一种自旋转式平板型太阳能集热器及其设计方法

1.本发明涉及一种太阳能集热器，尤其是涉及一种自旋转式平板型太阳能集热器及其设计方法。


背景技术：

2.在当前实现碳达峰、碳中和的新形势下，太阳能利用技术迎来了新的发展时期。太阳能作为一种绿色的可再生能源，高效利用它是当今社会的一项重大举措，而国内外对其的研究从未停下。近年来，国内外研究者从不同角度对太阳能空气集热器进行了大量研究，从入射太阳辐射、环境温度、入口流质量流量及其温度、风速、热管数等方面的可以来优化设计。
3.我国对新型太阳能集热器的研发层出不穷，例如内冷蒸发腔式、以平行流微通道为吸热器的复合抛物聚光器等太阳能集热器，并且我国即将实施真空管型太阳能集热器的更新与优化，而这些研究无一不是为了有效提高太阳能的利用率。作为技术相对成熟的太阳能光热吸收产品，平板太阳能集热器在全球已得到了广泛的应用。它在减少常规能源消耗、促进节能减排中已发挥并继续发挥着重要的作用。平板型太阳集热器在太阳能光热利用中，特别是在应对世界环境和完成节能减排的指标中有着极大的优势。随着社会和技术的不断进步,在太阳能与建筑一体化方面,平板型太阳能集热器近年来已取得了较大的技术进步。居民生活水平的提高也使得开发、生产高品质的平板型太阳能集热器成为今后的发展方向。
4.平板太阳能集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。然而传统的平板型太阳能集热器排管中的流体流动平稳，受热不均匀，且长时间使用易产生水垢堆积,并在接触区域附近积累的大量热量。其中，最主要的问题还是集热器表面老化、对流热损失、热惯性和辐照度入射角等因素。所以，我们要寻求办法对其寻找改革创新的办法对这些缺点进行改善。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种自旋转式平板型太阳能集热器，能有效解决现有集热器集热效率低下、供热不均以及水垢堆积等问题，提高集热性能，实现节能减排的效果。并提供了其设计方法。
6.技术方案：一种自旋转式平板型太阳能集热器，包括上集管、壳体、集热排管、轴承、下集管、透明盖板、吸热板、隔热层，上集管、集热排管、下集管分别设置于壳体中，上集管与下集管平行间隔设置，两者的一端分别穿设于壳体的外部，集热排管包括螺旋扭带、排管本体，螺旋扭带安装于排管本体内部并沿排管本体的流通方向延伸，集热排管在上集管与下集管之间依次间隔排列设有多个，每个集热排管的两端分别通过一个轴承与上集管、下集管连接并相互连通，壳体上从内至外依次铺设隔热层(8)、吸热板、透明盖板。
7.轴承采用角接触轴承，可同时承受径向载荷和轴向载荷。
8.利用传热介质自身流过螺旋扭带所传递的动量矩使螺旋扭带旋转,使得集热排管内流体产生垂直于主流方向的二次流，从而达到清洗管内污垢、防止污垢沉积和强化对流传热之目的。螺旋扭带的具体尺寸由流体的流速以及集热排管的具体尺寸确定。
9.集热排管两端与壳体接触处安装有密封装置，能够防止排管内流体泄露。
10.密封装置是在集管上焊接一个轴承档用来固定轴承内圈位置，分别在集管上的轴承档上和集热排管内壁开辟卡簧槽，其与卡簧共同作用保持集管、轴承与集热排管位置固定，轴承内圈用密封圈保证密封性。
11.进一步的，螺旋扭带的两端分别与排管本体两端焊接，螺旋扭带宽度与排管本体内直径的比值p的范围为0.85＜p＜1。
12.最佳的，螺旋扭带的宽度与螺距成反比。
13.进一步的，集热排管的数量为18～36根,相邻两根集热排管之间的间距为70～90mm，直径为47mm或58mm，长度为1500mm或1600mm或1800mm。
