專利名稱：光熱灰體集熱加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光熱灰體集熱加熱器，系有關(guān)于一種光、熱幅射為能源的集熱器與加熱器模塊，其尤指一種應(yīng)用于燃燒加熱器與太陽能之幅射集熱器與加熱器模塊之結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)集熱器通常只吸收傳導熱或紅外線部分的輻射熱，對于可見光和紫外線，因為根本無法轉(zhuǎn)換而無法變成可供利用的熱源。在吸收光子時，又因為通常吸光物質(zhì)不是粗造多孔隙及非導電性的近乎黑體的灰體物質(zhì)，也使得吸收率大打折扣，吸收光子的能力就顯的非常低，是效率很低的集熱工具，也是效率不高的加熱器，所以一般只可以作為太陽能熱水器用途，對于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、機關(guān)、學校、公共場所或家庭顯少有其它實際的應(yīng)用。
傳統(tǒng)技術(shù)一般的集熱管可分成兩種方法1.金屬集熱器1)燃燒加熱集熱裝置傳統(tǒng)燃氣加熱通常使用銅管做為集熱裝置，放置于燃燒火焰上方，銅管內(nèi)徑通水，銅管所吸收的熱量藉由傳導方式將熱量傳導給水，例如家中使用的熱水器就是此一形式。
2)電熱器加熱集熱裝置通常使用高阻抗電阻(電熱絲與陶瓷電熱管)置于液體中，電流通過電阻就會發(fā)生熱量(P＝I2×R)，所產(chǎn)生的能量形式，除了可見光以外，其余都是紅外線與遠紅外線(電磁輻射熱)，所產(chǎn)生的熱量藉由傳導方式將熱量傳導給液體。這種加熱方式通常只能對水加熱，因為電熱絲與液體是直接接觸，所以有幾個嚴重的問題會發(fā)生i.電熱絲或陶瓷電熱管本身與酸、堿或其它具有腐蝕性液體直接接觸，會與液體發(fā)生化學反應(yīng)或溶解機制，直接損壞電熱加熱裝置。
ii.電熱絲或陶瓷電熱管與有機液體(如甲醇、丙酮等)直接接觸加熱，極易引燃，發(fā)生火災(zāi)。
iii.電熱絲或陶瓷電熱管對魚塭或游泳池等大型液體槽加熱，倘若液體槽有裂縫，槽內(nèi)液體滲出，電路會發(fā)生短路接地的問題，會有驚人的電流因為電路接地而損耗掉。
iv.電熱絲(陶瓷電熱管)使用于家庭熱水器，一般只能間接加熱，倘若直接加熱，就可能發(fā)生與上述第iii項述短路發(fā)生接地的問題，可能會導致觸電的危險。
v.電熱絲與陶瓷電熱管所產(chǎn)生的熱量形式都是(遠)紅外線電磁輻射波，導體對于電磁波是反射體(宛如鏡子反射可見光電磁輻射波相同，這是電磁學的基本定理)，導電能力越好的材料，反射能力就越佳，倘若使用銅管吸熱裝置，就是非常不智的作法，鐵制品會比鋁制或銅制品改進許多，若使用非導電灰體材料就是更佳的吸收熱能物質(zhì)。
3)、太陽能加熱集熱裝置是一種經(jīng)過電鍍或噴烤漆制成的高集熱效果的金屬板，底部是PU泡綿或玻璃綿的保溫層，整個集熱器上方以強化玻璃覆蓋之。為使集熱器的集熱效口高，其基本形式為吸收白日陽光照射，在表面涂上黑色的口屬板(集熱板)，一般將熏黑或涂黑的銅管排列于集熱板之下，覆蓋玻璃等的簡單裝置，集熱板是為了增大與陽光接觸的面積。也有口掉玻璃蓋使口屬板直接口在大氣中的形式。
傳統(tǒng)式燃燒器加熱管使用燃燒瓦斯、石英管或電熱絲直接對銅管加熱，水于銅管內(nèi)流通，銅管吸收熱源的熱幅射后再傳導熱能給水，并且由水吸收熱能，不管使用何者加熱源所產(chǎn)生的熱能，來源不外是(1)(遠)紅外線、(2)可見光、(3)近紫外光、(4)被加熱的空氣與燃燒產(chǎn)生的水蒸汽。
