一種漸縮漸擴(kuò)噴管式熱管太陽能熱水器的制作方法

本實(shí)用新型涉及太陽能熱水器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種漸縮漸擴(kuò)噴管式熱管太陽能熱水器。

背景技術(shù)：

太陽能熱水器是將太陽光能轉(zhuǎn)化為加熱的裝置，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們?cè)谏?、生產(chǎn)中的熱水使用。真空管式太陽能熱水器是由集熱管、儲(chǔ)水箱及支架等相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)成主要依靠集熱管，真空集熱管利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而得到所需熱水。

真空管式太陽能熱水器是由若干根真空管組成，管子之間存在著空隙，被太陽光照射時(shí)，有一部分太陽能沒有被集熱器所接收，太陽能利用率不高。

真空管式太陽能熱水器為保證減少熱量的流失，外層套有真空玻璃管，真空玻璃管價(jià)格昂貴且易碎，故在運(yùn)輸和安裝時(shí)都要加倍小心。由于是玻璃材質(zhì)，集熱器儲(chǔ)水箱與集熱管采用橡塑性連接，因此，不可承受來自自來水和循環(huán)水泵的太大壓力。

平板式太陽能熱水器雖然安裝方便，但管道口徑小，阻力大，且大多采用鋁合金管，在水質(zhì)無法保證的情況下，極易腐蝕；采用銅管的，不僅價(jià)格昂貴，而且在高溫(指60℃以上的熱水中)下，極易產(chǎn)生水垢還會(huì)產(chǎn)生銅銹。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述存在的問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)巧妙，性能穩(wěn)定，熱效率高，壽命長且價(jià)格便宜的漸縮漸擴(kuò)噴管式熱管太陽能熱水器。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種漸縮漸擴(kuò)噴管式熱管太陽能熱水器，包括太陽能水箱5、支架6和集熱器13，所述太陽能水箱5下部連接集熱器13，所述集熱器13由集熱管1、敞口保溫箱7、玻璃蓋板8、吸熱板9、相變蓄熱層10和保溫層11組成，所述敞口保溫箱7內(nèi)部橫向排布多根集熱管1；

所述集熱管1由一根大熱管2和七根振蕩熱管3組成，所述大熱管2的上端與太陽能水箱5連接并套有橡膠密封圈，所述大熱管2的下端插入敞口保溫箱7的固定座12的插孔中固定，并套有橡膠密封圈，所述大熱管2壁面均勻地插入七根振蕩熱管3，所述振蕩熱管3為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，七根所述振蕩熱管3圍繞大熱管2呈圓周排布，相鄰兩根所述振蕩熱管3之間的角度α為30°；

所述敞口保溫箱7外面覆蓋了一塊玻璃蓋板8，涂以玻璃膠并使用防漏水結(jié)構(gòu)將玻璃蓋板8進(jìn)行固定；

所述吸熱板9表面有橫向排布凹槽，所述凹槽呈四分之一圓柱狀，所述凹槽的曲率半徑與集熱管1的大熱管2外半徑相等，所述大熱管2的外壁面與吸熱板9表面的凹槽14無縫貼合。

進(jìn)一步的，位于所述大熱管2內(nèi)部的振蕩熱管3裝有漸縮漸擴(kuò)噴管4(亦稱作拉瓦爾噴管)，所述漸縮漸擴(kuò)噴管4的形狀呈沙漏狀，內(nèi)徑由大變小向中間收縮至一個(gè)窄喉，窄喉之后又由小變大向外擴(kuò)張。

進(jìn)一步的，所述振蕩熱管3內(nèi)部裝有充液率為40％～60％的工作介質(zhì)，所述工作介質(zhì)可采用如下工質(zhì)：純水、正丁醇-水溶液、Al2O3-水溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的Cu-水溶液、乙醇和銀-乙醇納米混合溶液等。

進(jìn)一步的，所述大熱管2和振蕩熱管3均采用不銹鋼材質(zhì)。

進(jìn)一步的，所述大熱管2的內(nèi)表面涂布一層氧化層，減少不銹鋼和水的反應(yīng)。

進(jìn)一步的，所述玻璃蓋板8為雙層中空玻璃。

進(jìn)一步的，所述敞口保溫箱7內(nèi)壁覆蓋了一層保溫層11，所述保溫層11為聚氨酯保溫材料，所述保溫層11上還覆蓋一層相變蓄熱層10，所述相變蓄熱層10上覆蓋了一層吸熱板9。

