一種太陽能蓄熱系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種太陽能蓄熱系統，包括集熱器、蓄熱水箱和散熱管，散熱管設置在蓄熱水箱中，所述集熱器加熱的熱水經過散熱管，通過散熱管將熱量傳遞給蓄熱水箱；其特征在于，所述散熱管是板翅式散熱管，所述板翅式散熱管包括扁管和設置在扁管中的翅片，所述扁管包括互相平行的管壁，所述翅片設置在管壁之間，所述翅片包括傾斜于管壁的傾斜部分，在傾斜部分上通過沖壓方式加工突尖，從而使傾斜部分兩側的流體通過傾斜部分上沖壓方式形成的孔連通；所述突尖從傾斜部分沿著熱水流動方向向外延伸。本發明克服了太陽能換熱系統效率低的問題，明顯的提高了換熱效率。
【專利說明】
一種太陽能蓄熱系統
技術領域
[0001]本發明屬于太陽能領域，尤其涉及一種蓄熱的太陽能系統。
【背景技術】
[0002]隨著現代社會經濟的高速發展，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，同時常規化石燃料造成的環境污染問題也愈加嚴重，這些都大大限制著社會的發展和人類生活質量的提高。能源問題已經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在人們研究的熱點。
[0003]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I X 10 18 kW-h，為世界年耗總能量的一萬多倍。世界各國都已經把太陽能的利用作為新能源開發的重要一項，我國政府在《政府工作報告》也早已明確提出要積極發展新能源，其中太陽能的利用尤其占據著突出地位。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)，而且又是不連續的，這給大規模的開發利用帶來一定困難。因此，為了廣泛利用太陽能，不僅要解決技術上的問題，而且在經濟上必須能同常規能源相克爭。
[0004]—般情況下，集熱器加熱的水需要通過熱交換的方式傳遞給其他流體，或者進行存儲。但是太陽能集熱系統的水循環系統是一個封閉的系統，循環水循環加熱，但是在循環水循環過程中會產生一些不凝氣體，此外，有時候太陽光線強烈的情況下，集熱器中的水會形成汽水熱水，因此在加熱的水進行換熱的情況下，因為存在不凝氣體或者因為形成汽水熱水，從而導致換熱系數的降低，使得太陽能無法充分利用。
[0005]針對上述問題，本發明提供了一種新的太陽能蓄熱系統，從而解決太陽能熱水與其流體進行換熱的情況下的換熱系數低的問題。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種新的太陽能系統，從而解決前面出現的技術問題。
[0007]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
一種太陽能系統，包括集熱器、蓄熱水箱和散熱管，散熱管設置在蓄熱水箱中，所述集熱器加熱的熱水經過散熱管，通過散熱管將熱量傳遞給蓄熱水箱；其特征在于，所述散熱管為串聯的多個散熱管。
[0008]作為優選，所述散熱管是板翅式散熱管，所述板翅式散熱管包括扁管和設置在扁管中的翅片，所述扁管包括互相平行的管壁，所述翅片設置在管壁之間，所述翅片包括傾斜于管壁的傾斜部分，在傾斜部分上通過沖壓方式加工突尖，從而使傾斜部分兩側的流體通過傾斜部分上沖壓方式形成的孔連通;所述突尖從傾斜部分沿著熱水流動方向向外延伸。
[0009]作為優選，所述突尖為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，不同的板翅散熱管內的突尖的平均長度L不同，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離。
[0010]作為優選，沿著熱水的流動方向，L不斷的增加。
[0011]作為優選，沿著熱水的流動方向丄增加的幅度越來越大。
