專利名稱：一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能利用，特別是平板太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能熱水器主要由水箱，集熱體，透明蓋板，上下集管和上下循環(huán)管等部件組成。根據(jù)熱水器型式和功能不同，可以少掉幾個部件，也可以增加ー些部件。當(dāng)太陽照射到集熱體后，集熱體吸熱，主要通過導(dǎo)熱和對流形式將其傳遞給集熱體內(nèi)的水，吸熱后的水匯入上集管，再經(jīng)上循環(huán)管最后流入水箱。而水箱中的冷水經(jīng)下循環(huán)管，下集管又流入集熱體，在這里進一步吸熱，完成ー個循環(huán)。當(dāng)水箱中的水經(jīng)一段時間循環(huán)加熱達到要求溫度后，可供用戶使用。太陽能熱水器主要有真空管熱水器和平板熱水器，目前在我國較普通使用的是真空管熱水器。然而，由于結(jié)構(gòu)上的限制，它很難實現(xiàn)二次循環(huán)且不適于建筑一體化，這限制了它的發(fā)展空間。早期傳統(tǒng)的平板熱水器，是ー個整體的盒式結(jié)構(gòu)熱水器，這種熱水器，其傳熱效率低，抗壓性能差，現(xiàn)已基本不用了。目前廣泛使用的是管翼式平板熱水器，管翼式熱水器，其集熱體元件是由ー根金屬管(通常是銅管)，在其兩側(cè)焊上金屬翼板(通常是銅板)而形成的，當(dāng)太陽照射到該管翼吸熱體經(jīng)翼板吸熱后，首先通過導(dǎo)熱沿著翼板將熱傳到銅管，再以對流換熱的形式，將熱傳遞到水。這種集熱體，其承壓性能較好，然而其傳熱性能差，熱效率低，這主要原因是1.有較大的接觸熱阻，由于吸熱的翼板是焊或鉚在圓管的兩側(cè)壁上，在接觸處存在較大的接觸熱阻。2.換熱面(與水接觸的圓管內(nèi)表面積)小于吸熱面(主要是翼板面積)，在相同條件下?lián)Q熱量減少。3.有較大的熱損失，由于有較大的接觸熱阻和較小的導(dǎo)熱面(因為翼板與圓管只是線接觸)，致使翼板溫度升高，使散熱損失増大，熱效率低。4.不利的流態(tài)，流體在低速(自然循環(huán)熱水器屬于這種情況)，小直徑的圓管內(nèi)流動，除了入口段以外湍動度都很小，使壁面與流體之間的換熱系數(shù)小。
發(fā)明內(nèi)容由于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，它是ー個管道，可大幅提高平板熱水器熱效率。本發(fā)明的集熱體元件，由一根直徑為d圓管經(jīng)模加工形成的設(shè)有多個被此銜接的多拱變通道節(jié)21(圖1)，再在其向陽面涂上吸收性涂層后而成的集熱體元件(圖1)，圖2為該集熱體元件側(cè)向圖。每ー個多拱變通道節(jié)的形狀，由它的進ロ截面PP (圖1)，中間截面ZZ (圖I)和出口截面qq (圖I)的三個基準(zhǔn)面決定，以這三個基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)，軸向連接進ロ截面PP (圖I)與中間截面zz (圖I)周界上的相應(yīng)點,和中間截面zz (圖I)與出口截面qq (圖I)周界上的相應(yīng)點，便構(gòu)成ー個多拱變通道節(jié)外形。該多拱變通道集熱體元件，可以由不同的多拱變通道節(jié)21組成，軸向沿著集熱體元件任意一個截面，其周長相同，截面積不等。[0008]所說的多拱變通道節(jié)的入口截面PP和出口截面qq (圖I )，可以為相同的或不同的矩形(圖3)。所說的多拱變通節(jié)的中間截面ZZ (圖I)為多拱圓弧形面(圖4)，其底i j和兩側(cè)ai和gj均為直線，而上底為多拱的圓弧形線W(圖4)，其拱數(shù)可以是任意的奇數(shù)，也可以是直線。如果是直線ag，則中間截面也為矩形。所說的多拱變通節(jié)的中間截面ZZ (圖1)，也可以與進出口矩形截面形狀相同，此時，多拱變通道段2 (圖I)就變成ー個矩形窄條扁通道。該發(fā)明的多拱變通道平板熱水器集熱體元件，它不存在接觸熱阻，増大了與水接觸的換熱面，降低了集熱體元件溫度，減少集熱體元件上部散熱損失，且由于下底為平面，減少與保溫層接觸面積，故又減少了集熱體元件下部散熱損失，在流體主流方向，流體微團多次流經(jīng)變通道，不斷的加速，減速，減壓、增壓，形成劇烈湍動，在橫向上，由于拱形結(jié)構(gòu)，流體在向陽面和背光面受熱不同，產(chǎn)生二次流，主流與二次流的疊加，引起流體微團強烈的·湍動，又提高了換熱系數(shù)。上述諸原因使本發(fā)明多拱變通道集熱體元件傳熱性能十分優(yōu)越，大大提高了平板熱水器效率，是平板熱水器理想的集熱體元件，又由于結(jié)構(gòu)簡單，可靈活組合與滿足不同換熱面需要和適應(yīng)不同的安裝位置要求，因此，它還特別可用于太陽能建筑一體化中。