14.最佳的，集热排管为全玻璃同轴双层圆管结构，从外向内依次为外玻璃管、真空夹层以及内玻璃管。
15.最佳的，下集管的伸出端为流体入口，上集管的伸出端为流体出口。
16.进一步的，上集管和下集管的相对面上均间隔设有多个用于安装集热排管的短管，每根短管外圈分别与对应的一个轴承的内圈固定，轴承的外圈与对应的一根集热排管内圈连接，轴承通过密封圈进行旋转密封，密封圈为聚四氟乙烯密封圈。
17.进一步的，吸热板为铜质板，吸热板上涂有选择性吸收涂层，透明盖板为平板玻璃，隔热层为玻璃棉层。
18.集热排管中的螺旋扭带不仅具有理想的清洗功能,同时也是管内对流传热的强化元件。自转螺旋扭带的污垢清洗能力和传热强化功能都很强，但是因对传热管壁的磨损问题难以解决而无法在工程上广泛应用。为克服管壁磨损的缺点，螺旋扭带选择密度和管内流体密度相同并且与集热排管管壁材质摩擦磨损性能合理匹配的工程塑料，使其始终处于悬浮状态并且与集热排管同心旋转。
19.集热排管、上集管、下集管可承压，正常使用不易出现爆管，渗漏。
20.所有管道的管内流体无毒，对环境无污染。水质应无铁锈、异味或其他有碍人体健康得物质。
21.一种上述的自旋转式平板型太阳能集热器的设计方法，包括以下步骤：
22.步骤一：螺旋扭带螺距的设计计算，集热排管内插入螺旋扭带，集热排管流动可以分为两个不同的流域，即螺旋扭带宽度范围内流域和排管本体与螺旋扭带所形成的环形流域；
23.(1)在扭带宽度范围内流域的流体运动，基于动力学原理，流体的运动速度v
′
等于流体相对于扭带的运动速度v1与扭带旋转的牵连运动速度v2的矢量和，扭带自转角速度w2与流体相对于螺旋扭带角速度w1的方向相反，u为排管本体管内截面上介质平均流速；w2为扭带自转角速度；可得在扭带宽度范围内流域的流体作旋转流动的螺距h
′
为：
[0024][0025]
(2)在排管本体与扭带所形成的间隙流域内的流体运动，假定扭带与排管本体之
间的间隙处于边界层流动内，对于湍流下pr＞1的流体，可近似地认为流体旋转角速度是线性分布的，则在间隙范围内的平均角速度w
″
应为：
[0026][0027]
如定义排管本体与扭带所形成的间隙内的流体作旋转运动的平均螺距则h
″
＝2h
′
，其中，b为螺旋扭带宽度，r为排管本体内半径；
[0028]
步骤二：管内流体所受力矩的设计计算，排管内扭带受到流体作用的动力矩为m，m亦为清洗动力矩，基于动量矩方程可知：
[0029][0030]
式中：ρ为流体密度；q为体积流量；v为流体切向速度，v＝wr；因流体是轴向流入管内，初始流体切向速度v0＝0；
[0031]
由于流体流动存在两个不同的区域，因此总动量矩增量应是两个不同区域中流体动量矩增量之和，即：
[0032][0033]
用p表示螺旋扭带宽度与管径之比，即则由上式可得：
[0034][0035]
步骤三：扭带的流体阻力系数设计：
[0036]
(1)旋转流动的摩擦阻力系数ζf为：
[0037]
ζf＝0.184r
e0.2c2.8
；
[0038]
(2)涡流流动的阻力系数ζv为：
[0039][0040]
(3)流核作强制漩涡运动的能量损失系数ζc为：
[0041][0042]
其中：de为集热排管的当量直径，re为雷诺数，l集热排管长度，c为无量纲特征长度；
[0043]
这样，螺旋扭带作用下旋转流体的总流动阻力系数：
[0044]
ζ＝ζf+ζv+ζc；
[0045]
综合以上设计计算，获得螺旋扭带宽度与排管本体内直径的比值p的范围，螺旋扭带的宽度与螺距的关系比以及流体的阻力规律。
