全玻璃太阳能集热管分水器的制作方法

专利名称：全玻璃太阳能集热管分水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全玻璃太阳能集热管，尤其是能够使集热管管口的热水与冷水分离的分水装置。
背景技术：
1995年北京清华大学太阳能电子厂发明全玻璃真空太阳能集热管，专利号 95215311. 4。采用该专利技术的集热管下端封闭，上端开口，上端插入储水箱，成为太阳能热水器的典型结构。水在集热管内管中吸收热能，水在集热器内管与储水箱之间自然循环， 储水箱中的水逐步变热。此后，对太阳能集热管性能改进方面的研究和探索方案不断出现， 针对集热管内管中的水的对流方面的研究显得尤为突出。专利1,03253490. 6，贯通式太阳能集热管。该专利技术设计了一种在下端也有开口的集热管，冷水从集热管下端的入口进入集热管，热水从集热管上端的开口进入储水箱， 期望提高对流速度，提高热效率。该技术增加了外部的冷水补水通道，需要进行保温绝热处理，下端的开口部位比上端的开口部位的水的压力大，增加了密封的技术难度，所以，应用该技术的热水器的制造成本和加工安装的技术成本都相应增加。专利2，200420005^4. 5，一种太阳能集热管。该专利技术在集热管内管中设置了有传热翅片的金属管，并在该金属管内插入一隔条将其分为阴面、阳面两个流道，该金属管上部插入储水箱，金属管在储水箱底部和上部都有开口，在储水箱底部开口使冷水进入金属管，沿着阴面流道下行，直接送到集热管内管的下端，热水沿着阳面流道上行，最后在储水箱上部的开口流出，期望提高水的对流速度，提高热效率。该技术中采用金属管，金属材料的导热系数很高，沿着阳面流道上行的水的温度高，沿着阴面流道下行的水的温度低，即使它们初始状态的温度差异较大，也会因为迅速发生热交换，温度趋同，所以，下行的水会很快失去下行的动力，并在阴面流道内产生向上的回流，不可能到达集热管的下部，同样道理，上行的水也会很快失去上行的动力，并在阳面内产生向下的回流，不可能到达储水箱上部的热水区。应用该技术达不到提高对流速度，提高热效率的目的。专利3,200520071250. 0，设内置管的太阳能集热管。该专利技术在集热管内管中加入一个占位用的封闭管，减少内管中的总水量，期望提高对流性能，提高储水箱的水温。 该技术增加了占位管，阻碍了内管中的向阳面热水和背阴面的冷水的热对流，有利于热水上行到达储水箱和冷水下行到达内管下部的水循环，但是总的水道横截面的面积缩小了， 横截面的周长增加了，水的流动阻力增大了，不利于水循环，并且提高了制造成本。专利4,98215877. 7，一种循环式真空太阳能集热管。该专利技术在集热管内管中设置了长的冷水进水管，直接将冷水引入内管底部，设置了短的热水出水管，期望形成自动循环的水流，提高热效率。专利5,98227332. 0，太阳能真空管热效率提高装置。该专利技术在集热管内管中设置一根细长的管子为低温水进水管，直接将储水箱中底部的冷水，引入集热管内管的底部，被加热的热水从内管上端出口处的高温水出水管上行，进入储水箱的上部热水区，期望提高对流速度，提高热效率。专利6,00244726. 6，自循环太阳能集热管，该专利技术在集热管内管中设置了粗的管子为进水管，直接将储水箱中底部的冷水下行，引入集热管内管的底部，被加热的热水上行从内管上端出口，进入储水箱的上部热水区，期望实现冷热水的分流循环，提高热效率。专利7,200720310414. X，双效加热太阳能集热管。该专利技术在集热管内管中设置了内层吸热管，水沿着内层吸热管内部下行，沿着内外吸热管之间的水道上行，期望在水的流动过程中双倍吸热，提高热效率。专利8，200810046681. X，太阳能集热管及其热水装置。该技术在集热管内管中设置了芯管，芯管的内流道下行冷水，内管与芯管之间的外流道上行热水，方便与外部的走水管道连接，期望提高水的循环速度，提高热效率。论文1，《不同朝向全玻璃真空太阳能集热管的热性能比较》，孙清、李剑等，太阳能2007-12,20页。研究结果表明自然循环时，不同朝向真空管具有不同的集热性能，倾斜真空管系统日总得热量为1. 