一种基于旋转肋片的高效平板集热器

1.本发明涉及的是太阳能平板集热器，具体涉及一种可以强化传热的基于旋转肋片的高效平板集热器。


背景技术：

2.太阳能作为一种储量巨大、可持续性强、绿色清洁无害、获取方便的可再生能源,在人类社会的发展过程中一直发挥着无可替代的作用。太阳能集热器是太阳能热利用装置的关键构件，其主要由透明盖板、吸热板、保温材料、底板和边框组成。太阳能平板集热器具有结构简单、成本较低、易于安装的特点，被广泛应用于建筑采暖、生活及工业用水供应、干燥设备开发等方面。
3.现有的平板集热器中肋片采用固定式结构，换热工质流经换热通道时，其内部参杂的杂质在流动时会覆盖在吸热板表面，造成吸热板清洗困难，吸收热量减少，严重影响集热效率；同时，在换热通道中会产生换热空穴，降低换热工质的混合程度，无法高效均匀地吸收集热板热量。这是因为换热工质在换热通道中流动时，由于流速过低，内部杂质会覆盖在吸热版表面，导致边界层太厚，热量不能迅速从吸热板传递给换热工质。同时，吸热板的热量大部分都传递给底层工质，离吸热板较远的换热工质得到较少的热量就流出换热通道，导致吸热板热量无法高效均匀地传递给所有换热工质。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于旋转肋片的高效平板集热器，这种基于旋转肋片的高效平板集热器用来解决换热工质均匀混合以及与吸热板间高效换热问题。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于旋转肋片的高效平板集热器包括pc透明盖板、固定架、吸热板、铝金属外壳、柱状扰流组件、气流进口、气流出口，铝金属外壳为上端口开放的壳体，铝金属外壳的内壁设置绝热保温层，吸热板水平铺设于绝热保温层底面上，柱状扰流组件纵横相间排列在吸热板的集光面上，pc透明盖板将铝金属外壳的上端口封闭并形成集热腔，固定架从四周将pc透明盖板与铝金属外壳固定在一起；铝金属外壳一侧设置气流进口，另一侧设置气流出口，气流入口与风机连接，集热腔分别与气流进口、气流出口相通；柱状扰流组件包括柱状扰流元件、多个导流叶片、底座，多个导流叶片沿周向固定于柱状扰流元件上，多个导流叶片呈旋转状绕在柱状扰流元件外，柱状扰流元件的下端面固定在底座的轴承内圈上；底座采用深沟球轴承结构，底座包括轴承内圈、轴承外圈、保持架、多个钢球，轴承内圈与轴承外圈之间是保持架，保持架为筒形的，保持架筒身沿周向均匀设置多个球孔，各钢球分别装在保持架的球孔内，各钢球在球孔内能自由滚动，轴承内圈与各钢球相对应处设置弧形槽，保持架紧固于轴承外圈，轴承外圈固定于吸热板上。
6.上述方案中柱状扰流元件焊接四片导流叶片，四片导流叶片均沿曲面固定于柱状扰流元件上，形成漩涡状，导流叶片垂直于工质流动方向，确保风机启动后，气流顺着管道
流动时可以带动肋片高速旋转，并使换热工质均匀混合，大幅度减少换热空穴。
7.上述方案中柱状扰流组件外也镀有吸热涂层，可以加大换热面积以及对太阳辐射的吸热量。
8.上述方案中气流进口由2排4列大小相同的圆孔构成，且各圆孔均正对相应的导流叶片，风机启动后，气流顺着上排圆孔流动带动导流叶片旋转；同时导流叶片将从下排圆孔流动的气流进行导流。并带走吸热板上的热量，使不同位置的气流充分混合，进一步增加气流混合程度使之充分换热。
9.上述方案中气流出口由1排4个大小相同的圆孔构成。
10.本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的扰流组件的底座作为吸热板突起能有效破坏吸热板壁面边界层，提高扰流程度，增强传热效率。风机启动导入气流进入集热器，气流流经吸热板表面时由于粘性作用会在近壁区形成边界层。在边界层内，换热主要依靠导热方式，因为边界层的厚度对换热影响很大。厚度越薄热阻越小，换热程度越剧烈。本发明中的扰流组件底座直接与吸热板壁面接触，能有效破坏边界层，增强湍流程度。所以本发明能有效提高吸热板壁面与换热工质之间的传热效率。
