本發(fā)明屬于太陽能集熱管技術領域，尤其涉及一種螺旋彈性管束太陽能真空集熱管及真空集熱系統(tǒng)。

背景技術：

太陽能作為最清潔的能源之一，在環(huán)境污染嚴重的今天得到了越來越廣泛的關注和應用。然而由于季節(jié)、晝夜等自然條件的限制以及陰晴雨雪等隨機天氣因素的影響，太陽輻照度呈現分散性和間歇性，給大規(guī)模應用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)穩(wěn)定的能源，就需要將晴朗日間的太陽輻射儲存起來，以供夜間及陰雨天使用。相變蓄熱材料利用物質在相變過程中產生的相變熱來進行熱量的儲存和利用，具有蓄熱密度高、蓄放熱過程近似等溫等優(yōu)點，可以很好的應用于太陽能儲存。

可查的文獻表明，國內外已經有很多專家學者嘗試相變蓄熱式太陽能集熱器的研制。如太陽能相變蓄熱集熱管(申請?zhí)枺?00820150741.8)披露了相變蓄熱材料封裝于密封容器中，密封容器置于太陽能集熱管中，在太陽能集熱管與密封容器之間填充傳熱介質。這項技術的缺點為球形密封容器在傳熱介質中隨機性較高，難以保證集熱管的溫度和流量穩(wěn)定，而且復雜的結構增加了制作成本，降低了使用壽命。相變儲能型太陽能真空集熱管(申請?zhí)枺?01410024269.3)披露了金屬翅片成層狀設置在內壁內并劃分為多個換熱空間，在每個換熱空間內填充相變材料，u型水管通過換熱空間進行換熱。這項技術的缺點為當相變材料過熱時，集熱管內高壓力難以釋放，造成安全隱患。相變蓄熱式太陽能真空集熱管及其組成的太陽能熱水器(申請?zhí)枺?01510321109.x)披露了金屬內管內填充有相變蓄熱材料，相變蓄熱材料內埋有u型換熱管,u型換熱管的進口端和出口端均伸出金屬內管的開口端并穿過密封蓋固定。這項技術的缺點是單純的u型換熱管與相變材料間換熱面積較小，換熱效率較低。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種螺旋彈性管束太陽能真空集熱管，有效解決太陽能利用分散性、間接性問題，提高相變材料導熱系數，提高換熱效率，安全穩(wěn)定，使用壽命長等優(yōu)點。

為實現上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種螺旋彈性管束太陽能真空集熱管，包括外管和內管，所述外管內套設有內管，外管和內管之間形成真空腔，所述內管內設有換熱管，所述內管與換熱管之間填充相變材料；所述內管的第一端和外管的第一端均密封，內管的第二端與外管的第二端之間通過封接件連接；所述換熱管為螺旋彈性盤管，從第一端到第二端，所述的換熱管的螺旋外徑逐漸變大。

作為優(yōu)選，所述彈性盤管包括進口集管、出口集管和螺旋盤管，螺旋盤管為兩個，分別是第一盤管和第二盤管，其中第一盤管與進口集管連通，第二盤管與出口集管連通，兩個盤管在第一端通過集箱連通，使得盤管連接集箱的端部形成管束自由端。

作為優(yōu)選，螺旋盤管繞著內管的中心線為螺旋，所述第一盤管和第二盤管間隔布置。

作為優(yōu)選，所述進口集管和出口集管位于第二端。

作為優(yōu)選，從第二端到第一端，螺旋盤管的管徑不斷的減小。

作為優(yōu)選，從第二端到第一端，螺旋盤管的管徑不斷的減小的幅度不斷增加。

作為優(yōu)選，進口集管、出口集管的內徑為r，集熱管內管的內徑為r3，螺旋盤管的內徑為c，從集熱管第二端觀察(盤管在集熱管橫截面所在的面上的投影)，距離圓心最近的第一盤管的半徑為r1，距離圓心最近的第二盤管的半徑為r2，管間距為d，滿足如下關系：

