高溫液態膜太陽能腔式吸熱器的製造方法
2023-08-12 09:48:41
高溫液態膜太陽能腔式吸熱器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，包括耐高溫絕熱腔體，該耐高溫絕熱腔體一側的上部設置有液體工質入口，另一側的下部設置有液體工質出口；液體膜吸熱面通過高位成膜裝置與液體工質入口連接，通過低位集液池和高溫液下泵與液體工質出口連接。採用了該結構的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，理論流速和雷諾數可隨意增大，無需高揚程的泵克服沿程阻力，所需泵的揚程僅為地面吸熱器假設高度；敞開式吸熱器完全避免了吸熱管堵塞的風險，適用於含熔鹽在內的各種高溫液態工質，顯著降低對鏡場運營技術和電伴熱保溫技術的要求；吸熱器近地面安裝，工程簡單安全；多層折流消渦結構設計，有效減少腔體外部風場對腔內換熱的影響，減少對流損失。
【專利說明】高溫液態膜太陽能腔式吸熱器
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能吸熱器裝置【技術領域】，具體是指一種高溫液態膜太陽能腔式吸熱器。
【背景技術】
[0002]20世紀80年代以來，世界各國相繼建立了各種不同類型的太陽能熱電實驗示範裝置和商業化運行裝置，促進了太陽能熱發電技術的發展和商業化進程。世界現有的太陽能熱發電系統主要有槽式線聚焦系統、塔式系統和碟式系統3大基本類型。
[0003]其中塔式系統以其超高的聚光比和高品質的蒸汽參數，得以與傳統的汽輪機結合達到較高的發電效率，具有較好的經濟性和應用前景。
[0004]吸熱器是塔式熱發電技術的核心部件，數以萬計的反射鏡將地面上的陽光反射到只有數十平米的吸熱器，產生幾百至上千倍的太陽輻照度，吸熱器中流動的傳熱工質負責將巨大的能量迅速帶走，並存儲起來以供產生平穩的高溫高壓蒸汽發電。
[0005]二次反射式太陽能熱發電系統是在傳統的塔式太陽能熱發電系統基礎上的改進方案。由於傳統的塔式系統將吸熱器安裝在數十米高的塔頂，對流與輻射損失較大，而且吸熱器安裝與維護成本很高，因此可以通過在較矮的位置安裝一雙曲面型的二次反射裝置，從而將吸熱器改為地面安裝，以降低熱能損耗，並簡化部分高空吸熱器的配套設備，大幅削減系統造價和風險。
[0006]高溫液體膜腔式吸熱器特別適合二次反射式太陽能熱發電系統，可以容許高達一千倍以上的聚光比，而且可以用於多種不同熱特性的高溫液體工質，甚至可以作為太陽能-化學能轉化的反應器。液體膜吸熱器通過液體在斜面上的自由落體運動產生較高的流速，以獲得極高的雷諾數和對流換熱係數，從而可以獲得極高的換熱功率。
[0007]現有的太陽能吸熱器存在以下的問題:
[0008]1、為了提高液態工質在管道內的換熱係數，管道的內徑不宜太大，同時考慮到避免出現毛細現象，管道內徑也不能太小，通常管內逕取20mm?40mm。與此同時，較細的管徑和塔式吸熱器較長的管程又會顯著提高沿程阻力，從而在現有高溫高揚程泵技術水平的限制下，該類吸熱器管內流體速度存在極限值，通常不會超過2m/s，即該類吸熱器的對流換熱係數存在極限值，再考慮到金屬管材料的耐溫特性，現有的太陽能塔式光熱發電吸熱器可以承受的最高輻照度約為750kW/ m2。
[0009]2、現有的太陽能塔式光熱發電用腔式吸熱器多採用熔鹽作為工質，其凝固點約為2300C，固液混合點高達270°C，在內逕取20mm?40mm吸熱管內的堵塞風險極高，對鏡場運營技術和電伴熱保溫技術提出了異常苛刻的要求。
[0010]3、現有的太陽能塔式光熱發電用腔式吸熱器多用於單側聚光鏡場，且精密而笨重的吸熱器需整體吊裝到百米高的塔頂，工程難度很高，高空風對腔體內部換熱性能影響顯著，對流損失不容忽略。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種不受管徑尺寸限制、理論流速和雷諾數不受限制、可避免吸熱管阻塞、顯著降低對鏡場運營技術和電伴熱保溫技術要求、工程簡單的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器。
[0012]為實現上述的目的，本發明的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器採用以下技術方案:
[0013]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其主要特點是，包括耐高溫絕熱腔體，該耐高溫絕熱腔體一側的上部設置有液體工質入口，該耐高溫絕熱腔體另一側的下部設置有液體工質出口，所述的液體工質入口處設置有高位成膜裝置，所述的液體工質出口處設置有低位集液池和高溫液下泵，液體膜吸熱面傾斜設置於所述的耐高溫絕熱腔體內，該液體膜吸熱面通過所述的高位成膜裝置與所述的液體工質入口連接，該液體膜吸熱面通過所述的低位集液池和高溫液下泵與所述的液體工質出口連接。
[0014]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的高位成膜裝置包括或級第一緩衝槽，所述的第一緩衝槽的底面均為圓弧形。
[0015]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的第一緩衝槽之間由所述的溢出梗分割，且該溢出梗的表面為圓弧形表面，且近所述的液體工質出口處的溢出梗的高度低於近液體工質入口處的溢出梗的高度。
[0016]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的高位成膜裝置包括級第二緩衝槽，所述的第二緩衝槽的底面為弧形，且近所述的液體工質出口處的第二緩衝槽的底部具有複數個相間隔的圓孔，液體工質由該圓孔流入所述的液體膜吸熱面。
[0017]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中沿各個所述的第一緩衝槽或沿各個所述的第二緩衝槽且遠離所述的液體工質入口的一側設置有檢修排空閥門，該檢修排空閥門與排空管道連接，所述的第一緩衝槽和所述的第二緩衝槽均向所述的檢修排空閥門處傾斜。
[0018]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的低位集液池包括緩衝室和儲液罐，所述的液體工質由所述的液體膜吸熱面流入該緩衝室，所述的緩衝室的內表面正對應於液體工質的一側為拋物線柱緩衝面，所述的緩衝室的中央最低處設置有集液孔，該緩衝室的底部均向中央傾斜，所述的集液孔的下方設置有儲液罐。
[0019]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的液體工質出口處設置有高溫液下泵，所述的液體工質通過該高溫液下泵由所述的儲液罐泵出所述的液體工質出口。
[0020]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的耐高溫絕熱腔體的內表面設置有折流板，所述的折流板平行於水平面。
[0021]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的液體膜吸熱面與所述的液體工質接觸的表面為鋸齒形，該液體膜吸熱面的齒面寬度大於等於50mm。
[0022]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的液體膜吸熱面與水平面的夾角大於等於
40。。
[0023]該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器中的圓孔的直徑為50?70_，該圓孔沿所述的第二緩衝槽方向的間距為200?400mm。
[0024]採用了該結構的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，具有以下有益效果:
[0025]1、本發明採用的敞開式液體膜傳熱技術不再受管徑尺寸的限制，理論流速和雷諾數可以隨意增大，即換熱斜面越長平均流速越高，從而可以達到極高的對流換熱係數，可以輕鬆承受lMW/m2以上的聚光太陽照度。同時本發明吸熱器內的流體是斜面自由滑落運動，不再需要高揚程的泵來克服沿程阻力，所需泵的揚程僅為地面吸熱器假設高度。
[0026]2、本發明採用的敞開式液體膜傳熱技術完全避免了吸熱管堵塞的風險，而且可以廣泛適用於含熔鹽在內的各種高溫液態工質，顯著降低了對鏡場運營技術和電伴熱保溫技術的要求。
