变化等环境下运行。本实用新型启动快、灵敏度高、传热速度快、工作范围大、热损失明显减少，不存在结垢、空气腐蚀等问题。

(2)本实用新型采用的中空玻璃盖板具有防导热、防对流换热和防长波辐射的优点，热管单向传热的特性使热量不会向重力相反方向传递，在阴天或多雨的天气，能极大地抑制太阳能热水器的热损失。

(3)本实用新型为了解决传统真空集热管太阳能热水器阳光利用率不高的问题，当阳光照射到集热管之间的空隙中时，热量被吸热板吸收，一部分热量顺着吸热板横向传递，传递给集热管的大热管壁面，与管内自来水进行换热；另一部分热量竖向传递给了相变蓄热材料，实现热量的吸收与储存，在夜晚温度低时，将热量传递给吸热板，通过吸热板传递给集热管的大热管壁面，与管内自来水进行换热，大大提高了阳光利用率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的集热器的结构示意图。

图3为本实用新型的集热管的结构示意图。

图4为本实用新型的集热管的横截面示意图。

图5为本实用新型的集热管的内部结构示意图。

图6为本实用新型的渐缩渐扩喷管的剖视图。

图7为本实用新型的A处放大图。

图8为本实用新型的集热器的剖面图。

图9为本实用新型的图8的局部放大图。

图中：1-集热管，2-大热管，3-振荡热管，4-渐缩渐扩喷管，5-太阳能水箱，6-支架，7-敞口保温箱，8-玻璃盖板，9-吸热板，10-相变蓄热层，11-保温层，12-固定座，13-集热器，14-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，一种渐缩渐扩喷管4式热管太阳能热水器，包括太阳能水箱5、支架6和集热器13，太阳能水箱5下部连接集热器13，集热器13由集热管1、敞口保温箱7、玻璃盖板8、吸热板9、相变蓄热层10、保温层11、固定座12组成。

如图2所示，敞口保温箱7内部横向排布多根集热管1，如图3所示，集热管1由一根大热管2和七根振荡热管3组成，大热管2的上端与太阳能水箱5连接并套有橡胶密封圈，如图8所示，大热管2管的下端插入敞口保温箱7的固定座12的插孔中固定，并套有橡胶密封圈，如图3、4、5所示，大热管2壁面均匀地插入七根环状振荡热管3，七根振荡热管3围绕大热管2呈圆周排布，相邻两根振荡热管3之间的角度为30°；插入到大热管2内部的振荡热管3占据了大热管2的部分空间，对大热管2内部的水起到了一定的阻塞作用，使得水换热时间延长，增强了换热效果。

集热管1中使用了振荡热管3，其最大的特点是结构简单无芯，形状可以任意弯曲，当量传热系数大，体积小；基本工作原理:将管内抽成真空后充注部分工作介质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工作介质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工作介质流向低温冷凝端。然后，气泡冷却收缩并破裂，压力下降，由于两端之间存在压差以及相邻管子之间压力不平衡，使得工作介质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我震荡。与常规热管不同的是，振荡热管3内部无需吸液芯材料，因而具有结构简单，制造容易，成本低廉的优点，尤为可贵的是，对其结构和设计参数进行优化后，其运行性能基本不受重力作用的影响。因此能在重力场倒置、微重力场或者重力场变化等环境下运行。

如图6所示，位于大热管2内部的振荡热管3装有渐缩渐扩喷管4(亦称作拉瓦尔喷管)。在喷管中工作介质流动遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，因此气流不断加速。这样增大了工作介质流动，强化了传热。

如图3所示，振荡热管3内部装有充液率为40％～60％的高纯度水。在不同的加热方式下，振荡热管3的热阻与充液率呈现反向抛物线关系，在充液率的增加范围内，振荡热管3的热阻随充液率的增加，先减小后增大，在其波动范围内存在一个最佳的充液率波段，在本实用新型中，充液率优选为55％；工作介质也可采用如下工质：纯水、正丁醇-水溶液、Al₂O₃-水溶液、质量分数为5％的Cu-水溶液、乙醇和银-乙醇纳米混合溶液等，根据相关实验，正丁醇-水溶液能够明显起到强化换热作用，它能够使振荡热管3的最大传热能力提高将近3倍，同时加热端的极限温度达到了110℃；纯水是比较良好的工作介质，但振荡热管3的孔径比较小，一般为1到10mm，如果水质不纯(如水中有不凝性气体或者其他容易和管材发生化学反应的物质)，则降低了管道寿命和换热效率；综合考虑振荡热管3的工作温度、运行的稳定性以及传热和启动性能的需要，本实用新型采用高纯度水作为热管的工作介质。

