CN101660746A - 热管式再次循环直接产生蒸汽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

热管式再次循环直接产生蒸汽的装置及方法涉及一种太阳能聚光集热系统，尤其是一种应用在太阳能中、高温系统中的太阳能聚光集热装置，该装置包括聚光器(1)、热管式真空集热管(2)、泵(4)、第一总管(5－1)、第二总管(5－2)、汽水分离器(6)、旁路管(8)、循环泵(9)；采用热管式真空集热管取代现有金属－玻璃直通式真空集热管，形成热管式再次循环DSG系统，既能保留普通DSG系统单回路相对于常规聚光太阳能热利用双回路的优势，又将DSG系统的承压部分和吸热部分分开，利用热管技术实现源汇分离，解决普通DSG系统中的难点。

Description

热管式再次循环直接产生蒸汽的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能聚光集热系统，尤其是一种应用在太阳能中、高温系统中的太阳能聚光集热装置，属于太阳能集热技术领域。

背景技术

为了得到高温蒸汽、电能等，科研工作者对太阳能转换和利用中的聚光原理进行了探索和研究，开发出槽式太阳能热利用技术、塔式太阳能热利用技术和碟式太阳能热利用技术。槽式太阳能热利用技术是其中最为成熟的技术，已成为所有可再生能源技术中最有可能替代常规能源的一种手段。常规槽式太阳能热利用系统：一回路为聚光集热回路，工质为导热油，槽形聚光器聚光得到高能流密度的太阳能，通过集热管(一般为金属-玻璃直通式真空集热管)中的金属吸收管表面的吸收涂层转化为热能加热集热管内工质，得到高温的导热油；二回路为水-蒸汽回路，工质为水，通过换热器，一回路中的高温导热油将热量传递给二回路中的水，产生高温、高压蒸汽。

20世纪80年代，开始研究以水为工质的单回路再次循环DSG(Direct SteamGeneration)热利用系统。采用单回路原理，以水代替常规系统直通式集热管内的导热油工质，吸收太阳能，直接获得高温、高压蒸汽。

再次循环方式的运行过程：直通式集热管中的工质水由集热场入口处泵入系统总管，经过不断加热，逐步饱和，在汽水分离器中分离后，水由旁路管经循环泵泵入系统总管入口，蒸汽则进入系统的过热段，进一步过热产生过热蒸汽，由水变成蒸汽是一个逐步但连续的过程。

相对于常规聚光太阳能热利用的双回路系统，单回路再次循环DSG系统具有以下明显优点：1、虽然与蒸汽相关的高压运行条件带来管道费用的增加，但系统中可以省去导热油、熔盐等系统所需的换热器、火焰保护系统、油箱及其管路系统，该项费用足以得到弥补；2、由于省去了导热油系统中的换热器换热环节，系统的整体效率得到提高；3、由于工质粘性系数不同，DSG系统中集热器内部的压降减小，附加损失减小，因此运行成本也会相应减小。

尽管单回路再次循环DSG系统具有诸多优点，但由于聚光后的太阳能“直接”作用在承受高温、高压的真空集热管的金属吸收管上，因而：1、为了应对DSG系统所产生的高压问题，对真空集热管的要求很高；2、在控制方面，控制系统会十分复杂，并且在电站布置以及集热器倾斜角度方面也会很复杂；3、由水变为汽-水两相流流入金属吸收管时，管子会由于压力、振动等问题引起永久性变形或者会造成玻璃管破裂。

发明内容

技术问题：为了解决采用单回路再次循环DSG系统的问题，本发明提出热管式再次循环直接产生蒸汽的装置及方法，采用热管式真空集热管取代现有金属-玻璃直通式真空集热管，形成热管式再次循环DSG系统，既能保留普通DSG系统单回路相对于常规聚光太阳能热利用双回路的优势，又将DSG系统的承压部分和吸热部分分开，利用热管技术实现源汇分离，解决普通DSG系统中的难点。

技术方案：热管式再次循环直接产生蒸汽的装置将多个聚光器经过串并联的排列，聚光器聚集的太阳光透过热管式真空集热管的玻璃外管和真空腔，被选择性吸收涂层吸收后，加热热管蒸发段内的工质，热管内工质蒸发上升至热管的冷凝段，工质蒸汽将热量传递给热管管外、系统总管中的冷却介质水后，工质凝结成液体重新回到热管蒸发段循环使用。工质水由集热场入口处泵入系统总管，经过不断加热，逐步饱和，在汽水分离器中分离后，饱和水由旁路管经循环泵泵入系统总管入口，饱和蒸汽则进入系统的过热段，进一步过热产生过热蒸汽。系统中，热管式真空集热管的热管冷凝段是插入到总管中，实现源汇分离。