[0027]3、本發明結合二次反射型塔式光熱發電技術，採用開口向上的腔式液體膜吸熱器，可以適用於任意形制的聚光鏡場，吸熱器近地面安裝，工程簡單安全。本發明採用的液體膜吸熱面位於腔體底部，腔體採用了特殊的多層折流消渦結構設計，有效減少腔體外部風場對腔內換熱的影響，顯著減少對流損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的太陽能腔式吸熱器的結構示意圖。
[0029]圖2a為本發明的高位多級門檻成膜裝置的側視圖。
[0030]圖2b為本發明的高位多級門檻成膜裝置的俯視圖。
[0031]圖3a為本發明的高位多孔分流成膜裝置的側視圖。
[0032]圖3b為本發明的高位多孔分流成膜裝置的俯視圖。
[0033]圖4為本發明的低位集液池的示意圖。
[0034]圖5為本發明的液體膜吸熱面的示意圖。
[0035]圖6為本發明的太陽能腔式吸熱器的及流場示意圖。
[0036]圖中標號說明如下:
[0037]I 耐高溫絕熱腔體
[0038]2 液體工質入口
[0039]3 高位成膜裝置
[0040]4 液體膜吸熱面
[0041]5 低位集液池
[0042]6 高溫液下泵
[0043]7 液體工質出口
[0044]8 液體工質
[0045]9 第一緩衝槽
[0046]10 溢出梗
[0047]11 檢修排空閥門
[0048]12 排空管道
[0049]13 第二緩衝槽
[0050]14 圓孔
[0051]15 緩衝室
[0052]16 拋物線柱緩衝面
[0053]17 集液孔
[0054]18 儲液罐
[0055]19 折流板【具體實施方式】
[0056]為了能更清楚地理解本發明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。
[0057]請參閱圖1，該高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，包括耐高溫絕熱腔體1，耐高溫絕熱腔體I採用磚結構，該耐高溫絕熱腔體I 一側的上部設置有液體工質入口 2，該耐高溫絕熱腔體I另一側的下部設置有液體工質出口 7，液體工質入口 2處設置有高位成膜裝置3，液體工質出口 7處設置有低位集液池5和高溫液下泵6，液體膜吸熱面4傾斜設置於耐高溫絕熱腔體I內，該液體膜吸熱面4通過高位成膜裝置3與液體工質入口 7連接，該液體膜吸熱面4通過低位集液池5和高溫液下泵6與液體工質出口 7連接，待加熱的液體工質8由儲罐中的低揚程泵泵入液體工質入口 2並進入高位成膜裝置3中，液體工質8在高位成膜裝置3中經過分流或曲面張力等作用形成均勻的液體膜後自由鋪展到光滑耐高溫的液體膜吸熱面4上，液體膜在重力的加速下高速掠過液體膜吸熱面4，將其上的熱量快速帶走並進入低位集液池5緩衝和混合，當低位集液池5中的液位和溫度上升到預設值後，高溫液下泵6自動開啟將加熱後的液體工質8從液體工質出口 7泵出供後續的發電裝置使用。
[0058]高位成膜裝置3可以採用耐高溫陶瓷或者不鏽鋼材料製成，高位成膜裝置3可以具體為高位多級門檻成膜裝置，具體請參閱圖2a和圖2b，其中，高位成膜裝置3包括2或3級緩衝槽9，液體工質8經過這2或3級緩衝槽流速減緩，第一緩衝槽9的底面為圓弧形，第一緩衝槽9之間由溢出梗10分割，從而產生均勻的液體膜，且近所述的液體工質出口 7處的溢出梗10的高度低於近液體工質入口 2處的溢出梗10的高度。
[0059]高位成膜裝置3還可以具體為高位多孔分流成膜裝置，具體請參閱圖3a和圖3b，其中，高位成膜裝置3包括2級第二緩衝槽13，第二緩衝槽13的底面為弧形，且近液體工質出口 7處的第二緩衝槽13的底部具有相互間隔的圓孔14，液體工質8由該圓孔14流入液體膜吸熱面4。圓孔的直徑為50?70mm,該圓孔沿緩衝槽的間距為200?400mm,從而通過多組在平面上的擴散和匯聚時的張力形成液體膜。
[0060]沿第一緩衝槽9或沿第二緩衝槽13且遠離液體工質入口 2的一側設置有檢修排空閥門11，該檢修排空閥門11與排空管道12連接，第一緩衝槽9和第二緩衝槽13均向排空閥門11處傾斜，從而可以將第一緩衝槽9或第二緩衝槽13內的剩餘液體工質8排出到裝置外側的排空管道12，以防止在停機檢修時槽內液體工質8凝固堵塞，具體請參閱圖2b和圖3bο
