专利名称：多级全玻璃热管式真空太阳集热管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全玻璃热管式真空太阳集热管，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术：
现有的全玻璃热管式真空太阳集热管，是由一根玻璃内管和一根玻璃外管套接封装形成，部分玻璃内管伸入玻璃外管中形成集热端，伸出玻璃外管的一部分则形成冷凝端，玻璃内管的集热端与玻璃外管之间形成的腔体内抽真空而具有隔热效果，玻璃内管中灌注一定量的传热工质后也抽中空。在使用过程中，玻璃内管的集热端朝下安放，液态传热工质在集热端底端位置吸收太阳能热量后汽化，然后蒸发至冷凝端后放热并凝结为液态，液态传热工质沿玻璃内管内壁往下流动，直至再次被加热蒸发，如此循环往复，将太阳能转移到与玻璃内管的冷凝端相连的水箱或者联集器中。但是，这种全玻璃热管式真空太阳集热管的工作性能并不理想，原因有二 I、玻璃内管中的传热工质受重力作用积聚在集热端底部，能够用于加热该部分传热工质的主要热源是该部分传热工质以及靠近该部分传热工质的一小截玻璃内管所接收到的太阳能辐射能量。而实际上，液态传热工质以及该一小截玻璃内管能够接收太阳光照射的面积非常小，该部分传热工质并无法完全汽化，该集热管的换热效率当然受到了限制。2、蒸发至冷凝端后放热并凝结为液态的传热工质，沿玻璃内管内壁往下流动，并不会流到蒸发端底部，而是在冷凝端以下一小段距离处，即被再次蒸发，导致玻璃内管中部有相当长的长度吸收的热量只能通过传传递的方式向上或者向下输送。众所周知，玻璃的热传递系数极高，显然这部分长度吸收的热量被浪费了，导致集热管的换热效率难以提高。面对上述问题，有一种解决办法是缩短全玻璃热管的长度，从实验的结果来看是可行的，但是对于太阳能热水器设计和应用来说不是很好的选择。针对现在太阳能集热器用户对集热管的功率要求越来越高，集热管的长度也不断加大的现实情况，一种能够在大长度(I. 6米以上)的集热管上使用，还能够保证集热管的换热效率的产品结构，成为集热管制造厂商研发的目标。
发明内容
为了解决上述全玻璃热管式真空太阳集热管存在的问题，本发明通过理论研究和实验，发明了一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管，通过热管下面的小热管加热主热管中的传热工质，一方面主热管中的传热工质与小热管的外壁接触，增大了接触面积，使主热管传热工质能充分汽化，传热工质得到充分利用，另一方面传热工质能够充分液化流到热管的下部，提闻传热工质汽液转换率，从而热管热效率得到有效提闻。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其具有熔接在一起的一根集热管内管和一根集热管外管，集热管内管的部分长度伸入集热管外管中形成集热端，该集热管内管伸出集热管外管的部分长度则形成冷凝端，集热管内管的集热端与集热管外管之间形成的腔体内抽真空，其特征在于该集热管内管由一根主热管与至少一根小热管串联熔接而成，且该至少一根小热管位于该集热管内管的集热端，该主热管内抽真空并灌装有主腔传热工质。在一个较佳的技术方案中该小热管中分别抽真空并分别灌装有传热工质。在一个较佳的技术方案中该小热管中均不抽真空。在一个较佳的技术方案中部分该小热管中抽真空并灌装有传热工质，其余该小热管中不抽真空。在一个较佳的技术方案中该主热管与相邻的小热管的相接部分是一片玻璃隔断，每两个相邻的小热管的相接部分是一片玻璃隔断。在一个较佳的技术方案中所有玻璃隔断均朝向集热管内管的冷凝端方向凸出，或者均朝向集热管内管的集热端方向凸出。 在一个较佳的技术方案中该主热管与相邻的小热管之间，以及各相邻的小热管之间还分别用一个小管支撑架予以连接固定。在一个较佳的技术方案中该玻璃隔断均呈平面状。在一个较佳的技术方案中该集热管内管的外壁上镀有选择性吸收涂层。在一个较佳的技术方案中该集热管内管的集热端用内管支撑架固定在集热管外管中，该内管支撑架上焊有吸气剂。与现有技术相比较，采用上述技术方案的本发明具有的优点在于由于集热管内管按长度分为了主热管与小热管，使得主热管的长度得以缩减，使得主热管内的主腔传热工质能够顺利地回流至主热管底部完成换热循环，促使集热管内管中间部分吸收的热量也参与到蒸发换热过程中来，以提高集热管整体换热效率；同时，由于小热管不断将吸收的太阳能传递给主热管底部，使得主热管内的主腔传热工质能够吸收更多的热量，有助于主腔传热工质完全蒸发，再次提高了换热效率。