其中(遠)紅外線、可見光、與近紫外光都是電磁波幅射，而銅管是良導體，對于電磁波幅射是很好的反射體，所以這一部份的反射損耗極大，而這損耗的部分又是熱能的主要來源，其中石英管與電熱絲(非直接接觸式，電熱絲直接接觸銅管會有觸電的危險)根本就是依靠幅射加熱，其損耗可見一般。也就是說，銅管所吸收的熱源主要是第(4)項被加熱的空氣與燃燒產(chǎn)生的水蒸汽，銅管相對于本發(fā)明的熱吸收材料，是比較沒效率的。
2.集熱管如圖11是玻璃或其它透明容器，2是流體，3是灰體物質(zhì)。傳統(tǒng)的集熱管是在管壁鍍上氧化鉻或氮化鋁造出灰體，由于傳導作用，當陽光照度變?nèi)鯐r，集熱管內(nèi)的熱水會將已經(jīng)收集的熱反過來傳導到玻璃管，玻璃管再將熱傳導到灰體鍍膜，灰體鍍膜是熱幅射的極佳吸收體，同時也是熱幅射的極佳發(fā)射體，熱幅射經(jīng)由管壁的灰體幅射出去造成熱能巨大的損失。
灰體鍍膜是在玻璃管壁以蒸鍍或濺鍍方式鍍上氧化鉻或氮化鋁薄膜作為光子吸收膜，無論蒸鍍或濺鍍，通常都必須在真空中操作，工藝十分復雜且不便。
現(xiàn)就氧化鉻與氮化鋁特性與使用不便作一說明氧化鉻(氧化鉻鍍膜集熱管)因為毒性問題，六價鉻為禁止使用之物質(zhì)，所以只可以使用三氧化鉻，三氧化鉻通常呈暗紅色斜方結(jié)晶，可溶于水、醇、硫酸和乙醚，但不溶于丙酮，容易潮解。
因為三氧化鉻可溶于水、醇和乙醚，而且容易潮解，所以不能鍍于玻璃管內(nèi)壁。三氧化鉻于玻璃管外壁所吸收的熱幅射必須依靠玻璃管本身與流體(水或醇)之間的熱傳導達成，但是玻璃本身對于熱傳導是個很好的隔熱材料，三氧化鉻在此所扮演的角色是“灰體”，“灰體”對熱幅射是很好的吸收材料，相對的也是很好的幅射材料，因為玻璃管不能迅速地將三氧化鉻吸收的熱幅射，借助熱傳導機制轉(zhuǎn)移給流體，熱幅射就會快速地逸散于空間之中，此時，集熱管就轉(zhuǎn)變成為散熱管，造成熱的損失。
三氧化鉻致命的缺點是具有燃爆特性鉻酸酐本身不可燃，但遇有機物和易燃物質(zhì)，能導致有機物、可燃物的燃燒，與硫、磷及某些有機物混合，經(jīng)摩擦、撞擊，有引起燃爆的危險，與松軟的粉末狀可燃物能組成爆炸性混合物。將三氧化鉻薄膜鍍于玻璃管外壁會吸濕。將三氧化鉻薄膜鍍于玻璃管內(nèi)壁，遇到有機流體會發(fā)生反應(yīng)，甚至會爆炸，皆有不便之處。

三氧化鉻的熔點極低，只有196℃，物理性質(zhì)又不穩(wěn)定。因為三氧化鉻的不便使用，所以就有人開始使用氮化鋁薄膜，氮化鋁(氮化鋁鍍膜集熱管)氮化鋁(AlN)是一種人造陶瓷材料，氮原子和鋁原子之間主要以共價鍵結(jié)合，為六方晶系之纖維礦型(Wurtzite)結(jié)構(gòu)，亦即與金鋼石相似，由四面體配置的強共價鍵所構(gòu)成。強度極大的共價鍵使得氮化鋁具備高熔點，且借助共價鍵的共振形成聲子傳遞熱能，使得氮化鋁同時具備高熱傳導性。因其符合(1)低原子量；(2)原子間鍵結(jié)強；(3)結(jié)晶結(jié)構(gòu)簡單；(4)晶格振蕩諧和性高等四項特征，成為少數(shù)具有高熱傳導率的非金屬固體。氮化鋁單晶的理論熱傳導率可達320W/m□K。氮化鋁的硬度亦高，其破壞強度達5000kg/cm2，維氏硬度約1200kg/cm2。另外氮化鋁具有直接能帶，其能帶寬(Energy Band Gap)為6.2eV故高純度氮化鋁晶是無色而透光的(室溫之吸收波長為2000)，但在氮化鋁中如存有氧或金屬不純物則會失去其透光性，其物理及化學特性如表

所以由上表可知使用氮化鋁有幾個問題發(fā)生

氮化鋁主要吸收波長為2000，是深紫外線波長，陽光幅射到地表幾乎沒有這個波段，所以氮化鋁對于陽光幅射的吸收并不是好的材料。

氮化鋁使由人工合成，不是自然界已經(jīng)存在的材料，氮化鋁的備制與取得十分不易。

氮化鋁于O2、O3與-OH基中使用都有可能被氧化成為白色的氧化鋁。
所以氮化鋁不可以在高溫使用，一般都在150℃以下使用。