進(jìn)一步的，所述集熱管1和吸熱板9表面涂有太陽能光譜選擇性吸收涂料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

(1)本實(shí)用新型采用了振蕩熱管代替真空集熱管與大熱管結(jié)合，而振蕩熱管的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空管，并且吸熱效果明顯，承壓效果好，振蕩熱管的成本低，結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)。與常規(guī)熱管不同的是，振蕩熱管內(nèi)部無需吸液芯材料，因而具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，尤為可貴的是，對(duì)其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，其運(yùn)行性能基本不受重力作用的影響。因此能在重力場倒置、微重力場或者重力場變化等環(huán)境下運(yùn)行。本實(shí)用新型啟動(dòng)快、靈敏度高、傳熱速度快、工作范圍大、熱損失明顯減少，不存在結(jié)垢、空氣腐蝕等問題。

(2)本實(shí)用新型采用的中空玻璃蓋板具有防導(dǎo)熱、防對(duì)流換熱和防長波輻射的優(yōu)點(diǎn)，熱管單向傳熱的特性使熱量不會(huì)向重力相反方向傳遞，在陰天或多雨的天氣，能極大地抑制太陽能熱水器的熱損失。

(3)本實(shí)用新型為了解決傳統(tǒng)真空集熱管太陽能熱水器陽光利用率不高的問題，當(dāng)陽光照射到集熱管之間的空隙中時(shí)，熱量被吸熱板吸收，一部分熱量順著吸熱板橫向傳遞，傳遞給集熱管的大熱管壁面，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱；另一部分熱量豎向傳遞給了相變蓄熱材料，實(shí)現(xiàn)熱量的吸收與儲(chǔ)存，在夜晚溫度低時(shí)，將熱量傳遞給吸熱板，通過吸熱板傳遞給集熱管的大熱管壁面，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱，大大提高了陽光利用率。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型的集熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的集熱管的橫截面示意圖。

圖5為本實(shí)用新型的集熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實(shí)用新型的漸縮漸擴(kuò)噴管的剖視圖。

圖7為本實(shí)用新型的A處放大圖。

圖8為本實(shí)用新型的集熱器的剖面圖。

圖9為本實(shí)用新型的圖8的局部放大圖。

圖中：1-集熱管，2-大熱管，3-振蕩熱管，4-漸縮漸擴(kuò)噴管，5-太陽能水箱，6-支架，7-敞口保溫箱，8-玻璃蓋板，9-吸熱板，10-相變蓄熱層，11-保溫層，12-固定座，13-集熱器，14-凹槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，一種漸縮漸擴(kuò)噴管4式熱管太陽能熱水器，包括太陽能水箱5、支架6和集熱器13，太陽能水箱5下部連接集熱器13，集熱器13由集熱管1、敞口保溫箱7、玻璃蓋板8、吸熱板9、相變蓄熱層10、保溫層11、固定座12組成。

如圖2所示，敞口保溫箱7內(nèi)部橫向排布多根集熱管1，如圖3所示，集熱管1由一根大熱管2和七根振蕩熱管3組成，大熱管2的上端與太陽能水箱5連接并套有橡膠密封圈，如圖8所示，大熱管2管的下端插入敞口保溫箱7的固定座12的插孔中固定，并套有橡膠密封圈，如圖3、4、5所示，大熱管2壁面均勻地插入七根環(huán)狀振蕩熱管3，七根振蕩熱管3圍繞大熱管2呈圓周排布，相鄰兩根振蕩熱管3之間的角度為30°；插入到大熱管2內(nèi)部的振蕩熱管3占據(jù)了大熱管2的部分空間，對(duì)大熱管2內(nèi)部的水起到了一定的阻塞作用，使得水換熱時(shí)間延長，增強(qiáng)了換熱效果。

集熱管1中使用了振蕩熱管3，其最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單無芯，形狀可以任意彎曲，當(dāng)量傳熱系數(shù)大，體積?。换竟ぷ髟?將管內(nèi)抽成真空后充注部分工作介質(zhì)，由于管徑足夠小，管內(nèi)將形成氣泡柱和液體柱間隔布置并呈隨機(jī)分布的狀態(tài)。在蒸發(fā)端，工作介質(zhì)吸熱產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹和升壓，推動(dòng)工作介質(zhì)流向低溫冷凝端。然后，氣泡冷卻收縮并破裂，壓力下降，由于兩端之間存在壓差以及相鄰管子之間壓力不平衡，使得工作介質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝端之間振蕩流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。在整個(gè)過程中，無需消耗外部機(jī)械功和電功，完全是在熱驅(qū)動(dòng)下的自我震蕩。與常規(guī)熱管不同的是，振蕩熱管3內(nèi)部無需吸液芯材料，因而具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，尤為可貴的是，對(duì)其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，其運(yùn)行性能基本不受重力作用的影響。因此能在重力場倒置、微重力場或者重力場變化等環(huán)境下運(yùn)行。