热管式再次循环直接产生蒸汽的装置包括聚光器、热管式真空集热管、泵、第一总管、第二总管、汽水分离器、旁路管、循环泵；其中，泵的输出端接第一总管，旁路管的中间设有循环泵，该循环泵的出口接泵出口处的第一总管上，该循环泵的进口接汽水分离器的下部出口，第一总管的出口接汽水分离器中部的进口，汽水分离器上部的出口接第二总管，第二总管的出口输出过热蒸汽；热管式真空集热管并联连接在第一总管和第二总管上，热管式真空集热管的热管冷凝段是插入到第一总管和第二总管中，实现源汇分离。热管式真空集热管包括玻璃外管、真空腔、选择性吸收涂层、热管、蒸发段内的工质；热管蒸发段位于玻璃外管中，热管蒸发段与玻璃外管之间是真空腔，选择性吸收涂层涂在热管蒸发段上。

所述热管式真空集热管为熔封式(火封式)真空集热管、融封式(热压封)真空集热管。

所述热管式真空集热管为图2所示普通型真空集热管、、聚光式真空集热管或翅片式真空集热管。

热管式再次循环直接产生蒸汽的的方法，其特征在于将多个聚光器经过串并联的排列，聚集的太阳光透过热管式真空集热管的玻璃外管和真空腔，被选择性吸收涂层吸收后，加热热管蒸发段内的工质，热管蒸发段内工质蒸发上升至热管的冷凝段，工质蒸汽将热量传递给热管外的第一总管中的冷却介质水后，工质凝结成液体重新回到热管蒸发段循环使用；第一总管中的冷却介质水由泵泵入到第一总管中，被不断加热后，由介质水变成饱和水和饱和水蒸汽混和物进入汽水分离器中，经汽水分离器分离后，饱和水在循环泵作用下经旁路管泵入第一总管的入口处循环，汽水分离器输出到第二总管中的饱和水蒸汽则进一步被加热成过热蒸汽至出口处，输出到需要场所；热管式真空集热管的热管冷凝段是插入到总管中，实现源汇分离。

有益效果：采用热管式再次循环方式形成的DSG系统：1)安全性好。水在系统总管中被加热，逐步由水变成汽-水混和物再变成过热蒸汽，承受高温、高压的系统总管与热管式真空集热管的关键部份即保持真空的吸热部分是分离的，能有效的保护集热管的真空结构；2)易控制。与普通DSG系统由处于运动状态下聚光集热器的直通式真空集热管作为承压结构相比，热管式DSG系统的承压部分为处于固定状态下的总管，结构简单，运行更可靠，易控制；3)免维护。热管式真空集热管的吸热结构在玻璃管内，如同太阳能热水器的真空管一样，无需人工清冼；4)效率高。系统中虽然增加了热管元件，但热管是利用工质相变进行热量传输的高效传热元件，其热阻对于系统效率的影响很小，相反，热管式真空集热管的放热段插入到一根冷却介质(水或水蒸汽)流动的总管中，相当于挠流柱，强化了传热，可提高系统效率。因而，热管式DSG系统既保留普通DSG系统单回路相对于常规聚光太阳能热利用双回路的效率和成本优势，又解决普通DSG系统中的真空集热管易损坏和控制复杂等问题。

附图说明

图1是热管式再次循环直接产生蒸汽的装置的结构示意图。

图中有聚光器1、热管式真空集热管2、冷却介质水3、给水泵4、第一总管5-1、第二总管5-2、汽水分离器6、饱和水7、旁路管8、循环泵9、饱和蒸汽10、过热蒸汽11。

图2是热管式真空集热管的结构示意图。图中有：玻璃外管2-1、真空腔2-2、选择性吸收涂层2-3、热管2-4、工质2-5。

具体实施方式

热管式再次循环直接产生蒸汽的装置包括聚光器1、热管式真空集热管2、泵4、第一总管5-1、第二总管5-2、汽水分离器6、旁路管8、循环泵9；其中，泵4的输出端接第一总管5-1，旁路管8的中间设有循环泵9，该循环泵9的出口接泵4出口处的第一总管5-1上，该循环泵9的进口接汽水分离器6的下部出口，第一总管5-1的出口接汽水分离器6中部的进口，汽水分离器6上部的出口接第二总管5-2，第二总管5-2的出口输出过热蒸汽11；热管式真空集热管2并联连接在第一总管5-1和第二总管5-2上，热管式真空集热管2的热管2-4冷凝段是插入到第一总管5-1和第二总管5-2中，实现源汇分离。热管式真空集热管2包括玻璃外管2-1、真空腔2-2、选择性吸收涂层2-3、热管2-4、蒸发段内的工质2-5；热管2-4蒸发段位于玻璃外管2-1中，热管2-4蒸发段与玻璃外管2-1之间是真空腔2-2，选择性吸收涂层2-3涂在热管2-4蒸发段上。热管式真空集热管2为熔封式(火封式)真空集热管、融封式(热压封式)真空集热管、普通型真空集热管、聚光式真空集热管或翅片式真空集热管。

