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CN112594939A - 一种强化传热型低阻太阳能平板集热器 - Google Patents

一种强化传热型低阻太阳能平板集热器 Download PDF

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Abstract

一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，涉及一种太阳能平板集热器。本发明解决了现有的平板型太阳能集热器吸热体无法高效将太阳能传递到流道中工作介质的问题。本发明的多组圆管平行设置，相邻两组圆管之间通过一个吸热板连接；保温材料安装在背板上，吸热体安装在保温材料上，每组圆管内均安装有至少一个扰流装置，且同一组圆管内的相邻两个扰流装置的旋向相反，保温材料的两侧高于吸热体的上表面，透明盖板盖装在保温材料上，边框安装在透明盖板和背板上；两个齿盘相对设置，两个齿盘之间的中部通过多个扭板连接，两个齿盘的圆周方向上均布有旋向与扭板相反的多个贴壁扰条。本发明用于太阳能集热。

Description

一种强化传热型低阻太阳能平板集热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能平板集热器，具体涉及一种强化传热型低阻太阳能平板集热器。
背景技术
近年来，随着环境污染问题的日益严峻，太阳能作为一种清洁能源受到了越来越多的 科技工作者重视。平板太阳能集热器是一种太阳能转化为热能的基本部件，其主要由边框、 透明盖板、吸热体、保温材料、背板和密封件组成，在吸热体中布置有常见为圆形截面的 金属流道以供导热介质通过。平板太阳能集热器具有结构简单、维护及故障少、安装方便、 成本较低等优点，目前已广泛应用于生活水加热、建筑采暖与空调、制冷与加热等多个领 域中。
但平板型太阳能集热器在使用过程中存在吸热体无法将收集到的太阳能高效传递到流 道中工作介质的问题。这是因为：流道中的工作介质流速较低(常见<0.03m/s)，属于低雷 诺数流动，因此流动状态一般为层流，壁面附近层流底层(也被称为边界层)较厚，而在 该区域工作介质中的对流传热系数较低，热量难以迅速从金属流道传递至工作介质。
针对以上问题，申请号为201420074784.8的实用新型专利提出在流道内通过布置扭带， 提高工作介质的湍流度，进而减薄热边界层提高管内的对流传热速率。但该实用新型所披 露的扭带自身并不触及边界层，边界层依然稳定存在。扭带依靠增大偏转角度提高湍流度： 若设置扭带偏转角度较小，则湍流度提高有限，对流传热速率效果提升不明显；若设置扭 带偏转角度较大，但必然会显著增加流动阻力，进而增加泵的负荷。
综上所述，现有的平板型太阳能集热器吸热体无法高效将太阳能传递到流道中工作介 质的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的平板型太阳能集热器吸热体无法高效将太阳能传递到流道中工 作介质的问题。进而提供了一种强化传热型低阻太阳能平板集热器。
本发明的技术方案是一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，它包括吸热体、透明盖 板、边框、至少一个扰流装置、保温材料和背板，吸热体包括多组圆管和多个吸热板，多 组圆管平行设置，且相邻两组圆管之间通过一个吸热板连接；保温材料安装在背板上，吸 热体安装在保温材料上，每组圆管内均安装有至少一个扰流装置，且同一组圆管内的相邻 两个扰流装置的旋向相反，保温材料的两侧高于吸热体的上表面，透明盖板盖装在保温材 料上，边框安装在透明盖板和背板上；每个扰流装置包括两个齿盘、多个扭板和多个贴壁 扰条，两个齿盘相对设置，两个齿盘之间的中部通过多个扭板连接，两个齿盘的圆周方向 上均布有旋向与扭板相反的多个贴壁扰条。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
1、本发明提供的扰流装置能够有效破坏边界层的存在，进而提高管内的对流传热速率， 同时减少污垢沉积。本发明中贴壁扰条能够直接与流道管壁接触，在流道内形成凹凸不平 的流动接触面。由于流体的运动惯性在凸面侧(见图14)发生分离后，流体就会产生涡旋； 在凹面侧发生流体对壁面的正面冲击，能使壁面边界层流体微团与主流区流体微团加强质 量和动量的交传和更替，所以在凸面侧和凹面侧都可以得到传热强化。在壁面上边界层不 能充分的发展，流体传热热阻就小得多，其传热系数比普通壁面高得多。此外，由于凹凸 面边界层流体微团与主流区流体微团加强了质量和动量的交传和更替，也有利于减轻污垢 的沉积。
2、本发明提供的扰流装置能有效提高工质的湍流度，强化传热。申请号为201420074784.8的实用新型专利提出在流道内通过布置扭带，纽带的作用是形成流体的切向速度，使流场形成旋转流场，提高湍流强度。本发明中独特的扭板设置形式，除可常规 提供流体的切向速度外，还可在沿着流动方向形成宽-窄-宽的流体通道截面，流体的汇聚 与分散在流动方向上形成慢-快-慢的流速分布，可进一步提高其湍流强度，强化传热。
3、本发明提供的扰流装置阻力小。本发明提供的扰流装置可实现流道中心区域有效横 截面未被阻挡，与完全贯穿流道的扭板相比可有效减少工质流动时所需克服的阻力。
附图说明
图1是本发明的主视图。图2是图1沿A-A处的剖视图。图3是齿盘7和多个扭板8 组装在一起的结构示意图。图4是图3的侧视图。图5是图3沿C-C处的剖视图。图6是 图3沿D-D处的剖视图。图7是图3沿E-E处的剖视图。图8是多个贴壁扰条9组装后的 结构示意图，其与齿盘7配合后的外部形状。图9是图8的侧视图。图10是扭板8的主视 图。图11是图10的侧视图。图12是贴壁扰条9的主视图。图13是图12的侧视图。图 14是贴壁扰条与流道管壁接触时流体的流动示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式的一种强化传热型低 阻太阳能平板集热器，它包括吸热体1、透明盖板2、边框3、至少一个扰流装置4、保温 材料5和背板6，吸热体1包括多组圆管1-1和多个吸热板1-2，多组圆管1-1平行设置， 且相邻两组圆管1-1之间通过一个吸热板1-2连接；保温材料5安装在背板6上，吸热体 1安装在保温材料5上，每组圆管1-1内均安装有至少一个扰流装置4，且同一组圆管1-1 内的相邻两个扰流装置4的旋向相反，保温材料5的两侧高于吸热体1的上表面，透明盖 板2盖装在保温材料5上，边框3安装在透明盖板2和背板6上；每个扰流装置4包括两 个齿盘7、多个扭板8和多个贴壁扰条9，两个齿盘7相对设置，两个齿盘7之间的中部通 过多个扭板8连接，两个齿盘7的圆周方向上均布有旋向与扭板8相反的多个贴壁扰条9。