图I是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管的含有一个小热管凸形封接的结构示意图；图2是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管的含有一个小热管凹形封接的结构示意图；图3是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管的含有一个小热管平面封接的结构示意图；图4是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管的含有三个小热管凸形封接的结构示意图。附图标记说明I主热管冷凝端、2主热管密闭腔体、3集热管真空夹层、4集热管外管、5集热管内管、6选择性吸收涂层、7小热管密闭腔体、8吸气剂、9内管支撑架、10小热管传热工质、11小热管支撑架、12小热管、13主热管传热工质
具体实施例方式如图I所示，是本发明提供的一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管的第一个较佳实施例，其具有熔接在一起的一根集热管内管I和一根集热管外管2，集热管内管I的部分长度伸入集热管外管2中形成集热端11，该集热管内管I伸出集热管外管2的部分长度则形成冷凝端12，集热管内管I的集热端11与集热管外管2之间形成的隔热腔体3内抽真空而具有隔热效果，而其与现有技术不同之处在于该集热管内管I由一根主热管Ia与一根小热管Ib串联熔接而成，该主热管Ia与该小热管Ib相接部分是一片玻璃隔断Ic,且该小热管Ib位于该集热管内管I的集热端11。而且，在本实施例中，该主热管Ia与该小热管Ib中分别抽真空并分别灌装有主腔传热工质4与小腔传热工质5。根据图I所示的方向，介绍上述实施例所提供的多级全玻璃热管式真空太阳集热管的制造过程如下将上端封闭、下端开口的小热管Ib从下往上插入到具有两端开口的主热管Ia中，并用小管支撑架6固定住，然后将小热管Ib与主热管Ia熔接在一起，该小热管Ib上端的上凸形顶面即构成该玻璃隔断lc，从图I中可知，该玻璃隔断Ic朝向集热管内管I的冷凝 端12方向凸出；将小热管Ib的下端熔封，使小热管Ib内构成一个小密封腔，该小密封腔内抽真空并灌装小腔传热工质5 ；在由该主热管Ia与小热管Ib组成的集热管内管I的外壁上镀上选择性吸收涂层7 ；将该集热管内管I的小热管Ib —端向下置入集热管外管2中，并用内管支撑架8予以固定(该内管支撑架8上焊有吸气剂9)，然后将集热管内管I与集热管外管2的上端端口熔接在一起，使集热管内管I与集热管外管2之间形成一个隔热腔体3，该隔热腔体3内抽真空；使冷凝端12的下端与集热管内管I以及集热管外管2的上端端口熔接在一起，使冷凝端12与该主热管Ia密闭连接，构成一个主密封腔；该主密封腔内抽真空并灌装主腔传热工质4 ;该多级全玻璃热管式真空太阳集热管即制作完成。以上所述的制作方法，仅为了说明本发明能够制造，而实际上，上述加工顺序可以根据实际需要作出自由调整，各加工步骤所需要的参数条件等，均属于玻璃热管制作的常用选择，此处不予赘述了。本发明使用的时候，小热管Ib的小密封腔内的小腔传热工质5接收太阳能辐射以后，蒸发至小密封腔的顶部并释放热量，转化为液态并回流至小密封腔底部，周而复始不断循环；此过程中，小腔传热工质5所吸收的太阳能通过所述的玻璃隔断Ic传递给主热管Ia中的主腔传热工质4，主腔传热工质4同时接收太阳能辐射，能够加快升温汽化；汽化后的主腔传热工质4随即蒸发至主热管Ia顶部，即集热管内管I的冷凝端12处，随后，主腔传热工质4释放热量并转化为液态，回流至主热管Ia底端，周而复始不断循环。