一種涂覆吸熱膜的環(huán)路熱管式太陽能熱水器及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種環(huán)路熱管式的太陽能熱水器，包括集熱器、水箱和環(huán)路熱管，其中環(huán)路熱管的蒸發(fā)端設(shè)置在集熱器中，環(huán)路熱管的冷凝端設(shè)置在水箱中，所述集熱器包括玻璃真空集熱管，玻璃真空集熱管包括玻璃基管，所述玻璃基管的外表面覆蓋吸熱層。本發(fā)明提供一種節(jié)能的環(huán)路熱管式的太陽能熱水器，提高太陽能的熱利用能力。
【專利說明】一種涂覆吸熱膜的環(huán)路熱管式太陽能熱水器及其系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能領(lǐng)域，尤其涉及一種具有吸收膜的環(huán)路熱管式太陽能熱水器及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大。然而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源儲備量不斷減少、日益緊缺，造成價格的不斷上漲，同時常規(guī)化石燃料造成的環(huán)境污染問題也愈加嚴重，這些都大大限制著社會的發(fā)展和人類生活質(zhì)量的提高。能源問題已經(jīng)成為當代世界的最突出的問題之一。因而尋求新的能源，特別是無污染的清潔能源已成為現(xiàn)在人們研究的熱點。太陽能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，而且資源量巨大，地球表面每年收的太陽輻射能總量為IXlOlSkW.h，為世界年耗總能量的一萬多倍。世界各國都已經(jīng)把太陽能的利用作為新能源開發(fā)的重要一項，我國政府在《政府工作報告》也早已明確提出要積極發(fā)展新能源，其中太陽能的利用尤其占據(jù)著突出地位。然而由于太陽輻射到達地球上的能量密度小(每平方米約一千瓦)，而且又是不連續(xù)的，這給大規(guī)模的開發(fā)利用帶來一定困難。因此，為了廣泛利用太陽能，不僅要解決技術(shù)上的問題，而且在經(jīng)濟上必須能同常規(guī)能源相競爭。太陽能的利用主要有光熱轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化、光化學轉(zhuǎn)換這三種形式。相比于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和光化學轉(zhuǎn)換的高昂成本與低的能量轉(zhuǎn)換效率，太陽能熱轉(zhuǎn)化是一種能量轉(zhuǎn)換效率和利用率高而且成本低廉、可在全社會廣泛推廣的太陽能利用方式。在太陽能熱利用裝置中，關(guān)鍵是要將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的器件稱為太陽能集熱器。
[0003]無論哪種形式和結(jié)構(gòu)的太陽能集熱器，都要有一個用來吸收太陽輻射的吸收部件，該部件吸收表面的熱輻射性能對集熱器的熱性能起著重要的作用。表征吸收表面熱輻射性能的物理量是吸收比和熱發(fā)射比，前者表征吸收太陽輻射能的能力，后者表征自身溫度下發(fā)射輻射能的能力。前者越高后者越低，表明吸熱效果最好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種高吸收率的新的環(huán)路熱管式太陽能熱水器，尤其是提供一種環(huán)路熱管式太陽能熱水器，提高太陽能的工作能力。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種環(huán)路熱管式的太陽能熱水器，包括集熱器、水箱和環(huán)路熱管，其中環(huán)路熱管的蒸發(fā)端設(shè)置在集熱器中，環(huán)路熱管的冷凝端設(shè)置在水箱中；集熱器吸收太陽能的熱量，加熱環(huán)路熱管的蒸發(fā)端，蒸發(fā)端的工作流體經(jīng)過循環(huán)進入環(huán)路熱管的冷凝端，在冷凝端進行放熱，加熱水箱中的水，工作流體在冷凝端放熱完成后再循環(huán)進入熱管的蒸發(fā)端進行加熱。
[0006]集熱器設(shè)置玻璃真空集熱管，玻璃真空集熱管包括玻璃基管，所述玻璃基管的外表面覆蓋吸熱層，所述吸熱層從內(nèi)向外依次包括紅外反射涂層、吸熱涂層和減反射涂層，其中紅外反射涂層、吸熱涂層和減反射涂層的厚度的比例為1:1.5:2 ;所述紅外反射涂層為Ag ;吸熱涂層從內(nèi)向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四層，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射涂層從內(nèi)向外依次是AlN、Ti02、Ta205、SiO2M，其中A1N、Ti02、Ta205、SiO2 層的厚度比例為 0.9:1:0.75:1。
[0007]—種太陽能熱水器系統(tǒng)，包括太陽能熱水器和熱利用裝置，所述太陽能熱水器是前面所提及的太陽能熱水器。
[0008]熱利用裝置為圓弧形封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設(shè)置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延長線相交于基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經(jīng)過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設(shè)置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設(shè)置第二連接片，第一連接片和第二連接片為圓弧型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述圓弧形金屬板的圓心所在的中心軸線與基管的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；相鄰基管的第一翅片互相平行；
