內壁繞有u型同軸套管反應器的方形腔式集熱器的製造方法

2023-05-03 23:44:36

專利名稱:內壁繞有u型同軸套管反應器的方形腔式集熱器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，所述腔式集熱器整體結構呈下部帶開口的方形，包括方形腔體、U型同軸套管組件和鍍有反光塗層的擋風板；U型同軸套管組件置於方形腔體內，且緊貼方形腔體內壁呈U型迴路排列；方形腔體下部開口處設有呈無底四稜台型的擋風板，擋風板的一端位於方形腔體內，另一端位於方形腔體外，擋風板的中部與腔體無縫隙相連。本實用新型的結構設計使儲能反應介質可以更長時間更大程度地與太陽熱能發生熱交換，以便最大地吸收太陽熱能並將其轉化成化學能。本實用新型結構簡單，可模塊化製作，具有集熱效率高，熱損小的特點，可用於碟式太陽能高溫熱利用系統中的太陽熱能收集與熱能轉換。
【專利說明】內壁繞有u型同軸套管反應器的方形腔式集熱器

【技術領域】
[0001] 本實用新型設及一種腔式太陽能集熱器，特別設及一種應用於碟式太陽能高溫熱 利用系統中的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器。

【背景技術】
[0002] 我國太陽熱能高溫利用起步較晚，還未達到普及階段，隨著社會的發展和進步，人 類對於能源的需求量也越來越高。當前全球一次能源構成主要是W化石燃料為主體。然而 化石燃料具有不可再生性，且使用過程中會造成環境汙染，該促使人們必須尋找既可再生 又不會造成環境汙染的可再生能源。能源的開發和利用受到經濟、技術和環境等多方面因 素影響。太陽能作為風能，潮軟能，地熱能等能源的基礎能源，取之不盡，用之不竭，具有無 限性，經濟性，環保性W及更易集成的優勢，該使得太陽熱能的高溫熱利用受到了各國學者 的青睞。
[0003] 太陽能高溫熱利用是太陽能利用中的重要組成部分。眾所周知，太陽能是一種低 密度、間歇性、隨地理分布不斷變化的、與傳統化石能源截然不同的可再生能源，該些特徵 對太陽能的收集和熱利用有了更嚴格的要求。集熱器作為一種可W高效率地將太陽能轉化 為熱能的裝置，在太陽能高溫熱利用方面有很多應用。其中，太陽能熱發電技術是太陽能高 溫熱利用的主要用途，其主要設及=種形式：槽式太陽能熱發電、塔式太陽能熱發電和碟式 太陽能熱發電。相對於槽式和塔式，碟式太陽能高溫熱利用系統具有聚光比高、結構簡單、 可模塊化、光熱轉換比高的特點。因而，在熱發電領域，碟式太陽能熱發電系統已經成為最 重要的熱發電形式之一。
[0004] 碟式太陽能熱發電中的腔式太陽能集熱器的基本原理是利用拋物面聚焦鏡對太 陽光聚焦，隨後將其反射到腔式集熱器內，加熱集熱器內的傳熱管件，通過管壁再加熱管 內的傳熱流體。太陽熱能在傳遞過程中同時伴隨著熱損失，各國學者對腔式集熱器的熱損 失機理作過較多的實驗和研究。研究表明，在腔式集熱器中，熱損失主要表現為W下幾個方 面（1)太陽光通過吸收腔口的反射損失；（2)通過集熱器腔體壁的導熱損失；（3)空氣通過 吸收腔口引起的對流損失；(4)通過吸收腔口時的熱福射損失。
[0005] 對於腔式集熱器來說，通過集熱器腔體壁熱傳導而損失的熱量遠遠小於對流損失 及熱福射引起的損失。並且集熱器壁溫度越高，熱福射的損失會呈幾何級數增大，所W如何 減少該一部分損失就成為提高集熱器熱效率必須解決的問題。為此，人們從外形、結構W及 加熱方式=個方面進行研究，提出了多種形式的腔式太陽能集熱器。
[0006] (1)按集熱器吸熱表面形狀的不同，基本形式分為球形、圓柱形、圓錐形、平頂圓 錐形W及在此基礎上加W改造的形狀，外形會對集熱器上述的四個方面的熱損失均會有相 應的影響，並且集熱器的外形也直接影響著製造工藝的難易及集熱裝置是否可模塊化的生 產。