[0012]作為優選，所述翅片包括水平部分，所述水平部分與管壁平行并且與管壁貼在一起，所述傾斜部分與水平部分連接;所述突尖為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，相鄰的管壁的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，相鄰的傾斜部分的距離為W，等腰三角形的頂角為b，所述突尖的延伸方向與熱水的流動方向的夾角為a，傾斜部分與管壁之間的銳角的夾角為C，滿足如下公式:
c6*h/H=cl*Ln(L*sin(a)/(w*sin(c))+c2,sin(b/2)=c3+c4*sin(a)_c5*(sin(a))2，
其中Ln是對數函數，cl、c2、c3、c4、c5是系數，
0.24<cl<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88, 0.68< c4〈0.70，1.14 <c5<1.15,7.0<c6<7.5；
19°〈a〈71°，55°〈b〈165°，90°〈c〈70°；
10mm<w<I5mm， 6mm<H<I4mm；
0.19〈L*sin(a)/w〈0.41, 0.29〈7*h/H〈0.47；
H是以相鄰管壁相對的面之間的距離，W是以相鄰的傾斜部分相對的面在沿著管壁方向上的距離，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離。
[0013]作為優選，Cl=0.245，c2=0.694， c3=0.873，c4=0.691,c5=l.1454，c6=7.11。
[0014]作為優選，所述突尖的延伸方向與熱水的流動方向的夾角為a，同一個傾斜部分設置多個突尖，沿著熱水的流動方向，所述的夾角a越來越小。
[0015]作為優選，同一個傾斜部分設置多個突尖，多個突尖交錯從傾斜部分兩側向外延伸。
[0016]作為優選，所述突尖延伸的長度為L，同一個傾斜部分設置多個突尖，沿著熱水的流動方向，所述的長度L越來越小。
[0017]作為優選，所述突尖為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的頂角為b，同一個傾斜部分設置多個突尖，沿著熱水的流動方向，所述的頂角b越來越大。
[0018]作為優選，所述突尖為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的底邊為SI，同一個傾斜部分設置多個突尖，沿著熱水的流動方向，所述的Si越來越小。
[0019]與現有技術相比較，本發明的板式換熱器及其換熱管壁具有如下的優點:
I)本發明的所述的散熱管為并聯的多個，通過設置多個并聯的散熱管，可以增加換熱面積，增強太陽能系統的蓄熱能力。
[0020]2)本發明將沖壓的突尖的板翅散熱片應用到太陽能蓄熱系統，解決了含有不凝氣體的換熱效率低的問題，大大的節約了能源，克服了太陽能換熱系統效率低的問題，明顯的提高了換熱效率。
[0021]3)—方面可以破壞層流底層，另一方面與“打孔”翅片相比，未因打孔損失換熱面積，而且“尖”和“孔”可以分別在不同高度上擾動流體，強化不同的熱阻環節； 4)沖壓“突尖”形成的小孔，借助“突尖”下游壓力場的影響，可實現翅片兩側介質的壓力及質量交換，對粘性底層和液膜的穩定性造成破壞，強化換熱；
5)針對含有不凝氣體的熱水，能夠借助“突尖”實現擴大氣液界面以及氣相邊界層與冷卻壁面的接觸面積并增強擾動；
6)通過大量的實驗，確定了最佳的板翅式散熱管的結構尺寸；
7)通過設計相鄰的管壁的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，相鄰的傾斜部分的距離為w，等腰三角形的頂角為b，所述突尖的延伸方向與熱水的流動方向的夾角為a等參數沿著流體流動方向的變化，提高了換熱效率或者降低流體壓力。
[0022]
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明太陽能蓄熱系統的結構示意圖；
圖2是本發明太陽能蓄熱系統的改進結構示意圖；
圖3是本發明太陽能蓄熱系統的改進結構示意圖；
圖4是本發明一個板翅式散熱管橫切面的結構示意圖；
圖5是本發明設置突尖結構傾斜部分平面的示意圖；
圖6是本發明設置突尖結構傾斜部分平面的另一個示意圖；
