一种太阳能集热管及其太阳能集热器的制作方法

1.本发明涉及太阳能利用技术领域，特别是涉及一种太阳能集热管及其太阳能集热器。


背景技术：

2.在全球能源利用和不可再生能源消耗日益加剧的今天，太阳能利用技术发展迅速。太阳能热利用技术的关键是将太阳的辐射能转换成热能，太阳能集热器是实现这一转换过程的核心装置。
3.目前市场上的太阳能集热器多为以水为加热工质的真空管式集热器，并作为太阳能热水器的核心部件为建筑物提供生活热水，但是用途普遍较单一；同时市场上以空气为介质的太阳能集热器也出现真空管形式，并有效解决采暖、烘干等问题。但是，对两种介质能够同时在一个设备上进行加热的设备鲜有出现。
4.申请公布号为cn108204682a的中国专利公开了一种太阳能空气水集热器，包括冷水箱、保温水箱、蓄热罐以及集热器，集热器上端连接保温水箱，集热器包括多根集热管，每根集热管包括位于中间的管体以及管体两侧的集热板，管体内的介质为水，集热板为中空结构，其内的介质为空气，也就是说，该方案既能对水进行加热又能对空气进行加热，但是，加热时只能先加热空气，再利用空气加热水，在只利用热水而不利用热风时将会导致热量传递减慢或传热效率较低的问题，在只利用热风而不利用热水时，由于空气的无序流通，也会导致空气加热的效率较低。
5.申请公布号为cn105546855a的中国专利公开了一种强化传热大直径真空集热管，包括大直径玻璃外管、大直径金属吸收管、置于金属吸收管内部的螺旋翅片以及支撑翅片的空心圆管，螺旋翅片缠绕于空心圆管外侧，空心圆管通过辐射式支架固定于金属吸收管内表面，该方案金属吸收管直径选用大于常规真空集热管的数值范围，利用增大的直径增大金属吸收管的太阳光吸收面积，提高金属吸收管的截光率，增强对系统光学误差的适应性，同时利用金属吸收管内布置的螺旋翅片增加对内部流体的扰动，强化内部传热，提高单位面积对太阳光的利用率，但是，该方案并没有给出同时可以加热两种介质的记载，也没有任何动机或启示其可以用于加热空气和水，因此，由该方案中能够得到的是其只能用于加热一种流体，而且，该方案在加热内部流体时只能利用金属吸收管的管壁传递热量到其内径侧，并不能有效提高其加热效率。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种太阳能集热管及其太阳能集热器，以解决上述现有技术存在的问题，在水管和空气管之间设置螺旋式翼片，并将螺旋式翼片分别与水管的外壁和空气管的内壁连接，能够利用螺旋式翼片支撑水管和空气管，同时，还能形成水管和空气管之间的热量传递通道，既能将热量通过螺旋式翼片直接由空气管传递到水管，又能通过螺旋式翼片传递到螺旋通道内的空气后再传递到水管，进而能够提高热量传递的效率。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种太阳能集热管，包括水管和套设在所述水管外的空气管，所述水管的外壁与所述空气管的内壁之间形成环形通道，所述环形通道内设置有螺旋式翼片，所述螺旋式翼片的内径侧和外径侧分别连接在所述水管的外壁上和所述空气管的内壁上，所述螺旋式翼片将所述环形通道划分成空气流通的螺旋通道，所述水管与所述螺旋式翼片均采用导热材料制成，所述空气管用于接受阳光照射并吸收太阳能。
9.优选地，所述空气管包括内管和外管，所述内管和所述外管之间为真空夹层。
10.优选地，所述内管的外壁上涂刷有选择性吸收涂层。
11.优选地，所述真空夹层内设置有支撑件，所述支撑件为由若干波峰波谷交错构成的薄片型弹性金属元件，所述支撑件内侧和外侧分别贴合所述内管的外壁和所述外管的内壁。
12.本发明还提供一种太阳能集热器，包括若干前文所述的太阳能集热管，不同所述太阳能集热管的所述水管分别汇集成一个进水口和一个出水口，不同所述太阳能集热管的所述空气管汇集成一个进风口和一个出风口。
13.优选地，包括上联箱和下联箱，所述上联箱的底部和所述下联箱的顶部分别设置有插接孔，所述插接孔用于与所述太阳能集热管密封连接，所述进风口和所述进水口设置在所述下联箱上，所述出风口和所述出水口设置在所述上联箱上。
