菱形集热管的太阳能集热器的制作方法与工艺

本发明涉及一种太阳能领域，特别涉及一种菱形集热管的太阳能集热器。

背景技术：
随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是要将太阳辐射能转换成热能，实现这种转换的器件称为太阳能集热器。在太阳能集热器中，平板式结构是非常常见的一种形式，此种结构中一般包括多根平行并排的集热管，但是在运行中会经常出现不同的集热管中流体分配不均匀，同时还存在因为加热不均匀导致不同集热管中流体温度不同，从而导致不同的集热管中的压力不同。在此种情况下长期运行，会导致压力大的集热管出现损坏。

技术实现要素：
本发明是针对平板式结构太阳能集热器存在的问题，提出了一种菱形集热管的太阳能集热器，保证集热器内流体分配均匀，压力均衡，提高太阳能集热器的使用寿命。本发明的技术方案为：一种菱形集热管的太阳能集热器，包括箱体、集热管，所述箱体顶部设置透明盖板，箱体底部设置保温层，所述集热管设置在箱体内，所述集热管的横截面为菱形，所述菱形中的两个相对的角的连线垂直于透明盖板。作为优选，集热管上部设置透镜，所述透镜为多个，每个透镜对应一根集热管，所述相邻的透镜相连接。作为优选，每一透镜包括两个倾斜段。所述两个倾斜段沿着菱形的上部的两条边延伸。作为优选，所述两个倾斜段的焦点位于菱形的两个对角连线的交点。作为优选，菱形的四条边相等，菱形的四个角相等。作为优选，所述集热管内部设置内翅片，所述内翅片连接菱形的对角，所述内翅片将集热管内部分为多个小通道，在内翅片上设置连通孔，从而使相邻的小通道彼此连通；所述集热管内管的菱形的边长为L，连通孔为圆形，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔圆心之间的距离为l，满足如下关系：l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;0.34<l/L<0.38;0.14<r/L<0.17;30mm<L<120mm；5mm<r<17mm。作为优选，15mm<l<45mm。本发明的有益效果在于：本发明菱形集热管的太阳能集热器，通过设置菱形集热管以及集热管在箱体内的布置方式，能够保证更多的热量吸收；通过在集热管之间设置连通管，保证了各个集热管中压力的均匀，流体流量的分配均匀以及流体运动阻力的分配均匀；通过连通管之间的距离沿着集热管内流体流动方向的不断变小，进一步保证了集热管中压力的均匀，流体流量的分配均匀以及流体运动阻力的分配均匀；通过在集热管内部开设连通孔，在保证了集热管内小流道内流体的分配均匀；本发明通过多次试验，在保证换热量最大以及流动阻力满足要求的情况下，得到一个最优的太阳能集热管优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。附图说明图1是本发明平板式太阳能集热器的结构示意图；图2是本发明太阳能集热管的结构俯视示意图；图3是本发明改进的太阳能集热器的结构示意图；图4是图3的单根集热管集热结构示意图图5是本发明集热管横截面结构示意图；图6是本发明内翅片连通孔分布示意图；图7是本发明内翅片连通孔错列分布示意图；图8是本发明集热管内菱形尺寸示意图；图9是本发明设置压力测量装置的集热管截面示意图。具体实施方式参照图1所示，一种太阳能平板式集热器，包括箱体5、集热管1，所述箱体5顶部设置透明盖板4，箱体5底部设置保温层6，所述集热管1设置在箱体5内，所述集热管1为并排的多根，相邻的集热管1之间通过连通管2连通。集热器在运行过程中，存在流体分配不均匀，而且因为在集热过程中，不同的集热管吸收的热量不同，导致不同的集热管内流体温度不同，有的集热管内甚至流体，例如水成为气液两相的状态，有的集热管内流体依然是液体，这样因为流体变成蒸汽而导致集热管内压力变大，因此通过在集热管之间设置连通管，可以使得流体在集热管内互相流动，这样使得所有集热管内的压力分配达到平衡，也能促进流体分配达到平衡。