[0007] (2)按集熱器入口是否帶密閉擋風板，可分為入口帶擋風板和入口不帶擋風板兩 種。集熱器是否帶擋風板影響著光線進入的多少及難易，入口帶擋風板的集熱器雖然進入 光線較不帶擋風板進入光線少，然而由於其與外部環境接觸相對較少，會減少與外界空氣 產生的對流損失。
[000引 （3)按照加熱方式的不同，集熱器可分為直接照射型及回流型兩種。直接照射型是 指將熱管的外表面直接處於反光鏡的照射下，具有結構簡單，易於實現的優點。但是由於聚 集太陽光的不均勻性，使吸熱管的表面易產生極大的溫度梯度，對熱管乃至整個集熱器造 成嚴重的破壞。採用回流型熱管式的集熱器，不僅可W提高整個碟式太陽能熱發電系統的 效率，同時也可W降低整個系統的設計難度和製造成本。因此，腔式集熱器成為目前先進的 碟式太陽能熱發電系統中必不可少的一部分。
[0009] 當今世界迫切需要光熱轉化效率高的轉換裝置，腔式集熱器作為碟式太陽能高 溫熱利用系統的核屯、裝置，對碟式太陽能熱利用、尤其是碟式太陽能熱發電技術的發展作 用重要。 實用新型內容
[0010] 為克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種內壁繞有U型同軸套管反應器 的方形腔式集熱器。該腔式集熱器能有效地綜合降低上述四方面熱量損失，提高太陽光 能-化學能轉化效率。
[0011] 本實用新型的目的通過如下技術方案實現。
[001引內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，所述腔式集熱器整體結構呈下 部帶開口的方形，包括方形腔體、U型同軸套管組件和鍛有反光塗層的擋風板；U型同軸套 管組件置於方形腔體內，且緊貼方形腔體內壁呈U型迴路排列；方形腔體下部開口處設有 呈無底四稜台型的擋風板，擋風板的一端位於方形腔體內，另一端位於方形腔體外，擋風板 的中部與腔體無縫隙相連。
[0013] 進一步優化實施的，所述的方形腔體採用內部可填充隔熱材料的雙層結構，包括 外殼、內殼、填充孔、螺栓和填充材料；方形腔體由上下兩部分構成，通過螺栓相連，相連處 使用密封圈密封；密封圈本體中部設有若干圈體通孔，供裝填填充材料時，填充材料由方形 腔體下部流向上部；填充孔位於外殼側壁，填充材料通過填充孔充入，通過填充孔可定期為 集熱器裝填填充材料，填充孔配有與裝置配套的密封塞。
[0014] 進一步優化實施的，所述的U型同軸套管組件由同軸套管外管、催化劑層、同軸套 管內管和通孔組成，U型同軸套管內管與方形腔體外殼側壁上部的入口管相連通，U型同軸 套管外管與方形腔體外殼頂部的出口管相連通，入口管和出口管從方形腔體穿過，接觸處 密封，催化劑層在同軸套管外管和同軸套管內管之間。
[0015] 進一步優化實施的，所述的U型同軸套管組件呈重複連續的U型排布，並緊貼於方 形腔體內殼內壁表面，U型同軸套管組件的排布間距為2cm?12畑1，內殼壁面和與其緊貼在 一起的同軸套管外管壁面具有一層用於提供太陽能的吸收效率的高吸收光率材料，W達到 方形腔體內的最高壁面溫度。
[0016] 進一步優化實施的，工作時，待加熱的儲能反應介質由方形腔體側壁處的入口管 流入，經過U型同軸套管組件時被進入的太陽能加熱，最後從位於方形腔體頂部的出口管 流出。
[0017] 進一步優化實施的，U型同軸套管組件內管中的儲能反應介質可W與同軸套管內 管附著的催化劑層充分接觸，反應後的生成物流體，經過通孔流入同軸套管組件外管；催化 劑層材料根據採用的熱化學儲能反應介質選用。
[0018] 進一步優化實施的，擋風板的內側鍛有反光塗層；下部開口處形成的面積與方形 腔體內殼壁面的表面積之比為0. 05?0. 20,擋風板與方形腔體外殼下部外壁面間的夾角 曰為45。?70。，集熱效果達到最佳。