11.2、本发明中的扰流组件的底座采用深沟球轴承结构，轴承外圈固定在吸热板上，轴承内圈与柱状扰流元件相接，轴承内外圈之间是多个以环形阵列形式排列的保持架，钢球装在保持架单元的兜孔内。该结构可以保证轴承外圈是固定结构，轴承内圈是活动结构，气流带动肋片旋转时可以减少轴承内圈相对运动时产生的滑动摩擦力，使肋片高速旋转。
12.3、本发明中的扰流组件中的柱状扰流组件侧表面焊接有一定角度固定的四片导流薄片，并与换热工质流动方向保持垂直。风机启动导入气流在集热器通道内，一方面从上排进口进入的气流可以带动肋片旋转，同时肋片将下排进口流经且已换热的气流导流运输至换热通道上层，实现吸热板热量高效均匀传递给换热通道中的所有工质。这是因为流体流动时会产生惯性，进入换热通道的换热工质会由于惯性保持横向流动流出换热通道，导致顶层换热工质获得热量较少，也即换热通道中的换热工质所得热量不均匀，流体密度也不均匀，导致其换热程度也不同。另一方面，旋转肋片可以有效防止气流中混杂的杂质在吸热板表面堆积，增大吸热板吸收量。这是因为换热工质在流经换热通道时，其内部参杂的杂质在流动时会覆盖在吸热板表面，造成吸热板清洗困难，吸收热量减少，严重影响集热效率。因此采用旋转式导流肋片结构即可以使初期进入通道的流体与部分换热后的流体进行充分换热，又可以使换热后温度较低的流体与温度较高的流体充分混合，进而使换热通道中的流体高效换热，吸收热量更均匀。
13.4、本发明中的柱状扰流组件上部也镀有吸热涂层，风机启动后从下排进口进入的气流除了与吸热板表面边界层进行换热外，还能与柱状扰流组件进行换热。可以进一步增大对太阳辐射的吸收量以及与气流的换热量。
14.5、相较于采用固定肋片结构的平板集热器，本发明中旋转式导流肋片结构可以增加与肋片之间的接触面积，同时在气流带动肋片旋转时可以进一步增大换热工质之间的混合程度，使其高效均匀的获得热量。
附图说明
15.图1是本发明的主视图。
16.图2是以a-a刨面的气流进口流道位置图。
17.图3是以b-b刨面的气流出口流道位置图。
18.图4是以c-c刨面的俯视图。
19.图5是柱状扰流组件的立体图。
20.图6为扰流组件的底座结构图。
21.图7是图6中以d-d刨面的结构图。
22.图中：1pc透明盖板、2固定架、3吸热板、4绝热保温层、5铝金属外壳、6柱状扰流组件、7底座、8风机、9一拖八气流管道、10气流进口、11气流出口、6-1导流叶片、6-2柱状扰流元件、7-1轴承内圈、7-2轴承外圈、7-3保持架、7-4钢球。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步的说明：结合图1-图7所示，这种基于旋转肋片的高效平板集热器包括pc透明盖板1、固定架2、吸热板3、铝金属外壳5、柱状扰流组件6、气流进口10、气流出口11，铝金属外壳5为上端口开放的壳体，铝金属外壳5的内壁设置绝热保温层4，吸热板3水平铺设于绝热保温层4底面上，柱状扰流组件6纵横相间排列在吸热板3的集光面上，pc透明盖板1将铝金属外壳5的上端口封闭并形成集热腔，固定架2从四周将pc透明盖板1与铝金属外壳5固定在一起；铝金属外壳5一侧设置气流进口10，另一侧设置气流出口11，气流进口10通过一拖八气流管道9与风机8连接，集热腔分别与气流进口10、气流出口11相通。柱状扰流组件6纵横相间排列在吸热板3上,可以有效破坏壁面边界层，进一步增大工质扰流程度。
24.绝热保温层4的左右两侧要高于吸热板3的上表面，pc透明盖板1装在绝热保温层4左右两侧的上部，固定架2装在pc透明盖板1和铝金属外壳5外部用于固定和密封，气流管道连接风机8与气流进口10。
25.柱状扰流组件6包括柱状扰流元件6-2、四个导流叶片6-1、底座，四个导流叶片6-1沿周向固定于柱状扰流元件6-2上，四个导流叶片6-1呈旋转状绕在柱状扰流元件6-2外，柱状扰流元件6-2的下端面固定在底座7的轴承内圈7-1上。