[0009]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式:Sin (A/2) =a* (L/R) 2+b* (L/R) +c
[0010]H/(R*10)=e*Sin(A/2)2-f*Sin(A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A〈110。，
[0011 ] L 的尺寸為 mm, 12mm〈L〈80mm，
[0012]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0013]H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
[0014]a、b、c、e、f、h 為系數(shù)，a 的范圍為 0.04-0.042，b 的范圍為 0.266-0.28，c 的范圍為 0.36-0.37，e 的范圍為 21-23，f 的范圍是 44-45，h 是 23-25。
[0015]另一個優(yōu)選的實施例，熱利用裝置為直線型封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設(shè)置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延長線相交于基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管的中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經(jīng)過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設(shè)置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設(shè)置第二連接片，第一連接片和第二連接片為直線型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；
[0016]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式:
[0017]Sin (A/2) =a X (L/R) 2+b X (L/R) +c
[0018]H/R=10XeX (Sin(A/2))f[0019]其中，A單位為角度，60° <A〈110。，
[0020]L 的尺寸為 mm，15mm〈L〈80mm，
[0021]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0022]H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm，
[0023]a、b、c、e、f為系數(shù)，a的范圍為0.038-0.04, b的范圍為0.26-0.27，c的范圍為
0.34-0.35，e的范圍為0.72-0.78，f的范圍是-3.6至-3.5之間。
[0024]所述的熱利用裝置為向用戶提供熱水的熱水輸出設(shè)備，所述熱水輸出設(shè)備包括換熱器，所述換熱器連接自來水，來自太陽能熱水器的熱水進入換熱器中，與自來水進行換
執(zhí).[0025]所述熱水輸出設(shè)備還包括電加熱棒，當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于第一溫度時，電加熱棒啟動加熱，并以第一功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第一溫度低的第二溫度時，電加熱棒以高于第一功率的第二功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第二溫度低的第三溫度時，電加熱棒以高于第二功率的第三功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第三溫度低的第四溫度時，電加熱棒以高于第三功率的第四功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第四溫度低的第五溫度時，電加熱棒以高于第四功率的第五功率進行加熱。
[0026]所述的系統(tǒng)中還包括輔助電加熱器和/或輔助熱水鍋爐，電加熱系統(tǒng)和熱水鍋爐系統(tǒng)根據(jù)進入電加熱器和熱水鍋爐的水的溫度自動啟動，對熱水進行加熱。
[0027]所述當熱利用裝置和輔助加熱裝置均具有兩種以上時，各個熱利用裝置并聯(lián)，各自連接在不同的管路上，各個輔助加熱裝置分別與一個熱利用裝置串聯(lián)。
[0028]所述的系統(tǒng)包括電加熱器、熱水鍋爐，所述熱利用設(shè)備分別是散熱器和熱水輸出設(shè)備，所述的電加熱器和熱水輸出設(shè)備設(shè)置在一條管路上，散熱器和熱水鍋爐設(shè)置在另一條管路上，所述兩條管路為并聯(lián)設(shè)置。
[0029]所述熱利用設(shè)備設(shè)置在與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路并聯(lián)設(shè)置，其中與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路連通的熱利用設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門，位于進水管路和出水管路之間的與熱利用設(shè)備并聯(lián)的太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上設(shè)置閥門。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明太陽能熱水器具有如下的優(yōu)點:
[0031]1)本發(fā)明提供的太陽能熱水器具有防腐層和吸熱層，可以減少對基管的腐蝕，同時能夠加大對太陽能的吸收。