[0019] 進一步優化實施的，方形腔體內、外殼之間設置有支架，W增強腔體強度，確保殼 層內、外壁不會變形過大，所述的支架可採用n型支架、S角型支架或圓弧型支架中的一 種。
[0020] 本實用新型對現有技術的不足達到了 W下幾個方面的改善：
[0021] (1)採用無底四稜台型開口式的擋風板結構。該種結構可使太陽光能最大程度上 的進入腔內，在腔式集熱器開口處的擋風板會增加太陽光線通量，將部分偏離的光反射進 入腔內又不至於與外界空氣接觸過多，大大減少了太陽能的對流熱損失及熱福射。使腔內 光線通量最大，熱轉化率最高，為反應提供更高的反應溫度。
[002引 似內、外腔體間採用中間帶有加強肋的方式。加強肋可有效防止內、外殼在變 形。內、外殼層間填充隔熱材料可W增大傳熱熱阻，裝置設置填充孔，可方便定期更換隔熱 材料，使熱阻增至最大W防熱量散失。
[0023] (3)採用U型同軸套管組件。U型同軸套管緊貼腔式集熱器內壁纏繞並呈U型排 列。U型排列使同軸套管與集熱器內殼壁面接觸面積增大從而降低接觸熱阻，為同軸套管內 的熱化學儲能反應介質提供更高的反應溫度，從而促使熱化學反應進行，將更多的太陽能 轉變成化學能加W儲存。
[0024] (4)方形腔體易於拆卸和組裝，腔體分為上殼和下殼兩部分，兩者通過螺栓相連， 相接處使用密封圈，利於清潔及更換內部組件。

【附圖說明】

[0025] 圖1是實例中內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器的橫剖面示
[0026] 意圖。
[0027] 圖2是U型同軸套管組件的平面展開示意圖。
[002引圖3是鍛有反光塗層的擋風板的剖面圖。
[0029] 圖4是密封圈的截面圖。
[0030] 圖5是U型同軸套管組件的部分剖面圖。
[0031] 圖6是n型支架結構示意圖。
[0032] 圖7是S角型支架結構示意圖。
[0033] 圖8是圓弧型支架結構示意圖。
[0034] 圖中；1.填充孔；2.內殼；3.螺栓4. U型同軸套管組件點入口管；6.出口管； 7.圈體通孔；8.密封圈；9.鍛有反光塗層的擋風板；10.填充材料；11.外殼；12.擋風板的 內側；13.擋風板外側；14.密封圈內圈；15.密封圈外圈；16.催化劑層；17.同軸套管組件 外管；18同軸套管組件內管；19.通孔；20. n型支架；21. S角型支架；22.圓弧型支架。

【具體實施方式】
[0035] W下結合附圖對本實用新型的具體實施作進一步詳細描述，但本實用新型的實施 不限於此，需指出的是，W下若有未特別詳細說明之處，均是本領域技術人員可參照現有技 術實現的。
[0036] 圖1?圖2為本實施例的結構示意圖。內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式 集熱器，具體包括填充孔1、內殼2、螺栓3、U型同軸套管組件4、入口管5、出口管6、密封圈 8及圈體通孔7、鍛有反光塗層的擋風板9、填充材料10、外殼11、擋風板的內側12、擋風板 外側13、密封圈內圈14、密封圈外圈15、催化劑層16、同軸套管組件外管17、同軸套管組件 內管18和通孔19。
[0037] 本集熱器組裝方式為由內到外，從下到上。首先在下部腔體上固定鍛有反光塗層 的擋風板9,將按內殼2尺寸製造完成的U型同軸套管組件4固定在下腔體上，再裝上半部 分腔體，然後螺栓3和密封圈8將上、下兩部分腔體連接在一起。最後，通過填充孔1，將填 充材料10填充，W達到保溫隔熱效果。