[(r3-r2)/(r3-r1)]/d＝(r/c)^a；其中a是系數，滿足如下條件：

1.8<＝r/c<＝2.2，0.080<＝a<＝0.11；

2.2<r/c<＝2.6，0.066<＝a<0.080；

2.6<r/c<＝3，0.057<＝a<0.066。

20mm<r1<30mm；30mm<r2<40mm；80mm<r3<90mm；100mm<r4<110mm；

5mm<r<15mm；

作為優(yōu)選，隨著r/c的增加，a的數值不斷的減小。

所述外管的第一端設有真空抽氣口。

優(yōu)選的，所述外管第一端的內側壁上涂覆有吸氣膜。

所述外管和內管之間設有吸氣劑，所述吸氣劑與真空抽氣口相對應。

所述真空抽氣口呈尖嘴狀。

所述內管的第一端外側設有支撐件，所述吸氣劑設置于支撐件上。

所述支撐件呈s形或u型或w形。

所述內管外側壁上涂覆有選擇性吸收涂層。

所述內管和外管之間形成u型腔體。

所述內管的第二端和外管的第二端之間還連接有波紋管。

所述盤管為空間錐螺旋形。

所述封接件為可伐合金。

所述外管為玻璃材質制成。

所述內管為不銹鋼材質制成。

所述相變材料為由石蠟和納米鋁粉混合物制成。

所述混合物中納米鋁粉的質量分數為0.3～0.6％。

一種真空集熱系統(tǒng)，包括前面所述的真空集熱管。

與現有技術相比較，本發(fā)明的具有如下的優(yōu)點：

1、首次采用錐螺旋彈性管束結構作為集熱管，并將錐螺旋彈性管束和相變材料結合在一起，因為錐螺旋彈性管束的空間布置以及質量輕等有點，使其對相變材料有很好的響應，可以產生較大的擾動，提高換熱效率，激發(fā)多階頻率的振動，能量分布較均勻。

2、通過理論分析、數值模擬和實驗研究的方式，對錐螺旋彈性管束的結構尺寸進行了優(yōu)化，使得彈性管束的結構達到最大的震動效果，從而進一步擾動相變材料，提高換熱效果。

3、在真空管與集熱管間填充相變材料，將晴朗日間的太陽輻射儲存起來，以供夜間及陰雨天使用，有效解決了太陽能利用分散性、間接性的問題。

4、采用石蠟與納米鋁粉混合物作為相變材料，在基本保持石蠟原本的相變潛熱及相變溫度的同時，提高導熱系數30％以上。

附圖說明

圖1為本發(fā)明螺旋彈性管束太陽能真空集熱管的結構圖；

圖2為圖1中a-a截面的剖視圖；

圖3是圖2中的結構尺寸示意圖。

附圖標記如下：1-抽氣口、2-吸氣劑、3-彈性管束、4-金屬內管、5-選擇性吸收涂層、6-玻璃外管、7-相變材料、8-可伐合金、9-波紋管、10-吸氣膜、11-支撐件、31-進口集管、32-出口集管、33-螺旋盤管、34-螺旋盤管、35-集箱

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明。

本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如圖1所示的一種螺旋彈性管束太陽能真空集熱管，包括外管6和內管4，所述外管6內套設有內管4，外管6和內管4之間形成真空腔，所述內管4內設有換熱管3，所述內管4與換熱管3之間填充相變材料7；所述內4管的第一端和外6管的第一端均密封，內管4的第二端與外管6的第二端之間通過封接件連接；所述換熱管3是錐螺旋彈性盤管，從第一端到第二端，所述的換熱管3的螺旋外徑逐漸變大。

本發(fā)明創(chuàng)造性的將錐螺旋彈性盤管3應用到太陽能集熱器中，通過設置錐螺旋彈性盤管，使得流體在彈性管束內加熱流動的時候，對彈性管束進行沖擊，從而誘導彈性管束震動，達到強化傳熱的效果，同時還能防止彈性管束的結垢。在外部的相變材料，在吸熱中也不斷的融化，慢慢的在加熱管內也會形成流動，同時結合管束的震動，加快了相變材料的流動，進一步強化了對太陽能熱量的吸收。

進一步優(yōu)選，所述的內管4是金屬內管，所述的外管6是玻璃外管。

作為優(yōu)選，所述彈性盤管3包括進口集管31、出口集管32和螺旋盤管33，34，螺旋盤管為兩個，分別是第一盤管33和第二盤管34，其中第一盤管33與進口集31管連通，第二盤管34與出口集管32連通，兩個盤管33、34在第一端通過集箱35連通，使得盤管33、34的端部形成管束自由端a。因此，第一盤管33和第二盤管34形成串聯(lián)結構。