作为优选，如图1所示，所述连通管2设置在集热管1的中部和底部之间的位置。通过实验发现，将连通管2设置在此位置，保证集热管内流体通过连通管2内更充分流动，能够进一步达到压力均衡的目的。作为优选，如图2所示，沿着集热管1延伸的方向，相邻的两根集热管1之间设置多根连通管2。通过如此设置，能够使得整个流体在流动过程中不断的均衡压力，保证整个流动过程压力均衡。作为优选，沿着集热管1内流体的流动方向，相邻连通管2之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管，因为随着流体的流动，流体不断的受热，随着了流体不断的受热，不同集热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。作为优选，沿着集热管内流体的流动方向，相邻连通管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。作为优选，如图1所示，集热管1上部设置透镜3；所述集热管1内装有工质，所述集热管与进口集箱和出口集箱(图未示)连接。太阳光穿过箱体5的顶部的透明盖板4到达透镜3，然后通过透镜3聚焦照射在集热管1上，将集热管1的工质加热。作为优选，所述透镜3的焦点位于集热管1的中心，例如圆管位于圆心，菱形管位于两个对角连线的交点。作为优选，所述透镜3是菲涅尔透镜。作为优选，该箱体5呈平板状设置。所述工质为导热油、水或者其它有机工质。作为优选，所述透明盖板4为透明玻璃。所述透镜3为多个，每个透镜3对应一根集热管1，所述相邻的透镜3相连接，所述每一个透镜3包括多段，例如在图1的实施例中，每一透镜3呈三段设置，包括顶部的中间段及分别连接中间段两侧的倾斜段。作为优选，如图3所示，所述集热管1的横截面为菱形。图3虽然没有展示连通管2，但是作为优选的结构，图3的菱形结构集热管的实施例中也包括了连通管2。作为优选，所述菱形中的两个相对的角的连线垂直于透明盖板4。通过设置菱形结构集热管1以及将集热管1设置为两个相对的角的连线垂直于透明盖板4，可以保证更多的集热管表面能够吸收到太阳能，从而能够充分利用太阳能。作为优选，每一透镜3呈两段设置，包括倾斜段31和31。所述倾斜段31和32沿着菱形的上部的两条边延伸，如图4所示。通过如此设置，可以保证能够集热多个方向的太阳能，如图4所示，从而达到充分利用太阳能。作为优选，所述倾斜段31和32的焦点位于菱形的两个对角连线的交点。作为优选，菱形的四条边相等，菱形的四个角相等。作为优选，所述集热管内部设置内翅片7，所述内翅片7连接菱形的对角，如图5所示。所述内翅片7将集热管1内部分为多个小通道9，在内翅片上设置连通孔8，从而使相邻的小通道9彼此连通。通过设置内翅片7，将集热管1内部分为多个小通道9，进一步强化传热，但是相应的流体流动的压力增加。通过设置连通孔8，保证相邻的小通道9之间的连通，从而使得压力大的小通道内的流体可以向邻近的压力小的小通道内流动，解决冷凝端的内部各个小流道9压力不均匀以及局部压力过大的问题，从而促进了流体在换热通道内的充分流动，同时通过连通孔8的设置，也降低了集热管内部的压力，提高了换热效率，同时也提高了集热管的使用寿命。优选的，沿着集热管1内流体的流动方向，所述连通孔8的面积不断的增加。所述的连通孔8为圆形结构，沿着集热管1内流体的流动方向，所述圆形结构的半径不断的增加。因为沿着集热管1内流体的流动方向，集热管1内的流体不断的吸热甚至蒸发，因此使得集热管的压力不断的增加，而且因为连通孔8的存在，使得集热管1内部的压力分配越来越均匀，因此连通孔的面积需要很大，通过设置不断的变大，从而使得在保证热管内部压力均匀和压力的情况下，通过连通孔面积的变化来增加换热面积，从而提高换热效率。优选的，沿着集热管1内流体的流动方向，所述连通孔8的面积不断的增加的幅度不断增加。通过如此设置，也是符合流动压力的变化规律，进一步降低流动阻力的同时，提高换热效率。通过如此设置，通过是实验发现可以提高9%左右的换热效率，同时阻力基本保持不变。