[0032]2)本發(fā)明對吸熱層的材料和厚度進行精心的選擇和實驗，已達到最好的吸熱的技術(shù)效果。
[0033]3)本發(fā)明提供了直板型和圓弧形兩種結(jié)構(gòu)的封閉式翅片管散熱器，通過多次試驗，設(shè)計了不同管徑、不同高度、夾角的翅片進行試驗，從而得到一個最優(yōu)的翅片優(yōu)化結(jié)果，并且通過試驗進行了驗證，從而證明了結(jié)果的準確性。
[0034]4)通過設(shè)置熱輸出設(shè)備的電加熱棒，自動控制熱利用裝置的溫度。
[0035]5)輔助電加熱器和/或輔助熱水鍋爐，能夠起到輔助加熱作用，而且通過自動控制控制輔助加熱系統(tǒng)的啟動，節(jié)約能源。
[0036]6)通過電加熱器、熱水鍋爐與熱利用裝置的并聯(lián)連接，可以實現(xiàn)獨立控制熱利用
>J-U ρ?α裝直。[0037]7)熱利用設(shè)備設(shè)置在與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路并聯(lián)設(shè)置，可以實現(xiàn)在需要的時候連通熱利用設(shè)備，在不需要的時候關(guān)閉熱利用設(shè)備，以節(jié)約能源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明的環(huán)路太陽能熱水器的示意圖；
[0039]圖2是本發(fā)明串聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽能系統(tǒng)示意圖；
[0040]圖3是本發(fā)明并聯(lián)結(jié)構(gòu)的太陽能系統(tǒng)示意圖；
[0041]圖4是本發(fā)明的熱利用裝置與管路并聯(lián)的太陽能系統(tǒng)示意圖；
[0042]圖5是本發(fā)明的防腐層和吸熱層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖6是熱利用裝置散熱器的示意圖；
[0044]圖7是熱利用裝置散熱器的翅片管實施例一的示意圖；
[0045]圖8是熱利用裝置散熱器的翅片管實施例二的示意圖；
[0046]圖9是控制系統(tǒng)的示意圖；
[0047]圖10是圖7從左側(cè)看的示意圖；
[0048]圖11是圖8從左側(cè)看的示意圖；
[0049]圖12是熱管蒸發(fā)端的一個實施例；
[0050]圖13是環(huán)路熱管太陽能熱水器的一個實施例。。
[0051]附圖標記如下:
[0052]I上集管，2基管中沒有翅片的部分，3下集管，4翅片管，5基管，6水第一翅片，7空隙部分，8第一連接片，9第二翅片，10第四翅片，11第三翅片，12第二連接片，13中央控制器，14太陽能系統(tǒng)輸水管，15溫度傳感器，16溫度傳感器，17散熱器，18太陽能熱水器水箱，19電加熱器，20鍋爐，21熱水輸出設(shè)備，22散熱器，23泵，24閥門，25基管，26紅外反射涂層，27吸熱涂層，28減反射涂層，29集熱器，30環(huán)路熱管，31集熱管，32冷凝端，33蒸發(fā)端
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0054]圖1展示了一種環(huán)路熱管式的太陽能熱水器，其中環(huán)路熱管30的蒸發(fā)端設(shè)置在集熱器29中，環(huán)路熱管30的冷凝端設(shè)置在太陽能熱水器水箱18中。集熱器29吸收太陽能的熱量，加熱環(huán)路熱管30的蒸發(fā)端，蒸發(fā)端的工作流體經(jīng)過循環(huán)進入環(huán)路熱管的冷凝端，在冷凝端進行放熱，加熱水箱18中的水。在冷凝端放熱完成后再循環(huán)進入熱管的蒸發(fā)端進行加熱。
[0055]所述的圖1中的集熱器是示意性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的多種結(jié)構(gòu)，其中包括具有多個集熱管31，而環(huán)路熱管的蒸發(fā)端分為多根管子，分別經(jīng)過多個集熱管31，如圖12所示。也可以設(shè)置只有一根集熱管，如圖13所示。也可以包括單個儲水容器，多個集熱管加熱儲水容器中的水，然后由水再加熱換熱熱管的蒸發(fā)端。
[0056]所述集熱管31為玻璃真空集熱管，玻璃真空集熱管包括玻璃基管25 (參見圖5)，所述玻璃基管的外表面涂敷吸熱層。
[0057]如圖2-4所示的一種太陽能熱水器系統(tǒng)，包括太陽能熱水器(圖2-4中僅僅展示了圖1中的水箱18)和熱利用裝置21和22。[0058]如圖2所示，太陽能熱水器水箱中的水經(jīng)過環(huán)路熱管加熱，依次通過輔助加熱裝置、熱利用裝置21、熱利用裝置22，然后回水在泵23的作用下再次循環(huán)到太陽能熱水器18，進行新的加熱。
[0059]優(yōu)選的是，輔助加熱裝置可以是電加熱器19、熱水鍋爐20，電加熱器和熱水鍋爐的主要作用是起到輔助加熱的作用，例如當利用太陽能加熱的水沒有達到預定的溫度，這是可以啟動電加熱器和/或熱水鍋爐。
[0060]當然，雖然圖2展示了兩種熱利用裝置，但是實際并不局限于兩種，也可以3種或者以上，當然也可以僅僅設(shè)置一種。輔助加熱裝置同樣可以僅僅設(shè)置一種，例如僅設(shè)置電加熱器或熱水鍋爐。
[0061]圖3展示了熱利用裝置21和22并聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖。其中電加熱器19與熱利用裝置21設(shè)置在一條管路上，電加熱器19用于輔助加熱進入熱利用裝置21中的水，而熱水鍋爐和熱利用裝置22設(shè)置在另一條管路上，所述的這兩條管路并聯(lián)設(shè)置，兩端分別連接太陽能熱水器水箱的熱水出口和泵23。
[0062]當然上述設(shè)置也是實例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以選擇增加多條并聯(lián)的管路，每條管路上設(shè)置熱利用裝置，使得熱利用裝置之間互相并聯(lián)設(shè)置，同時對于附加加熱裝置，例如熱水鍋爐和電加熱器，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以根據(jù)需要選擇是否需要設(shè)置，或者只選擇設(shè)置一種。