圖7是本發明的三角形突尖結構示意圖；
圖8是本發明三角形突尖流道中的切面結構示意圖；
圖9本發明突尖向傾斜部分兩側延伸的結構示意圖；
圖10是本發明一個板翅式散熱管橫切面的結構示意圖。
[0024]附圖標記如下:
I板翅散熱片，2流體通道，3管壁，4傾斜部分，5水平部分，6突尖，7翅片，8集熱器，9循環栗，10蓄熱水箱，11密封部件。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0026]本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，表示除法，“X”、表示乘法。
[0027]如圖1所示，一種太陽能蓄熱系統，包括集熱器8、蓄熱水箱10和散熱管I，散熱管I設置在蓄熱水箱10中，所述集熱器8加熱的熱水經過散熱管I，通過散熱管I將熱量傳遞給蓄熱水箱10內的水，換熱后的熱水循環回到集熱器8中進行加熱。優選通過循環栗9循環到集熱器8中。
[0028]圖2展示了圖1的改進的實施例。如圖2所示，所述的散熱管為并聯的多個。通過設置多個并聯的散熱管，可以增加換熱面積。
[0029]圖3展示了圖1的改進的實施例。如圖3所示，所述的散熱管為串聯的多個。通過設置多個串聯的散熱管，可以增加換熱面積。
[0030]如圖4所示，所述散熱管是板翅式散熱管，所述散熱管包括扁平管和設置在扁平管中的翅片7，所述扁平管包括互相平行的管壁3，所述相鄰的管壁3之間形成流體通道2，所述相鄰的管壁3之間設置翅片7。所述翅片7包括與管壁3傾斜的傾斜部分4，所述傾斜部分互相平行。在傾斜部分4上通過沖壓方式加工突尖6，從而使傾斜部分4兩側的流體通過傾斜部分4上通過沖壓方式形成的孔連通;所述突尖6從傾斜部分4向外延伸。
[0031]所述扁平管可以是一體化制造的，如圖10所示，也可以是通過上下管壁和設置在上下管壁之間的密封部件分體組成，所述密封部件11設置在圖4的左右兩側。
[0032]因為傾斜部分4互相平行，因此相鄰的傾斜部分4與上下管壁之間構成了平行四邊形通道。
[0033]通過設置突尖6，具有如下的優點:
1)一方面可以破壞層流底層，沒有損失換熱面積，而且“尖”和“孔”可以分別在不同高度上擾動流體，強化換熱；
2)沖壓突尖形成的小孔，借助突尖下游壓力場的影響，可實現翅片兩側介質的壓力及質量交換，對粘性底層和液膜的穩定性造成破壞，強化換熱。
[0034]3)針對含有不凝氣體的熱水或者兩相熱水，能夠借助“突尖”實現擴大氣液界面以及氣相邊界層與冷卻壁面的接觸面積并增強擾動。
[0035]在板翅式散熱管內采取上述措施，能夠極大的提高了熱水的換熱效率。與正常的熱水換熱相比，能夠提高15 — 25%的換熱效率。
[0036]作為優選，所述的突尖6與熱水的流動方向所形成的夾角為銳角。
[0037]作為優選，如圖4所示，所述的翅片7為傾斜型翅片，所述翅片7包括水平部分5和傾斜部分4，所述水平部分5與管壁3平行并且與管壁3貼在一起，所述傾斜部分4與水平部分5連接。
[0038]圖5中熱水的流動方向是從左往右。但此處的左右只是說明熱水沿著突尖的流動方向，并不表示實際一定左右流動。
[0039 ]如圖8所示，所述突尖6的延伸方向與熱水的流動方向的夾角為a，如圖5所示，沿著熱水的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突尖6，沿著熱水的流動方向，所述的夾角a越來越大。
[0040]通過實驗發現，通過夾角a的逐漸變大，與夾角a完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高10%左右的換熱效率。
[0041]作為優選，所述突尖6延伸的長度為L，沿著熱水的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突尖6，沿著熱水的流動方向，所述的長度L越來越大。通過實驗發現，通過長度L的逐漸變大，與長度L完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高9%左右的換熱效率。
