一種相變換熱裝置的製作方法

2023-05-28 01:32:21 1

專利名稱：一種相變換熱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種換熱裝置。
背景技術：
隨著太陽能等可再生能源利用在全世界蓬勃發展，太陽能聚熱發電(CSP)逐步為人們所認識，在CSP體系中，吸熱傳熱部分具有非常重要的地位。太陽能的集熱管技術的換熱介質，目前主要採用導熱油為傳熱工質，經導熱油換熱後驅動常規蒸汽輪機帶動發電機 組發電。由於目前的導熱油工作溫度必須控制在400°c以內，超出這一溫度將會導致導熱油裂解、粘度提高以及傳熱效率降低等問題，因此限制了太陽能聚熱發電的工作溫度。同時，導熱油使用成本很高，因此迫切需要有新的傳熱工質取代導熱油，以提高工作溫度，並降低裝置造價和運行成本。目前國際太陽能集熱技術的換熱介質的替代品有熔融鹽類材料，但其結晶點較高，大多在230至260°C左右，因此直接替換仍有諸多困難，當前熔融鹽主要用於熱儲能。用水直接作為換熱介質的直接蒸汽發生(DSG)技術已經試驗多年，該技術與蒸汽鍋爐受熱管道運行原理相似，以水為工質，將低溫水自吸熱管路一端注入，水在沿管路軸向行進過程中吸熱逐漸升溫，達到沸點後變為飽和蒸汽，再繼續吸熱變為過熱蒸汽。由於水在受熱管內發生沸騰時狀態不穩定，存在兩相流傳輸和汽化壓力在集熱管內不均勻等問題，發生例如水錘、振動、管路材料疲勞破壞現象；另外在飽和蒸汽變為過熱蒸汽段，由於蒸汽導熱能力差，熱吸收能力較弱，容易發生管路過溫損毀，並且當管路受熱不均勻時會發生嚴重彎曲，帶來其他損失(如真空密封破壞)。因此該技術仍停留在試驗階段，但只要這些問題能夠得以解決，DSG技術就成為成本最低、效率最高的環保安全型太陽能熱發電關鍵技術。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中存在的上述問題，提供一種可應用於多領域的相變換熱裝置。本發明提供了一種相變換熱裝置。該相變換熱裝置包括內管、外管和換熱介質；所述內管布置在外管內，內管管壁布置介質通道；所述換熱介質以液態從所述內管端部流經整個內管，同時穿過內管的管壁介質通道進入內管和外管之間的空間，接收外管壁獲得的熱源，所述換熱介質相變成氣態蒸汽後自外管端部輸送至所述相變換熱裝置的外部。優選地，所述內管長度為外管長度的50% -100%。優選地，所述介質通道為通孔、噴嘴或滲透材料。優選地，所述內管的通孔方向與管截面半徑方向形成夾角。優選地，所述內管的通孔方向與所述蒸汽運行的方向相反且形成夾角。優選地，所述內管內布置有第三管，所述換熱介質從第三管中注入所述相變換熱
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優選地，所述外管包括第四管，所述內管與外管之間同軸布置一個或多個沿軸向排列的第四管，且內管與所述第四管之間間隔一定距離。優選地，所述內管、外管、第三管和第四管的所選材料為金屬、陶瓷或玻璃材料。優選地，所述換熱介質為水或導熱油或導熱姆。本發明提供了一種相變換熱裝置的應用，即所述相變換熱裝置應用於太陽能熱利用領域及鍋爐加熱領域。本發明的相變換熱裝置可以在沿管路軸向分布的多個位置點同時向受熱空間內注入換熱介質，使每個位置的注入換熱介質質量相對很少，能夠在整個相變換熱裝置的軸向上基本同時獲得迅速的升溫相變，從而克服傳統的換熱介質直接在受熱管一端注入，在受熱管內沿軸向運動過程中逐漸受熱升溫，發生局部突然沸騰的不穩定狀態、受熱管軸向上吸熱能力不均勻、汽化後的受熱管段圓周上的溫度不均勻等現象，以及由此引起在軸向上發生的兩相流變換和汽化壓力的軸向非均勻帶來的如水錘、振動現象和管路疲勞損壞， 以及局部管溫過高燒壞、管路彎曲等問題。並且使熱吸收效率更高。