由于氮化鋁于-OH基中使用都有可能被氧化，所以一般都鍍膜于玻璃管外壁，氮化鋁收集到的熱必須透過熱傳導極差的玻璃或壓克力才可以到達水，玻璃或壓克力本身對于熱傳導是個很好的隔熱材料，三氧化鉻在此所扮演的角色是「灰體」，「灰體」對熱幅射是很好的吸收材料，相對的也是很好的幅射材料，因為玻璃管不能迅速地將三氧化鉻吸收的熱幅射借著熱傳導機制轉(zhuǎn)移給流體，熱幅射就會快速地逸散于空間之中，集熱管就轉(zhuǎn)變成為散熱管，造成熱的損失。
溫度是梯度，而幅射發(fā)散速率是由溫度梯度分布決定，由于灰體物質(zhì)與空氣直接接觸，溫度下降極快，水的溫度不但會藉由玻璃傳導給灰體，也會直接藉由幅射作用送到灰體物質(zhì)再散發(fā)到空氣。由于灰體幅射效應(yīng)，陽光幅射強度降低時，集熱管就會轉(zhuǎn)變成為散熱管。
傳統(tǒng)之加熱器通常是使用燃燒器或電熱器直接對集熱器加溫，例如浴室用熱水器通常使用瓦斯對銅管加熱，使魚缸用電熱加溫棒加熱，鍋具使用電熱絲電爐加熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之主要目的在于提供一種光熱灰體集熱加熱器，利用深色非導電物質(zhì)作為集熱器與加熱器模塊之結(jié)構(gòu)，利用深色非導電物質(zhì)作為其灰體幅射集熱器與加熱器模塊。
本發(fā)明之次要目的，在于提供一種利用深色非導電物質(zhì)作為一般燃燒系統(tǒng)或電熱系統(tǒng)之集熱器與加熱器模塊之結(jié)構(gòu)，其系利用深色非導電物質(zhì)或炭聚合物作為其灰體幅射集熱器與加熱器模塊。
本發(fā)明之次要目的，在于提供一種利用炭聚合物作為集熱器與加熱器模塊之結(jié)構(gòu)，炭聚合物的多孔特性可以凈化水質(zhì)，保持玻璃管的潔凈，增加集熱管的使用壽命。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的光熱灰體集熱加熱器主要包括至少有一電磁輻射透明管和灰體材料，灰體材料置于該透明管之內(nèi)，該電磁輻射透明管為被加熱流體流道管，該管設(shè)有被加熱流體進出口，透明管內(nèi)有將灰體材料與透明管隔開的灰體材料約束機構(gòu)。
所述的光熱灰體集熱加熱器，灰體材料系為桿狀、塊狀或片狀材料，置于約束機構(gòu)內(nèi)。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其灰體材料系選自于各種有機物在高溫缺氧條件下制成的非周期性晶格排列的炭聚合物。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其灰體材料系為非導電材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其電磁輻射透明管與散熱器連通，形成環(huán)路，環(huán)路上有被加熱流體的循環(huán)泵。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其流體是直接需要加熱的任何液體。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其流體是混入提高沸點及降低冰點的鹽類或有機溶劑的間接傳熱液體。
所述的光熱灰體集熱加熱器，其電磁輻射透明管是能透過紫外光～微波的電磁輻射透明管。
本發(fā)明的優(yōu)點茲就使用傳統(tǒng)之加熱器與本發(fā)明之加熱器加熱做以下比較




圖1傳統(tǒng)灰體集熱管結(jié)構(gòu)；圖2本發(fā)明光熱灰體集熱加熱器加熱管結(jié)構(gòu)；圖3本發(fā)明光熱灰體集熱加熱器對水槽給熱示意圖；圖4本發(fā)明光熱灰體集熱加熱器對電機組給熱示意圖；圖5太陽幅射的電磁波譜圖。
