專利名稱：一種平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板芯及太陽(yáng)能集熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸熱板芯，特別是涉及一種適用于太陽(yáng)能集熱器的吸熱板芯，屬于機(jī)械制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中的核心部分是集熱器。它是一種特殊的熱交換器，可將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為工作介質(zhì)(液體或氣體)的熱能。平板型太陽(yáng)能集熱器以其簡(jiǎn)單、價(jià)廉和安裝方便在全世界具有廣泛應(yīng)用。普通平板集熱器由玻璃蓋板、吸熱板芯、鋁合金邊框、泡沫板(或巖棉)保溫層等組成。太陽(yáng)光的輻射能產(chǎn)生可見(jiàn)光與近紅外線，透過(guò)平板集熱器玻璃蓋板，進(jìn)入平板集熱器內(nèi)部，遇到換熱器的有色涂層，光即轉(zhuǎn)變成熱。由于存在“熱虹吸”現(xiàn)象，集熱器板上管道中的水(或者其它循環(huán)工質(zhì))被加熱密度變小而向高處流動(dòng)，水箱中涼水由水管向下流動(dòng)，形成自然循環(huán)，熱水由集熱器底部上升至頂部，再經(jīng)上循環(huán)管流入保溫水箱，水箱下部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器底部。往復(fù)循環(huán)，使得整個(gè)水箱中水溫升高。因?yàn)槠桨寮療崞鞯乃闹懿捎酶鞣N保溫進(jìn)行阻止熱的散發(fā)，隨著陽(yáng)光照射時(shí)間的增加，能量會(huì)聚集，平板集熱器里的溫度會(huì)越來(lái)越高，可達(dá)160°C左右?？梢詽M足各種太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)產(chǎn)品需要的溫度與熱量。吸熱板芯是太陽(yáng)能集熱器的關(guān)鍵技術(shù)，板芯結(jié)構(gòu)的換熱效率影響到集熱器的工效?，F(xiàn)有太陽(yáng)能平板集熱器無(wú)論是以空氣為循環(huán)工質(zhì)還是以液體為循環(huán)工質(zhì)，其吸熱板芯換熱主要分為繞流翅片、多流道、折流擋板等幾種形式。其一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，為強(qiáng)化換熱，盡可能提高板芯換熱工質(zhì)流量，不可避免導(dǎo)致較高流動(dòng)阻力的產(chǎn)生，反而降低了集熱器的能量投入產(chǎn)出比。而換熱工質(zhì)在集熱器內(nèi)部的換熱機(jī)理優(yōu)化、工質(zhì)流動(dòng)均勻分布等不增加流動(dòng)阻力情況下被動(dòng)強(qiáng)化換熱的方法，在現(xiàn)有平板集熱器的換熱板芯上沒(méi)有很好地體現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在不明顯增加流動(dòng)阻力的情況下能夠明顯提高換熱效果的吸熱板芯。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板芯，包括板芯腔體，板芯腔體是矩形腔體；所述板芯腔體第I側(cè)壁的內(nèi)側(cè)面布置有繞流翅片，繞流翅片布置為M排N列，其特征在于8彡M彡16，11彡N彡22 ;第I列繞流翅片與板芯腔體入口邊框平行；每排中，第2 N片繞流翅片均以其上頂點(diǎn)為中心向板芯腔體出口側(cè)邊框旋轉(zhuǎn)并有旋轉(zhuǎn)角a ;第2片繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a ^ I. 5°，第2片 第5n片繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a逐漸增加，n=N/ll且依4舍5入法則取整，第5n片繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a = 4. 5 5. 