阅读说明：本技术 一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器 (Nano fluid heat collector with spiral reinforced heat pipe ) 是由 李博 刘添旺 台颖娣 程驰 王军锋 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器,包括相变蓄热箱和集热单元,集热单元包括一个或多个真空导热管,真空导热管包括封闭式的热管,热管套有集热层的一端为热管蒸发端,另一端插入相变蓄热箱内为热管冷凝端；热管内设有螺旋强化冷凝器,且热管内填充有纳米流体作为导热工质,本发明以纳米流体为工作介质能够有效提高太阳能集热效率。(The invention discloses a nanofluid heat collector with spiral reinforced heat pipes, which comprises a phase-change heat storage tank and a heat collection unit, wherein the heat collection unit comprises one or more vacuum heat conduction pipes, each vacuum heat conduction pipe comprises a closed heat pipe, one end of each heat pipe, which is sleeved with the heat collection layer, is a heat pipe evaporation end, and the other end of each heat pipe, which is inserted into the phase-change heat storage tank, is a heat pipe condensation end; the spiral reinforced condenser is arranged in the heat pipe, and the nano fluid is filled in the heat pipe to be used as a heat conducting working medium.)

一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器

技术领域

本发明属于太阳能热交换技术领域，尤其是一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器。

背景技术

太阳能作为一种理想的清洁能源，对其高效利用有着对于环境保护和能源利用的双重重要意义。目前对于太阳能的利用的领域主要有光伏发电、热发电和直接热利用，其局限性在于太阳能只能在白天利用，并且转化效率非常低。因此提高太阳能集热效率是解决这些局限问题的重要途经之一。

专利文件(CN 1932410A)提出了一种纳米流体太阳能窗式集热器，其主要方案是利用不同的纳米流体，分波段、多形式、全波段利用太阳能辐射，但是此方法的缺点是散热率太高，根本无法达到集热的目的。

专利文件(CN 203813716 U)提出了一种基于纳米流体的微通道的冷却高倍聚光太阳能光伏光热系统，其主要方案是采用纳米流体微通道分系统散热方式，达到高效率的光伏效果，但是此方法存在纳米流体堵塞微通道的缺点。

专利文件(CN 102434981 A)提出一种平板热管式集热器，其主要方案是利用一种平板热管集热器达到对太阳能的高效利用，但是此方法具有制造难度大、理论基础不严密的缺点。

由现状可知，目前太阳能集热器市场上并不具备综合性能指数很高的产品，进一步的研究完善技术显得非常重要。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器。

本发明所采用的技术方案如下：

包括相变蓄热箱和集热单元，所述集热单元包括一个或多个真空导热管，所述真空导热管包括封闭式的热管，所述热管套有集热层的一端为热管蒸发端，另一端***相变蓄热箱内为热管冷凝端；所述热管内设有螺旋强化冷凝器，且热管内填充有纳米流体作为导热工质；

进一步，所述热管内的纳米流体选用氧化物纳米流体，如Al2O3、CuO、TiO2、MgO、ZnO或SiO2等纳米流体；

进一步，所述螺旋强化冷凝器包括沿热管轴向设置的引流柱，环绕引流柱设有螺旋吸液芯，且螺旋吸液芯自热管冷凝端往热管蒸发端为螺旋渐缩设置；所述螺旋吸液芯通过毛细吸管连接引流柱；

进一步，所述引流柱采用具有导热性和疏水性的材料，如铜、铝或不锈钢；

进一步，所述螺旋吸液芯采用具有良好导热性能且具有良好的抗热胀冷缩性能的材料，玻璃、陶瓷或氮化硅；

进一步，所述毛细吸管采用具有良好导热性能的金属或非金属亲水性材料，如铜粉、镍粉或者陶瓷粉末烧结材料；

进一步，所述集热层为包括U形双层玻璃管，双层玻璃管的开口端通过热管连接螺纹实现与热管之间的固定；双层玻璃管的外玻璃管与内玻璃管之间为真空层且真空夹层中放置消气剂；

进一步，所述内玻璃管的外表面上涂覆有吸收涂层；所述内玻璃管与热管外壁之间填充有二氧化硅纳米流体；

进一步，所述二氧化硅纳米流体颗粒平均直径为10nm，质量分数为5％，导热系数随温度变化范围为1.102-1.402；

进一步，所述相变蓄热箱的蓄热箱内壁和蓄热箱外壁之间为保温层，在保温层内填充有保温材料，所述保温材料采用矿棉或岩棉。

本发明的有益效果：

1、本发明的热管式集热器采用相变传热方式，以纳米流体为工作介质，由于纳米流体独特的性质以及特殊的结构设计，填充纳米流体时不充满内外玻璃管中的真空夹层，热管中纳米流体换热工质在非激活状态储存在热管蒸发端，工质有一定的膨胀空间，本发明具有防寒抗冻的特点，适合在西北地区使用.