圖中1是電磁輻射透明管(玻璃或其它透明容器)、2是流體、3是灰體材料、4.是灰體光熱吸收器模塊、5是熱源、6是被加熱水或流體、7是水槽或化學反應(yīng)槽、8是發(fā)電機或其它加溫、致冷設(shè)備、9是吸熱器、10是循環(huán)泵(pump)、11是散熱器、12是約束機構(gòu)。
具體實施例方式
本發(fā)明所指作為集熱器之中光與熱吸收的灰體材料是物理意義上的灰體，因為現(xiàn)實中顯少有真正的黑體材料，一般的黑色非導電材料中有許多材料都是灰體材料，由于成本與簡化結(jié)構(gòu)需求，所以本發(fā)明使用灰體材料作為黑體材料的替代，可以把灰體物質(zhì)表面加以粗造化，粗造后的灰體材料會更趨近黑體材料，這是對灰體材料的定義。黑炭近乎于灰體，是光的絕佳吸收體。黑炭是碳的同素異形體，黑炭不同于石墨，黑炭內(nèi)主要是碳的微結(jié)晶，是不連續(xù)且散亂的微結(jié)晶，所以不能導電，電磁波幅射照射在黑炭表面被反射的比例很小，是個物理化學特性穩(wěn)定、無毒又容易取得的灰體材料。
本發(fā)明要使用非結(jié)晶的炭做為灰體材料，一般炭生成條件是將有機固態(tài)物質(zhì)在無氧狀態(tài)下高溫制成，常見的有木炭、竹炭、椰子殼炭，木炭、竹炭與椰子殼炭有多孔特性，同時又可以凈化水質(zhì)，且又保持玻璃管的潔凈，增加集熱管的使用壽命。
需要說明的是雖然都是黑炭，煤炭也屬于木炭、竹炭、椰子殼炭或其它植物木質(zhì)部分的碳化物，但是煤炭就不是好的黑體材料，由于煤炭是在高溫與高壓的環(huán)境下長時間慢慢生成，所有具有較完整的周期性結(jié)晶結(jié)構(gòu)是不適用的黑炭材料，所以并非所有黑炭材料都可以使用。
煤炭與石墨是碳分子在無氧高溫高壓時慢慢向量排列而成，石墨分子是呈現(xiàn)周期性的六角密堆積(hcp)晶格結(jié)構(gòu)，有光澤，良導體，對于電磁波具有良好的反射性與一定能力的屏蔽力，其晶格結(jié)構(gòu)層與層之間可以滑動，可作為潤滑劑使用。而炭是無氧高溫狀態(tài)下快速生成，特別必須注意的是快速生成的炭聚合物，碳分子才會呈散亂非穩(wěn)定的微結(jié)晶排列，常有纖維狀雜質(zhì)，多孔隙，絕緣體，無光澤，對于電磁波才是良好的吸收體。
其中必須被特別注意的是木炭、竹炭與椰子殼炭等黑炭類材料，材質(zhì)極為松軟，是良好的灰體材料，但是材質(zhì)太過松軟，必須使用灰體約束機構(gòu)。深色陶瓷制品也是極脆易碎的材料，直接加熱使用時必須使用灰體約束機構(gòu)，否則一經(jīng)流體沖刷就會碎裂化，會嚴重的污染被加熱液體與機組設(shè)備。所以使用時必須是桿狀、塊狀或片狀黑炭類材料并且加以固定，或使用約束機構(gòu)把松軟的黑炭類材料約束一起，不使松軟的黑炭類材料因為移動互相撞擊，避免松軟的黑炭類材料粉碎，降低材料碎片與粉末污染液體，并且可以使松軟的黑炭類材料對液體中存在的污染微物產(chǎn)生吸附能力，可以凈化水質(zhì)，增長吸熱管的使用壽命。
下面討論幅射被灰體(黑體)吸收后的問題通?？梢詮娜矫鎭碛懻?.黑體輻射與普朗克的能量子光就是某一特定頻率范圍的電磁波。當物體被加熱，它以電磁波的形式散發(fā)紅外線輻射。當物體繼續(xù)加熱變得熾熱，紅色波長部分開始變得可見。但是大多數(shù)熱輻射仍然是紅外線，能夠達成并可以量度部分灰體光譜。
黑體幅射量子方程是量子力學的第一部分。能量E、輻射頻率f及溫度T可以被寫成E=hfehfkT-1]]>h＝6.63×10-27爾格.秒＝6.63×10-34焦耳.秒(普朗克常數(shù))k＝1.3806505(24)×10-23J/K(玻爾茲曼常數(shù))。