[0046]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过在太阳能集热器的排管中插入螺旋扭带，以及改变入口处流体速度，从而使螺旋扭带自转，防止热量堆积，提高集热效率，延长寿命。同时，插入螺旋扭带结构简单，易于维护，运行平稳，防止水垢堆积。相较于传统
的平板型太阳能集热器，新型太阳能集热器寿命更长，水质洁净，实现节能减排的效果。适用范围更广，可推广至气候多变，风沙较大地域。
附图说明
[0047]
图1为本发明的结构示意图；
[0048]
图2为本发明的剖面示意图；
[0049]
图3为集热排管的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0051]
一种自旋转式平板型太阳能集热器，如图1～3所示，包括上集管1、壳体2、集热排管3、轴承4、下集管5、透明盖板6、吸热板7、隔热层8，上压条、透明盖板6、边框、底板、下压条组成的壳体2，隔热层8、特殊设计的集热排管3、上集管1、下集管5、吸热板7组成内部吸热板。
[0052]
上集管1、集热排管3、下集管5分别设置于壳体2中，上集管1与下集管5平行间隔设置，两者的一端分别穿设于壳体2的外部，集热排管3包括螺旋扭带31、排管本体，螺旋扭带31安装于排管本体内部并沿排管本体的流通方向延伸，集热排管3在上集管1与下集管5之间依次间隔排列设有多个，每个集热排管3的两端分别通过一个轴承4与上集管1、下集管5连接并相互连通，上集管1和下集管5的相对面上均间隔设有多个用于安装集热排管3的短管，每根短管外圈分别与对应的一个轴承4的内圈固定，轴承4的外圈与对应的一根集热排管3内圈连接，轴承4通过密封圈进行旋转密封，密封圈为聚四氟乙烯密封圈。
[0053]
下集管5的伸出端为流体入口，上集管1的伸出端为流体出口。如图1所示，下集管5右侧为流体入口，上集管1左侧为流体出口。流体由下集管5右侧进入，流经集热排管3，之后流体从上集管1左侧流出。
[0054]
工质流体通过分流进入集热排管3，流体达到一定流速时，可带动螺旋扭带31自旋转，使得管内流体产生垂直于主流方向的二次流，从而带动流体撞击刮扫集热排管3内壁，以达到防止热量堆积以及水垢堆积，螺旋扭带31的螺距不宜太大，由具体工况决定。特殊设计的集热排管操作简单，实用性强，适用范围广。
[0055]
特殊设计的集热排管3与流体进入集热排管3之间的密封装置由卡簧与卡簧槽固定，管内压力较小，该密封装置可以实现，运行平稳，便于拆卸，方便集管的日常维护和保养。特殊设计的集热排管3结构中，采用角接触球轴承，可同时承受径向载荷与轴向载荷，集热排管3自转速度由工质流速决定，无需外加动力装置。
[0056]
壳体2上从内至外依次铺设隔热层8、吸热板7、透明盖板6。吸热板7为铜质板，吸热板7上涂有选择性吸收涂层，透明盖板6为平板玻璃，隔热层8为玻璃棉层。
[0057]
透明盖板6选用平板玻璃，便于阳光透过盖板达到吸热板，吸热板主要材质为铜，具有良好的导热性能，热量由吸热板传导至集热排管3中，在插入螺旋扭带31后换热管内当量直径减小，近壁区流速增大；螺旋扭带31的旋转增强了螺旋线流动，强化二次流效应，使传热系数大幅提高，集热效率提高，因此，加装螺旋扭带31在一些方面明显优于没有加装螺
旋扭带31的集热器。
[0058]
螺旋扭带31的两端分别与排管本体两端焊接，螺旋扭带31宽度与排管本体内直径的比值p的范围为0.85＜p＜1。螺旋扭带31的宽度与螺距成反比。集热排管3的数量为18～36根，相邻两根集热排管3之间的间距为70～90mm，直径为47mm或58mm，长度为1500mm或1600mm或1800mm。集热排管3为全玻璃同轴双层圆管结构，从外向内依次为外玻璃管、真空夹层以及内玻璃管。
