[发明专利]一种带有螺旋前进的半圆周分布的翅片体的真空集热管

说明书

一种带有螺旋前进的半圆周分布的翅片体的真空集热管，自外而内同轴布置有玻璃外管(1)和含翅片体(4)的金属吸热管(2)。玻璃外管(1)与金属吸热管(2)之间为真空腔(6)，通过密封装置连接，玻璃外管(1)的端部设置膨胀节(3)。金属吸热管(2)的外表面涂覆有选择吸收太阳光涂层，内表面设有与金属吸热管集成一体的翅片体(4)。翅片体(4)根据螺旋线方向在金属管的半个圆周方向上布置有针翅翅片体。翅片体(4)的高度h恒定或根据能流密度在轴向与周向的高低分布而不同，布置在能流密度高的一侧的翅片体高度小于在能流密度低的一侧的翅片体的高度。

技术领域

本发明涉及一种太阳能真空集热管。

背景技术

在太阳能热利用的系统中，线聚焦聚光系统，如抛物面槽式、线性菲涅耳式，能够产生高达几十千瓦每平方米甚至更高的能流密度。位于聚光器焦平面上的集热管是高效的热转换部件，通常采用玻璃外管与金属吸热管封接、玻璃外管和金属吸热管间夹层抽真空形式的真空集热管。金属吸热管的外壁镀有选择性吸收涂层，以提高对太阳光的吸收效率，降低辐射热损失。由于聚光器的太阳光汇聚特性，该真空集热管接受聚集的太阳光的受热表面集中在金属管外壁的半圆周壁面，属于单侧非均匀受热。集热管受热面上能流密度周向的非均匀分布，对于金属吸热管内传热流体而言，特别是管内强迫对流换热系数较小的气体流动，必定会在集热管的管壁上形成极大的温度梯度。较大温度梯度与局部高温热应力作用下，可能会引发金属管的弯曲变形，变形过大会与玻璃外管触碰而发生破碎，导致真空损失，造成热损突增，集热器效率突降。

针对这种能流密度极不均匀的分布特性，需要改进管内结构，强化传热，改善温度分布。目前现有技术中有3种改进方法：

利用内插物，加强流体扰动是其中一种改进方法。中国发明专利CN107166753A提出了一种带有内插棒的真空集热管，将传热流体从温度较低、流速较大的金属吸热管中心挤向温度较高的金属吸热管壁面附近，借此实现强化换热的效果。中国发明专利CN105546855A提出了一种可用于大直径真空集热管的结构，该结构内部设有密封空心圆管，空心圆管外部缠绕连续的螺旋翅片，在内插件的圆管与金属管形成的环形空腔内产生螺旋流，强化传热。内插件都需要在金属管内壁上设置独立的支撑结构，将内插物与金属管固定连接，结构安装复杂；内插件减小了流动的有效横截面，使在相同流量条件下流体流速增强，缩短了流体与吸热管内表面的接触换热时间。

利用填充物，增加传热面积是另一种改进方法。美国发明专利US2012/0186575A1提出了在金属吸热管中填充泡沫金属的结构，中国发明专利CN108302784A公开了一种在仿生微孔表面金属内管中插入泡沫金属作为填充的发明，但填充物会显著增加流动阻力。

利用肋片，增加传热面积是第三种改进方法。主要采用螺纹结构、扭曲片等周向全分布的结构，CN108120335A公开了一种在管内壁等间距排列的曲线翅片体，在轴向上呈螺旋状或交叉状排列，中国发明专利CN108151572A提供在管内外布置多组螺旋翅片结构，内外侧翅体高度呈周期性变化。两种发明的翅片都采用全周分布方式，虽然达到了强化传热效果，但同时也增加了不必要的流动阻力、泵和风机的功耗。中国发明专利CN102425867A提出了单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管的结构，即在金属吸热管聚焦太阳能一侧的内表面设有内翅片，通过内翅片将热量传递至金属吸热管内的中心，有效将吸热管聚光侧与管中心的流体充分混合，但是无法调控非聚光侧的流体的扰动、换热。同时该发明并不能很好适用于气体作为传热流体，由于气体不同于液体的物理性质，随着聚光侧的壁面及内翅片温度升高，流体黏性增大，加上翅片分布增加了流动阻力，使流体逐渐向阻力小、温度较低的区域汇集流动，则在聚光侧参与换热的流体逐渐减少。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种带有螺旋前进的半圆周分布的翅片体的真空集热管，该真空集热管适用于气体或液体等传热流体。