圖I是本發明的相變換熱裝置結構示意圖。圖2是本發明的相變換熱裝置結構的金屬內管通孔布置示意圖。圖3是本發明的相變換熱裝置整體結構第一實施例示意圖。圖4是本發明的相變換熱裝置整體結構第二實施例示意圖。圖5是本發明的相變換熱裝置應用於太陽能領域的第三實施例示意圖及局部放大圖。
具體實施例方式
下面參照附圖對本發明的具體實施方案進行詳細的說明。圖I是本發明的相變換熱裝置結構示意圖。從圖I的局部剖視部分可見，本發明的相變換熱裝置I包括金屬內管2、金屬外管3和換熱介質4。金屬內管2和金屬外管3通過間隔布置的金屬支撐件相互支撐地同軸內外布置。金屬外管3的外壁為受熱面，在金屬內管2的管壁內按一定規律布置貫穿管壁的通孔7。換熱介質4於金屬內管2的內部以液態形式流經金屬內管2，穿過金屬內管2的管壁通孔7進入內外管之間的空間或噴射到外管內壁，接受金屬外管3壁的熱量，然後，換熱介質被加熱成氣態蒸汽並輸送到所述換熱裝置外部，完成能量換出。因當液體流過金屬內管2時，金屬內管2的內部壓力大於外部，並且平均下來每個通孔單位時間流出的介質量很少，液態換熱介質4穿過管壁的通孔呈噴射狀，擴散到內外管之間的空間甚至到達外部受熱的金屬外管的內壁，因此軸向上各處的噴出介質可基本同時迅速受熱成高溫和過熱氣態蒸汽，從金屬外管3與金屬內管2所形成的空間通道輸送至相變換熱裝置系統之外，從而避免大量液體積累後發生局部突然沸騰等不穩定狀態。優選地，為了進一步增強內部運行的換熱介質4蒸汽的換熱能力，在金屬外管3的內壁螺旋布置翅片。換熱介質4是在一定的範圍內具有氣液兩相變化的物質，如水、酮類、醚類、醇類、各種有機物或液態或低熔點金屬等熱管介質。優選地，換熱介質4為水、導熱油、導熱姆。
圖2是本發明的相變換熱裝置結構的金屬內管通孔布置示意圖。從局部剖視部分可見，優選地，金屬內管2的通孔7方向與管截面半徑方向形成一定角度夾角，從而加大換熱介質4的流經行程並形成沿圓周方向旋轉，改善換熱裝置外管在圓周上的溫度均勻性及增強換熱效果，並能夠避免由於外管受熱不均造成的管路彎曲現象。優選地，金屬內管的通孔方向除了在圓周上徑向夾角布置外，在管路軸向方向上與蒸汽運行的方向成一定逆向角度，使得液態換熱介質從通孔噴射後與蒸汽充分碰撞接觸、液態顆粒進一步被分割微化，減少液態換熱介質兩相變化的衝擊。此外，所述成逆向角度的通孔還達到使蒸汽整體環繞以內管為軸螺旋前進，加大與外管內壁的接觸路徑面積，增強換熱並勻化外管圓周方向的溫度分布，減少管路彎曲的效果。進一步優選地，將金屬內管的通孔在軸向上變間距地布置，改善由於蒸汽從管路端部輸出帶來的參數分布不均勻性，使沿軸向上各處的吸熱能力相對均勻，從而使外管溫度在軸向上相對一致 ，增強吸熱能力，減少熱損失，避免局部過溫損壞，使蒸汽換熱介質在運行中保持穩定安全的參數。更優選地，在蒸汽的出口端近側，內管上的通孔的間距較大，而在遠側通孔的間距較小，按照接收熱量的位置的不同，非均勻地布置通孔7可獲得所需穩定的蒸汽換熱介質。優選地，金屬內管2可採用脈衝式充液，一定時間間隔地向內外管空間充液，以此方式控制充液量，降低小直徑通孔加工難度；優選地，所述金屬外管3內壁布置螺旋翅片，使得內部運行的蒸汽換熱介質產生渦旋，增強換熱能力。在一個實施例中，為了提高相變換熱裝置的工作效率，將其整體長度設計的很長例如1000米。優選地，在金屬內管2的外壁設有絕熱層，所述絕熱層減少金屬內管與金屬外管形成空間內的高溫蒸汽對金屬內管內部的液態換熱介質4的換熱；優選地，採用沿液態換熱介質流經的方向階梯減小內管內徑增加絕熱層壁厚設計，以增加液態換熱介質行進中的熱阻，其中階梯增加是指離散式地增加，逐步減小的金屬內管可通過焊接的方式連接；優選地，金屬內管2與金屬外管3的長度不一致，沿液態換熱介質流經的方向金屬內管2的長度短於金屬外管3的長度，即蒸汽有一定區域的過熱區，使得在蒸汽換熱介質的輸出端無液態換熱介質的噴入，使蒸汽直接受熱完成進一步的過熱過程。