由于集热管内管I按长度分为了主热管Ia与小热管lb，使得主热管Ia的长度得以缩减，使得主热管Ia内的主腔传热工质4能够顺利地回流至主热管Ia底部完成换热循环，促使集热管内管I中间部分吸收的热量也参与到蒸发换热过程中来，以提高集热管整体换热效率；同时，由于小热管Ib不断将吸收的太阳能传递给主热管Ia底部，使得主热管Ia内的主腔传热工质4能够吸收更多的热量，有助于主腔传热工质4完全蒸发，再次提高了换热效率。按照上述结构，申请人制作了数根普通全玻璃热管式真空太阳集热管，以及数根同样尺寸数据的二级全玻璃热管式真空太阳集热管，然后在同等条件下测量了其换热效率，统计结果表明，上述二级全玻璃热管式真空太阳集热管一般比普通全玻璃热管式真空太阳集热管的换热效率高百分之十或更多。以直径Cp58、总长度I. 8m的集热管为例，分别用长度为8cm、12cm、22cm的有工质小热管，在日照强度约为1000瓦/平方米的条件下，进行比较实验，与普通全玻璃热管式真空太阳集热管相比，换热效率分别提高约12%、18%、12%左右。这说明该小热管的长度并非越长越好，长度过长或者过短都不能得到最佳的换热效率。而采用无工质小热管的话，其换热效率比采用有工质小热管的效果略有降低而已，其小热管长度与集热管的换热效率之间的对应规律与有工质情况基本相同。 当然，上述二级全玻璃热管式真空太阳集热管的换热效率，会受到太阳辐照变化、季节的变化而有所改变，因此对小热管长度的优化工作需要做更多的实验研究和分析。以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，其也可以作出各种等效变化与替换，如图2所示，是本发明的第二个较佳实施例，其制造方式与图I所示的第一个较佳实施例基本相同，不同的是制作的时候，是将主热管Ia下端的下凹形底面伸入两端开口的小热管Ib中并用小管支撑架6固定，然后将主热管Ia下端与小热管Ib上端熔接在一起，使该主热管Ia下端的凹形底面构成该玻璃隔断lc，从图2中可知，该玻璃隔断Ic朝向集热管内管I的集热端11方向凸出；之后，该集热管的制造工序与前一实施例完全相同；因此，第二个较佳实施例与第一个较佳实施例相比，区别仅在于玻璃隔断Ic的凸出方向不同，以及小管支撑架6的位置不同，其工作过程也基本相同，在此不予赘述。采用第二个实施例中的结构，与第一个实施例中采用的结构相比较，其换热效率略有降低，原因有两个1、第一个实施例中，小热管和主热管中的工质接触面比较大，传热更充分，启动更快；2、第一个实施例中，太阳辐射能够更加充分地加热主热管中的工质。再参阅图3所示，是本发明的第三个较佳实施例，其结构与第一个、第二个较佳实施例基本相同，不同的是该玻璃隔断Ic呈平面状。在将平底的小热管Ib与主热管Ia下端开口熔接的时候，需要在熔接车床上进行操作，以保证对接同心度及稳定性，也正因为使用了熔接车床，不再需要小管支撑架6 了。图4所示，则是本发明在第一个较佳实施例的基础上，开发出的第四个较佳实施例，其与第一个较佳实施例相比较，区别在于集热管内管I由一根主热管Ia与三根小热管Ib串联熔接而成，该主热管Ia与相邻的小热管Ib的相接部分是一片玻璃隔断Ic,每两个相邻的小热管Ib的相接部分也分别是一片玻璃隔断lc，且所有的小热管Ib均位于该集热管内管I的集热端11，所有的玻璃隔断Ic均朝向集热管内管I的冷凝端12方向凸出。并且，该主热管Ia与所有小热管Ib中分别抽真空并分别灌装有主腔传热工质4与小腔传热工质5。制造的时候，是在主热管Ia下端插入第一根小热管Ib并用第一个小管支撑架6固定，然后熔接，使该第一根小热管Ib的上凸形顶面构成一片玻璃隔断Ic ；然后，在第一根小热管Ib的开放状下部端口处插入第二根小热管Ib并用第二个小管支撑架6固定，然后熔接，使该第二根小热管Ib的上凸形顶面构成第二片玻璃隔断Ic ；接着，在第二根小热管Ib的开放状下部端口处插入第三根小热管Ib并用第三个小管支撑架6固定，然后熔接，使该第三根小热管Ib的上凸形顶面构成第三片玻璃隔断Ic ；从侧面对该第一根小热管Ib与第二根小热管Ib进行抽真空与灌装传热工质；将第三根小热管Ib的下端熔封，该第三根小热管Ib内抽真空并灌装小腔传热工质5 ；余下的工序与第一个较佳实施例的制造工序相同，不再赘述。