2.光與物質(zhì)的相互作用-黑體輻射黑體是一個理想化的物體，它可以吸收所有照射到它上面的輻射，并將這些輻射轉(zhuǎn)化為熱輻射，這個熱輻射的光譜特征僅與該灰體的溫度有關(guān)。普朗克將物體中的原子看作微小的振蕩器的灰體輻射的公式，這些原子振蕩器的能量不是連續(xù)的，而是離散的En＝n×h×v，后來方程式被修正為En＝(n+1/2)×h×v3.輻射換熱(黑體輻射(BlackbodyRadiation))；黑體輻射定律Eb＝σbT4黑度(灰度)ε＝E/Eb，E＝εEb＝εσbT4兩表面間的輻射換熱有效輻射的概念J＝εEb+ RG其中，J有效輻射，εEb自身輻射，R反射率；G投射輻射ρv=8πhv3c31exp(hv/kBT)-1,]]>或ρλ=8πhcλ51exp(hc/λkBT)-1,]]>其中ρv為輻射能密度(radiant energy density)，v是頻率，T是絕對溫度，α和β是常數(shù)，c是光速。
1.光電效應(yīng)通過光照可以從金屬中打出電子來，可以測量這些電子的動能。不論入射光的強度只有當光的頻率超過一個臨限值后才會有電子被射出。被打出的電子的動能隨光的頻率線性升高，而光的強度僅決定射出的電子的數(shù)量。愛因斯坦提出了光的量子的理論來解釋。光的量子的能量為E＝h×v光電效應(yīng)中這個能量被用來將金屬中的電子射出(逸出功)和加速電子(動能)hv=EWorkfunction+12mv2]]>這里m是電子的質(zhì)量，v是其速度。假如光的頻率太小的話，那么它無法使得電子越過逸出功，不論光強有多大。
玻爾模型電子放射電磁波，不按照麥克斯威的電磁學，而是在兩個“穩(wěn)定狀態(tài)”的“能階”之間作“量子躍遷”。這個模型為原子結(jié)構(gòu)和光譜線給出了一個理論原理。玻爾認為電子只能在一定能量En的軌道上運轉(zhuǎn)。假如一個電子從一個能量比較高的軌道(En)躍到一個能量比較低的軌道(Em)上時，它發(fā)射的光的頻率為hv＝En-Em通過吸收同樣頻率的光電子可以從低能的軌道躍到高能的軌道上。
2.居量反轉(zhuǎn)(population inversion)當灰體物質(zhì)吸收了高能態(tài)的光子(如紫外線)后，會發(fā)生“自發(fā)放射”與“激發(fā)放射”，被激發(fā)處于高能態(tài)電子借著電子躍遷可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外線(熱能)或機械能。如果是機械能，根據(jù)熱力學第一定律(能量不滅原理)就是能量守恒定律，機械能所造成的擾動，最后終將完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬男蛻B(tài)，而轉(zhuǎn)變后的熱又被流體所完全吸收。
熱力學第一定律(能量不滅原理)就是能量守恒定律每個系統(tǒng)都有內(nèi)能U，它只能通過功W和熱Q以能量的形式而改變，即dU＝δQ+δW一個封閉系統(tǒng)的能量不會改變。不同的能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，但是能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，充分地說明灰體所吸收的太陽幅射光子幾乎是完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷?br> 事實上，所有的物質(zhì)吸收到高能態(tài)的光子都會幅射出紅外線，通過“居量反轉(zhuǎn)”這個非線性光學的解釋，就可以解釋為何可見光與紫外線可以轉(zhuǎn)化成為熱能(紅外線、遠紅外線與機械能震動)。
灰體再將所吸收的光子轉(zhuǎn)化為熱，熱會經(jīng)過熱交換被流體吸收，成為極佳的熱吸收與交換源?；殷w物質(zhì)沉浸于流體之中，所施加于灰體物質(zhì)之輻射能量幾乎是100％都為流體所吸收，否則能量會得不到去處，如此就會違背能量不滅定律，所以高溫的灰體材料浸在流體之中，根據(jù)溫度是梯度分布的理論，高溫的灰體物質(zhì)會將溫度迅速地傳導給流體，以達到更趨近費米能階的穩(wěn)態(tài)(基態(tài))，所以灰體不會因為高溫而燃燒，或因為熱震而碎裂。