如图3所示，大热管2和振荡热管3均采用不锈钢材质。当热管的壁厚够薄，且热管处于正常工作时，整个热管的热阻与材料自身的导热性能无关。传统的热管普遍采用铜、铝管，但这只适合小型设备散热，像太阳能热水器这种设备材料用量巨大，铜、铝材料并不适宜。另外，在振荡热管3工作时，管内的气、液柱塞产生强烈的往复振荡，这种振荡运动会引起热管壁面的传热系数发生变化，导致壁面出现过热或疲劳损坏。同时这种振荡还会导致热管内部的压力发生剧烈的变化，振荡热管3的这种特性决定了管壁的材料必须要能承受较大的疲劳损坏，因而铜、铝材料不适合这种工作环境。不锈钢价格低廉，现有的对不锈钢的加工方法能满足热管要求，同时不锈钢的抗磨损、抗压能力比铜、铝都要好，热管的管壁可以更薄，且不用担心热管开裂，提高了集热器13的可靠性。

通过对大热管2的内表面进行特殊处理，使热管内表面形成一层氧化层，减少不锈钢和水的反应从而减小自来水对大热管2的损坏。

如图8、9所示，敞口保温箱7外面覆盖了一块玻璃盖板8，涂以玻璃胶并使用防漏水结构，将玻璃盖板8进行固定。提高了保温箱内部的密封性，减少了热量的损失，防止雨水的流入，避免了内部管材的腐蚀。

如图8、9所示，玻璃盖板8为双层中空玻璃。双层玻璃盖会吸收更多的太阳辐射，透过玻璃盖板8的太阳辐射也会更少。双层真空玻璃虽然可使热水器的日平均效率高于双层中空玻璃的日平均效率，但双层真空玻璃的价格昂贵，同时为维持和保持真空玻璃对集热器13的采光面积有一定的限制，因此从经济和实用性角度出发，采用双层中空玻璃。玻璃盖板8能有效地抑制对流损失和红外线热损失。

如图9所示，敞口保温箱7内壁覆盖了一层保温层11，其材质为聚氨酯保温材料，保温层11上还覆盖一层相变蓄热层10，相变蓄热层10上覆盖了一层吸热板9。保温层11减少了热量损失，相变蓄热层10使得热量可以存储。热量储存和释放阶段循环进行,利用蓄热材料提高热能在时间和空间上的协调性,达到能源高效利用和节能的目的。

如图9所示，吸热板9表面有横向排布的凹槽14，凹槽14呈四分之一圆柱状，凹槽14的曲率半径与集热管1的大热管2外半径相等。大热管2的外壁面与吸热板9表面的凹槽14无缝贴合，为了解决传统真空集热管太阳能热水器阳光利用率不高的问题，照射到集热管1之间的空隙时，热量被吸热板9吸收，一部分热量顺着吸热板9横向传递，传递给了集热管1的大热管2，与管内自来水进行换热；另一部分热量竖向传递给了相变蓄热材料，实现热量的吸收与储存，在夜晚温度低时，将热量传递给吸热板9，通过吸热板9传递给集热管1的大热管2，与管内自来水进行换热

集热管1和吸热板9的表面涂上太阳能光谱选择性吸收涂料。使吸收表面最大限度吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射的热损失。

工作原理：

阳光照射到中空玻璃表面，穿透玻璃，照射到集热管1和吸热板9表面。被集热管1吸收的热量，一部分被振荡热管3吸收，振荡热管3外部充当蒸发段，吸收的热量就转化为管内工作介质的潜热，在蒸发段，管内气泡变大，推动邻近的液塞向冷凝段移动。在气液面发生着极其复杂的传热传质现象，振荡热管3稳定工作时，工作介质会形成环状脉动流动，使得内部的工作介质温度升高。在两端的压力差下，管内工作介质流动、循环，并且在渐缩渐扩喷管4的作用下，管内工作介质流速加快，换热速度加快；振荡热管3在大热管2内部的那一部分充当冷凝段，释放热量通过管壁与大热管2内部的自来水换热。另一部分被大热管2吸收，通过管壁与管内的自来水换热。在大热管2内，自来水利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而得到所需热水。

被吸热板9表面吸收的热量，一部分热量顺着吸热板9横向传递，传递给了集热管1的大热管2壁面，与管内自来水进行换热；另一部分热量竖向传递给了相变蓄热材料，实现热量的吸收与储存，在夜晚温度低时，将热量传递给吸热板9，通过吸热板9传递给集热管1的大热管2，与管内自来水进行换热。

由于集热器13内部空间封闭，从集热管1和吸热板9及敞口保温箱7的内壁面散发出来的热量向外传递，由于外部安装了中空的玻璃盖板8，热量无法向外传递，热量在集热器13内部循环，又传回到集热管1和吸热板9，热量被再次利用。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。