CN101660747A - 热管式逐次注入式直接产生蒸汽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

热管式逐次注入式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，形成热管式逐次注入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，将多个聚光器(1)经过串并联的排列，将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)蒸发段内工质(2－5)蒸发上升至热管(2－4)的冷凝段，工质(2－5)蒸汽将热量传递给系统总管(5)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。

Description

热管式逐次注入式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逐次注入DSG(Direct SteamGeneration)热利用系统。采用单回路原理，以水代替常规系统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。

逐次注入方式的聚光集热镜场分为许多不同的集热器单元，每个集热器单元拥有测量装置。工质水在集热器单元的入口处注入到单元的集热管中产生过热蒸汽。

相对于常规聚光太阳能热利用的双回路系统，单回路逐次注入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。

尽管单回路逐次注入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逐次注入DSG的问题，本发明提出热管式逐次注入式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，形成热管式逐次注入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：热管式逐次注入DSG系统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。系统总管中的冷却介质水由泵泵入到总管中，被不断加热后，由水变成水蒸汽输出到需要场所。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。

热管式逐次注入方式的聚光集热镜场分为许多不同的热管式集热器单元，一个或几个集热器单元拥有测量装置。工质水在总管的入口处和中部入口处注入，逐步产生蒸汽。

该装置包括聚光器、热管式真空集热管、泵、总管、旁路管、注射泵；其中热管式真空集热管并联排列连接在总管的侧壁上，在总管的进口端设有泵，泵的出口处连接有旁路管，注射泵有多个，旁路管分别通过多个注射泵与总管连通，冷却介质水由泵泵入旁路管和总管，总管的出口输出水蒸汽，热管式真空集热管的热管的冷凝段插入到总管中。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(热压封式)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。

热管式逐次注入式直接产生蒸汽的方法为：将多个聚光器经过串并联的排列，将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；冷却介质水由泵泵入到总管和旁路管中，总管中的冷却介质水被不断加热成蒸汽，旁路管的冷却介质水通过注射泵不断补充到总管中产生蒸汽，从而介质水变成水蒸汽，输出到需要场所，热管式真空集热管中的热管冷凝段是插入到总管中，实现源汇分离。

有益效果：采用热管式逐次注入方式形成的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是热管式逐次注入DSG系统。

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、总管5、是旁路管6、注射泵7、水蒸汽8。

图2是热管式真空集热管。

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

热管式逐次注入式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、总管5、旁路管6、注射泵7；其中热管式真空集热管2并联排列连接在总管5的侧壁上，在总管5的进口端设有泵4，泵4的出口处连接有旁路管6，注射泵7有多个，旁路管6分别通过多个注射泵7与总管5连通，冷却介质水3由泵4泵入旁路管6和总管5，总管5的出口输出水蒸汽8，热管式真空集热管2的热管2-4的冷凝段插入到总管5中。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。所述热管式真空集热管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。

热管式逐次注入DSG系统将多个聚光器1经过串并联的排列，聚光器1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蒸发段内工质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管外、系统总管5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。冷却介质水3由泵4泵入到总管5和旁路管6中，总管5中的冷却介质水3被不断加热成蒸汽，旁路管6的冷却介质水3通过注射泵7不断补充到总管5中产生蒸汽，从而介质水3变成水蒸汽8，输出到需要场所。系统中，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。

热管式逐次注入DSG系统的运行过程：冷却介质水3由入口处泵4泵入到总管5和旁路管6中，经过热管式真空集热管2的不断加热，产生蒸汽8。如图1所示由水3变成蒸汽8的过程。

Claims (5)

1、一种热管式逐次注入式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)、总管(5)、旁路管(6)、注射泵(7)；其中热管式真空集热管(2)并联排列连接在总管(5)的侧壁上，在总管(5)的进口端设有泵(4)，泵(4)的出口处连接有旁路管(6)，注射泵(7)有多个，旁路管(6)分别通过多个注射泵(7)与总管(5)连通，冷却介质水(3)由泵(4)泵入旁路管(6)和总管(5)，总管(5)的出口输出水蒸汽(8)，热管式真空集热管(2)的热管(2-4)的冷凝段插入到总管(5)中。

2.如权利要求1所述的热管式逐次注入式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所述的热管式逐次注入式直接产生蒸汽的装置，其特征在于所述热管式真空集热管(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真空集热管。

4.如权利要求1所述的热管式逐次注入式直接产生蒸汽的装置，其特征在于聚光器(1)置于热管式真空集热管(2)内。

5、一种热管式逐次注入式直接产生蒸汽的方法，其特征在于将多个聚光器(1)经过串并联的排列，将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)蒸发段内工质(2-5)蒸发上升至热管(2-4)的冷凝段，工质(2-5)蒸汽将热量传递给系统总管(5)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；冷却介质水(3)由泵(4)泵入到总管(5)和旁路管(6)中，总管(5)中的冷却介质水(3)被不断加热成蒸汽，旁路管(6)的冷却介质水(3)通过注射泵(7)不断补充到总管(5)中产生蒸汽，从而介质水(3)变成水蒸汽(8)，输出到需要场所，热管式真空集热管(2)中的热管(2-4)冷凝段是插入到总管(5)中，实现源汇分离。

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