[0042]作為優選，沿著熱水的流動方向，長度L變大的幅度越來越小。通過實驗發現，長度L的變大的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低5%左右的流動阻力。
[0043]作為優選，所述突尖6為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分4上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的頂角為b，沿著熱水的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突尖6，沿著熱水的流動方向，在底邊長度保持不變的情況下，所述的突尖頂角b越來越小。通過實驗發現，通過突尖頂角b的逐漸變小，與頂角b完全相同相比，可以實現更高的換熱效率，能夠大約提高8%左右的換熱效率。
[0044]作為優選，沿著熱水的流動方向，頂角b變小的幅度越來越小。通過實驗發現，頂角b變小的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低4%左右的流動阻力。
[0045]作為優選，所述突尖6為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，作為優選，底邊與傾斜部分的傾斜角度相同，所述等腰三角形的底邊長度為h，沿著熱水的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突尖6，沿著熱水的流動方向，同一個傾斜部分4設置多個突尖，在頂角保持不變的情況下，沿著熱水的流動方向，所述的h越來越大。通過實驗發現，通過h的逐漸變大，與h完全相同相比，可以實現更尚的換熱效率，能夠大約提尚7%左右的換熱效率。
[0046]作為優選，沿著熱水的流動方向，h變大的幅度越來越小。通過實驗發現，h變大的幅度越來越小，可以保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力，能夠大約降低5%左右的流動阻力。
[0047]作為優選，沿著流體的流動方向，同一傾斜部分設置多排突尖6，如圖5和6所示，每排突尖之間的距離為S2，沿著熱水的流動方向，所述的S2越來越大。之所以如此設置，主要目的是通過S2的變大，實現在保證換熱效率的情況下，進一步降低流動阻力。通過實驗發現，流動阻力降低10 %左右。
[0048]所述S2是以相鄰排的突尖的底邊為計算距離的。
[0049]作為優選，如圖6所示，多排突尖6為錯列結構。圖6中熱水是從上往下流動。但此處的上下只是說明熱水沿著突尖的流動方向，并不表示實際一定上下流動。
[0050]在實驗中發現，相鄰管壁3的距離不能過大，過大會導致換熱效率的降低，過小會導致流動阻力過大，同理，對于等腰三角形的底邊長度、頂角、突尖、翅片傾斜部分的距離與流體流動方向的夾角都不能過大或者過小，過大或過小都會導致換熱效率的降低或者流動阻力的變大，因此在相鄰管壁3的距離、等腰三角形的底邊長度、頂角、突尖、翅片傾斜部分與流體流動方向的夾角之間滿足一個最優化的尺寸關系。
[0051]因此，本發明是通過多個不同尺寸的換熱器的上千次數值模擬以及試驗數據，在滿足工業要求承壓情況下(1MPa以下)，在實現最大換熱量的情況下，總結出的最佳的換熱管壁的尺寸優化關系。
[0052]相鄰的管壁的距離為H，等腰三角形底邊的長度為h，相鄰的傾斜部分的距離為W，傾斜部分與管壁之間的銳角的夾角為C，滿足如下公式:
c6*h/H=cl*Ln(L*sin(a)/(w*sin(c))+c2,sin(b/2)=c3+c4*sin(a)_c5*(sin(a))2，
其中Ln是對數函數，cl、c2、c3、c4、c5是系數，
0.24<cl<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88, 0.68< c4〈0.70，1.14 <c5<1.15,7.0<c6<7.5；
19°〈a〈71°，55°〈b〈165°，90°〈c〈70°；
10mm<w< 1 5mm6mm<H< 14mm ；
0.19〈L*sin(a)/w〈0.41, 0.29〈7*h/H〈0.47；