2、太阳能透过外玻璃管照射到内玻璃上，内管吸热，然后加热内管与热管之间的传热流体，由于夹层之间抽成真空；有效降低了向环境散失的热损失，使集热效率得以提高。特殊的选择性涂层具有耐温性能。太阳光辐射的能量主要分布在可见光和近红外光区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在远光区，使用铝-氮/铝选择性涂层能太阳能吸收率大于0.93，红外发射率小于0.09，使得集热效率大幅提高，热损失显著降低。

3、由于纳米颗粒的粒径在纳米尺度，受布朗力等力的作用，纳米流体中悬浮的纳米颗粒做无规则运动。纳米颗粒的微运动使得颗粒与液体间有微对流现象，这种微对流增强了颗粒与液体间的能量传递过程，所以纳米流体的导热系数比传统纯净液体高很多。所以采用纳米流体作为导热工质，能够提高集热器的热效率，能够在较短的加热时间内使水加热到所需温度。

4、采用本发明所述的太阳能集热器，在太阳能直射下，能够在1h到2h内达到最高稳定温度，所述最高稳定温度在76摄氏度左右。相比于传统的太阳能集热器在相同的光照条件下，需要至少三到四个小时才能达到最高稳定温度，所述最高稳定温度为70摄氏度左右。本发明所述集热器具有启动时间快，导热效率高，热量损失小等特点。

5、本发明所述的热管内部安装有螺旋强化冷凝器，锥形结构具有单向冷凝功能，螺旋结构形成将热管内部分为两个通道，一部分蒸汽通道，一部分冷凝液回流通道。螺旋结构内部的毛细吸管和引流柱的毛细吸力形成回流通道，减小回流阻力较小，轴向导热系数增大。相比于传统的热管，所属热管具有启动速度快、轴向导热系数高、循环速率大等优点。

6、本发明所设计的产品寿命长、可靠性高、稳定性好。

7、本产品节能减排，采用纳米流体光热技术，太阳能吸收率显著提高，符合可持续发展政策。

附图说明

图1是本发明结构总装示意图；

图2是本发明热管结构剖视图；

图中，1、出口调流阀，2、温度传感器，3、排气口，4、蓄热箱外壁，5、保温材料，6、蓄热箱内壁，7、入口调流阀，8、相变蓄热箱，9、水位检测器，10、真空导热管，11、蓄热箱内热水，12、出水口，13、入水口，14、外玻璃管，15、真空层，16、吸热涂层，17、内玻璃管，18、二氧化硅纳米流体，19、热管内壁，20、热管连接螺纹，21、外玻璃管支撑材料，22、消气剂，23、支架，24、螺旋吸液芯，25、毛细吸管，26、引流柱，27、螺旋冷凝器间隙，28、热管蒸发端，29、热管冷凝端，30、热管，31、螺旋强化冷凝器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所设计的一种具有螺旋形加强热管的纳米流体集热器，包括相变蓄热箱8和集热单元，相变蓄热箱8的蓄热箱内壁6和蓄热箱外壁4之间为保温层，在保温层内填充有保温材料5，在本实施例中，保温材料5可以采用矿棉或岩棉，且保温层厚度40mm至50mm，能够保证稳定的蓄热能力，抑制水箱通过热传导向周围环境散热调整一天热量的供给和取用之间的不平衡。在相变蓄热箱8一面侧壁的底部设有入水口13，在入水口13上设置入口调流阀7，在另一面侧壁的上部设置出水口12，在出水口12上设置出口调流阀1，在相变蓄热箱8的顶部设有排气口3。在靠近出水口12的蓄热箱内壁6处设有温度传感器2，用于检测出水口的温度，判断是否达到使用要求，达到使用要求才能开启出口调流阀1；在相变蓄热箱8的底部内侧设有水位检测器9，根据水位检测器的数据判断水箱是否需要供水，保证水箱储存足够的热水。

集热单元包括一个或多个真空导热管10，如图2所示，真空导热管10包括封闭式的热管30，热管30外套有集热层，集热层包括U形双层玻璃管，双层玻璃管的开口端通过热管连接螺纹20实现与热管30之间的固定；双层玻璃管的外玻璃管14与内玻璃管17之间为真空层15且真空夹层15中放置消气剂22，为了保证外玻璃管14与内玻璃管17之间的稳定，在外玻璃管14与内玻璃管17之间设置支撑件21。