17 X IO6J,水平及垂直真空管系统总得热量为1. 12 X IO6J和 0. 88 X IO6J,各占倾斜管总得热量的96. 35%和75. 56%。论文2，《全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的研究》，雷进波，浙江大学硕士论文，2004年2月，M页。研究结果表明当集热管水平放置时，由于没有了轴向自然对流， 所以整个集热管在轴向温度一致，303K-304K，与其他倾斜角度中间处的温度相当，但是在集热系统中，如果没有了温度梯度，则真空管内的水不会很好地与水箱内的水实现热交换， 不利于换热。倾斜角度为30°到90°之间时，自然对流已经充分建立，不会影响集热管和水箱的换热。论文3，《全玻璃太阳能真空集热管流场和温度场的可视化研究》，钟建立、付丽霞等，浙江大学学报(农业与生命科学版)，2005年，31期，3M页。当集热管内管的涂层的热量经玻璃内管传给水时，最靠近壁面的部分最先受热，温度升高，密度下降，所以从底部上升；在圆周方向上，靠近壁面的速度稍小于里面一点的速度，速度达到最大后又逐步下降， 直至为零，然后是中间部分的水流，速度方向向下；在轴向方向上，中间是强烈对流换热部分，速度最大约为3X 10_3m/S，底部为滞止状态，热交换很弱。在以上专利4-8、论文1-3中，针对下端封闭、上端开口的全玻璃真空太阳能集热管的性能分析和技术改进的方案，存在两个不妥当的地方，其一是没有考虑到作为集热管内管的材质是玻璃，它和水都是热的不良导体，内管总是存在被太阳照射的向阳面和背面的背阴面，这是两个热学状况不同的部分，向阳面接受到太阳的热辐射温度高，背阴面温度低；其二是没有重视集热管上端开口附近的热学状态，开口处既是集热管的上端，热水的出口，温度应当最高，也是储水箱的底层，水温实际最低，此处的热学状况是问题的关键所在。由于从集热管中上行的热水一出管口就遇到储水箱底层的冷水，热水与冷水迅速进行热交换，使下行的冷水温度上升，几乎与管口的热水相同，下沉的动力变小，下行的速度降低，这种状态更有利于继续与上行的热水进行热交换，于是温度更高，下行速度更慢， 甚至最终停顿，造成集热管下部循环微弱，这种情况在集热管垂直放置状态最为严重。水也是热的不良导体，从热传导的角度看，效率低于玻璃，由于水是流体，可以通过对流进行热传递，通常不会注意到热传导的效率低。集热管内管由玻璃制成，它的热传导效率高于内管中的水，如果水的热对流减弱到足够小，热传导成为热传递的主要途径，玻璃材质的集热管就会在热传递上取得对于水的优势。在这种情况下，集热管内管向阳面接受的太阳能就优先向集热管的背阴面传递，最终形成集热管内管背阴面的温度也高于管中的水的状态，热能于是可以从背阴面和向阳面两个面向管中的水进行热传递。这就是以上文献中集热管内管中水的对流模式的形成原因。按照以上文献中的这种对流模式，似乎可以在集热管内管中设置一根长管，将冷水直接送至集热管下部，这就是文献中技术改进的基本思路。由于这一冷水流道处于外部热水的包围之中，冷水在下行的过程中不断被加热，下行速度不断降低，极有可能中途停止，并在这一冷水下行流道中产生向上的回流，同样道理，外部的热水温度降低，产生向下的回流，造成集热管水循环速度严重降低，热效率严重下降。实际上，如果真能将冷水直接送到集热管内管的下端，极有可能会因为过大的温差，超出了玻璃的热膨胀范围，造成集热管内管下端破裂。论文1与论文2中，关于集热管水平放置状态，对集热能力的描述存在矛盾，集热能力与倾斜管相比，论文1认为相差不大，论文2认为差别悬殊。产生这一矛盾的原因在于集热管管口热学状态的差异。如果在管口存在有效地对流，论文1正确，如果对流被阻碍， 论文2正确。论文4，《真空管太阳能热水器热效率及经济性研究》，王刚，天津大学硕士论文， 2002年6月，15页。研究结果表明倾斜放置于水箱中的真空管，吸收来自太阳辐射的能量，传给内部载体水，使水由于温度上升膨胀而密度变小产生浮力。当一定时间管内形成稳定的对流后，对于大部分倾角下，圆管内的介质流动表现为两层的轴向上升流和下降流，以及圆截面上环形上升流和中心下降流。