热管式再次循环直接产生蒸汽的的方法为：将多个聚光器1经过串并联的排列，聚集的太阳光透过热管式真空集热管2的玻璃外管2-1和真空腔2-2，被选择性吸收涂层2-3吸收后，加热热管2-4蒸发段内的工质2-5，热管2-4内工质2-5蒸发上升至热管2-4的冷凝段，工质2-5蒸汽将热量传递给热管2-4外的第一总管5-1中的冷却介质水3后，工质2-5凝结成液体重新回到热管2-4蒸发段循环使用；第一总管5-1中的冷却介质水3由泵4泵入到第一总管5-1中，被不断加热后，由介质水3变成饱和水和饱和水蒸汽混和物进入汽水分离器6中，经汽水分离器6分离后，饱和水7在循环泵9作用下经旁路管8泵入第一总管5-1的入口处循环，汽水分离器6输出到第二总管5-2中的饱和水蒸汽10则进一步被加热成过热蒸汽11至出口处，输出到需要场所；热管式真空集热管2的热管2-4冷凝段是插入到总管5中，实现源汇分离。

热管式再次通过方式的运行过程：冷却介质水3由入口处泵4泵入到总管中，经过热管式真空集热管2的不断加热，逐步产生过热蒸汽11。如图1所示由水3变成蒸汽11是一个逐步但连续的过程。

Claims (5)

1、一种热管式再次循环直接产生蒸汽的装置，其特征在于该装置包括聚光器(1)、热管式真空集热管(2)、泵(4)、第一总管(5-1)、第二总管(5-2)、汽水分离器(6)、旁路管(8)、循环泵(9)；其中，泵(4)的输出端接第一总管(5-1)，旁路管(8)的中间设有循环泵(9)，该循环泵(9)的出口接泵(4)出口处的第一总管(5-1)上，该循环泵(9)的进口接汽水分离器(6)的下部出口，第一总管(5-1)的出口接汽水分离器(6)中部的进口，汽水分离器(6)上部的出口接第二总管(5-2)，第二总管(5-2)的出口输出过热蒸汽(11)；热管式真空集热管(2)并联连接在第一总管(5-1)和第二总管(5-2)上，热管式真空集热管(2)的热管(2-4)冷凝段是插入到第一总管(5-1)和第二总管(5-2)中，实现源汇分离。

2、如权利要求1所述的热管式再次循环直接产生蒸汽的装置，其特征在于热管式真空集热管(2)包括玻璃外管(2-1)、真空腔(2-2)、选择性吸收涂层(2-3)、热管(2-4)、蒸发段内的工质(2-5)；热管(2-4)蒸发段位于玻璃外管(2-1)中，热管(2-4)蒸发段与玻璃外管(2-1)之间是真空腔(2-2)，选择性吸收涂层(2-3)涂在热管(2-4)蒸发段上。

3.如权利要求1所述的热管式再次循环直接产生蒸汽的装置，其特征在于热管式真空集热管(2)为熔封式真空集热管、融封式真空集热管、普通型真空集热管、聚光式真空集热管或翅片式热管。

4.如权利要求1所述的热管式一次性通过直接产生蒸汽的装置，其特征在于聚光器(1)可置于热管式真空集热管(2)内。

5、一种热管式再次循环直接产生蒸汽的的方法，其特征在于将多个聚光器(1)经过串并联的排列，聚集的太阳光透过热管式真空集热管(2)的玻璃外管(2-1)和真空腔(2-2)，被选择性吸收涂层(2-3)吸收后，加热热管(2-4)蒸发段内的工质(2-5)，热管(2-4)内工质(2-5)蒸发上升至热管(2-4)的冷凝段，工质(2-5)蒸汽将热量传递给热管(2-4)外的第一总管(5-1)中的冷却介质水(3)后，工质(2-5)凝结成液体重新回到热管(2-4)蒸发段循环使用；第一总管(5-1)中的冷却介质水(3)由泵(4)泵入到第一总管(5-1)中，被不断加热后，由介质水(3)变成饱和水和饱和水蒸汽混和物进入汽水分离器(6)中，经汽水分离器(6)分离后，饱和水(7)在循环泵(9)作用下经旁路管(8)泵入第一总管(5-1)的入口处循环，汽水分离器(6)输出到第二总管(5-2)中的饱和水蒸汽(10)则进一步被加热成过热蒸汽(11)至出口处，输出到需要场所；热管式真空集热管(2)的热管(2-4)冷凝段是插入到总管(5)中，实现源汇分离。

Images