实际上，小热管Ib的数目并不限于三根小热管lb，可以根据需要使用两根小热管lb、四根小热管Ib或者更多跟小热管Ib ;采用两根及以上小热管Ib的结构的时候，各玻璃隔断Ic可以如图I、图4所示，朝向集热管内管I的冷凝端12方向凸出，也可以如图2、图 3所示，朝向集热管内管I的集热端11方向凸出；上述所有实施例中的小热管Ib所构成的密闭腔体，其内部可以抽真空灌注传热工质，也可以不抽真空并依靠其中的空气传热；这都是本领域技术人员在本发明提供的多个实施例的基础上能够实现的，就不再附图予以说明了。总而言之，本发明多级全玻璃热管式真空太阳集热管中的实施方式中的传热工质种类、小热管Ib数目、小热管Ib的密闭腔体大小和长度、小热管Ib与集热管内管I的封接形状、小热管Ib是否抽真空以及是否灌入传热工质等可以根据需要进行调整和优化。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其具有熔接在一起的一根集热管内管和一根集热管外管，集热管内管的部分长度伸入集热管外管中形成集热端，该集热管内管伸出集热管外管的部分长度则形成冷凝端，集热管内管的集热端与集热管外管之间形成的腔体内抽真空，其特征在于该集热管内管由一根主热管与至少一根小热管串联熔接而成，且该至少一根小热管位于该集热管内管的集热端，该主热管内抽真空并灌装有主腔传热工质。
2.根据权利要求I所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该小热管中分别抽真空并分别灌装有传热工质。
3.根据权利要求I所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该小热管中均不抽真空。
4.根据权利要求I所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于部分该小热管中抽真空并灌装有传热工质，其余该小热管中不抽真空。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该主热管与相邻的小热管的相接部分是一片玻璃隔断，每两个相邻的小热管的相接部分是一片玻璃隔断。
6.根据权利要求5所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于所有玻璃隔断均朝向集热管内管的冷凝端方向凸出，或者均朝向集热管内管的集热端方向凸出。
7.根据权利要求6所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该主热管与相邻的小热管之间，以及各相邻的小热管之间还分别用一个小管支撑架予以连接固定。
8.根据权利要求5所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该玻璃隔断均呈平面状。
9.根据权利要求I所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该集热管内管的外壁上镀有选择性吸收涂层。
10.根据权利要求I所述的多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其特征在于该集热管内管的集热端用内管支撑架固定在集热管外管中，该内管支撑架上焊有吸气剂。
全文摘要
本发明是一种多级全玻璃热管式真空太阳集热管，其具有熔接在一起的一根集热管内管和一根集热管外管，集热管内管的部分长度伸入集热管外管中形成集热端，该集热管内管伸出集热管外管的部分长度则形成冷凝端，集热管内管的集热端与集热管外管之间形成的腔体内抽真空，该集热管内管由一根主热管与至少一根小热管串联熔接而成，且该至少一根小热管位于该集热管内管的集热端，该主热管内抽真空并灌装有主腔传热工质。本发明的特点是使用多级小热管加热主热管中的传热工质，主热管中的传热工质受热面积更大，汽化更充分，从而提高全玻璃热管集热效率。
文档编号F24J2/32GK102734955SQ20111009156
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者吴振一, 李旭光, 李本华, 殷志强, 赵娟, 陈华林, 韩成明 申请人:北京清华阳光能源开发有限责任公司