[0061]請參閱圖4，低位集液池5主要起到高速高溫的工質減速和均勻混合的作用，低位集液池5可採用陶瓷或高標號不鏽鋼，低位集液池5包括緩衝室15和儲液罐18，液體工質8由液體膜吸熱面4流入該緩衝室15，緩衝室15正對於液體工質9的一側為拋物線柱緩衝面16(粗糙度不大於Ra0.8)，拋物線柱緩衝面16用於將高速高溫液體工質膜緩衝減速，，緩衝室15的底部設置有集液孔17，緩衝室15的底部均向中央傾斜，該集液孔17的下方設置有儲液罐18。液體工質出口 7處設置有高溫液下泵6，液體工質8通過該高溫液下泵6由儲液罐18泵出液體工質出口 7。
[0062]請參閱圖6，其中箭頭方向為風向，耐高溫絕熱腔體I的內表面設置有折流板19，折流板19平行於水平面。目前大多腔式太陽能吸熱器的幾個內壁面都布滿了吸熱管，腔體採用簡單的單開口多面體結構，從開口處進入的外部氣流很容易在腔體裡形成渦旋，從而產生較大的對流散熱損失。本發明採用了獨特的多層折流消渦結構，採用了廉價而隔熱保溫效果良好且耐高溫的絕熱磚材料，在不影響光路的前提下，通過在腔體四周的折流板19儘可能阻斷腔體內大渦旋的產生路徑，將較大的渦旋分割成多個小渦旋，從而大幅降低腔內的空氣流速和對流散熱損失。
[0063]請參閱圖5，液體膜吸熱面4採用耐高溫陶瓷材料，目前大多數陶瓷材料的使用溫度都高於800°，並且具有良好的物理特性，本發明中的液體膜吸熱面只做流道使用，沒有嚴格的結構強度要求，因此實際的使用溫度可以提升到1200°左右，液體膜吸熱面4與液體工質接觸的表面為鋸齒形，該液體膜吸熱面4的齒面寬度大於等於50mm。液體膜吸熱面4與水平面的夾角大於等於40°，以獲得足夠的重力加速度和平均流速，液體膜吸熱面4表面為光滑表面(粗糙度不大於Ra0.8)，以減小靠近表面的過渡層的摩擦，防止過渡層液體工質8過熱。
[0064]應用過程中，當液體從高溫成膜裝置以接近於O的初速度下落到傾斜的液體膜吸熱面4上後，假設液體工質入口 2的有效開口為10m*10m，鋸齒寬度0.lm，液體膜吸熱面4與水平面的傾角取45°，液體膜層之間的摩擦係數0.001?0.01可忽略，液體膜在液體膜吸熱面4上的平均流速約為7m/s，末端進入低位集液池5的流速為14m/s。按照流體橫掠平板強制對流換熱理論，以二元熔鹽430°C物性為例計算此時的平均雷諾數約為:
[0065]Re=uL/ v =7*0.1/ (8.64e_7)=8.1e5 ；
[0066]魯塞爾數為:
[0067]Nu=0.037Re4/5Prl/3=0.037*(8.1e5)4/54.551/3=3268 ；
[0068]由此計算得強制對流換熱係數為:
[0069]h=Nuλ/L=3268*0.524/0.l=17124ff/(m2K)；
[0070]該強制對流換熱係數的實際應用意義是，當液體膜吸熱面的溫度僅高於液體工質100°C時，即可產生約1.7MW/m2的換熱能力，也就是吸熱器的平均聚光比可以達到1700倍，這是目前大部分液體工質太陽能吸熱器無法達到的。
[0071]採用了該結構的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，具有以下有益效果:
[0072]1、本發明採用的敞開式液體膜傳熱技術不再受管徑尺寸的限制，理論流速和雷諾數可以隨意增大，即換熱斜面越長平均流速越高，從而可以達到極高的對流換熱係數，可以輕鬆承受lMW/m2以上的聚光太陽照度。同時本發明吸熱器內的流體是斜面自由滑落運動，不再需要高揚程的泵來克服沿程阻力，所需泵的揚程僅為地面吸熱器假設高度。
[0073]2、本發明採用的敞開式液體膜傳熱技術完全避免了吸熱管堵塞的風險，而且可以廣泛適用於含熔鹽在內的各種高溫液態工質，顯著降低了對鏡場運營技術和電伴熱保溫技術的要求。
[0074]3、本發明結合二次反射型塔式光熱發電技術，採用開口向上的腔式液體膜吸熱器，可以適用於任意形制的聚光鏡場，吸熱器近地面安裝，工程簡單安全。本發明採用的液體膜吸熱面位於腔體底部，腔體採用了特殊的多層折流消渦結構設計，有效減少腔體外部風場對腔內換熱的影響，顯著減少對流損失。
[0075]在此說明書中，本發明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發明的精神和範圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。