5°，第5n + I片 第N片繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a與第5n片相同；每排中，第2片 第5n片繞流翅片等距抬升，第I片 5n片繞流翅片下頂點(diǎn)連線與矩形背板底邊框呈夾角￠,0 =9.0° 10.0°，第5n+I片 第N片繞 流翅片等距下降，第N片繞流翅片下頂點(diǎn)與第I片繞流翅片下頂點(diǎn)等高；繞流翅片排間距相等，各排間對(duì)應(yīng)的繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a相等；每排中，各繞流翅片上頂點(diǎn)在板芯腔體底邊框上的投影點(diǎn)等距。上述吸熱板芯功能在于通過(guò)均勻分布換熱板芯內(nèi)換熱工質(zhì)在不同流道內(nèi)的流速，達(dá)到提高集熱器換熱效率的目的。具體做法是通過(guò)對(duì)繞流翅片的排列位置加以設(shè)計(jì)，優(yōu)化流道、減小板芯局部流動(dòng)阻力，同時(shí)引導(dǎo)換熱工質(zhì)流入常規(guī)板芯設(shè)計(jì)中的換熱死區(qū)，由此消除吸熱板芯入口側(cè)頂端部分的換熱死區(qū)，增加了換熱效率。每排繞流翅片中，n的取值方法具體是^N = 11, n = I;當(dāng)N = 22, n = 2,當(dāng)N=15，n = I. 36 取值 1，當(dāng) N = 18，n = I. 63 取值 2。在優(yōu)選條件下，上述吸熱板芯可以做如下優(yōu)化板芯腔體長(zhǎng)寬比設(shè)計(jì)為2:1 1:1 ;第I列繞流翅片與入口邊框相距20mm 50mm ;繞流翅片排間距20 50mm,每排各 片繞流翅片上頂點(diǎn)在底邊框上的投影點(diǎn)間距35 85mm ;繞流翅片長(zhǎng)IOOmm 200臟，厚
0.02 2mm，高為板芯腔體內(nèi)腔高的0. 4 I. 0倍；第2片 第5n片繞流翅片旋轉(zhuǎn)角a等
差遞增。以上述吸熱板芯為基礎(chǔ)，本發(fā)明還提供一種安裝有上述吸熱板芯的平板太陽(yáng)能集熱器，具體技術(shù)方案是一種利用上述吸熱板芯構(gòu)成的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于是平板集熱器，吸熱板芯的第2側(cè)壁與第I側(cè)壁相對(duì)，吸熱板芯第2側(cè)壁向上置于外殼中，外殼上面開(kāi)口 ；第2側(cè)壁的外側(cè)面鍍有選擇性涂層構(gòu)成集熱板；玻璃蓋板覆蓋在外殼上并密封；透明蓋板與集熱板相鄰，其間有隔熱層；吸熱板芯還連接必要的管路；集熱器入口穿過(guò)外殼開(kāi)口于入口邊框下部，集熱器出口穿過(guò)外殼開(kāi)口于出口邊框上部。上述太陽(yáng)能集熱器中，吸熱板芯是吸收太陽(yáng)輻射能并向傳熱工質(zhì)傳遞熱量的部件；吸熱板芯外部面向玻璃蓋板側(cè)鍍有選擇性涂層構(gòu)成集熱板，其作用是把太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并以?dǎo)熱方式向吸熱板芯內(nèi)部傳熱；透明蓋板是由透明(或半透明)材料組成的板狀部件，覆蓋在吸熱板芯之上，主要功能是透過(guò)太陽(yáng)輻射，使其投射在吸熱板芯的集熱板上，由于與集熱板間有一空氣隔層，不僅保護(hù)集熱板不受灰塵及雨雪的侵蝕，還可阻止吸熱板在溫度升高后通過(guò)對(duì)流和導(dǎo)熱方式向周圍環(huán)境散熱；管路與吸熱板芯相連接，保證循環(huán)工質(zhì)通過(guò)對(duì)流換熱方式將吸熱板芯吸收的熱量帶走；隔熱層抑制吸熱板芯通過(guò)傳導(dǎo)向周圍環(huán)境散熱。上述太陽(yáng)能集熱器適用于換熱工質(zhì)流速彡15m/s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明吸熱板芯能夠適應(yīng)板芯內(nèi)換熱工質(zhì)的流動(dòng)特性，使換熱工質(zhì)均勻分布在換熱板芯內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分換熱。在不明顯加大流動(dòng)阻力前提下，通過(guò)翅片的特殊排列，弓I導(dǎo)換熱工質(zhì)均勻分布致?lián)Q熱板芯內(nèi)各處，并消除常規(guī)集熱器出現(xiàn)的換熱死區(qū)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，能明顯提高熱效率；熱效率高，單位集熱器面積熱量產(chǎn)出就大。本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器運(yùn)行成本較低，系統(tǒng)具備承壓，耐空曬的性能，沒(méi)有任何安全隱患，維護(hù)方便；易與建筑物結(jié)合穩(wěn)定，加工成本低。