[003引工作時，儲能反應介質可W與同軸套管組件組件內管18附著的催化劑層16充分 接觸，反應後的生成物流體，經過通孔19流入同軸套管組件外管17。催化劑可依據採用的 熱化學儲能反應介質選用。集熱器內殼2壁面和與其緊貼在一起的同軸套管組件外管17壁 面會附有一層高吸收光率材料來保證太陽能的吸收效率，未被吸收的太陽光線將在腔內發 生多重反射，直至被方形腔體內壁面或管件外壁面吸收，使對流熱損失和熱福射大大降低。
[0039] 方形腔體內、外殼之間設置有支架，如圖6?圖8,可W是n型支架20、S角型支 架21、圓弧型支架22等結構中的一種，W增強腔體強度，確保殼層內、外壁不會變形過大。 在內部部件安裝完畢後可通過螺栓3將上下腔體相連，相連處有密封圈8,通過填充孔1將 中間的空氣層充滿隔熱物質。工作時，待加儲能反應介質熱流體由腔體側壁處的入口管5 流入，經過U型同軸套管4時被進入的太陽能加熱，最後從位於腔體頂部的出口管6流出。 該樣的結構能有效地降低通過壁面的導熱損失。
[0040] 本實用新型所述方形腔體下部開口處所設置的無底四稜台型擋風板9,其中部與 腔體無縫隙相連，形成一個由腔體和擋風板構成的密封區域。擋風板內側12鍛有反光塗 層，用於反射內部的熱福射光線，W增大光線入口通量，減少集熱器的熱福射損失；同時擋 風板對外界的風有很好的阻擋作用，可W減少外界風力帶來的強制對流熱損；且鍛有反光 塗層的擋風板9中部與腔體外殼11無縫連接，該樣的結構能保證光線無損的進入腔體。
[0041] 本實用新型可按比例縮放其大小生產，下面W高Im，寬Im的總體大小為例介紹： 腔體為高Im，寬Im，長Im的方形外殼；方形腔體內、外殼間的間距為8cm供填充隔熱材料； 擋風板每塊長約35cm，總面積約為0. 45m2,共四塊構成無底四稜台型。其中擋風板外側13 與外殼11所形成的夾角a約50° ;填充孔1位於腔體側壁底部，孔徑為6cm ;螺栓3位於 腔體中部；入口管5位於腔體側壁頂部，孔徑為10cm ;出口管6位於腔體上部中間正上方， 孔徑為10cm ;U型同軸套管組件4的外管徑為10cm，其U型同軸套管間的間距為8畑1。
[0042] 太陽能熱化學儲能最具發展前景、且實用於大規模電力生產的儲能介質之一是氨 (N&)。W N&分解為例作具體說明，氨基熱化學蓄能的基本機理是利用下列可逆熱化學反 應，通過熱能與化學能的轉換進行太陽能轉換-儲存-傳輸-熱再生過程。
[0043] NH,+AH 一與 N,+咕 1 =(、b'5U! mol
[0044] 通過太陽場，N&在本實用新型U型同軸套管組件中流動，流動過程中吸收太 陽熱能，在高壓、催化劑作用下，發生分解反應生成和N,，所吸收的太陽能也W化學 能的形式儲存在&和N2中。氨基熱分解反應所需催化劑採用S元鐵-鑽催化劑（如 化Idor T〇ps0e ' S的DNK-2R型），並將其填充在催化劑層16內。
[0045] 太陽光通過碟式聚光鏡聚集後，大部分光線直接經進入腔體，少部分光線經過鍛 有反光塗層的擋風板9反射也最終進入腔體。由於集熱器內殼2壁面和與其緊貼在一起的 同軸套管組件外管17壁面附有一層高吸收光率材料，因此能有效吸收太陽光線，U型同軸 套管內管與方形腔體外殼側壁上部的入口管5相聯通，U型同軸套管外管與方形腔體外殼 頂部的出口管6相連通，入口管5和出口管6從方形腔體穿過，接觸處密封，催化劑層16在 同軸套管外管和同軸套管內管之間，如圖5所示。工作時，W氨基熱化學蓄能反應為例，待 加熱的儲能反應介質（N&)由腔體側壁處的入口管5流入，U型同軸套管組件內管件中的儲 能反應介質可W與同軸套管內管18附著的催化劑層16(氨基熱化學蓄能反應的催化劑是 =元鐵-鑽催化劑）充分接觸，經過U型同軸套管4時被進入的太陽能加熱，達到溫度條件 後（氨基蓄能反應為500°C)，即可發生熱化學反應，反應後的生成物流體（馬和H2)，經過 通孔19流入同軸套管外管17。將熱量轉化為化學能儲存在N,和中，達到儲能效果。最 後馬和H2從位於腔體頂部的出口管6流出。填充材料10、腔體和鍛有反光塗層的擋風板 9形成的封閉區域能有效的降低熱福射損失，提高腔體的綜合光-熱轉化效率，儲能密度可 達到每molNHg不小於50KJ。