H是以相鄰管壁相對的面之間的距離，W是以相鄰的傾斜部分相對的面在沿著管壁方向上的距離，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離。
[0053]作為優選，Cl=0.245，c2=0.694，c3=0.873，c4=0.691,c5=l.1454，c6=7.11。
[0054]作為優選，85。<c<80°。
[0055]作為優選，隨著夾角c的增加，c6越來越小。
[0056]通過上述公式的出的“突尖”的最佳的幾何尺度，可以提高換熱效率，同時可以實現僅對粘性底層、或包含液膜、及至包含氣相邊界層不同尺度內熱阻的強化，避免措施過度，造成不必要的阻力損失。
[0057]作為優選，所述的同一排的相鄰的突尖的底邊都在一條線上，同一排相鄰的突尖距離為SI，所述3.5Xh〈Sl〈5Xh，其中SI是以相鄰兩個等腰三角形突尖的底邊的中點的距離。
[0058]作為優選，相鄰排的突尖的等腰三角形的底邊互相平行，等腰三角形的頂點到底邊中點的距離為L，相鄰排的距離S2為4.2*L〈S2〈7.2*L。優選為S2 = 5.3*L
相鄰排的等腰三角形的底邊不同時，采取兩條底邊的加權平均數來計算。
[0059]作為優選，同一排的等腰三角形的夾角和底邊完全相同。即形狀完全相同，為相等形。
[0060]對于前面的公式，對于前后排尺寸不同的突尖，也依然適用。
[0061]對于沒有提到的具體尺寸參數，按照正常的換熱器進行設計。
[0062]作為優選，如圖9所示，傾斜部分上設置多個突尖6，所述突尖向傾斜部分的不同側延伸
作為優選，同一個傾斜部分設置多排突尖，至少一排突尖與其他排突尖向傾斜部分的延伸側不同。
[0063]作為優選，相鄰的每排突尖向傾斜部分的不同側延伸。
[0064]通過如此設置，可以使得流體在傾斜部分兩側的通道中交替換熱換質，進一步提高換熱效率。與在同一側相比，能夠提高8%左右。
[0065]作為優選，如圖3所示的串聯結構，不同的板翅散熱管I內的突尖的平均長度L不同。沿著熱水的流動方向，平均長度L不斷的增加。實驗發現，通過如此設置，可以提高大約10%的換熱效率。
[0066]平均長度L是所有突尖長度的加權平均數。
[0067]沿著熱水的流動方向，平均長度L增加的幅度越來越大。實驗發現，通過如此設置，可以提高大約12%的換熱效率。
[0068]作為優選，最高的長度L是最低的長度L的1.2-1.3倍。
[0069]作為優選，所述散熱管外部設置翅片。
[0070]作為優選，沿著熱水的流動方向，外部翅片高度不斷的增加，高度增加的幅度越來越大。通過增加翅片高度，從而增加翅片的換熱面積。實驗發現，通過如此設置，與翅片高度完全相同相比，可以提高大約5%的換熱效率。
[0071]雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
【主權項】
1.一種太陽能蓄熱系統，包括集熱器、蓄熱水箱和散熱管，散熱管設置在蓄熱水箱中，所述集熱器加熱的熱水經過散熱管，通過散熱管將熱量傳遞給蓄熱水箱；其特征在于，所述散熱管是板翅式散熱管，所述板翅式散熱管包括扁管和設置在扁管中的翅片，所述扁管包括互相平行的管壁，所述翅片設置在管壁之間，所述翅片包括傾斜于管壁的傾斜部分，在傾斜部分上通過沖壓方式加工突尖，從而使傾斜部分兩側的流體通過傾斜部分上沖壓方式形成的孔連通;所述突尖從傾斜部分沿著熱水流動方向向外延伸。2.如權利要求1所述的太陽能蓄熱系統，其特征在于，所述突尖為等腰三角形，所述等腰三角形的底邊設置在傾斜部分上，不同的板翅散熱管內的突尖的平均長度L不同，L為等腰三角形的頂點到底邊中點的距離。3.如權利要求2所述的太陽能蓄熱系統，其特征在于，沿著熱水的流動方向，L不斷的增加。4.如權利要求3所述的太陽能蓄熱系統，其特征在于，沿著熱水的流動方向，L增加的幅度越來越大。
【文檔編號】F24J2/46GK105928226SQ201610275903
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年10月29日
【發明人】劉習武, 王艷艷, 李晴, 朱士強, 魯陽, 程文平, 楊東, 趙煒
【申請人】楊丙