[發明專利]真空重力熱管集熱元件減壓空曬保護方法及產品

有效

• 申請號: 201410158801.0
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103994589B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 施國樑
• 申請（專利權）人: 臺州長天能源技術有限公司
• 主分類號: F24S10/70
• 分類號: F24S10/70;F24S10/40;F24S10/95;F24S80/00
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技術領域

本發明涉及真空重力熱管集熱元件減壓空曬保護方法及產品。

背景技術

真空集熱管在其罩玻璃管與內玻璃管之間設置真空隔熱層，可制造冬季也能提供生活熱水的真空太陽能熱水器。用熱管真空集熱管制造的太陽能熱水器更具有管內無水能效比高、符合衛生飲用水標準、單管損壞照樣工作等優點。因此。管內無水的太陽能真空熱管熱水器將有可能占領越來越多的市場份額。

采用一體式玻璃熱管具有可以與罩玻璃管融封、玻璃熱管表面可以直接制作吸收膜傳熱環節少、可采用熱物理性能極佳的水作工質等優點。但空曬時，集熱元件熱管內部溫度可達230℃，這個溫度對應的飽和水蒸汽壓為28.53個大氣壓，對應的工質充裝量與熱管容積之比即工質容積比為1.1%，即每1升容積有11毫升水。

通過減少工質充裝量可以降低空曬時熱管內部的壓力，以水工質為例：當工質充裝量/熱管容積率從5毫升/1000毫升時的0.5%降低至2毫升/1000毫升時的0.2%，相應地其最高飽和蒸汽壓從180℃的約10個大氣壓降低至140℃的約3.7個大氣壓，并且熱管內部從140℃約3.7個大氣壓的最高蒸汽壓繼續升溫至180℃時內部壓力僅有4個大氣壓左右。但有時工質充裝量不能僅僅以空曬時的內部壓力來決定。對于一支工質充裝量/熱管容積率為0.2%、內部容積1000毫升、長度2000毫米的熱管，如果為了使空曬230℃時內部壓力不超過4個大氣壓，則工質充裝量約1.8毫升。問題是所述熱管即使為光管結構，在傾斜約45度工作時，冷端的冷凝水、熱端的流動水加上85℃水蒸汽的水量0.353毫升之和會遠超過1.8毫升。

為了滿足熱管正常工作而使工質充裝量/熱管容積率大于0.2%甚至0.3%，并確保玻璃熱管不因為空曬而炸管，必須采取空曬保護措施。

中國發明專利2009101951003抗空曬全玻璃真空熱管集熱元件，披露了一種空曬保護全玻璃真空熱管集熱元件，由在真空集熱元件吸收體和罩玻管之間設置可控傳熱通道構成，可控傳熱通道由活動傳熱件和驅動件組成，其特征在于含有與真空集熱元件吸收體低熱阻連接的熱力換能驅動件。由于這項專利不是專門針對重力熱管集熱元件的，因而針對性不強；其采用的雙金屬片熱力換能驅動件本來產品的一致性就不好，在多次受熱變形后恢復原狀的能力又會降低，其所承擔的控制系統相關的工作點設定、控制變量輸入、比較、換能和能量供給以及執行功能因為精度受到影響而遠不能正常有效工作到集熱元件可能的20年設計壽命。

圖4給出一支傾斜安置的光管結構重力熱管結構示意圖。

圖4中，熱管1由管殼和內部工質制成。其工作原理為：熱能從下方的熱端即并排向里的箭頭標示處輸入，使熱管1內部底端處的工質受熱汽化，蒸汽在壓差的作用下，向上行進到熱管冷端即箭頭并排向外標示處放出熱能供應給負荷并冷凝成液體在重力作用下回流至下面的冷端，在熱端工質再次受熱汽化……，由此不斷循環實現兩相流換熱循環。熱管具有優異的傳熱能力、熱流密度變換能力和等溫特性。如果熱管1熱端輸入100瓦，則其冷端輸出最高可以達到97瓦甚至更高。

如果試圖對圖4的熱管1僅僅從下面輸入熱能，而不取走熱能，則熱管1內部蒸汽壓會急劇上升。如果熱管1采用水作為工質并且足夠多，則在熱管1溫度達到230℃時，內部最高壓力可達28.53個大氣壓。

如果試圖對圖4的熱管1從上到下全面加熱并從下面略高于熱管1底端的地方譬如從底端開始的占整個熱管1長度3%的一段取出熱能，即僅僅令底端往前占熱管1總長度3%的部位同時作為重疊冷端，則熱管1內部的蒸汽壓會降到與下面冷端的溫度相對應的飽和蒸汽壓。譬如用水作為工質時，保持熱管1下面重疊冷端的溫度100℃，則即使上面其他部分加熱到230℃，因為熱管1內部的液態工質都集聚于底端和所述重疊冷端，除所述重疊冷端之外上面的熱管1熱端由于沒有工質補充整個干涸，兩相流傳熱機制不復存在。熱管1內部的蒸汽壓力也只有約1個大氣壓。

重疊冷端的一個例子是熱管管壁帶有吸收膜，吸收太陽光作為熱能輸入，同時用傳熱器件低熱阻連接所述熱管管壁并將熱能轉移。