傳統(tǒng)的浮動盤管都是利用流體的流動的沖擊進行振動除垢作用進行強化傳熱，都是用于強制對流換熱，而太陽能集熱管內流體的流動基本接近自然對流的方式，而本發(fā)明首次將錐螺旋彈性盤管應用于太陽能集熱管加熱，通過設置錐螺旋彈性盤管，加熱流體受熱后會產生體積膨脹，誘導浮動盤管3、4自由端a產生振動；而蓄熱材料也在吸熱過程中不斷的進行融化，蓄熱材料的流動在集熱管內管和外管之間逐步形成自然對流進而逐漸軟化變成流體，從而達到強化吸收太陽能的目的。

作為優(yōu)選，螺旋盤管33、34繞著內管4的中心線螺旋，所述第一盤管33和第二盤34管間隔布置。例如，如圖2所示，除了最內層和最外層外，第一盤管33設置在第二盤管34之間，第二盤管34設置在第一盤管33之間。通過如此設置，能夠保證第一盤管和第二盤管內吸熱均勻，通過保證盤管內的整體吸熱均勻，避免溫度過高或者過低。

作為優(yōu)選，所述進口集管31和出口集管32位于第二端。

作為優(yōu)選，從第二端到第一端，螺旋盤管的螺距不斷的減小。

作為優(yōu)選，從第二端到第一端，螺旋盤管的螺距不斷的減小的幅度不斷增加。

通過理論以及實驗研究發(fā)現，主要原因如下：1)因為距離第二端越遠，所述的蓄熱材料溫度越高。通過縮小螺旋盤管的螺距，使得距離第二端越遠，分布的管束的數量越多。管束增加，使得彈性管束的自由端也隨著距離圓心越遠，數量分布也越多，因此管束的震動區(qū)域越大，使得溫度高的區(qū)域加強換熱效果，提高了整體的換熱效果。

2)隨著距離第二端的距離越大換熱能力越強，則使得換熱管束的換熱過程越來越接近管殼式換熱器的逆流換熱，進一步加強換熱效果。

通過實驗發(fā)現，采取螺距的變化，可以提高8％以上的換熱效果。

進一步優(yōu)選，作為優(yōu)選，距離第二端越遠，所述的管束的直徑越來越小。

進一步優(yōu)選，距離第二端越遠，所述的管束直徑減小的幅度不斷的增加。

主要原因如下：1)因為距離第二端越遠，所述的蓄熱材料溫度越高。通過管束直徑變化，增加管束的震動頻率，因為小管徑更容易震動。管束震動頻率增加，使得溫度高的區(qū)域加強換熱效果，提高了整體的換熱效果。

2)隨著距離第二的距離越大換熱能力越強，則使得換熱管束的換熱過程越來越接近管殼式換熱器的逆流換熱，進一步加強換熱效果。

通過實驗發(fā)現，采取管束之間的直徑變化，可以提高11％以上的換熱效果。

空間錐螺旋復合強化傳熱元件的螺旋曲率變化及截面橢圓率變化對管內二次流產生明顯影響，在低雷諾數下，其換熱性能良好，阻力較小。同時，浮動支撐的螺旋管束具有更多的彈性特征，管束間交叉排列，易于振動的形成和持續(xù)。

由于空間錐螺旋管束兩端為固支約束，利用直接剛度疊加法建立螺旋管的振動方程：

式中，m為總體質量矩陣，g為柯氏力阻尼矩陣，u為管內流體流速，kp為管束單元剛度矩陣，kf為流體動能剛度矩陣，q為流體節(jié)點位移。

利用模態(tài)綜合法計算螺旋管束的固有頻率及振型，結果表明空間錐螺旋管束的固有振型以軸向振動為主，橫向振動較少。管內流動對空間錐螺旋管束的基頻影響很大。隨著流速增大，管束的基頻減小，其振動失穩(wěn)的極限流速在1.26～1.27m/s之間，空間錐螺旋彈性管束換熱器實際工作時的管內流速遠小于該極限流速。

空間錐螺旋式彈性傳熱元件其振型單一，低階固有頻率較低，便于流體誘導振動的誘發(fā)和控制。同時，管束的應力較小，保證其具備一定的使用壽命。

通過理論分析、數值模擬和實驗中發(fā)現，進口集管、出口集管的內徑、管束的內徑、管間距的數據不能過大或者過小，過大或者過小都會影響彈性管束的震動頻率，導致震動效果變差，從而影響換熱。