下面對于本發(fā)明之結(jié)構(gòu)以及部分實施例進行說明本發(fā)明可使用于燃燒器之集熱器和加熱器，如熱水器的熱交換器，功效尤佳，特別是燃燒直接集熱加熱器與間接集熱加熱器。
傳統(tǒng)式燃燒器加熱管使用燃燒瓦斯、石英管或電熱絲直接對銅管加熱，水于銅管內(nèi)流通，銅管吸收熱源的熱幅射后再傳導熱能給水，并且由水吸收熱能，不管使用何者加熱源所產(chǎn)生的熱能，來源不外是(1)(遠)紅外線、(2)可見光、(3)近紫外光、(4)被加熱的空氣與燃燒產(chǎn)生的水蒸汽。
其中(遠)紅外線、可見光、與近紫外光都是電磁波幅射，而銅管是良導體，對于電磁波幅射是很好的反射體，所以這一部份的反射損耗極大，而這損耗的部分又是熱能的主要來源，其中石英管與電熱絲(非直接接觸式，電熱絲直接接觸銅管會有觸電的危險)根本就是依靠幅射加熱，其損耗可見一般。也就是說，銅管所吸收的熱源主要是第(4)項被加熱的空氣與燃燒產(chǎn)生的水蒸汽，銅管相對于本發(fā)明的熱吸收材料，是比較沒效率的。
如圖2本發(fā)明系使用耐熱電磁輻射透明管1作為流體流道管，在管內(nèi)放入黑炭(木炭或竹炭)等灰體材料3，約束機構(gòu)12將黑炭約束在透明管1的軸心周圍，使灰體物料3與透明管1之間有間隔，防止灰體材料3將熱量指接傳遞給透明管1。灰體對于幅射是極佳的吸收體，灰體吸收熱幅射之后又立刻直接傳導給通過的流體(因為溫度是梯度函數(shù)，高能階會傳導給低能階，使高能階物體更趨近于費米能階)，使流體升溫。
灰體材料還可為非導電材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。深色系指任何加有黑色成分的顏色。
其中電磁輻射透明管1可為玻璃管、石英管、陶瓷管、纖維管或高分子聚合管其中之一，只要對電磁輻射波無阻礙即可。
本實施例是流體直接被加熱使用，如太陽能熱水器，流體是直接被加熱的水。即本發(fā)明可以制作太陽能集熱管乃至太陽能熱水器。太陽能集熱管有一電磁輻射透明管以及灰體材料，灰體材料置于該透明管之內(nèi)，該電磁輻射透明管為被加熱流體流道管，該管設(shè)有被加熱流體進出口，可多管串、并連。其它技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相同，本發(fā)明的要點在于吸熱灰體材料置于該透明管之中。
如圖3、圖4本發(fā)明也可以作為加熱源，間接對其它對象加熱圖3中1是電磁輻射透明管(玻璃、陶瓷、石英、塑料或其它對輻射透明之非導電材質(zhì)容器)、2是流體、3是灰體材料、4.是灰體光熱吸收器模塊、5是熱源、6是被加熱的流體、7是水槽或化學反應(yīng)槽、10是循環(huán)泵(pump)。
該電磁輻射透明管1與輔助散熱器11連通，形成環(huán)路，環(huán)路上有被加熱流體的循環(huán)泵10。流體2在循環(huán)泵10的作用下在環(huán)路中流動，通過散熱器11將熱量傳遞給水槽7中的被加熱水或流體6?；蛘呱崞?1直接將熱量散發(fā)到周圍，作為暖氣設(shè)備。
圖4是本發(fā)明光熱灰體集熱加熱器對電機組給熱實施例1是電磁輻射透明管(玻璃或其它透明容器)、2是流體、3是灰體材料、4.是灰體光熱吸收器模塊、8是發(fā)電裝置或其它加溫、致冷設(shè)備、9是吸熱器、10是循環(huán)泵(pump)、13是熱傳導管。
該電磁輻射透明管1與作為散熱器的熱傳導管13連通，形成環(huán)路，環(huán)路上有被加熱流體的循環(huán)泵10。流體2在循環(huán)泵10的作用下在環(huán)路中流動，通過熱傳導管13將熱量傳遞給吸熱器9，吸熱器9將熱能傳遞給發(fā)電裝置或其它加溫、致冷設(shè)備8。如應(yīng)用于太陽能發(fā)電、太陽能制冷等各領(lǐng)域。