在集热管与储水箱交接处，轴向流受抑制而减弱，圆截面流动得到强化并达到最高水平。因管内流动诱导的箱内流动比较复杂，热的强上升流沿较高的壁面流动，驱动较冷的箱内流体以较小的速度流向真空管内。在论文4中，描述了集热管和储水箱中的水对流状况，但是得到的结论是确定集热管的倾角，需要综合考虑纬度因素和热对流因素，并没有得出必须对集热管的管口热学状态进行调整，进而改变集热管内的对流状态，最终改善集热管与储水箱中水的对流状态的结论。综上所述，提高集热管的热交换效率，需要提高集热管内管中的水的对流速度，这需要集热管内管的向阳面和背阴面存在必要的温差，所以，必须保证足够的冷水沿着背阴面下行，不断补充受热上升回流的空间，改善集热管管口的水的对流状态是解决整个问题的关键。

发明内容
本发明的目的在于从源头上解决集热管中的热水和冷水的对流问题，使集热管内管的向阳面温度高，背阴面温度低，热水沿着向阳面上行，冷水沿着背阴面下行，提高水循环速度，提高集热管效率，避免集热管爆裂。本发明的技术方案是在集热管上端开口处设置分水器，改善热水和冷水的对流状态。分水器由热水通道、冷水通道、分水舌和连接环组成，热水通道和冷水通道在连接环的一端，分水舌在连接环的另一端。沿着集热管内管的向阳面向储水箱内部的水的上层设置热水通道，将热水引入储水箱上层的热水区，沿着集热管内管的背阴面向储水箱内部的水的底层设置冷水通道，将冷水引入集热管内管。热水通道和冷水通道总的横截面与连接环相同，外径与集热管内管管口相同。关键技术措施是在集热管内管的上端沿着弧形的热水和冷水的分界面向内设置分水舌，分水舌向集热管内伸出的长度可以有差异，可以根据热水和冷水通过分水舌进行热交换的具体情况确定，如果热交换弱，可以采用长的分水舌，如果热交换强，可以采用短的分水舌。考虑到集热管是由玻璃制造，承受应力的能力较低，需要在分水器的连接环上开口，作为伸缩间隙，以便与互有差异的集热管管口配合，并且为热胀冷缩留出膨胀空间。考虑到热胀冷缩，热水通道与冷水通道的分界面和分水舌的形状应当是沿着连接环的轴向伸展的弧面，不宜设计成平板。在受热膨胀时，分界面和分水舌自身变形，吸收应力，避免胀破集热管管口。考虑到适应一天之内不同时间的日照角度差异，热水通道与冷水通道的分界面和分水舌的形状应当设置成沿着集热管的轴向伸展的弧面，由于连接环与集热管同轴，该弧面的伸展方向也是连接环的轴向。该弧面的两个侧边下垂，偏向冷水通道一侧，弧面的顶上凸方向为热水通道一侧，保证为热水上行流动提供最大的通道横截面面积。考虑到减少水的流动阻力，连接环、热水通道、冷水通道和分水舌采用薄壁设计， 更有利于增大流道的横截面面积。考虑到有可能出现无水空晒的极端情况，分水器的材质应当耐受空晒的高温，一般低于30(TC，分水器不能变形损坏，尤其是产生有害毒素。本发明的有益效果是集热管通过加装分水器，实现从储水箱的冷水区取水，将出水送入储水箱的热水区。更重要的在于分水舌的功能，它能将热水与冷水分开，使集热管内管中向阳面的热水沿着热水通道上行，流入储水箱的热水区，使储水箱中的冷水下行，流向集热管内管的背阴面。由于连接环和分水舌足够薄，在横截面的面积中，所占比例很小，绝大部分面积是热水出水和冷水进水的通道，流动阻力小，有利于热水和冷水流动。由于分水舌的长度有限制，分水舌与集热管内管向阳面之间的热水和分水舌与集热管内管背阴面之间的冷水，通过分水舌进行热交换可以忽略。如果热水和冷水在集热管内管中发生热交换，由于没有遮挡，变热的水可以直接上浮，汇入沿着向阳面上行的热水， 留出的空间立即由随后下行的冷水补入。这一过程保证了背阴面处于相对低温状态，向阳面处于相对高温状态，集热管内管中的水能够顺利形成稳定的流动模式，靠近向阳面的热水上行流动和靠近背阴面的冷水下行流动，流动形态稳定，对流速度提高，热交换效率提高，并且确保温差达不到使集热管内管爆裂的程度。


图1是安装了分水器的全玻璃太阳能真空集热管插入储水箱中的剖面图。图2是分水器的立体图。图1中，1.储水箱，2.热水通道，3.冷水通道，4.连接环，5.分水舌，6.集热管。图2中，2.热水通道，3.冷水通道，7.伸缩间隙，4.连接环，5.分水舌。