本發(fā)明進一步研究了達到最大振動狀態(tài)的集熱管的具體結構尺寸。具體研究結果是先通過理論分析和數值模擬，然后在通過實驗進行驗證，從而得到最大的振動效果的結構尺寸關系式。

進口集管、出口集管的內徑為r，集熱管內管的內徑為r3，螺旋盤管的內徑為c，從集熱管第一端觀察(盤管在集熱管橫截面所在的面上的投影)，距離圓心最近的第一盤管的半徑為r1，距離圓心最近的第二盤管的半徑為r2，管間距為d，滿足如下關系：

[(r3-r2)/(r3-r1)]/d＝(r/c)^a；其中a是系數，滿足如下條件：

1.8<＝r/c<＝2.2，0.080<＝a<＝0.11；

2.2<r/c<＝2.6，0.066<＝a<0.080；

2.6<r/c<＝3，0.057<＝a<0.066。

作為優(yōu)選，隨著r/c的增加，a的數值不斷的減小。

20mm<r1<30mm；30mm<r2<40mm；80mm<r3<90mm；100mm<r4<110mm；

5mm<r<15mm；

管束的半徑優(yōu)選為2-10mm；進一步優(yōu)選為5-7mm；

管束之間距離優(yōu)選為5-15mm。進一步優(yōu)選為7-11mm。

作為優(yōu)選，所述盤管的材料是銅合金，含銅在62％～68％。

螺距優(yōu)選10-15mm。

作為優(yōu)選，集箱35與內管第一端的端點所在的平面的距離為35-40mm。

集箱35與內管第一端的端點所在的平面的距離過長會導致管束的扭曲振動引起應力集中，再加上內管中相變材料溫度和壓力的變化，會造成主應力方向上疲勞斷裂，導致管束疲勞失效，使用壽命降低。

集箱35與內管第一端的端點所在的平面的距離過短會導致管束換熱面積不足，且振動頻率較低，使得換熱效率降低。

作為優(yōu)選，內管的長度為50-55mm。

作為優(yōu)選，螺旋盤管33、34部分在內管長度的百分比為64-80％。

上述經驗公式是通過大量的實驗進行了驗證。在滿足上述經驗公式的情況下，換熱盤管的振動效果達到最佳。通過上述經驗公式，也為太陽能集熱管的設計提供了一個優(yōu)化的設計公式。

進一步優(yōu)選，從集熱管第一端觀察(即盤管在集熱管上的投影)，距離圓心越遠，所述的管束的間距d越來越大。

進一步優(yōu)選，距離圓心越遠，所述的管束的間距d越來越大的幅度不斷的增加。

主要原因如下：1)因為距離圓心越近，所述的蓄熱材料溫度越高。通過管束間距變化，增加管束的震動頻率。管束震動頻率增加，使得溫度高的區(qū)域加強換熱效果，提高了整體的換熱效果。

2)隨著距離圓心越近換熱能力越強，通過分布更多盤管，則使得換熱管束的換熱過程越來越接近管殼式換熱器的逆流換熱，進一步加強換熱效果。

通過實驗發(fā)現，采取管束間距的變化，可以提高8％以上的換熱效果。

整體結構圖如圖1和圖2所示，一種螺旋彈性管束太陽能真空集熱管由抽氣口1、吸氣劑2、彈性管束3、金屬內管4、選擇性吸收涂層5、玻璃外管6、相變材料7、可伐合金8、波紋管9、吸氣膜10以及支撐件11組成，玻璃外管6與金屬內管4組成u型套管，玻璃外管6采用pyrex玻璃，金屬內管4采用不銹鋼材料，二者一端密封，另一端通過可伐合金8過渡封接。為解決金屬和玻璃之間線膨脹系數不統(tǒng)一的問題，在金屬內管4和玻璃外管6之間采用波紋管9進行膨脹補償，采用無縫不銹鋼管制作。玻璃外管6密封端設有真空抽氣口1。金屬內管4外壁上涂有選擇性吸收涂層5，玻璃外管6密封端內壁涂有吸氣膜10。玻璃外管6與金屬內管4之間抽真空并設有支撐件11及吸氣劑2。金屬內管4與彈性管束3間填充相變材料7，相變材料7采用石蠟與納米鋁粉混合物，其中納米鋁粉質量分數為0.3～0.6％。

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。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。