14.优选地，不同的所述水管并联连通，所述水管的进口均连通同一个进水管，所述水管的出口均连通同一个出水管，同时，不同的所述空气管并联连通，所述空气管的进口均连通同一个进风道，所述空气管的出口均连通同一个出风道。
15.优选地，所述进水管设置在所述进风道内部，所述出水管设置在所述出风道内部，所述进风道为所述下联箱的内部空间，所述出风道为所述上联箱的内部空间。
16.优选地，所述进风口和所述进水口分别设置在所述下联箱的两端，所述出风口和所述出水口分别设置在所述上联箱的两端。
17.优选地，所述进风口或所述出风口处设置有风机，所述进水口或所述出水口处设置有水泵。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.(1)本发明在水管和空气管之间设置螺旋式翼片，并将螺旋式翼片分别与水管的外壁和空气管的内壁连接，能够利用螺旋式翼片支撑水管和空气管，同时，还能形成水管和空气管之间的热量传递通道，既能将热量通过螺旋式翼片直接由空气管传递到水管，又能通过螺旋式翼片传递到螺旋通道内的空气后再传递到水管，进而能够提高热量传递的效率；
20.(2)本发明在空气管的真空夹层内设置有支撑件，内管在吸收太阳辐射而温度升高时，由于管壁面受热不均匀而存在着温度差异，各处因热胀冷缩引起的膨胀变形或收缩变形不一致，从而相互约束而产生内应力，这种应力即为热应力，支承件的设置能够很好地缓冲这部分热应力，从而起到保护空气管并防止其变形、破裂的作用；
21.(3)本发明不同的水管并联连通，一方面根据并联管路两节点间的总流量等于各支路流量之和的特点，整体扩大了管路中的瞬时水容量，另一方面根据并联管路两节点间的总阻力损失等于各支路阻力损失的特点，又全面降低了水管中的水流阻力，从而节约了
为输送热水提供动力的机械设备所消耗的电能；
22.(4)本发明进风口和进水口分别设置在下联箱的两端，出风口和出水口分别设置在上联箱的两端，也就是说，加热工质流出端均设计在上联箱两端，待加热工质流入端均设计在下联箱两端，可使工质受热后因温度升高、密度变小而向上运动，同时比重大的冷工质下降，从而形成自然对流，加强工质的流动。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的剖面结构示意图；
25.图2为本发明太阳能集热管剖面结构示意图；
26.图3为本发明太阳能集热管的内部结构示意图；
27.图4为本发明上联箱的结构示意图；
28.图5为本发明太阳能集热管与下联箱的连接结构示意图；
29.其中，1、上联箱；11、插接孔；111、密封胶圈；2、下联箱；3、空气管；31、外管；32、真空夹层；33、内管；34、选择性吸收涂层；35、支承件；4、水管；41、进水管；411、进水口；42、立管；43、出水管；431、出水口；432、外保温结构；5、螺旋式翼片；6、进风道；61、进风口；7、出风道；71、出风口；8、螺旋通道；9、法兰盘；10、太阳能集热器。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明的目的是提供一种太阳能集热管及其太阳能集热器，以解决上述现有技术存在的问题，在水管和空气管之间设置螺旋式翼片，并将螺旋式翼片分别与水管的外壁和空气管的内壁连接，能够利用螺旋式翼片支撑水管和空气管，同时，还能形成水管和空气管之间的热量传递通道，既能将热量通过螺旋式翼片直接由空气管传递到水管，又能通过螺旋式翼片传递到螺旋通道内的空气后再传递到水管，进而能够提高热量传递的效率。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.如图1～3所示，本发明提供一种太阳能集热管，包括水管4和套设在水管4外的空气管3，水管4和空气管3可以均为圆形结构、椭圆形结构等形状，优选为圆形结构，且水管4可以与空气管3同心设置，一般的，水管4可以采用金属材料制作；而空气管3可以采用玻璃管制作，另外，水管4可以选择为同程式承压水管4。水管4的外壁与空气管3的内壁之间形成环形通道，水管4的直径可以远小于空气管3的直径，此时，环形通道的截面面积要大于水管4的截面面积，也就是说，空气的流通截面要大于水的流通截面。环形通道内设置有螺旋式