具体实施例方式在图1中，以剖面图的形式表达了本发明的具体实施例，说明如何将分水器安装在太阳能热水器中。将应用本发明制造的分水器安装在全玻璃太阳能真空集热管6的管口处，分水舌 5在内，热水通道2和冷水通道3在外，连接环4插入集热管6的管口内。将安装了分水器的集热管6插入储水箱1的集热管孔中，并按照常规工艺进行密封处理。在插入储水箱前，需要将集热管有热水通道2的一侧作为向阳面，面朝当地正午太阳所在的方向安装。在图2中，以立体图的形式表达了本发明的具体实施例，说明应用本发明制造的分水器的结构。连接环4将热水通道2、冷水通道3和分水舌5连接成一个整体，热水通道2和冷水通道3在连接环4的一端，分水舌5在连接环的另一端。连接环4的外径略大于普通太阳能集热管管口的内径，保证装配时能够紧密配合。连接环4在冷水通道3 —侧开设伸缩间隙7，这样做的目的是方便与管口内径有差异的集热管相互配合，在热胀冷缩时有足够的伸缩空间，避免胀破集热管管口。热水通道2和冷水通道3是连接环4轴向延伸形成。热水通道2的长度足以到达储水箱上层的热水区，冷水通道3的长度较短，没入储水箱的冷水区，并非与储水箱的底部平齐，冷水通道3有一定高度，可以避免储水箱中沉淀的杂物进入集热管。两个通道的总横截面与集热管的管口相同，并且采用薄壁设计方案，保证了水循环通道的横截面面积最大。 热水通道2与冷水通道3的分界面和分水舌5的形状和位置设定，需要考虑一天之内，上午、中午和下午，不同时间的日照角度，保证为热水上行提供阻力最小的通道，为此设计成沿着连接环4轴向伸展的弧形，该弧形的两个侧边下垂，偏向冷水通道一侧，弧形的顶上凸方向为热水通道一侧。热水通道2和冷水通道3的分界面向着集热管内管的内侧延伸，超出连接环4后， 形成一定长度的分水舌5。分水舌5的长度由热水和冷水通过分水舌5进行热交换的程度确定，如果热交换弱，可以采用较长的分水舌5，如果热交换强，可以采用较短的分水舌5。热水通道2与冷水通道3的分界面和分水舌5的形状制造成弧形，还有利于受热膨胀时，弧面能够沿着凸起方向变形，吸收应力，避免形成过大的应力，胀破集热管的管口。
权利要求
1.一种全玻璃太阳能集热管分水器，由热水通道、冷水通道、分水舌和连接环构成，其特征是连接环将热水通道、冷水通道和分水舌连接为一个整体，热水通道和冷水通道位于连接环的一端，分水舌位于连接环的另一端。
2.根据权利要求1所述的全玻璃太阳能集热管分水器，其特征是在连接环上，冷水通道一侧，开设伸缩间隙。
3.根据权利要求1所述的全玻璃太阳能集热管分水器，其特征是热水通道和冷水通道总的横截面与连接环相同，外径与集热管内管管口内径相同。
4.根据权利要求1所述的全玻璃太阳能集热管分水器，其特征是热水通道出口位于储水箱上层热水区，冷水通道入口位于储水箱底层冷水区。
5.根据权利要求1所述的全玻璃太阳能集热管分水器，其特征是分水舌是热水通道与冷水通道的分界面的延伸，超出连接环外的部分成为分水舌。
6.根据权利要求1所述的全玻璃太阳能集热管分水器，其特征是热水通道与冷水通道的分界面形状和分水舌的形状是沿着连接环的轴向伸展的弧面，弧面的两个侧边向冷水通道一侧偏移，弧面凸出方向是热水通道一侧。
全文摘要
全玻璃太阳能集热管分水器涉及一种全玻璃太阳能真空集热管，尤其是能够使集热管管口的热水与冷水分离的分水装置。期望从源头上解决集热管热水和冷水的对流问题，使集热管向阳面温度高于背阴面温度，热水沿着向阳面上行，冷水沿着背阴面下行。分水器由带有伸缩间隙7的连接环4连接热水通道2、冷水通道3和分水舌5构成。分水舌5将集热管管口的热水和冷水分离，热水由热水通道2进入储水箱上层热水区，底层冷水由冷水通道3进入集热管，沿着背阴面下行，受热后上浮汇入向阳面的热水上行，随后下行的冷水填补留下的空间。常规集热管安装分水器，能够改善集热管和储水箱中的水的对流，提高水循环速度，提高集热效率。
文档编号F24J2/46GK102235761SQ20101015183
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者金卫东, 高岩, 高若平, 鲍晓娟 申请人:金卫东, 高若平, 鲍晓娟