本实施方式的多组圆管1-1和多个吸热板1-2之间采用焊接的方式连接。
本实施方式的齿盘7外侧设置有与贴壁扰条9形状相配的齿孔以固定贴壁扰条9。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的保温材料5的上端面上等 间距开设有多个弧形凹槽5-1。如此设置，便于将多组圆管1-1内嵌到弧形凹槽5-1内，且相连两个弧形凹槽5-1之间可以放置吸热板1-2。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的齿盘7为带有缺口的环形齿盘。如此设置，防止其吸热膨胀造成挤压圆管流道。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图9说明本实施方式，本实施方式的贴壁扰条9的横截面形状 为三角形。如此设置，以提高对于边界层的扰动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、 二或三相同。
具体实施方式五：结合图1、图9、图12和图13说明本实施方式，本实施方式的贴壁扰条9的材质为铜。如此设置，质地较软且膨胀系数大，有利于受热膨胀后贴合壁面强化 传热；其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
由于贴壁扰条采用铜等高导热系数金属材料(铜约400W/m·K)，其导热系数是常见工 质水(约0.6W/m·K)的500倍以上，所以本发明可有效提高管壁对工作介质的传热效率。
具体实施方式六：结合图8、图10和图11说明本实施方式，本实施方式的齿盘7的内侧壁上设有多组固定扭板8的夹板7-1。如此设置，便于将扭板8进行固定，拆装简单 方便。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图12至图14说明本实施方式，本实施方式的多个扭板8靠近流道中心一侧边沿线沿流动方向上在扰流装置中心位置收窄，形成进口宽中间窄的液体流道。如此设置，除可常规提供流体的切向速度外，还可在沿着流动方向形成宽-窄-宽的流体通道截面，流体的汇聚与分散在流动方向上形成慢-快-慢的流速分布，可进一步提高其湍流强度，强化传热。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。
结合图1至图13说明本发明的工作原理：
本发明中扰流装置中的贴壁扰条直接与流道管壁接触，流体经过贴壁扰条后其壁面边 界层流体微团与主流区流体微团能够加强质量和动量的交换，所以传热效率得到强化，其 传热系数比普通壁面高得多。此外本发明提供的扰流装置中独特的扭板设置形式，除可常 规提供流体的切向速度外，还可在沿着流动方向形成宽-窄-宽的流体通道截面，流体的汇聚 与分散在流动方向上形成慢-快-慢的流速分布，可进一步提高其湍流强度，强化传热。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本 发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所 记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：它包括吸热体(1)、透明盖板(2)、边框(3)、至少一个扰流装置(4)、保温材料(5)和背板(6)，
吸热体(1)包括多组圆管(1-1)和多个吸热板(1-2)，多组圆管(1-1)平行设置，且相邻两组圆管(1-1)之间通过一个吸热板(1-2)连接；
保温材料(5)安装在背板(6)上，吸热体(1)安装在保温材料(5)上，每组圆管(1-1)内均安装有至少一个扰流装置(4)，且同一组圆管(1-1)内的相邻两个扰流装置(4)的旋向相反，保温材料(5)的两侧高于吸热体(1)的上表面，透明盖板(2)盖装在保温材料(5)上，边框(3)安装在透明盖板(2)和背板(6)上；
每个扰流装置(4)包括两个齿盘(7)、多个扭板(8)和多个贴壁扰条(9)，两个齿盘(7)相对设置，两个齿盘(7)之间的中部通过多个扭板(8)连接，两个齿盘(7)的圆周方向上均布有旋向与扭板(8)相反的多个贴壁扰条(9)。
2.根据权利要求1所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：保温材料(5)的上端面上等间距开设有多个弧形凹槽(5-1)。
3.根据权利要求2所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：齿盘(7)为带有缺口的环形齿盘。
4.根据权利要求3所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：贴壁扰条(9)的横截面形状为三角形。
5.根据权利要求4所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：贴壁扰条(9)的材质为铜。
6.根据权利要求5所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：齿盘(7)的内侧壁上设有多组固定扭板(8)的夹板(7-1)。
7.根据权利要求6所述的一种强化传热型低阻太阳能平板集热器，其特征在于：多个扭板(8)靠近流道中心一侧边沿线沿流动方向上在扰流装置中心位置收窄，形成进口宽中间窄的液体流道。
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