26.柱状扰流组件6的底座7采用深沟球轴承结构，底座7包括轴承内圈7-1、轴承外圈7-2、保持架7-3、多个钢球7-4，轴承外圈7-2固定于吸热板3上，轴承内圈7-1与柱状扰流元件6-2相连，轴承内外圈之间是多个圆孔以环形阵列形式排列的保持架7-3，钢球7-4装在保持架7-3的圆孔内，且直径小于圆孔，保持架7-3紧固于轴承外圈7-2。该结构可以保证轴承外圈7-2是固定结构，轴承内圈7-1是活动结构，同时钢球7-4借助保持架7-3的圆孔均匀的分布在内外圈之间并防止脱落，可以减少相对运动时轴承内圈产生的滑动摩擦力，使肋片高速旋转，减少肋片对气流流动产生的压降；同时又可以有效破坏壁面边界层。底座7采用深沟球轴承结构，其动摩擦系数小，可以同时承受径向荷载和轴向荷载。
27.扰流组件底座的轴承外圈7-2和吸热板3之间采用焊接方式固定，保持架7-3紧固于轴承外圈7-2，轴承内圈7-1与柱状扰流元件6-2的下端面以焊接方式固定。
28.底座采用深沟球轴承结构，其滚动转动方式可以减少肋片随气流转动时产生的阻
力，使其高速旋转。
29.导流叶片6-1为肋片，是导流薄片，四片导流薄片无缝焊接于柱状扰流元件侧表面，并垂直于工质进口流动方向。风机启动，从上排进口流入的外部气流随管道进入集热器内集热腔中，其产生的动能带动肋片旋转并产生漩涡，增大气流混合程度。导流薄片又能将下排进口进入的已换热后的气流进行导流，可以使初期进入通道的流体与部分换热后的流体进行充分换热，又可以使换热后温度较低的流体与温度较高的流体充分混合，使换热更加均匀。
30.柱状扰流组件6和吸热板3上均镀有吸热涂层，进一步增大吸热板对太阳辐射的吸热量以及与换热气流之间的换热量。
31.气流进口为2排4列大小相同的圆孔，且圆孔进口位置正对于旋转肋片的导流叶片6-1。各气流进口10通过一拖八气流管道9与风机8连接，风机8启动后气流顺着上排圆孔流动带动肋片旋转；同时导流叶片6-1将从下排圆孔流动的气流进行导流并带走吸热板上的热量，使不同位置的气流充分混合，进一步增加气流混合程度使之充分换热。气流出口由1排4个大小相同的圆孔构成。
32.本发明的工作原理:本发明中吸热板上纵横相间固定有带有底座7的柱状扰流组件6，肋片底座采用深沟球轴承结构，轴承内圈7-1相接与柱状扰流元件6-2的下端面，其侧表面焊接有四片以一定倾角固定并保持旋转状的导流薄片，并与工质流动方向保持垂直。采用该组件可以最大限度增大换热工质的接触面积和混合程度。当风机启动，气流流进通道时，一方面可以带动肋片转动，增大接触面积和混合程度，使换热通道中各部分的换热工质高效均匀获得热量，解决换热通道中换热工质纵向流动的问题；另一方面，底座采用深沟球轴承结构，该结构以滚动方式转动，可以减少轴承内圈转动时产生的滑动摩擦力，保证该肋片可以高速旋转；还可以作为吸热板突起破坏表面边界层，提高扰流程度；而且，除了吸热板3，柱状扰流组件6上也镀有吸热涂层，可以加大换热面积以及对太阳辐射的吸热量。
33.本发明中，旋转式肋片可以利用气流流动时产生的动能带动肋片旋转，保证气流充分混合，且增大换热面积，强化换热效果，实现太阳能平板集热器的高效换热。
34.本发明中扰流装置结构简单，便于组装，该肋片不仅可以破坏层流边界层，加强边界层流体微团与主流区微团质量与动量的交换，其底座轴承结构可以减少工质流动带动肋片旋转时产生的滑动摩擦力以及肋片对气流产生的压降，使肋片高速旋转，进一步提高换热工质的混合程度与接触面积，同时除吸热板外，柱状扰流组件也镀有吸热涂层，增大对太阳辐射的吸收量以及于气流之间的换热量。所以该旋转式肋片扰流装置不仅可以增强集热器的传热效率，还可以使换热工质高效均匀获得热量，提高集热器热利用率。
35.本发明解决在现有的采用固定肋片结构的平板集热器换热通道中，换热气流与吸热板3间换热不均匀以及换热气流与固定肋片之间压降较大的问题。在本发明中，风机8引入气流进入集热器内，气流流动带动肋片旋转，即可以强化空气混合程度，又能大幅度减少换热空穴以及气流压降。