一种带有螺旋前进的半圆周单侧翅片体的真空集热管的制作方法

本发明涉及一种太阳能真空集热管。

背景技术：

在太阳能热利用的系统中，线聚焦聚光系统，如抛物面槽式、线性菲涅耳式，能够产生高达几十千瓦每平方米甚至更高的能流密度。位于聚光器焦平面上的集热管是高效的热转换部件，通常采用玻璃外管与金属吸热管封接、玻璃外管和金属吸热管间夹层抽真空形式的真空集热管。金属吸热管的外壁镀有选择性吸收涂层，以提高对太阳光的吸收效率，降低辐射热损失。由于聚光器的太阳光汇聚特性，该真空集热管接受聚集的太阳光的受热表面集中在金属管外壁的半圆周壁面，属于单侧非均匀受热。集热管受热面上能流密度周向的非均匀分布，对于金属吸热管内传热流体而言，特别是管内强迫对流换热系数较小的气体流动，必定会在集热管的管壁上形成极大的温度梯度。较大温度梯度与局部高温热应力作用下，可能会引发金属管的弯曲变形，变形过大会与玻璃外管触碰而发生破碎，导致真空损失，造成热损突增，集热器效率突降。

针对这种能流密度极不均匀的分布特性，需要改进管内结构，强化传热，改善温度分布。目前现有技术中有3种改进方法：

利用内插物，加强流体扰动是其中一种改进方法。中国发明专利cn107166753a提出了一种带有内插棒的真空集热管，将传热流体从温度较低、流速较大的金属吸热管中心挤向温度较高的金属吸热管壁面附近，借此实现强化换热的效果。中国发明专利cn105546855a提出了一种可用于大直径真空集热管的结构，该结构内部设有密封空心圆管，空心圆管外部缠绕连续的螺旋翅片，在内插件的圆管与金属管形成的环形空腔内产生螺旋流，强化传热。内插件都需要在金属管内壁上设置独立的支撑结构，将内插物与金属管固定连接，结构安装复杂；内插件减小了流动的有效横截面，使在相同流量条件下流体流速增强，缩短了流体与吸热管内表面的接触换热时间。

利用填充物，增加传热面积是另一种改进方法。美国发明专利us2012/0186575a1提出了在金属吸热管中填充泡沫金属的结构，中国发明专利cn108302784a公开了一种在仿生微孔表面金属内管中插入泡沫金属作为填充的发明，但填充物会显著增加流动阻力。

利用肋片，增加传热面积是第三种改进方法。主要采用螺纹结构、扭曲片等周向全分布的结构，cn108120335a公开了一种在管内壁等间距排列的曲线翅片体，在轴向上呈螺旋状或交叉状排列，中国发明专利cn108151572a提供在管内外布置多组螺旋翅片结构，内外侧翅体高度呈周期性变化。两种发明的翅片都采用全周分布方式，虽然达到了强化传热效果，但同时也增加了不必要的流动阻力、泵和风机的功耗。中国发明专利cn102425867a提出了单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管的结构，即在金属吸热管聚焦太阳能一侧的内表面设有内翅片，通过内翅片将热量传递至金属吸热管内的中心，有效将吸热管聚光侧与管中心的流体充分混合，但是无法调控非聚光侧的流体的扰动、换热。同时该发明并不能很好适用于气体作为传热流体，由于气体不同于液体的物理性质，随着聚光侧的壁面及内翅片温度升高，流体黏性增大，加上翅片分布增加了流动阻力，使流体逐渐向阻力小、温度较低的区域汇集流动，则在聚光侧参与换热的流体逐渐减少。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种带有螺旋前进的半圆周单侧翅片体的真空集热管，该真空集热管适用于气体或液体等传热流体。