[0063]圖4中展示了熱利用裝置與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置。其中與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路連通的熱利用設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門24，位于進水管路和出水管路之間的與熱利用設(shè)備并聯(lián)的太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上設(shè)置閥門24。通過設(shè)置閥門，可以使得在不需要使用熱利用設(shè)備的時候，通過打開太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上的閥門和關(guān)閉熱利用設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門來控制管路上的水不與熱利用設(shè)備進行換熱。
[0064]當然，不僅僅是熱利用設(shè)備，附加加熱設(shè)備也與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置，其中與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路連通的附加加熱設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門，位于進水管路和出水管路之間的與附加加熱設(shè)備并聯(lián)的太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上設(shè)置閥門。通過設(shè)置閥門，可以使得在不需要使用附加加熱設(shè)備的時候，可以通過打開太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上的閥門和關(guān)閉附加加熱設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門來控制管路上的水不經(jīng)過附加加熱設(shè)備。
[0065]雖然圖4中給出了所有的熱利用設(shè)備、附加加熱設(shè)備與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置，但是并不局限于上述的設(shè)備，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以僅僅選擇一個或者多個與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置。例如可以進設(shè)置其中一個或兩個熱利用設(shè)備與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置，也可以僅僅設(shè)置一個或者兩個附加加熱設(shè)備與太陽能系統(tǒng)的輸水管路并聯(lián)設(shè)置。
[0066]雖然圖2-4中都設(shè)置了電加熱器19、熱水鍋爐20，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，太陽能熱水器系統(tǒng)可以選擇性的設(shè)置上述部件，例如可以僅僅設(shè)置電加熱器或者熱水鍋爐，也可以選擇兩者都不設(shè)置。
[0067]優(yōu)選的是，所述吸熱層從內(nèi)向外依次包括紅外反射涂層26、吸熱涂層27和減反射涂層28，其中紅外反射涂層26、吸熱涂層27和減反射涂層28的厚度的比例為1:1.5:2 ;所述紅外反射涂層為Ag ;吸熱涂層從內(nèi)向外依次包括TiAl、Cr、Nb、Zr四層，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射涂層從內(nèi)向外依次是AIN、Ti02、Ta205、SiO2 層，其中 AIN、Ti02、Ta2O5' SiO2 層的厚度比例為 0.9:1:0.75:1。
[0068]優(yōu)選的是，吸熱層的總厚度為1.8 μ m。
[0069]上述的尺寸比例是通過近百種不同的厚度比例得來的最佳的結(jié)果。通過實驗，對于采用上述吸收涂層中各獨立層的成分及厚度，可以使制備的吸收涂層的吸收比大于
0.94，并實現(xiàn)0.04的發(fā)射率。
[0070]對于上述涂層的制造方法，可以使用本領(lǐng)域經(jīng)常采用的真空磁控濺射鍍膜工藝制備。
[0071]對于熱利用裝置，可以包括散熱器和熱水輸出設(shè)備，對于散熱器，主要有兩個具體的實施例，實施例1是圓弧形封閉式翅片管散熱器，如圖6、7所不,實施例2是直板型封閉式翅片管散熱器，如圖6、8所示。
[0072]實施例1的結(jié)構(gòu)如下:
[0073]一種封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器17，包括上集管1、下集管3和連接上集管I和下集管3的翅片管4,所述翅片管4包括圓形基管5和第一翅片6、第二翅片9,第一翅片6和第二翅片9設(shè)置在基管5的外部并且第一翅片6和第二翅片9的延長線相交于基管5的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片6和第二翅片9沿著通過基管中心軸線的第一平面B鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿著第二平面C分別與第一翅片6和第二翅片9鏡像對稱，所述第二平面C與第一平面B垂直而且經(jīng)過基管5的中心軸線；所述第一翅片6和第二翅片9之間設(shè)置第一連接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之間設(shè)置第二連接片12，第一連接片8和第二連接片12為圓弧型金屬板；所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行。