圖I是本發(fā)明多拱變通道平板熱水器集熱體元件示意圖。圖2是本發(fā)明多拱變通道平板熱水器集熱體元件側(cè)向圖。圖3是本發(fā)明多拱變通道節(jié)進出口截面圖。圖4是本發(fā)明多拱變通道節(jié)中間截面圖。圖5是實施方案2中間矩形截面圖。
具體實施方式
考慮直徑d= (30-80)mm，長L= (1000— 2000mm)的金屬圓管形成的多拱變通道集熱體元件。在軸向，將L分成三段，分別為入口段I (圖1)，多拱變通道段2 (圖I)和出口段3(圖1)，順序連接。入口段長為I1等于出ロ段長度為宜，因而多拱變通道段2長度為l=(L-2 I1)mm,將其N等分，N=(6_8)，可作N個的多拱變通道節(jié)21 (圖I)，每ー個多拱變通道節(jié)21 (圖I)的形狀由它的三個基準(zhǔn)面形狀決定，其入口截面PP (圖I)和出口截面qq(圖I)均為矩形(圖3)，該矩形高Hpq= (6 — 7) mm,則其底Bp q= (Ji d/2 —Hp q)mm,其中間截面zz (圖I)的截面形狀為多拱圓弧形面(圖4)。該圓弧形面(圖4)的下底ij為直線，下底ij的長Bz= (Bp q — 6)mm為宜；兩側(cè)邊ai和gj的高為Hz= (Hp q+A)mm,Λ為中心截面高度Hz與進ロ截面高度Hm之差，取Λ = (I - 6)mm,則可確定多拱圓弧形面的高Hz;為作出多拱圓弧形面(圖4)的上底多拱圓弧形線W，連結(jié)a g線，將a g線M等分，可作M個的圓弧拱，其圓弧拱的節(jié)距t=Bz/M;對每ー個的圓弧拱，只要確定該圓弧線上的任意三個點，如始點，終點和中點，便可確定該圓弧線。因此a g線上M等分的各節(jié)點可作為每ー個圓弧拱線的始點和終點。圓弧拱線的另外一點為各圓弧拱線的中點，若取定各圓弧拱線中點到a g線(即每一個圓弧拱線的弦線)的距離h= (3+0. 5 Δ) mm,則可確定各圓弧的中點，這樣可作出每ー個圓弧拱線，從而作出多拱圓弧形面(圖4)，即中間截面zz(圖I).其中間截面zz (圖I)的計算周長C1為Cl=Bz+2Hz +”^ )(角度按弧度計算)由于管徑d確定后,其原園周長C也確定,但中間截面zz (圖I)的計算周長C1,一般不等于原園周長C，因此要進行校核。為此，設(shè)定允許相對誤差ε,若計算相對誤差
S1 =100%滿足允許誤差ε要求，則認(rèn)為所選參數(shù)合適，否則，則微調(diào)Λ，重新計算
C1直至滿足誤差要求為止。以三個基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)縱向連接進ロ截面周界與中心截面周界上的相應(yīng)點和中心截面周界與出口截面周界上的相應(yīng)點，則形成ー個多拱變通道節(jié)外形。中心截面上底的拱數(shù)可以是任意的奇數(shù)，但也不必過多，以便于制造，綜合考慮各因素，取三拱、單拱或直線為宜，分別形成單拱，三拱和矩形變通道節(jié)。對于三拱的，按第一、第三拱上凸，第二拱下凹布置(圖4);對于單拱的，則按上凸布置，以便形成較圓滑的過度曲線；對于直線的，則中間截面為矩形(圖5)，其底Bzi= (Bp ,-6) mm，則其高Hzi= Hzi=(開d / 2-Bzl)mm。此時,其計算弧長C1 一定等于原園周長C,故不必校核。其中間截面zz(圖I)的截面形狀如與進出口矩形截面形狀相同，此時，多拱變通道段2 (圖I)就變成ー個矩形窄條扁通道，其高以(6-7) mm為宜。實施方案例一——三拱變通道節(jié)制作例考慮直徑d=76mm，長L=1856mm的圓管，取入口段，出口段長I1=I2=SOmm,則多拱變通道段長為1696_，將其分成8等分，N=8,每等分長1=212_，即可作8節(jié)的三拱變通節(jié)。