如圖6所示，位于大熱管2內(nèi)部的振蕩熱管3裝有漸縮漸擴(kuò)噴管4(亦稱作拉瓦爾噴管)。在噴管中工作介質(zhì)流動(dòng)遵循“流體在管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，因此氣流不斷加速。這樣增大了工作介質(zhì)流動(dòng)，強(qiáng)化了傳熱。

如圖3所示，振蕩熱管3內(nèi)部裝有充液率為40％～60％的高純度水。在不同的加熱方式下，振蕩熱管3的熱阻與充液率呈現(xiàn)反向拋物線關(guān)系，在充液率的增加范圍內(nèi)，振蕩熱管3的熱阻隨充液率的增加，先減小后增大，在其波動(dòng)范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳的充液率波段，在本實(shí)用新型中，充液率優(yōu)選為55％；工作介質(zhì)也可采用如下工質(zhì)：純水、正丁醇-水溶液、Al₂O₃-水溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的Cu-水溶液、乙醇和銀-乙醇納米混合溶液等，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，正丁醇-水溶液能夠明顯起到強(qiáng)化換熱作用，它能夠使振蕩熱管3的最大傳熱能力提高將近3倍，同時(shí)加熱端的極限溫度達(dá)到了110℃；純水是比較良好的工作介質(zhì)，但振蕩熱管3的孔徑比較小，一般為1到10mm，如果水質(zhì)不純(如水中有不凝性氣體或者其他容易和管材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì))，則降低了管道壽命和換熱效率；綜合考慮振蕩熱管3的工作溫度、運(yùn)行的穩(wěn)定性以及傳熱和啟動(dòng)性能的需要，本實(shí)用新型采用高純度水作為熱管的工作介質(zhì)。

如圖3所示，大熱管2和振蕩熱管3均采用不銹鋼材質(zhì)。當(dāng)熱管的壁厚夠薄，且熱管處于正常工作時(shí)，整個(gè)熱管的熱阻與材料自身的導(dǎo)熱性能無關(guān)。傳統(tǒng)的熱管普遍采用銅、鋁管，但這只適合小型設(shè)備散熱，像太陽能熱水器這種設(shè)備材料用量巨大，銅、鋁材料并不適宜。另外，在振蕩熱管3工作時(shí)，管內(nèi)的氣、液柱塞產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩，這種振蕩運(yùn)動(dòng)會(huì)引起熱管壁面的傳熱系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)過熱或疲勞損壞。同時(shí)這種振蕩還會(huì)導(dǎo)致熱管內(nèi)部的壓力發(fā)生劇烈的變化，振蕩熱管3的這種特性決定了管壁的材料必須要能承受較大的疲勞損壞，因而銅、鋁材料不適合這種工作環(huán)境。不銹鋼價(jià)格低廉，現(xiàn)有的對(duì)不銹鋼的加工方法能滿足熱管要求，同時(shí)不銹鋼的抗磨損、抗壓能力比銅、鋁都要好，熱管的管壁可以更薄，且不用擔(dān)心熱管開裂，提高了集熱器13的可靠性。

通過對(duì)大熱管2的內(nèi)表面進(jìn)行特殊處理，使熱管內(nèi)表面形成一層氧化層，減少不銹鋼和水的反應(yīng)從而減小自來水對(duì)大熱管2的損壞。

如圖8、9所示，敞口保溫箱7外面覆蓋了一塊玻璃蓋板8，涂以玻璃膠并使用防漏水結(jié)構(gòu)，將玻璃蓋板8進(jìn)行固定。提高了保溫箱內(nèi)部的密封性，減少了熱量的損失，防止雨水的流入，避免了內(nèi)部管材的腐蝕。