現(xiàn)就流體部分舉例說明如下1.通常使用不具燃燒性的水。
2.為了提高沸點與降低冰點，也可以可混入與水互溶的流體或物質(zhì)，做成間接加熱之加熱器，例如混入鹽類或有機溶劑。
i鹽類如鹽水的密度不固定(濃度愈大則密度愈大)，且沸騰時沸點不在一定點溫度上(溫度會持續(xù)上升)。一大氣壓下，純水沸點100℃，鹽類的熔點與沸點都必較高，例如食鹽(鈉鹽)熔點800℃而沸點1465℃，溴化鋰(鋰鹽)的沸點1265℃。故加熱鹽水時可以使流體的沸點提升，增加集熱器得使用范圍，而且能大大降低水的冰點。食鹽水是導電物質(zhì)，更可以加速熱的傳導。
ii有機溶劑如乙二醇在常溫下為無色、無臭、有甜味的粘稠液體。比重1.1132，沸點197.2℃，凝固點-12.6℃，閃點116℃，自燃點412℃，爆炸極限上限3.2％～15.3％(體積)。能與水、乙醇和丙酮混溶，能大大降低水的冰點。
iii乙二醇及食鹽水等不凍流體，會增加水的折射率，使光的入射率增加。因為水的折射率為1.33，容器玻璃的折射率為1.5，而食鹽水可以提高水的折射率，甚至超過玻璃的折射率，可以大大提高光輻射的入射率與穿透率，使灰體物質(zhì)可以吸收到更多的光子，提高太陽能使用效率。因為光從光疏物質(zhì)(玻璃壁)進入光密物質(zhì)(食鹽水)是高透射，相反地，光從光密物質(zhì)(玻璃壁)進入光疏物質(zhì)(水)是高反射。
如此組合是可以得到優(yōu)良的光吸收率與光熱轉(zhuǎn)換率。主要是可以得到更高溫的熱交換熱源流體。
電磁輻射透明管是能透過紫外光～紅外光的電磁輻射透明管。
陽光中的紅外線與遠紅外線可以直接被木炭吸收經(jīng)過熱交換將熱直接交換給「鹽水+乙二醇」，因為「鹽水+乙二醇」的沸點遠超過100℃，所以不只可以作為太陽能熱水器的熱交換器熱源用途，更可以用來驅(qū)動各種發(fā)電機，作為太陽能發(fā)電之用途。
本發(fā)明的灰體與流體使用于電磁輻射透明管(玻璃、陶瓷、石英、塑料或其它對輻射透明之非導電材質(zhì)容器)中，灰體可以不直接與透明管接觸，降低熱能借助傳導作用直接對透明管作無效的加熱，灰體沉浸在流體中，灰體發(fā)散熱幅射也必為流體接受，本發(fā)明可以減少熱能因為灰體直接發(fā)散幅射于空氣造成的熱能損失。傳統(tǒng)的集熱管是在管壁鍍上氧化鉻或氮化鋁造出灰體，由于傳導作用，集熱管內(nèi)的熱水會將熱傳導到玻璃管，玻璃管再將熱傳導到灰體，灰體是熱幅射的極佳吸收體，同時也是熱幅射的極佳發(fā)射體，熱幅射經(jīng)由管壁的灰體幅射出去造成熱能巨大的損失。
現(xiàn)就本發(fā)明吸收太陽能作為實施例進行說明，太陽能量傳到地球表面主要是輻射熱，現(xiàn)在對包括太陽光在內(nèi)的各種射線先加以說明太陽的光度(Luminosity)，光度即物體所輻射的總能量，太陽光度是4×1026W?？墒且幻腌妰?nèi)一個特定面積所接收到的能量稱做輻射流量(flux)，地球在一秒鐘內(nèi)一平方米接收到的太陽輻射流量為1370W。地球接收到的能量又叫太陽常數(shù)(Solar Constant)，此數(shù)值為2cal/cm2/min，意思是在一個天文單位的距離，太陽能量可于一分鐘加熱一立方米的水2K，這只是太陽光度的一部份。
太陽光的光譜從紫外線UV-B一直延伸到紅外線，最長波長約為4,000nm。
不過以能量分布來說見圖7
●主要是在狹窄的可見光線波段，占44％，●其它則為紫外線占7％，●紅外線占37％，●遠紅外線部分占11％。
傳統(tǒng)集熱器通常只可以吸收紅外線與遠紅外線部分的48％熱輻射，對于其它51％的可見光與紫外線因為根本無法轉(zhuǎn)換，因此無法吸收變成可供利用的熱源，而且于吸收光子時，又因為通常吸光物質(zhì)不是粗造多孔隙且非導電性的近乎灰體物質(zhì)，也使得吸收率大打折扣，是效率很低的集熱工具。所以較難在單位面積內(nèi)聚集較高的能源。