以上優選方法可以避免使未從金屬內管2的通孔7噴射至外部的液態換熱介質因受熱過多而引起在金屬內管2管內發生沸騰或氣化現象；減少金屬內管2與金屬外管3形成空間內的高溫蒸汽對金屬內管2液態換熱介質的傳熱；防止內部液態換熱介質的沸騰帶來的不穩定影響。本發明的相變換熱裝置採用相變介質例如水為工質，在線性如管狀受熱空間內，沿軸向相對均勻地分布注入水，使注入水主要在沿徑向運動的路徑上發生吸熱相變的相變換熱結構及應用。在受熱管路軸向上布置內管分布水路，將入口的低溫水在管路軸向上的各分布位置相對均勻的噴出，由於各點噴水量微少，都能相似的迅速發生水受熱升溫再變為飽和蒸汽，進一步加熱成高溫過熱蒸汽的相變換熱過程，此方式可以在整個相變換熱裝置的軸向上空間獲得相對均勻的兩相變換，從而克服發生在軸向上流動過程中逐漸發生的兩相流變換和汽化壓力的軸向非均勻帶來的各種問題，例如水換熱介質的水錘、振動現象和管路疲勞損壞等；此外，為了獲得乾燥的蒸汽輸出，還可以通過控制蒸汽以更高溫度和較低壓力的輸出，以獲得完全乾燥過熱蒸汽。圖3是本發明的相變換熱裝置整體結構第一實施例示意圖。相變換熱裝置I整體布置成U型。液態換熱介質4-1與氣態換熱介質4-2的流經方向一致，A為液態換熱介質4-1的進口，B為氣態換熱介質4-2的出口，A、B兩口空間距離較近，可以在進口 A設置自力式溫控閥8，通過感應出口 B輸出蒸汽溫度的溫度變化調節控制入口 B輸入介質的流量，保持輸出蒸汽溫度參數穩定，結構簡單可靠，成本低。在相變換熱結構裝置I的內部，金屬內管2與金屬外管3之間有金屬支撐件6，以完成之間的相互支持，滿足長距離地機械布置的強度。優選地，金屬內管2與金屬外管3的長度不一致，沿液態換熱介質流經的方向金屬內管2的長度短於金屬外管3的長度，即蒸汽有一定區域的過熱區，同時也可減少金屬內部與金屬外部形成空間內的高溫蒸汽對金屬內管2液態換熱介質的傳熱，防止內部液態換熱介質的沸騰帶來的不穩定影響。圖4是本發明的相變換熱裝置I整體結構第二實施例示意圖。相變換熱裝置I包括金屬內管2、金屬外管3和換熱介質4。此外，在金屬內管2還包括內部布置的金屬第三管5 ;液態換熱介質4從金屬第三管5入口端流入,從金屬第三管5的出口端流出至金屬內管2與金屬第三管5 二者形成的空間內部，再通過金屬內管2壁上的通孔7噴入金屬內管2和金屬外管3之間的空間中。此方式可以均勻降低金屬內管的液態換熱介質溫度，避免了液態換熱介質4在運行過程中的沸騰氣化現象。優選地，所述金屬第三管5小於金屬內 管2的長度。更優選地,金屬第三管5長度可以為金屬內管長度的20% 99%。優選地，所述金屬第三管5的管壁分布有通孔，通過控制水流注入位置，調節金屬內管2的管內部各處溫度和壓力分布，並且使金屬內管2內部的換熱介質4處於激活狀態，長期保持活動攪拌的狀態，降低換熱介質4的沸騰的可能性。優選地，金屬外管3與金屬內管2空間內部同軸一定間隔布置的一個或多個第四管13，所述第四管13沿軸向排列，且內管2與第四管13之間間隔一定距離，第四管13與金屬內管2之間可形成封閉空間或相對封閉空間，達到對金屬內管2的隔熱作用。一個或多個第四管13間隔布置，換熱介質金屬流經第四管13，穿過內管2上位於第四管13之間間隔的通孔7噴射至第四管13與金屬外管3之間的空間內，而第四管13與金屬內管2之間所形成的空間的蒸汽處於靜止或低速運行狀態，大大降低高速流動蒸汽對金屬內管2的換熱能力，降低高速流動的蒸汽對金屬內管外管壁的高速換熱帶來的金屬內管內部液態換熱介質的沸騰汽化影響。本實施例可以很好地解決液態換熱介質的沸騰問題及內部液態換熱介質的沸騰帶來的不穩定影響。圖5是本發明的相變換熱裝置I應用於太陽能領域的第三實施例示意圖及局部放大圖。在本實施例中，相變換熱裝置I應用於太陽能集熱，包括金屬內管2、金屬外管3和金屬第三管5，三者同軸布置。金屬外管3為太陽光線會聚加熱面，接收拋物面反射鏡10或菲涅爾反射鏡陣列反射會聚的光，且金屬外管3的外壁塗有低發射率、高吸收率塗層，以高效接收外部熱量。