[0059]
上述的自旋转式平板型太阳能集热器的设计方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤一：螺旋扭带螺距的设计计算，集热排管内插入螺旋扭带，管内流动可以分为两个不同的流域，即螺旋扭带宽度范围内流域和排管本体与螺旋扭带所形成的环形流域。
[0061]
(1)在扭带宽度范围内流域的流体运动，基于动力学原理，流体的运动速度v
′
等于流体相对于扭带的运动速度v1与扭带旋转的牵连运动速度v2的矢量和，扭带自转角速度w2与流体相对于螺旋扭带角速度w1的方向相反，u为排管本体管内截面上介质平均流速；w2为扭带自转角速度；可得在扭带宽度范围内流域的流体作旋转流动的螺距h
′
为：
[0062][0063]
(2)在排管本体与扭带所形成的间隙流域内的流体运动，假定扭带与排管本体之间的间隙处于边界层流动内，对于湍流下pr＞1的流体，可近似地认为流体旋转角速度是线性分布的，则在间隙范围内的平均角速度w
″
应为：
[0064][0065]
如定义排管本体与扭带所形成的间隙内的流体作旋转运动的平均螺距则h
″
＝2h
′
，其中，b为螺旋扭带宽度，r为排管本体内半径。
[0066]
步骤二：管内流体所受力矩的设计计算，排管内扭带受到流体作用的动力矩为m，m亦为清洗动力矩，基于动量矩方程可知
[0067][0068]
式中：ρ为流体密度；q为体积流量；v为流体切向速度，v＝wr；因流体是轴向流入管内，初始流体切向速度v0＝0；
[0069]
由于流体流动存在两个不同的区域，因此总动量矩增量应是两个不同区域中流体动量矩增量之和，即：
[0070][0071]
用p表示螺旋扭带宽度与管径之比，即则由上式可得：
[0072][0073]
步骤三：扭带的流体阻力系数设计：
[0074]
(1)旋转流动的摩擦阻力系数ζf为：
[0075]
ζf＝0.184r
e0.2c2.8
；
[0076]
(2)涡流流动的阻力系数ζv为：
[0077][0078]
(3)流核作强制漩涡运动的能量损失系数ζc为：
[0079][0080]
其中：de为集热排管的当量直径，re为雷诺数，l集热排管长度，c为无量纲特征长度；这样，螺旋扭带作用下旋转流体的总流动阻力系数：
[0081]
ζ＝ζf+ζv+ζc；
[0082]
综合以上设计计算，可得以下结论：(1)若螺旋扭带过窄，污垢清洗的工作力矩太小，一般应使p＞0.85；(2)要获得较大的污垢清洗力矩，螺旋扭带结构设计时应使其宽度较大、螺距较小；(3)随流速的增大，流体的阻力系数接近于定值。
[0083]
本发明设计的原理是：
[0084]
本发明基于平板型太阳能集热器，通过特殊结构的排管设计，达到防止热量堆积以及清理水垢的目的。所述的排管结构是由角接触球轴承和螺旋扭带组成的，当入口处流体达到一定速度时，利用传热介质自身流过扭带所传递的动量矩使扭带旋转，不断地刮扫和撞击管内壁，从而达到清洗管内污垢、抑制污垢沉积和强化对流传热之目的。使流体受热均匀，防止能量堆积，提高集热效率，其原因在于在插入螺旋扭带后换热管内当量直径减小，近壁区流速增大；螺旋扭带的旋转增强了螺旋线流动，强化二次流效应，使传热系数大幅提高。因此，加装螺旋扭带在一些方面明显优于没有加装螺旋扭带的仪器。同时，要使扭带可靠稳定自转，流体必需具有一定的流速，要想清洗力矩大则扭带不宜过窄，螺距不宜太大。