本发明的翅片体结构在金属吸热管内部通过刀具加工方式直接成型，与金属吸热管为同一材质材料，不影响金属吸热管的承压能力、可靠性和安全性。本发明的翅片体单侧布置在金属吸热管内壁的半圆周上，同时以三维螺旋状垂直或倾斜沿金属吸热管轴向排列前进。翅片体高度恒定或根据能流密度的高低分布而不同：布置在能流密度高的一侧的翅片体高度小于在能流密度低的一侧的翅片体的高度。本发明能够在金属吸热管内形成漩涡流动，提高流体在金属管内的换热系数，促进太阳辐射能高效转换为传热流体的热能，优化流场和温度场。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带有螺旋前进的半圆周单侧翅片体的真空集热管，自外而内依次同轴布置玻璃外管和含翅片体的金属吸热管。

所述的玻璃外管与金属吸热管之间为真空腔，通过密封装置连接，并在玻璃外管端部设置有膨胀节。真空腔可以减少金属吸热管向外的对流散热损失。

所述的金属吸热管的外表面涂覆有选择性吸收涂层，以提高对太阳光的吸收效率，降低辐射热损失。金属吸热管的内表面设有与金属吸热管集成一体的翅片体。

所述的翅片体为针翅的不连续翅肋，翅片横截面为矩形或圆形。所述的翅片体在金属管内表面垂直或倾斜排列，与管内主流方向的倾斜角度在60°～90°范围内。所述的翅片体的高度h在0.05～0.4d的范围内，d为金属管内径，高度h恒定或根据能流密度分布的高低而不同：位于能流密度高的一侧的翅片体高度小于能流密度低的一侧的翅片体高度，即布置在聚光侧的区域的高度小于位于非聚光侧能流密度低的区域的高度。

所述的翅片体在金属吸热管的内壁上单侧布置，沿半圆周等间距排列；所述的翅片体沿管轴向上或倾斜三维螺旋状排列前进。翅片体的数量、间距、螺旋线的螺距等根据能流密度、设计温度、金属管管径及加工成本等确定。螺旋线的螺距不宜过长或过短，优选5～50mm以内，沿螺旋线布置的翅片间距，优选2～10mm以内，保证高能流密度、高温时的换热效果，也保证了传热流体高粘度下的流通性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的真空集热管，翅片体单侧布置在金属吸热管内壁的半圆周上，以三维螺旋状沿管轴向上或倾斜排列前进的分布方式，可以使同一截面上传热流体温度更均匀，降低了管壁上的温度梯度。真空集热管的金属吸热管受到太阳光辐照时，其面向聚光面的一侧吸收了绝大部分的辐射能流，温度明显高于另一侧，即迎光侧的温度。对于传统或带有连续翅片体的金属吸热管，受边界层影响，金属管的聚光侧壁面附近流体的温度最高，迎光侧壁面附近流体的温度次之，中心位置流体温度最低。相同条件下，当流经本发明集热管的流体，受到沿三维螺旋线排列的翅片体作用，会在金属吸热管周向的平面上产生二次漩涡流动，该类漩涡随着主流方向的流动不断向下游流动，形成一系列螺旋流动，该类涡旋被称为纵向涡。这种漩涡流动将流体从较低温区域代入至高温区域，使同一截面上流体温度更均匀。

所述螺旋的纵向涡，促进了主流流体与近壁面边界层之间的物质和能量交换，纵向涡的扰动使得边界层厚度减薄，使换热过程得到强化。有效提高了管内壁与流体的传热效果，特别是对于传热流体为气体，在输入相同能流密度下，翅片体能够降低管壁与气体间的温差。

本发明的多个翅片体在金属管管体内壁上沿半圆周单侧等间距排列，同时翅片体在平行于管轴线方向上呈三维螺旋状排列前进。保证了金属吸热管任意截面上圆周的翅片区域都仅占圆周的一半：0～180°。既保证了流体在管内的漩涡流动，又降低了流通通道中的流动阻力，减小了不必要的能耗损失。

本发明的翅片体的高度翅片体的高度恒定或根据能流密度分布的高低而不同：位于能流密度高的一侧的翅片体高度小于能流密度低的一侧的翅片体高度。这种区别于一般肋片的高度设计考虑到气体黏性随温度升高而升高的物理特性。通过增加冷侧翅片体的高度、减小热侧翅片体高度，增加气体流经壁面冷侧所需要克服的流动阻力，减小气体流经壁面热侧所需要克服的流动阻力，保证在聚光侧壁面参与换热的气体的流量。