圖I是吸熱板芯外觀示意圖。圖2是吸熱板芯縱截面不意圖。
圖3是吸熱板芯橫截面示意圖。圖4a是現(xiàn)有典型吸熱板芯速度流向圖。圖4b是現(xiàn)有典型吸熱板芯溫度場(chǎng)分布圖。圖5是本發(fā)明吸熱板芯溫度場(chǎng)分布圖。圖6是太陽(yáng)能集熱器外觀示意圖。圖7是圖6的A-A剖示圖。圖8a是現(xiàn)有典型多流道太陽(yáng)能平板集熱器流動(dòng)阻力變化圖.圖Sb是本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器流動(dòng)阻力變化圖。
圖9a是現(xiàn)有典型多流道太陽(yáng)能平板集熱器時(shí)間常數(shù)圖(Te=680s)。圖9b是本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器時(shí)間常數(shù)圖(Tc=UOs)tj附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是I吸熱板芯11板芯腔體111第I側(cè)壁112入口邊框113出口邊框114底邊框115第2側(cè)壁12繞流翅片2集熱板3玻璃蓋板4隔熱層5外殼6集熱器入口 7集熱器出口
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。實(shí)施例一如圖I所示，加工一種本發(fā)明提供的太陽(yáng)能集熱器吸熱板芯。圖I是吸熱板芯外觀不意圖；圖2是吸熱板芯縱截面不意圖。吸熱板芯I板芯腔體11規(guī)格2000mmX 1000mm，兩側(cè)分別為入口邊框112與出口邊框113。板芯腔體11第I側(cè)壁111內(nèi)側(cè)面共布置8排11列繞流翅片12。第I列繞流翅片12與入口邊框112平行，間距5 Ctam。圖3是吸熱板芯橫截面示意圖。繞流翅片12每片長(zhǎng)IOOmm 200mm，厚0. 02 2mm,高為板芯腔體11內(nèi)腔高的0. 6倍。每排繞流翅片12中，第2 11片繞流翅片12均以其上頂點(diǎn)為中心向板芯腔體11出口側(cè)邊框113旋轉(zhuǎn)并有旋轉(zhuǎn)角a，第2片繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角a = 2°，第2 5片繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角a逐漸增大，第5片繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角a = 5°，第6 11片繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角與第5片相同。各排間對(duì)應(yīng)的繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角a相等。每排繞流翅片12中，第2 5片繞流翅片12等距抬升，第I 5片繞流翅片12下頂點(diǎn)連線與板芯腔體11底邊框114呈夾角￠,0 = 9.4°，第6 11片繞流翅片12等距下降，第11片繞流翅片12下頂點(diǎn)與第I片繞流翅片12下頂點(diǎn)等高。每排繞流翅片12間等距，排間距50mm ;每排中各片繞流翅片12上頂點(diǎn)在底邊框114上的投影點(diǎn)等距，間距50mm。實(shí)施例二加工一種本發(fā)明提供的太陽(yáng)能集熱器吸熱板芯，其與實(shí)施例一相同之處不再重復(fù)，其不同之處在于每排繞流翅片12中，第2 5片繞流翅片12旋轉(zhuǎn)角a等差遞增，分別為2°、3°、
4。、5。。