每ー個三拱變通道節(jié)的進出口截面設(shè)為矩形(圖3)，兩側(cè)高Hp q=6mm，底Bp ,=開d / 2_Hp q=113. 38mm。每ー個三拱變通道節(jié)的中間截面為三拱圓弧形面(圖4)，M=3，其底Bz= (Bp q — 6)=107. 38mm,若中間截面高度Hz與進ロ截面高度Hp ^差Λ =3mm,則Hz=Hp q+Λ =9mm,和各圓弧中點到其弦線ag線的距離h=3+l. 5=4. 5mm,節(jié)距t=Bz/M=35. 79mm,因而確定了各圓弧拱線的始點，終點a、c、e、g及各圓弧拱線中點b、d、f。因而可作出三圓弧拱形線W (圖4)，從而確定了中間截面。校核若允許相對誤差ε =1%經(jīng)計算,原園周長c=238. 76mm,計算周長(^=237. 23mm,其相對誤差為O. 6% < 1%,滿足要求，所選參數(shù)合適?？v向連結(jié)進ロ截面周界與中間截面周界上的相應(yīng)點及中間截面與出ロ截面周界上的相應(yīng)點便制得三拱變通道節(jié)，對于三拱變通道節(jié)，第一、三拱上凸，第二拱下凹布置實施方案例ニ ——矩形變通道節(jié)制作例取一根直徑d=76mm，長L=1856mm的圓管，取入口段，出口段長I1=I2=SOmm,則多拱變通道段長為1696_，將其分成8等分，N=8，每等分長1=122_，即可作8節(jié)的矩形變通道節(jié)。每節(jié)的矩形變通道節(jié)的進ロ截面和出口截面為矩形(圖3)，兩側(cè)高Hp q=6mm，則底Bp q=(7Td/2-Hp ,)=113. 38mm,每節(jié)的矩形變通道節(jié)的中間截面為矩形(圖5)，其底Bzi=Bm —6=107. 38mm,則高Hzl= d/2-Bzl=12mm.因而可作出矩形的中間截面。縱向連接進ロ截面周界與中間截面周界上的相應(yīng)點和中間截面周界與出口截面周界上的相應(yīng)點，則制得矩形變通道節(jié)。對于矩形變通道節(jié)，其計算周長C1等于原園周長C，故不必進行校核計算。
權(quán)利要求1.一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，是ー個管道，沿流體流動方向，分入口段、多拱變通道段和出口段，其特征是多拱變通道段由多個彼此銜接的多拱變通道節(jié)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特征是多拱變通道節(jié)由它的進ロ截面、中間截面和出口截面的三個基準(zhǔn)面決定，進ロ截面和出口截面可以為相同的或不同的矩形，而中間截面為多拱圓弧形面，其下底和兩側(cè)高均為直線，上底為多拱圓弧形線W。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特征是三拱變通節(jié)，其長為212臟，進出ロ截面為矩形，矩形高Hp q=6mm,底Bp q=113. 38mm ;其中間截面為三圓弧拱形面，該三圓弧拱形面的下底Bz=107. 38mm,高Hz=9mm,各圓弧中點到其弦線距離h=4. 5mm,節(jié)距t=35. 79mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平板熱水器集熱體元件，其特征是矩形變通節(jié)，其長為212mm，進出口截面為矩形，矩形高Hp q=113. 38mm ;其中間截面也為矩形，該矩形的下底BZ1=107. 38mm,高 Hzl=12mm。
專利摘要一種多拱變通道平板熱水器集熱體元件，是一個管道，沿著流體流動方向，分入口段、多拱變通道段和出口段，多拱變通道段由多個彼此銜接的多拱變通道節(jié)組成，軸向沿著集熱體元件的任意一個截面，其周長相同，截面積不等。該多拱便通道平板熱水器集熱體元件，由于沒有接觸熱阻，能引起流體強烈湍動強化傳熱，故可大大提高熱水器效率，此外又由于結(jié)構(gòu)簡單，可靈活組合，還特別可用于太陽能建筑一體化中。本實用新型還提出了三拱和矩形變通道結(jié)構(gòu)集熱體元件制作例和參數(shù)選擇原則。
文檔編號F24J2/46GK202613805SQ20112052679
公開日2012年12月19日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者傅太平, 翁榮周, 唐源欣, 傅志森 申請人:泉州圣弗樂太陽能科技有限公司