【權利要求】
1.一種高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，包括耐高溫絕熱腔體(I)，該耐高溫絕熱腔體(I) 一側的上部設置有液體工質入口(2)，該耐高溫絕熱腔體(I)另一側的下部設置有液體工質出口(7)，所述的液體工質入口(2)處設置有高位成膜裝置(3)，所述的液體工質出口(7)處設置有低位集液池(5)和高溫液下泵(6)，液體膜吸熱面(4)傾斜設置於所述的耐高溫絕熱腔體(I)內，該液體膜吸熱面(4)通過所述的高位成膜裝置(3)與所述的液體工質入口(7)連接，該液體膜吸熱面(4)通過所述的低位集液池(5)和高溫液下泵(6)與所述的液體工質出口 (7)連接。
2.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的高位成膜裝置(3)包括2或3級第一緩衝槽(9)，所述的第一緩衝槽(9)的底面均為圓弧形。
3.根據權利要求2所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的第一緩衝槽(9)之間由所述的溢出梗(10)分割，且該溢出梗(10)的表面為圓弧形表面，且近所述的液體工質出口(7)處的溢出梗(10)的高度低於近液體工質入口(2)處的溢出梗(10)的高度。
4.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的高位成膜裝置(3)包括2級第二緩衝槽(13)，所述的第二緩衝槽(13)的底面為弧形，且近所述的液體工質出口(7)處的第二緩衝槽(13)的底部具有複數個相間隔的圓孔(14)，液體工質(8)由該圓孔(14)流入所述的液體膜吸熱面(4)。
5.根據權利要求2或4所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，沿各個所述的第一緩衝槽(9)或沿各個所述的第二緩衝槽(13)且遠離所述的液體工質入口(2)的一側設置有檢修排空閥門(11)，該檢修排空閥門(11)與排空管道(12)連接，所述的第一緩衝槽(9)和所述的第二緩衝槽(13)均向所述的檢修排空閥門(11)處傾斜。
6.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的低位集液池(5)包括緩衝室(15)和儲液罐(18)，所述的液體工質(8)由所述的液體膜吸熱面(4)流入該緩衝室(15)，所述的緩衝室(15)的內表面正對應於液體工質(8)的一側為拋物線柱緩衝面(16)，所述的緩衝室(15)的中央最低處設置有集液孔(17)，該緩衝室(15)的底部均向中央傾斜，所述的集液孔(17)的下方設置有儲液罐(18)。
7.根據權利要求6所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的液體工質出口(7)處設置有高溫液下泵(6)，所述的液體工質(8)通過該高溫液下泵(6)由所述的儲液罐(18)泵出所述的液體工質出口(7)。
8.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的耐高溫絕熱腔體(I)的內表面設置有折流板(19)，所述的折流板(19)平行於水平面。
9.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的液體膜吸熱面(4)與所述的液體工質(8)接觸的表面為鋸齒形，該液體膜吸熱面(4)的齒面寬度大於等於50mm。
10.根據權利要求1所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的液體膜吸熱面(4)與水平面的夾角大於等於40°。
11.根據權利要求4所述的高溫液態膜太陽能腔式吸熱器，其特徵在於，所述的圓孔(14)的直徑為50?70mm，該圓孔(14)沿所述的第二緩衝槽(13)方向的間距為200?400mmo
【文檔編號】F24J2/46GK103557604SQ201310539707
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】遊思梁 申請人:遊思梁