進一步優選，在金屬外管的外部布置有玻璃套管9，玻璃套管9與金屬外管3、金屬內管2或金屬第三管5同軸布置，玻璃套管9與金屬外管3通過密封端頭相互連接，且二者所形成的空間處於真空狀態。優選地，所述金屬外管3周邊設置有反射光學系統，增大入射光線光學容差角度、勻化入射光線分布，使金屬外管沿圓周方向相對均勻受熱，改善換熱效果，減少管路彎曲。本實施例中，相變換熱裝置I整體布置成線性，液態換熱介質與氣態換熱介質的流經方向相反，相變換熱裝置I 一端封閉，另一端為液態換熱介質的入口和過熱蒸汽的出口，通過相變換熱裝置I內的換熱介質換出系統外部，減少U型迴路在轉彎處的跨接管路材料及熱損失。同時，由於此方式液態介質入口和蒸汽出口兩口空間距離較近，可以在進口設置自力式溫控閥，通過感應出口輸出蒸汽溫度的溫度變化調節控制入口輸入介質的流量，保持輸出蒸汽溫度參數穩定，結構簡單可靠，成本低。在一個具體實施例中，將本發明的相變換熱裝置應用於太陽能槽式或菲涅爾反射鏡陣列熱利用，所選換熱介質4為去離子水；反射鏡的光學開口寬度為6米，金屬外管和反射鏡組的長度為1000米，太陽能直射光強密度(DNI)為800W/m2 ;接收部分為金屬外管3，其外徑為76mm，厚度6mm。金屬內管2的外徑為34mm，厚度3mm ;金屬內管2內部的換熱介質以150°C，壓力lOMPa，流經金屬內管2，該高壓的傳熱介質換熱介質穿過管壁的通孔7到達金屬內管2與金屬外管3所形成的空間內，與內部蒸汽混合，接收金屬外管3所吸收的太陽光熱量，受熱成高溫和過熱水蒸氣，產生8MPa, 550°C過熱蒸汽。基於上述，金屬外管3理想全部接收太陽能量的功率為4800kW ;管道內換熱介質水的焓變為2880. 47kJ/kg，則換熱介質4的質量流量為1.66kg/s ;液態水在金屬內管2內的流速約為2. 92m/s ;而金屬內管2與金屬外管3所形成的空間的蒸汽的流速約為32. 45m/s。從上述數據說明整個體系中換熱介質4的流量適中，完全能夠滿足所需的能量傳輸能力。
本發明的相變換熱裝置I還可以應用於鍋爐加熱領域。其中，金屬外管3為受熱面，將從金屬內管2或金屬第三管5流入的液態換熱介質加熱至蒸汽態，完成熱能換出；除不需要吸收塗層和光學結構外，其它具體結構細節與上文描述相同。此應用也同樣具備上述各項相變換熱裝置的優點。顯而易見，在不偏離本發明的真實精神和範圍的前提下，在此描述的本發明可以有許多變化。因此，所有對於本領域技術人員來說顯而易見的改變，都應包括在本權利要求書所涵蓋的範圍之內。本發明所要求保護的範圍由所述的權利要求書進行限定。
權利要求
1.一種相變換熱裝置，其特徵在於，包括內管、外管和換熱介質；所述內管布置在外管內；內管管壁布置有介質通道；所述換熱介質以液態從所述內管端部輸入流經整個內管，穿過內管的管壁上的各通道進入內管和外管之間的空間，接收外管壁獲得的熱源，所述換熱介質升溫相變成蒸汽後自外管端部輸送至所述相變換熱裝置的外部。
2.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管的長度為外管長度的50%至100%。
3.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述介質通道為貫穿通孔、噴嘴或滲透材料。
4.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管的通孔方向與管截面半徑方向形成夾角。
5.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管的通孔方向與所述蒸汽運行的方向相反且形成夾角。
6.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管的外壁布置有隔熱結構。