本发明翅片体采用的针翅、不连续翅肋，与金属管一体化设计，增加了与传热流体的换热面积。翅片体的高度、数量、间距可根据管径、能流密度、设计温度、传热流体物性、加工成本等确定，更为灵活。

附图说明

图1是本发明集热管结构示意图；

图2是本发明吸热管的翅片体螺旋分布示意图

图3是本发明一种形式的集热管结构示意图；

图4是图3的集热管a-a剖视结构示意图；

图5是本发明的另一种形式的集热管结构示意图；

图6是图5的集热管a-a剖视结构示意图；

图中：1玻璃外管、2金属吸热管、3膨胀节、4翅片体、5三维螺旋前进线、6真空腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

一种带有螺旋前进的半圆周单侧翅片体的真空集热管，包括玻璃外管1和含翅片体4的金属吸热管2，金属吸热管2位于玻璃外管1内，同轴布置。玻璃外管1与金属吸热管2通过密封装置连接，并在玻璃外管1的端部设置膨胀节3。金属吸热管2与玻璃外管1之间为真空腔6。翅片体在金属吸热管管内的分布示意图如图2所示。

本发明集热管的实施例之一如图3所示。在金属吸热管2的外壁涂有选择性吸热涂层，涂层材料为黑铬涂层。金属吸热管2与翅片体4集成一体，金属吸热管2与翅片体4的制作材料为不锈钢，翅片体4采用针翅，所述的针翅通过刀具切削整体加工制成。金属管管内径d＝40mm。

在周向上，针翅仅分布在金属吸热管单侧半个圆周内，如图4所示的a-a截面上。在本实施例中，180°角度范围内分布13个翅片。轴向上，该单侧分布的13个针翅片体按旋向一致的三维螺旋线5排列在金属管内表面，如图3所示。本实施例选取的三维螺旋线的螺距为48mm，一个螺距上等间距分布12组翅片体。本实施例中，所述的针翅片与与主流方向垂直，截面为矩形，针翅片体在吸热管的聚光侧、非聚光侧的垂直高度均为0.1d。

图5所示为本发明集热管的另一实施例。金属吸热管2的外壁涂有选择性吸热涂层，涂层材料为黑铬涂层。金属吸热管2与翅片体4集成一体，金属吸热管2与翅片体4的制作材料采用不锈钢，翅片体4采用针翅，所述的针翅通过刀具切削整体加工制成。金属管管内径d＝40mm。

在周向上，针翅片体仅分布在金属吸热管单侧半个圆周内，如图6所示的a-a截面上。在180°角度范围内分布23个翅片，翅片截面为矩形。轴向上，针翅片体按旋向一致的三维螺旋线5分布在金属管内表面，如图5所示。本实施例中，所述的针翅片体与主流方向夹角为60°，针翅片体在吸热管的聚光侧垂直高度为0.1d，非聚光侧垂直高度为0.3d。本实施例选取的三维螺旋线的螺距为12mm，一个螺距上等间距分布6个翅片体。由于分布的翅片间隔较小、螺旋线螺距较小，此时，翅片分布较为密集。当传热流体流经针翅的螺旋分布时，由于非聚光侧翅片高度明显高于聚光侧高度，该侧流动通道的压阻明显高于聚光侧，产生螺旋流动的同时，会有更多流体向吸热管的聚光侧靠拢流动。

本发明在金属吸热管管壁上分布的多个翅片体采用了单侧布置、螺旋前进的排列方式，结合能流密度分布、设计温度和加工成本等因素，优化翅片体、螺旋曲线参数，使流体在翅片体的导流作用下，形成漩涡流动，由螺旋流引起的二次流促进流体的径向混合，增强了内部流体的扰动，提高了管内壁与管内流体的传热效果，特别是对于气体工质而言，在输入相同能流密度下，可有效降低管壁与气体的温差，提高真空集热管的安全性，实现高效低阻的强化传热效果与节能降耗的目的。