[0074]優(yōu)選的是，相鄰基管的第一翅片互相平行，表示相鄰基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。
[0075]需要解釋的是，如圖6所示，基管的中心軸線就是基管5的橫切面上的圓心點的集合形成的一條線，圓弧形金屬板的中心軸線就是橫切面上圓弧形金屬板的圓心點的集合形成的一條線。所述圓弧形金屬板的中心軸線與基管5的中心軸線重合就是指在橫切面上，圓弧形金屬板和基管是同心圓。
[0076]優(yōu)選的是，所有翅片管的尺寸都相同。
[0077]通過上述的設(shè)置，使得翅片與連接片之間形成一個空隙部分7，在對流換熱的時候，空隙部分7就形成了一種煙筒效應(yīng)，能夠增強換熱。
[0078]第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間，該空間形成一定的空隙，能夠形成煙筒效應(yīng)，加強對流，強化傳熱。
[0079]所述第一翅片6和第二翅片9之間的夾角為A，第一翅片6和第二翅片9的長度為L，基管的外半徑為R，當然，因為鏡像對稱，第三翅片11和第四翅片10的長度也自然是L。但是在實踐中發(fā)現(xiàn)，換熱過程中.如果翅片夾角過小，則會阻礙換熱，因為翅片夾角過小的話，導致第一翅片、第二翅片的距離太近，則溫度邊界層在封閉區(qū)域內(nèi)隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，外翅片的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，同樣的原因，隨著夾角的不斷地增大，使得連接片距離基管的距離原來越近，同樣使得溫度邊界層在封閉區(qū)域內(nèi)隨著基管高度的方向上開始重合，氣體溫度接近管壁溫度而逐漸接近熱飽和，流動阻力增大，最終反而惡化換熱，因此夾角具有一個最佳值。
[0080]對于翅片長度，如果太長，則因為基管的熱量無法及時到達翅片的端部或者即使達到效果也不明顯，如果太短，則擴展換熱面積太小，無法達到一個好的換熱效果，因此翅片的高度也有一個最佳值。
[0081]對于兩個翅片管之間的距離，首先如果距離太近或者完全靠近，則兩個翅片管的連接片之間距離的空間(參見圖6)太小，則空氣無法通過翅片之間的間隙進入翅片管之間形成的空隙，此時的換熱只能依靠從散熱器底部進入空氣，無法達到很好的對流換熱效果，同樣的原因，如果距離太遠，則翅片管的第一第二第三第四翅片無法形成有效煙筒效果的空隙，從而導致?lián)Q熱效果變差，因此對于兩個翅片管之間的距離也需要一個合適的數(shù)值。
[0082]如圖10所示，對于翅片沿著基管5軸向上的高度H，也需要具有一個合適的數(shù)值，如果翅片高度太高，則在翅片的上部，因為邊界層在封閉區(qū)域內(nèi)隨著基管高度的方向上開始重合，導致?lián)Q熱的惡化，同理，高度太低，則換熱沒有充分發(fā)揮，從而影響換熱效果。
[0083]因此，本發(fā)明是通過多個不同尺寸的散熱器的試驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的最佳的散熱器的翅片管的尺寸關(guān)系。因為翅片管還有夾角A、翅片長度L、翅片高度H這三個變量，因此，引入兩個無量綱量sin (A/2)、L/R、H/R，這里R是基管的半徑，從換熱效果中的散熱量最大出發(fā)，計算了近200種形式。所述的尺寸關(guān)系如下:
[0084]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式: [0085]Sin (A/2) =a X (L/R) 2+b X (L/R) +c
[0086]H/(RXlO) =e X Sin (A/2) 2-fX Sin (A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A〈110。，
[0087]L 的尺寸為 mm, 12mm〈L〈80mm，
[0088]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0089]H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm，
[0090]a、b、c、e、f、h 為系數(shù)，a 的范圍為 0.04-0.042，b 的范圍為 0.266-0.28，c 的范圍為 0.36-0.37，e 的范圍為 21-23，f 的范圍是 44-45，h 是 23-25。
[0091]通過計算結(jié)果后再進行試驗，通過計算邊界以及中間值的數(shù)值，所得的結(jié)果基本上與公式相吻合，誤差基本上在4%以內(nèi)，最大的相對誤差不超過6%，平均誤差是2%。；
[0092]系數(shù)優(yōu)化的最佳結(jié)果是:a為0.0412，b為0.02715，c為0.03628，e為22，f?為44.37，h 為 23.86。
[0093]優(yōu)選的是，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=dX (L+R) Xsin(A/2)，其中d為1.1-1.2。
[0094]如圖6所示，相鄰基管中心軸線之間的距離就是橫切面上兩個基管圓心之間的距離。
[0095]d的優(yōu)化結(jié)果是1.118。
[0096]實施例2的結(jié)構(gòu)如下:
[0097]一種封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器17，包括上集管1、下集管3和連接上集管I和下集管3的翅片管4,所述翅片管4包括圓形基管5和第一翅片6、第二翅片9,第一翅片6和第二翅片9設(shè)置在基管5的外部并且第一翅片6和第二翅片9的延長線相交于基管5的圓心所在的基管中心軸線，第一翅片6和第二翅片9沿著通過基管中心軸線的第一平面B鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿著第二平面C分別與第一翅片6和第二翅片9鏡像對稱，所述第二平面C與第一平面B垂直而且經(jīng)過基管5的中心軸線；所述第一翅片6和第二翅片9之間設(shè)置第一連接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之間設(shè)置第二連接片12，第一連接片8和第二連接片12為直線型金屬板。所述基管為直管，所述相鄰的基管5的中心軸線互相平行。[0098]需要解釋的是，如圖8所示，基管的中心軸線就是基管5的橫切面上的圓心點的集合形成的一條線。
[0099]通過上述的設(shè)置，使得翅片與連接片之間形成一個空隙部分7，在對流換熱的時候，空隙部分7就形成了一種煙筒效應(yīng)，能夠增強換熱。
[0100]優(yōu)選的是，所述相鄰基管5的第一連接片8在一個平面上，相鄰基管5的第二連接片12在一個平面上，第一連接片8和第二連接片12所在的平面互相平行。
[0101]優(yōu)選的是，相鄰基管的第一翅片互相平行，表示相鄰基管的第二翅片也互相平行，同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。
[0102]優(yōu)選的是，所有翅片管的尺寸都相同。
[0103]第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間，該空間形成一定的空隙，能夠形成煙筒效應(yīng)，加強對流，強化傳熱。
[0104]所述第一翅片6和第二翅片9之間的夾角為A，第一翅片6和第二翅片9的長度為L，基管的外半徑為R，當然，因為鏡像對稱，第三翅片11和第四翅片10的長度也自然是L。
[0105]對于實施例2，也進行了優(yōu)化，具體優(yōu)化的結(jié)果如下:
[0106]所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，翅片沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式:
[0107]Sin (A/2) =a X (L/R) 2+b X (L/R) +c
[0108]H/R= 10XeX (Sin(A/2))f
[0109]其中，A單位為角度，60° <A〈110°，
[0110]L 的尺寸為 mm, 15mm〈L〈80mm，
[0111]R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm，
[0112]H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm，
[0113]a、b、c、e、f為系數(shù)，a的范圍為0.038-0.04，b的范圍為0.26-0.27，c的范圍為
0.34-0.35，e的范圍為0.72-0.78，f的范圍是-3.6至-3.5之間。
[0114]優(yōu)選的是，相鄰基管中心軸線之間的距離為S=dX (L+R)父^11(4/2)，其中(1為
1.05-1.2。
[0115]其中d優(yōu)選為1.13。
[0116]熱利用裝置的另一個實施例是向用戶提供熱水的熱水輸出設(shè)備，所述熱水輸出設(shè)備包括換熱器，所述換熱器連接自來水，來自太陽能熱水器的熱水進入換熱器中，與自來水進行換熱；[0117]所述熱水輸出設(shè)備還包括電加熱棒，當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于第一溫度時，電加熱棒啟動加熱，并以第一功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第一溫度低的第二溫度時，電加熱棒以高于第一功率的第二功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第二溫度低的第三溫度時，電加熱棒以高于第二功率的第三功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第三溫度低的第四溫度時，電加熱棒以高于第三功率的第四功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第四溫度低的第五溫度時，電加熱棒以高于第四功率的第五功率進行加熱。
[0118]在換熱器中，自來水和來自太陽能熱水器中的水不直接混合的進行換熱，也就是通過間接地方式進行換熱。
[0119]如圖9所示，所述電加熱系統(tǒng)和/或熱水鍋爐系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，電加熱系統(tǒng)和/或熱水鍋爐系統(tǒng)根據(jù)進入電加熱器和熱水鍋爐的水的溫度自動啟動，對熱水進行加熱。下面針對電加熱器進行說明。
[0120]所述控制系統(tǒng)包括測量溫度的溫度傳感器15和中央控制器13，溫度傳感器15用于測量進入電加熱器的水的溫度，中央控制器用于控制電加熱器的加熱功率。當測量的進水溫度低于溫度a時，電加熱器啟動加熱，并以功率A進行加熱；當熱測量的進水溫度低于比溫度a低的溫度b時，電加熱器以高于功率A的功率B進行加熱；當測量的進水溫度低于比溫度b低的溫度c時，電加熱器以高于功率B的功率C進行加熱；當測量的進水溫度低于比溫度c低的溫度d時，電加熱器以高于功率C的功率D進行加熱；當測量的進水溫度低于比溫度d低的溫度e時，電加熱器以高于功率D的功率E進行加熱。
[0121]當然，可以選擇的是，為了增加測量溫度的準確性，可以在電加熱器的出水口處設(shè)置另一個溫度傳感器16，通過兩個溫度傳感器的測量的溫度的平均值來計算電加熱器的啟動功率。
[0122]對于鍋爐來說，設(shè)置自動點火裝置。當測量的進入鍋爐的水的溫度低于一定的溫度的時候，鍋爐就啟動點火裝置進行加熱。當測量的水的溫度達到一定的溫度的時候，則就停止進行加熱。
[0123]當然，可以選擇的是，為了增加測量溫度的準確性，可以在鍋爐的出水口處設(shè)置另一個溫度傳感器，通過兩個溫度傳感器的測量的溫度的平均值來計算電加熱器的啟動功率。