如圖8、9所示，玻璃蓋板8為雙層中空玻璃。雙層玻璃蓋會(huì)吸收更多的太陽輻射，透過玻璃蓋板8的太陽輻射也會(huì)更少。雙層真空玻璃雖然可使熱水器的日平均效率高于雙層中空玻璃的日平均效率，但雙層真空玻璃的價(jià)格昂貴，同時(shí)為維持和保持真空玻璃對(duì)集熱器13的采光面積有一定的限制，因此從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性角度出發(fā)，采用雙層中空玻璃。玻璃蓋板8能有效地抑制對(duì)流損失和紅外線熱損失。

如圖9所示，敞口保溫箱7內(nèi)壁覆蓋了一層保溫層11，其材質(zhì)為聚氨酯保溫材料，保溫層11上還覆蓋一層相變蓄熱層10，相變蓄熱層10上覆蓋了一層吸熱板9。保溫層11減少了熱量損失，相變蓄熱層10使得熱量可以存儲(chǔ)。熱量儲(chǔ)存和釋放階段循環(huán)進(jìn)行,利用蓄熱材料提高熱能在時(shí)間和空間上的協(xié)調(diào)性,達(dá)到能源高效利用和節(jié)能的目的。

如圖9所示，吸熱板9表面有橫向排布的凹槽14，凹槽14呈四分之一圓柱狀，凹槽14的曲率半徑與集熱管1的大熱管2外半徑相等。大熱管2的外壁面與吸熱板9表面的凹槽14無縫貼合，為了解決傳統(tǒng)真空集熱管太陽能熱水器陽光利用率不高的問題，照射到集熱管1之間的空隙時(shí)，熱量被吸熱板9吸收，一部分熱量順著吸熱板9橫向傳遞，傳遞給了集熱管1的大熱管2，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱；另一部分熱量豎向傳遞給了相變蓄熱材料，實(shí)現(xiàn)熱量的吸收與儲(chǔ)存，在夜晚溫度低時(shí)，將熱量傳遞給吸熱板9，通過吸熱板9傳遞給集熱管1的大熱管2，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱

集熱管1和吸熱板9的表面涂上太陽能光譜選擇性吸收涂料。使吸收表面最大限度吸收太陽輻射的同時(shí)，盡可能減小其輻射的熱損失。

工作原理：

陽光照射到中空玻璃表面，穿透玻璃，照射到集熱管1和吸熱板9表面。被集熱管1吸收的熱量，一部分被振蕩熱管3吸收，振蕩熱管3外部充當(dāng)蒸發(fā)段，吸收的熱量就轉(zhuǎn)化為管內(nèi)工作介質(zhì)的潛熱，在蒸發(fā)段，管內(nèi)氣泡變大，推動(dòng)鄰近的液塞向冷凝段移動(dòng)。在氣液面發(fā)生著極其復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，振蕩熱管3穩(wěn)定工作時(shí)，工作介質(zhì)會(huì)形成環(huán)狀脈動(dòng)流動(dòng)，使得內(nèi)部的工作介質(zhì)溫度升高。在兩端的壓力差下，管內(nèi)工作介質(zhì)流動(dòng)、循環(huán)，并且在漸縮漸擴(kuò)噴管4的作用下，管內(nèi)工作介質(zhì)流速加快，換熱速度加快；振蕩熱管3在大熱管2內(nèi)部的那一部分充當(dāng)冷凝段，釋放熱量通過管壁與大熱管2內(nèi)部的自來水換熱。另一部分被大熱管2吸收，通過管壁與管內(nèi)的自來水換熱。在大熱管2內(nèi)，自來水利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而得到所需熱水。

被吸熱板9表面吸收的熱量，一部分熱量順著吸熱板9橫向傳遞，傳遞給了集熱管1的大熱管2壁面，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱；另一部分熱量豎向傳遞給了相變蓄熱材料，實(shí)現(xiàn)熱量的吸收與儲(chǔ)存，在夜晚溫度低時(shí)，將熱量傳遞給吸熱板9，通過吸熱板9傳遞給集熱管1的大熱管2，與管內(nèi)自來水進(jìn)行換熱。

由于集熱器13內(nèi)部空間封閉，從集熱管1和吸熱板9及敞口保溫箱7的內(nèi)壁面散發(fā)出來的熱量向外傳遞，由于外部安裝了中空的玻璃蓋板8，熱量無法向外傳遞，熱量在集熱器13內(nèi)部循環(huán)，又傳回到集熱管1和吸熱板9，熱量被再次利用。

以上述依據(jù)本實(shí)用新型的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)實(shí)用新型技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)實(shí)用新型的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。