优选的，沿着集热管1内流体的流动方向，连通孔8的分布数量越来越多，进一步优选，所述连通孔数量不断的增加的幅度不断增加。通过上述数量的分布原理与面积减少原理相同，与连通孔数量完全相同相比，通过数量分布来减少流通面积。在实际实验中发现，连通孔8的面积不能过小，过小的话会导致流动阻力的增加，从而导致换热的减弱，连通孔8的面积不能过大，面积过大，会导致换热面积的减少，从而降低换热效果。同样，集热管1的横截面积不能过大，过大导致管板结构单位长度上分布的换热管过少，同样导致换热效果变差，集热管流动面积也不能过小，过小会导致流动阻力增加，从而导致换热效果变差。因此连通孔8与集热管横截面面积及其相邻连通孔8之间的距离必须满足一定要求。因此，本发明是通过多个不同尺寸的集热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下（10MPa以下），在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的集热器的尺寸优化关系。本发明是集热管1横截面的菱形的四条边相等，菱形的四个角相等下进行的尺寸优化。所述集热管内管的菱形的内边长（即菱形的外边长减去壁厚）为L，所述连通孔的半径r，所述同一翅片上相邻的连通孔之间的距离为l，满足如下关系：l/L*10=a*ln(r/L*10)+b；其中ln是对数函数，a,b是参数，1.5<a<1.6,2.9<b<3.0;0.34<l/L<0.38;0.14<r/L<0.17;30mm<L<120mm；5mm<r<17mm。其中，l等于相邻连通孔8圆心之间的距离。如图4、5所示的左右相邻和上下相邻的连通孔圆心之间的距离。进一步优选，15mm<l<45mm。优选的，随着r/L的增加，所述的a,b增加。作为优选，a=1.57,b=2.93。作为优选，如图6、7所示，每个内翅片上设置多排连通孔8，如图7所示，所述多个连通孔8为错排结构。通过错排接构，可以进一步提高换热，降低压力。作为优选，还包括测量集热管压力的压力测量装置10。所述压力测量装置10连接到集热管1，通过测量集热管1内的压力，来检查集热管1是否发生泄漏，一旦发生泄漏，则压力测量装置10的测量数据就会异常，则及时关闭进入集热管1中的流体阀门。作为优选，所述集热器还包括控制系统和阀门，所述控制系统与阀门进行数据连接，用于控制阀门的开闭以及阀门流量的大小。所述控制系统与压力测量装置10进行数据连接，用于检测压力测量装置10测量的压力。一旦控制系统检测的压力测量装置10的压力低于预定数值，则表明压力异常，很可能集热管1发生泄漏，此时控制系统控制阀门自动关闭，禁止流体流入集热管中。通过上述的自动控制功能，使得监控过程实现自动化。所述集热管1之间通过连通管2进行连通，作为优选，所述压力测量装置10与多个集热管1的任何一个进行连接。通过设置连通管2，使得多个集热管1连通起来，一旦某一个集热管发生泄漏，则因为连通的原因，压力测量装置10也会随时检测到压力异常，则也会自动控制流体阀门关闭，避免流体进入到换热管中。这样可以减少压力测量装置10的数量，仅仅通过一个或者数量少的压力测量装置，从而实现所有集热管的压力检测。作为优选，所述流体先通过集热管的进口集管，然后通过进口集管进入各个集热管1。所述的阀门设置在流体进入进口集管的管路上。这样当检测到泄露的时候，自动关闭阀门，则流体无法进入进口集管，自然无法进入集热管。作为优选，箱体5内为真空结构。作为优选，所述压力测量装置10测量集热管1上部的压力。主要是在运行过程中，上部一般是蒸汽状态，压力最大。一旦发生泄漏，压力变化明显，所以测量最为准确。作为优选，可以使用湿度测量装置来代替压力测量装置10。所述湿度测量装置设置在箱体内，湿度测量装置与控制系统进行数据连接，一旦流体泄漏，则会进入箱体内，当检测的湿度高于一定数值，即测量数据就会异常，则控制系统及时关闭进入集热管1中的流体阀门。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。