在内玻璃管17的外表面上涂覆有吸收涂层16，吸收涂层16采用磁控溅射工艺，利用铝-氮/铝选择吸收膜，该膜吸收率大于0.93，红外发射率约为0.06，选择性吸热涂层的作用是尽可能多地吸收太阳能，将其转化为热能而被利用，与此同时尽可能减少因热辐射而产生的热损失，提高集热管的光热转化效率。内玻璃管17与热管外壁之间填充有二氧化硅纳米流体18，二氧化硅纳米流体18颗粒平均直径为10nm，质量分数为5％，导热系数随温度变化范围为1.102-1.402；热管30包裹有集热层一端的内部为热管蒸发端28，另一端为热管冷凝端29，且热管冷凝端29***相变蓄热箱8内部。

热管30内部填充有氧化物纳米流体作为导热工质，例如Al2O3、CuO、TiO2、MgO、ZnO或SiO2等纳米流体，在本实施例中选用Al2O3纳米流体；在热管30内部沿热管30的轴向设有4根引流柱26，4根引流柱26之间围成一根正方形，正方形边长(即每根引流柱26间距约)等于10mm，且引流柱26的底端通过支架23与热管30内壁固定连接，引流柱26是表面光滑的材料，具有良好的抗热涨冷缩性，导热性和疏水性，例如选用如铜、铝或不锈钢；

环绕引流柱26设有螺旋吸液芯24，且螺旋吸液芯24自热管冷凝端29往热管蒸发端28为螺旋渐缩设置，最上端的螺旋吸液芯24与热管内壁19之间的螺旋冷凝器间隙27往下越来越大；且螺旋吸液芯24通过毛细吸管25连接引流柱26的外壁；通过毛细吸管25对螺旋吸液芯24起到支撑固定的作用。在本实施例中，螺旋吸液芯24采用具有良好导热性能同时要具有良好的抗热涨冷缩性能的材料，例如选用玻璃、陶瓷或氮化硅；毛细吸管25选用具有良好导热性能的金属或非金属亲水性材料，毛细吸管25与螺旋吸液芯24较粗直径约为5mm，与引流柱26连接端较细直径约为2mm，倾斜角度约为45°，毛细吸管25其对液滴具有良好的吸附作用，将冷凝形成的液滴吸附汇聚至引流柱26，由引流柱26流至热管蒸发端28。

在本实施例中，稳定的Al2O3纳米流体和SiO2纳米流体18采用两步法制备，通过计算选择适量的SiO2纳米颗粒粉体材料，经过高速剪切机剪切后由高压微射流将颗粒均匀地分散到基液中，制备出质量分数为5％的纳米流体。详细过程为采用平均粒径为10nm的Al2O3和SiO2纳米颗粒，基液采用去离子水，分散剂选用上海克拉玛尔公司生产的阴离子表面活性剂SDS和高分子表面活性剂***树胶(Arabic gum，AG)。依次加入基液、分散剂、纳米颗粒，搅拌均匀后，磁力搅拌10min，随后放入KQ-400KDB型高功率数控超声波清洗器中进行超声分散。为防止纳米流体过热，每隔40min停止超声3min，对超声波清洗器进行换水。超声分散结束后，将纳米流体静置0.5h，使其冷却到室温，利用SS-2Z型悬浮物测试仪测定其中悬浮物的含量，从而分析纳米流体的稳定性。

为了更清楚的解释本发明所保护的技术方案，以下结合本发明的工作过程作进一步解释：

在本发明所设计的集热器工作过程中，首先向相变蓄热箱8中注入冷水，通过真空导热管10下部的集热层接收太阳能，集热层将热量传输到热管30中，热管内壁19中的18导热工质吸收热量，在热管蒸发端28气化，穿过螺旋冷凝器间隙27上升。在伸入相变蓄热水箱8的热管冷凝段端29与水交换热量。换热后在热管冷凝端29产生乏气回流到热管冷凝端27，螺旋强化冷凝器31的外缘与热管内壁19紧密接触，内壁上的凝结的液滴会与壁面脱离进入螺旋强化冷凝器内部并附着在冷凝器边缘上。所述热罐内壁19上凝结液滴及时脱离避免了常规热管壁面液滴驻留和聚合导致热管轴向热阻增大。所述冷凝器外边缘凝结的液珠由于毛细吸管25和引流柱26的作用汇聚到冷凝器中心部分向下快速流动，减小热管的轴向热阻.由于气液界面之间存在表面张力，热管内部会形成蒸汽通道和冷凝液回流通道。所述螺旋强化冷凝器31的锥状形态控制截面含液率，使蒸汽从热管蒸发段28上升时拥有足够的蒸汽通道，下降时能够充分快速地冷凝，提高热管10工作效率。所述相变蓄热水箱8中的温度传感器2和水位检测器9检测水箱内部的水温和水位，控制出水口12和入水口13的流量。所述相变蓄热水箱8中的温度过高时，装置通过排气口3释放压力。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。