試驗(yàn)例一本試驗(yàn)例顯示本發(fā)明吸熱板芯與現(xiàn)有常用吸熱板芯的模擬溫度場(chǎng)分布比較結(jié)果。模擬試驗(yàn)條件依照ANSI/ASHRAE standard93_2003標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，流量范圍0. 01 0. 03。圖4a是現(xiàn)有典型吸熱板芯速度流向圖；圖4b是現(xiàn)有典型吸熱板芯溫度場(chǎng)分布圖。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有典型板芯結(jié)構(gòu)的平板集熱器換熱工質(zhì)在板芯內(nèi)的流動(dòng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果顯示，典型板芯的換熱工質(zhì)流動(dòng)表現(xiàn)出極大不均勻性，約有2/3的區(qū)域速度在lm/s以下，并在右上部分出現(xiàn)近1/4的流動(dòng)死區(qū)。流體依據(jù)阻力最小的原理，大部分都從底邊和左側(cè)邊流出，意味著吸熱板芯大部分區(qū)域處于低換熱和不參與換熱狀態(tài)，換熱效率低。圖5是本發(fā)明吸熱板芯溫度場(chǎng)分布圖。試驗(yàn)結(jié)果顯示由于擾流翅片的布設(shè)符合板芯內(nèi)流動(dòng)特性，換熱工質(zhì)較為均勻地分布到集熱板芯不同部位，消除了換熱死區(qū)，提高了換 熱效率。同時(shí)各流道換熱工質(zhì)溫度趨于一致，也減小了傳熱工質(zhì)相互傳熱導(dǎo)致熱效率的下降。實(shí)施例三如圖6、圖7所示，加工一種太陽(yáng)能集熱器。圖6是太陽(yáng)能集熱器外觀示意圖；圖7是圖6的A-A剖示圖。太陽(yáng)能集熱器是平板集熱器，吸熱板芯I的第2側(cè)壁115與第I側(cè)壁111相對(duì)，吸熱板芯I第2側(cè)壁115向上置于外殼5中,外殼5上面開(kāi)口 ；第2側(cè)壁115的外側(cè)面鍍有選擇性涂層構(gòu)成集熱板2 ;玻璃蓋板3覆蓋在外殼5上并密封；透明蓋板3與集熱板2相鄰，其間有隔熱層4 ;吸熱板芯I還連接必要的管路；集熱器入口 6穿過(guò)外殼5開(kāi)口于入口邊框112下部，集熱器出口 7穿過(guò)外殼5開(kāi)口于出口邊框113上部。試驗(yàn)例二現(xiàn)有典型多流道太陽(yáng)能平板集熱器與本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器的集熱效率測(cè)試，根據(jù)ANSI/ASHRAE Standard 93-2003 進(jìn)行。I、測(cè)試對(duì)像現(xiàn)有典型多流道太陽(yáng)能平板集熱器與本發(fā)明太陽(yáng)能集熱器。兩種太陽(yáng)能集熱器的參數(shù)如見(jiàn)表I。表I現(xiàn)有典型多流道太陽(yáng)能平板集熱器參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板芯(I )，包括板芯腔體(11 )，板芯腔體(11)是矩形腔體；所述板芯腔體(11)第I側(cè)壁(111)的內(nèi)側(cè)面布置有繞流翅片(12 )，繞流翅片(12 )布置M排N列，其特征在于 8≤M≤16，11≤N≤22 ;第I列繞流翅片(12)與板芯腔體(11)入口邊框(112)平行； 每排中，第2 N片繞流翅片(12)均以其上頂點(diǎn)為中心向板芯腔體(11)出口側(cè)邊框(113)旋轉(zhuǎn)并有旋轉(zhuǎn)角a ;第2片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a彡I. 5° ,第2片 第5n片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a逐漸增加，n=N/ll且依4舍5入法則取整，第5n片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a =4.5 5.5°，第5n + I片 第N片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a與第5n片相同； 每排中，第2片 第5n片繞流翅片(12)等距抬升，第I片 5n片繞流翅片(12)下頂點(diǎn)連線與矩形背板(11)底邊框呈夾角￠, ^ =9.0° 10.0°，第5n+ I片 第N片繞流翅片(12)等距下降，第N片繞流翅片(12)下頂點(diǎn)與第I片繞流翅片(12)下頂點(diǎn)等高； 繞流翅片(12)排間距相等，各排間對(duì)應(yīng)的繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a相等； 每排中，各繞流翅片(12)上頂點(diǎn)在板芯腔體(11)底邊框(114)上的投影點(diǎn)等距。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的吸熱板芯，其特征在于所述第2片 第5n片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a等差遞增。