翼片5，螺旋式翼片5的内径侧和外径侧分别连接在水管4的外壁上和空气管3的内壁上，此处所说的连接，可以是焊接连接(水管4与螺旋式翼片5在均采用导热金属材料的时候可以焊接连接)或粘接连接(螺旋式翼片5的外径侧通过涂有uv胶即紫外线固化胶与空气管3的内壁以粘接的连接方式固定在一起)等连接方式。螺旋式翼片5将环形通道划分成空气流通的螺旋通道8，当太阳能集热管用于加热空气并向外输送热空气时，空气顺着螺旋通道8流动，能够增强气流的扰动，且增加空气在空气管3内的换热时间，从而提高太阳能加热空气的利用率。水管4与螺旋式翼片5均采用导热材料制成，例如，可以选择如铝、铜或铁等材料制成，通过导热材料的应用能够提高导热效率。空气管3用于接受阳光照射并吸收太阳能，在空气管3上还可以设置有利于吸收太阳能的材料。本发明在水管4和空气管3之间设置螺旋式翼片5，并将螺旋式翼片5分别与水管4的外壁和空气管3的内壁连接，能够利用螺旋式翼片5支撑水管4和空气管3，同时，还能形成水管4和空气管3之间的热量传递通道，既能将热量通过螺旋式翼片5直接由空气管3传递到水管4，又能通过螺旋式翼片5传递到螺旋通道8内的空气后再传递到水管4，进而能够提高热量传递的效率。
34.空气管3可以包括内管33和外管31，内管33和外管31之间为真空夹层32，真空夹层32能够减少热损失，起到保温的作用，其中，外管31、内管33可由热稳定性较好且硬度较高的硼硅玻璃材质制成，空气管3的两端可以由内管33和外管31环形熔封，形成封闭结构。
35.在内管33的外壁上可以涂刷有选择性吸收涂层34，选择性吸收涂层34涂刷在内管33的外壁表面上，选择性吸收涂层34可以由氧化铜、黑镍、黒铬、黑锌、黑铜等太阳选择性吸收涂料制成，能够提高空气管3对太阳辐射能吸收能力。
36.真空夹层32内可以设置有支撑件35，支撑件35内侧和外侧分别贴合内管33的外壁和外管31的内壁，支撑件35为由若干波峰波谷交错构成的薄片型弹性金属元件，呈波浪型圆环状，可由碳素钢或合金钢材料制成，在每个空气管3中可以设置有若干个，沿真空夹层32的轴向方向分布设置，例如可以设有两个，分别卡设在真空夹层32的上半部和下半部。在具体安装时，内管33的外壁在与支承件35的波谷接触点处可以设有三个小型圆弧内凹槽，支承件35的波峰支撑于外管31的内壁上，整个支承件35呈半受压状态，由于弹性形变引起的弹性力确保支承件35在真空夹层32中的位置固定；内管33在吸收太阳辐射而温度升高时，由于管壁面受热不均匀而存在着温度差异，各处因热胀冷缩引起的膨胀变形或收缩变形不一致，从而相互约束而产生内应力，这种应力即为热应力，支承件35的设置能够很好地缓冲这部分热应力，从而起到保护空气管3并防止其变形、破裂的作用。
37.如图1～5所示，本发明还提供一种太阳能集热器10，包括若干前文记载的太阳能集热管，不同太阳能集热管的水管4分别汇集成一个进水口411和一个出水口431，需要说明的是，在水管4汇集时，水管4可以采用串联的方式也可以采用并联的方式进行；不同太阳能集热管的空气管3汇集成一个进风口61和一个出风口71，同样的，空气管3汇集时，空气管3可以采用串联的方式也可以采用并联的方式进行。
38.太阳能集热器10还包括上联箱1和下联箱2，用于将若干太阳能集热管进行连接并形成空气和水的输送管路；具体的，上联箱1的底部和下联箱2的顶部均设有成排插接孔11，插接孔11内设置有密封胶圈111，密封胶圈111具有与外管31的外壁相适配的外形和尺寸，能够确保太阳能集热管分别与上联箱1和下联箱2密封连接；上联箱1和下联箱2可以采用不锈钢材质制成。进风口61和进水口411可以设置在下联箱2上，出风口71和出水口431可以设
置在上联箱1上，也就是说，加热工质流出端均设计在上联箱2上，待加热工质流入端均设计在下联箱2上，可使工质受热后因温度升高、密度变小而向上运动，同时比重大的冷工质下降，从而形成自然对流，加强工质的流动。