本發(fā)明可以應(yīng)用于燃燒集熱加熱裝置、電熱集熱加熱裝置、地熱集熱加熱裝置、生物能集熱加熱與太陽能集熱裝置裝置其中之一。
本發(fā)明還可以使用于各式鍋具或鍋爐受熱源部分，不但可以提高對熱輻射的吸收能力，并且轉(zhuǎn)換后的熱度因為受到流體沸點的限制，更可以確保鍋或鍋爐具受到的溫度控制，保障使用鍋具或鍋爐的安全。由于沸點的控制，更可以利于使熱源保持恒溫狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種光熱灰體集熱加熱器，其主要結(jié)構(gòu)包括至少有一電磁輻射透明管和灰體材料，灰體材料置于該透明管之內(nèi)，該電磁輻射透明管為被加熱流體流道管，該管設(shè)有被加熱流體進出口，透明管內(nèi)有將灰體材料與透明管隔開的灰體材料約束機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于灰體材料系為桿狀、塊狀或片狀材料，置于約束機構(gòu)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于灰體材料系選自于各種有機物在高溫缺氧條件下制成的非周期性晶格排列的炭聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于灰體材料系為非導電材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于該電磁輻射透明管與散熱器連通，形成環(huán)路，環(huán)路上有被加熱流體的循環(huán)泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于流體是直接需要加熱的任何液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于流體是混入提高沸點及降低冰點的鹽類或有機溶劑的間接傳熱液體。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于流體是直接需要加熱的任何液體。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于流體是混入提高沸點及降低冰點的鹽類或有機溶劑的間接傳熱液體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光熱灰體集熱加熱器，其特征在于電磁輻射透明管是能透過紫外光～微波的電磁輻射透明管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光熱灰體集熱加熱器，其主要結(jié)構(gòu)包括至少有一電磁輻射透明管和灰體材料，灰體材料置于該透明管之內(nèi)，該電磁輻射透明管為被加熱流體流道管，該管設(shè)有被加熱流體進出口，透明管內(nèi)有將灰體材料與透明管隔開的灰體材料約束機構(gòu)。灰體材料系為桿狀、塊狀或片狀材料，置于約束機構(gòu)內(nèi)?；殷w材料系選自于各種有機物在高溫缺氧條件下制成的炭聚合物或為非導電材料深色陶瓷或深色高分子聚合物。其流體是直接需要加熱的任何液體。其電磁輻射透明管與散熱器連通，形成環(huán)路，環(huán)路上有被加熱流體的循環(huán)泵。將流體混入提高沸點及降低冰點的鹽類或有機溶劑使之成為間接傳熱液體。電磁輻射透明管是能透過紫外光～紅外光的電磁輻射透明管。
文檔編號F24J2/04GK101025291SQ200710051348
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日
發(fā)明者黃福國 申請人:黃福國