[0046] 如上即可較好的實現本實用新型並取得前述的技術效果。
【權利要求】
1. 內壁繞有u型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特徵在於，所述腔式集熱器整 體結構呈下部帶開口的方形，包括方形腔體、U型同軸套管組件（4)和鍛有反光塗層的擋風 板巧）；U型同軸套管組件置於方形腔體內，且緊貼方形腔體內壁呈U型迴路排列；方形腔 體下部開口處設有呈無底四稜台型的擋風板巧），擋風板巧）的一端位於方形腔體內，另一 端位於方形腔體外，擋風板巧）的中部與腔體無縫隙相連。2. 根據權利要求1所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特徵在 於，所述的方形腔體採用內部可填充隔熱材料的雙層結構，包括外殼（11)、內殼（2)、填充 孔（1)、螺栓（3)和填充材料（10);方形腔體由上下兩部分構成，通過螺栓（3)相連，相連處 使用密封圈（8)密封；密封圈本體中部設有若干個圈體通孔（7)，供裝填填充材料（10)時， 填充材料（10)由方形腔體下部流向上部；填充孔（1)位於外殼側壁，填充材料（10)通過填 充孔（1)充入，填充孔（1)配有密封塞。3. 根據權利要求1所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特徵在 於，所述的U型同軸套管組件（4)由同軸套管外管（17)、催化劑層（16)、同軸套管內管（18) 和通孔（19)組成，U型同軸套管內管與方形腔體外殼側壁上部的入口管（5)相連通，U型同 軸套管外管與方形腔體外殼頂部的出口管（6)相連通，入口管（5)和出口管（6)從方形腔 體穿過，接觸處密封，催化劑層在同軸套管外管和同軸套管內管之間。4. 根據權利要求1或3所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特 徵在於，所述的U型同軸套管組件（4)呈重複連續的U型排布，並緊貼於方形腔體內殼（2) 內壁表面，U型同軸套管組件的排布間距為2cm?12cm，內殼（2)壁面和與其緊貼在一起的同 軸套管外管（17)壁面具有一層用於提供太陽能的吸收效率的高吸收光率材料。5. 根據權利要求1或3所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特 徵在於，U型同軸套管組件內管中的儲能反應介質可W與同軸套管內管（18)附著的催化劑 層（16)充分接觸，反應後的生成物流體，經過通孔（19)流入同軸套管組件外管（17);催化 劑層材料根據採用的熱化學儲能反應介質選用。6. 根據權利要求1所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其特徵 在於，所述擋風板巧）的內側（12)鍛有反光塗層；下部開口處形成的面積與方形腔體內殼 (2)壁面的表面積之比為0.05?0.20,擋風板與方形腔體外殼（11)下部外壁面間的夾角a 為 45。 ~70。。7. 根據權利要求1或2所述的內壁繞有U型同軸套管反應器的方形腔式集熱器，其 特徵在於，方形腔體內、外殼之間設置有支架，所述的支架採用n型支架（20)、=角型支架 (21)或圓弧型支架（22)中的一種。
【文檔編號】F24J2-48GK204285842SQ201420649116
【發明者】龍新峰, 張婷婷, 姜雨軒 [申請人]華南理工大學