39.不同的水管4并联连通，水管4的进口均连通同一个进水管41，水管4的出口均连通同一个出水管43，也就是说，不同的水管4并联连通，一方面根据并联管路两节点间的总流量等于各支路流量之和的特点，整体扩大了管路中的瞬时水容量，另一方面根据并联管路两节点间的总阻力损失等于各支路阻力损失的特点，又全面降低了水管4中的水流阻力，从而节约了为输送热水提供动力的机械设备所消耗的电能；同时，不同的空气管3并联连通，空气管3的进口均连通同一个进风道6，空气管3的出口均连通同一个出风道7，类似的，空气管3的并联也可以起到扩大管路中的瞬时风容量、降低空气管3中的空气流阻力的作用。
40.进水管41可以设置在进风道6内部，出水管43可以设置在出风道7内部，进风道6为下联箱2的内部空间，出风道7为上联箱1的内部空间，因此，上联箱1和下联箱2既可以作为支撑和连接太阳能集热管的结构，又可以作为空气流通的结构。进水管41、出水管43与每支立管42接口处均以法兰方式连接，设有法兰盘9，方便组装拆卸，拆卸后的进水管41、出水管43可分别由进风口61、出风口71取出。进水口411处的进水管41与下联箱密封连接，出水口431处的出水管43与上联箱密封连接。
41.进风口61和进水口411可以分别设置在下联箱2的两端，出风口71和出水口431可以分别设置在上联箱1的两端，也就是说，进风口61和进水口411之间在进风或进水的过程中互不影响，出风口71和出水口431在出风和出水的过程中互不影响。但由于上述设置方式，处于上联箱1和下联箱2中的两工质流动方向是相反的，此时，可以在上联箱1的出水管43外部包裹外保温结构432，以降低出水管43和出风道7之间的热量交换，外保温结构432可以选择橡塑材料等传热效果较差的材料制作；另外，由于下联箱2中的两工质都是冷流体，二者几乎不存在热量交换或热量交换较少可以忽略，在进水管41的外部可以不设置外保温结构432。
42.进风口61或出风口71处可以设置有风机，进水口411或出水口431处可以设置有水泵，风机和水泵的设置能够确保介质流动顺畅；进风道6内部、出风道7内部或上联箱1、下联箱2内部与空气管3两端连接处可设置导风轮，能够确保进出风均匀，并减少对进水管41、出水管43的侵蚀；整个太阳能集热器10可由倾斜的三角形支撑架固定，空气管3下方(背光的一侧)可加设cpc反光板，以提高太阳能利用率和太阳能集热器10的集热效率。
43.本发明的工作原理如下：
44.在接收阳光照射时，太阳辐射在涂有选择性吸收涂层34的空气管3的内管33上，选择性吸收图层34将吸收到的太阳辐射能转换为热能，转换后的热能依次传导给与内管33密封接壤的螺旋式翼片5以及与螺旋式翼片5焊接在一起的立管42，或者，转换后的热能依次传导给螺旋式翼片5以及螺旋通道8内的空气再传递到立管42。内管33与外管31间的真空夹层32减少了热损失，起到了保温作用。在通有工质时，冷水从太阳能集热器10下部一端的进水口411流入进水管41，然后经过并联式立管42加热，最后流经出水管43并统一从太阳能集热器10上部一端的出水口431流出，产出热水，供给用户使用；同理，冷空气从太阳能集热器10下部另一端的进风口61流入进风道6，然后经过螺旋通道8加热，最后流经出风道7并统一从太阳能集热器10上部另一端的出风口71流出，产出热空气，供给用户使用。在工质加热的
过程中，空气、水两种工质分别流经两个完全阻隔，互不连通的加热路径，即两工质在流经整个太阳能集热器10内部过程中无质量交换，不会阻碍彼此独立运行，可单独也可同时输出供给。但两种工质在同时受热供给时，彼此之间会有热量交换，从而影响和制约彼此吸收热量的效果，当然，也可以利用这一点，使得温度相对较高的介质向温度较低的介质传递热量。在阳光照射比较充足且太阳辐射强度较大的自然条件下进行时，能够满足对冷水加热和对空气加热的需求。上联箱1的出水管43外部包裹有保温结构432，用以避免空气和水之间的热量传递。
45.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。