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的吸熱板芯，其特征在于所述板芯腔體(11)長(zhǎng)寬比為2:1 1:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的吸熱板芯，其特征在于所述第I列繞流翅片(12)與入口邊框(112)相距20mm 50mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的吸熱板芯，其特征在于繞流翅片(12)排間距20 50mm ;所述每排各片繞流翅片(12)上頂點(diǎn)在底邊框(114)上的投影點(diǎn)間距35 85mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的吸熱板芯，其特征在于所述繞流翅片(12)長(zhǎng)IOOmm 200臟，厚0. 02 2mm，高為板芯腔體(11)內(nèi)腔高的0. 4 I. 0倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸熱板芯，其特征在于板芯腔體(11)長(zhǎng)2000mm寬1000mm，布置8排11列繞流翅片(12)，排間距50mm，每排各片繞流翅片(12)上頂點(diǎn)在底邊框(114)上的投影點(diǎn)間距50mm ;每排繞流翅片(12)中，第2片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a = 2°，第5n片繞流翅片(12)旋轉(zhuǎn)角a =5° ;所述夾角P =9.4°。
8.一種利用權(quán)利要求I或7所述的吸熱板芯構(gòu)成的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于是平板集熱器，吸熱板芯(I)的第2側(cè)壁(115)與第I側(cè)壁(111)相對(duì)，吸熱板芯(I)第2側(cè)壁(115)向上置于外殼(5)中，外殼(5)上面開(kāi)口 ；第2側(cè)壁(115)的外側(cè)面鍍有選擇性涂層構(gòu)成集熱板(2);玻璃蓋板(3)覆蓋在外殼(5)上并密封；透明蓋板(3)與集熱板(2)相鄰，其間有隔熱層(4);吸熱板芯(I)還連接必要的管路；集熱器入口(6)穿過(guò)外殼(5)開(kāi)口于入口邊框(112)下部，集熱器出口(7)穿過(guò)外殼(5)開(kāi)口于出口邊框(113)上部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于所述集熱器入口(6)開(kāi)口位置低于末排第I片繞流翅片(12)下頂點(diǎn)水平高度，所述集熱器出口(7)開(kāi)口位置高于首排第I片繞流翅片(12)上頂點(diǎn)水平高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)能集熱器，其特征在于換熱工質(zhì)流速≤15m/s。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于太陽(yáng)能集熱器的吸熱板芯。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中為強(qiáng)化換熱，盡可能提高板芯換熱工質(zhì)流量，導(dǎo)致較高流動(dòng)阻力的產(chǎn)生降低了集熱器的能量投入產(chǎn)出比的缺陷，本發(fā)明提供了一種在不明顯增加流動(dòng)阻力的情況下能夠明顯提高換熱效果的吸熱板芯。產(chǎn)品包括板芯腔體與繞流翅片，繞流翅片布置為M排N列；每排中，第1片繞流翅片與板芯腔體入口邊框平行，第2～N片均以其上頂點(diǎn)為中心向板芯腔體出口側(cè)邊框旋轉(zhuǎn)呈旋轉(zhuǎn)角α；每排中，第2片～第5n片等距抬升，第5n＋1片～第N片繞流翅片等距下降。本發(fā)明還提供安裝了上述吸熱板芯的太陽(yáng)能平板集熱器。吸熱板芯能夠通過(guò)均勻分布換熱板芯內(nèi)換熱工質(zhì)在不同流道內(nèi)的流速，提高集熱器換熱效率。
文檔編號(hào)F24J2/46GK102706016SQ20121018522
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者倉(cāng)啦, 洪亮, 玉珍, 王守彪, 達(dá)娃拉姆 申請(qǐng)人:西藏自治區(qū)能源研究示范中心