[0124]優(yōu)選的是，可以在水箱18中設(shè)置電加熱裝置，當水箱18的出水溫度低于一定的數(shù)值時，可以啟動電加熱裝置。
[0125]對于圖4所示的情況，可以通過設(shè)置控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)根據(jù)溫度來控制進入熱利用裝置和/或輔助加熱裝置中的流體流量。例如，對于散熱器來說，可以根據(jù)室內(nèi)的溫度來確定進入散熱器中的流體的流量，當室內(nèi)溫度高于一定的第一數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關(guān)閉，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全打開，流體不流入散熱器，當室內(nèi)溫度低于一定的第二數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全關(guān)閉，保證太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路上的水完全進入散熱器。當室內(nèi)溫度介于第一數(shù)值和第二數(shù)值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入散熱器。
[0126]對于熱輸出設(shè)備來說，可以根據(jù)熱輸出設(shè)備輸出的水的溫度來確定進入熱輸出設(shè)備中的流體的流量，當熱輸出設(shè)備輸出的水的溫度高于一定的第一數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關(guān)閉，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全打開，流體不流入熱輸出設(shè)備，當熱輸出設(shè)備輸出的水的溫度低于一定的第二數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全關(guān)閉，保證太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路上的水完全進入熱輸出設(shè)備。當輸出的水的溫度介于第一數(shù)值和第二數(shù)值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入熱輸出設(shè)備。
[0127]對于輔助加熱設(shè)備來說，可以根據(jù)進入輔助加熱設(shè)備的水的溫度來確定進入輔助加熱設(shè)備中的流體的流量，當進入輔助加熱設(shè)備的水的溫度高于一定的第一數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全關(guān)閉，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全打開，流體不流入輔助加熱設(shè)備，當進入輔助加熱設(shè)備水的溫度低于一定的第二數(shù)值，則將進水管路和出水管路中的閥門完全打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路完全關(guān)閉，保證太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路上的水完全進入輔助加熱設(shè)備。當進入輔助加熱設(shè)備的水的溫度介于第一數(shù)值和第二數(shù)值時，則將進水管路和出水管路中的閥門部分打開，將太陽能熱水器系統(tǒng)上的管路部分打開，保證只有一部分流體進入輔助加熱設(shè)備。
[0128]雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)路熱管式的太陽能熱水器，包括集熱器、水箱和環(huán)路熱管，其中環(huán)路熱管的蒸發(fā)端設(shè)置在集熱器中，環(huán)路熱管的冷凝端設(shè)置在水箱中；集熱器吸收太陽能的熱量，加熱環(huán)路熱管的蒸發(fā)端，蒸發(fā)端的工作流體經(jīng)過循環(huán)進入環(huán)路熱管的冷凝端，在冷凝端進行放熱，加熱水箱中的水，工作流體在冷凝端放熱完成后再循環(huán)進入熱管的蒸發(fā)端進行加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱水器，其特征在于所述集熱器設(shè)置玻璃真空集熱管，玻璃真空集熱管包括玻璃基管，所述玻璃基管的外表面覆蓋吸熱層，所述吸熱層從內(nèi)向外依次包括紅外反射涂層、吸熱涂層和減反射涂層，其中紅外反射涂層、吸熱涂層和減反射涂層的厚度的比例為1:1.5:2 ;所述紅外反射涂層為Ag ;吸熱涂層從內(nèi)向外依次包括TiAl, Cr, Nb, Zr四層，其中TiAl、Cr、Nb、Zr四層的厚度比例為1:1.1:0.84:1.14 ;減反射涂層從內(nèi)向外依次是AIN、TiO2, Ta2O5, SiO2層，其中AIN、TiO2, Ta2O5, SiO2層的厚度比例為0.9:1:0.75:1。
3.一種太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽能熱水器和熱利用裝置，熱利用裝置與太陽能熱水器通過輸水管路連接；所述太陽能熱水器是權(quán)利要求1-2之一所述的太陽能熱水器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于熱利用裝置為圓弧形封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設(shè)置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延長線相交于基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經(jīng)過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設(shè)置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設(shè)置第二連接片，第一連接片和第二連接片為圓弧型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述圓弧形金屬板的圓心所在的中心軸線與基管的中心軸線重合；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行；相鄰基管的第一翅片互相平行； 所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式:
Sin (A/2) =a* (L/R) 2+b* (L/R) +c H/(R*10)=e*Sin(A/2)2-f*Sin(A/2)+h 其中，A 單位為角度，60。<A〈110。， L的尺寸為mm, 12臟<L〈8Ctam， R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm， H 的單位為 mm, 800mm〈R〈1200mm， a、b、c、e、f、h為系數(shù)，a的范圍為0.04-0.042，b的范圍為0.266-0.28，c的范圍為0.36-0.37，e 的范圍為 21-23，f 的范圍是 44-45，h 是 23-25。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于熱利用裝置為直線型封閉式結(jié)構(gòu)的翅片管散熱器，所述散熱器包括上集管、下集管和連接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圓形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片設(shè)置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延長線相交于基管的圓心所在的基管的中心軸線，第一翅片和第二翅片沿著通過基管的中心軸線的第一平面鏡像對稱；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿著第二平面分別與第一翅片和第二翅片鏡像對稱，所述第二平面與第一平面垂直而且經(jīng)過基管的中心軸線；所述第一翅片和第二翅片之間設(shè)置第一連接片，所述第三翅片和第四翅片之間設(shè)置第二連接片，第一連接片和第二連接片為直線型金屬板；第一翅片、第二翅片與相鄰翅片管的第三翅片和第四翅片形成空間；所述基管為直管，所述相鄰的基管的中心軸線互相平行； 所述第一翅片和第二翅片之間的夾角為A，第一翅片和第二翅片的長度為L，基管的外半徑為R，沿著基管軸向上的翅片高度H，上述四者的關(guān)系滿足如下公式:
Sin(A/2)=aX (L/R)2+bX (L/R) +c
H/R=10XeX (Sin(A/2))f 其中，A單位為角度，60° <A<110°， L的尺寸為臟，15臟〈L〈8Ctam, R 的單位為 mm, 10mm〈R〈80mm， H 的單位為 mm, 600mm〈H〈1200mm， а、b、c、e、f為系數(shù)， a的范圍為0.038-0.04，b的范圍為0.26-0.27，c的范圍為，0.34-0.35，e的范圍為0.72-0.78，f的范圍是-3.6至-3.5之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于所述的熱利用裝置為向用戶提供熱水的熱水輸出設(shè)備，所述熱水輸出設(shè)備包括換熱器，所述換熱器連接自來水，來自太陽能熱水器的熱水進入換熱器 中，與自來水進行換熱； 所述熱水輸出設(shè)備還包括電加熱棒，當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于第一溫度時，電加熱棒啟動加熱，并以第一功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第一溫度低的第二溫度時，電加熱棒以高于第一功率的第二功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第二溫度低的第三溫度時，電加熱棒以高于第二功率的第三功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第三溫度低的第四溫度時，電加熱棒以高于第三功率的第四功率進行加熱；當熱水輸入設(shè)備輸出的熱水溫度低于比第四溫度低的第五溫度時，電加熱棒以高于第四功率的第五功率進行加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)中還包括設(shè)置在輸水管路上的輔助加熱設(shè)備，輔助加熱設(shè)備根據(jù)進入輔助加熱設(shè)備的水的溫度自動啟動，對熱水進行加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)還包括輔助加熱裝置，所述當熱利用裝置和輔助加熱裝置均具有兩種以上時，各個熱利用裝置并聯(lián)，各自連接在不同的管路上，各個輔助加熱裝置分別與一個熱利用裝置串聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽能熱水器系統(tǒng)，其特征在于所述熱利用設(shè)備設(shè)置在與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路并聯(lián)設(shè)置，其中與太陽能熱水器系統(tǒng)的管路連通的熱利用設(shè)備的進水管路和出水管路上都設(shè)置閥門，位于進水管路和出水管路之間的與熱利用設(shè)備并聯(lián)的太陽能熱水器系統(tǒng)的管路上設(shè)置閥門。
【文檔編號】F24J2/32GK103528216SQ201310499402
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】陳巖, 張樹生, 李殿勛, 孫鍥, 王湛, 鹿曄, 周玉立, 辛公明, 張冠敏, 趙煒, 常威, 鄒佩妙, 權(quán)威, 張俊松 申請人:山東大學