7.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述外管內壁布置翅片。
8.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管內布置有第三管，所述液態換熱介質從第三管中注入所述相變換熱裝置。
9.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵其於，所述內管與外管之間同軸布置一個或多個沿軸向排列的第四管，且所述內管與第四管之間間隔一定距離。
10.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述內管、外管、第三管和第四管所選材料為金屬、陶瓷或玻璃。
11.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，將所述換熱介質採用脈衝式充液注入所述相變傳熱裝置。
12.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述相變換熱裝置整體布置成U型。
13.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述相變換熱裝置整體布置成線性，其中，液態換熱介質與氣態換熱介質的流經方向相反，且相變換熱裝置一端封閉，另一端為液態換熱介質的入口和過熱蒸汽的出口。
14.根據權利要求12或13所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，在所述相變換熱裝置的端頭設置自力式溫控閥，用輸出蒸汽的溫度控制液態換熱介質的輸入流量。
15.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，外管的外部布置有玻璃套管，所述玻璃套管同軸布置於外管、內管的外部；所述玻璃套管與外管通過密封端頭相互連接，且二者所形成的空間處於低氣壓狀態。
16.根據權利要求15所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述外管受光方向的周圍設置有輔助反射光學系統。
17.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述換熱介質為水、導熱油或導熱姆。
18.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述相變換熱裝置應用於太陽能熱利用領域。
19.根據權利要求18所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述外管外壁塗有低發射率、高吸收率塗層，以接收外部熱量。
20.根據權利要求I所述的一種相變換熱裝置，其特徵在於，所述相變換熱裝置應用於鍋爐加熱領域。
全文摘要
本發明提供了一種相變傳熱裝置，所述相變傳熱裝置採用相變介質如水為工質，通過在線性如管狀的受熱空間內的內管將水沿軸向相對均勻地注入，使注入水在管路軸向上各處近似同時發生吸熱相變，其中，從入口輸入的低溫水在管路軸向上的各分布位置相對均勻的噴出，使管路上各點都同時發生水受熱升溫再變為飽和蒸汽，進一步加熱成高溫過熱蒸汽的過程。本發明的相變傳熱裝置可以在整個相變換熱裝置的軸向上獲得相對均勻的兩相流變換，從而克服傳統的傳熱介質在軸向上流動，逐漸升溫相變造成的兩相流變換和汽化壓力的軸向非均勻帶來的換熱介質的水錘、振動現象和管路疲勞損壞等問題。
文檔編號F28D20/02GK102748975SQ201110097148
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月18日 優先權日2011年4月18日
發明者劉陽 申請人:北京實力源科技開發有限責任公司