CN101968266B - 一种太阳能中、高温集热与换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能中、高温集热与换热装置，它由全玻璃双通道真空管集热器、金属联接器和换热器组成，换热器由外壳、内胆、导入管、导出管、换热盘管、循环介质和受热介质组成，内胆悬空放置于外壳中，全玻璃双通道真空管集热器通过导入管和导出管与换热器一起构成循环介质回路，换热盘管及受热介质与外界的管道构成受热介质回路。本发明集真空集热技术和换热技术于一体，采用间接换热、分级换热方式，不但具有热交换快、工作范围宽的显著功能，而且简化了换热结构，使输送热量子系统能承受较高压力。当采用聚光镜围绕真空集热管旋转的极轴式聚光跟踪方式时，可以固定输送热量的管路，为直接蒸汽发生系统提供了一种新的运行模式。

Description

一种太阳能中、高温集热与换热装置

技术领域

本发明涉及太阳能利用设备，尤其是涉及一种用于太阳能海水淡化、太阳能空调器、太阳能工业用热、太阳能热能发电中的太阳能中高温集热与换热装置。

背景技术

在槽式太阳能热发电系统中，作为关键技术之一的真空集热管(直通式金属——玻璃真空集热管)，是在一根玻璃管内封装一根表面涂有选择性涂层的金属管(吸收管)，玻璃管与金属管是通过精密合金过渡采用熔封技术联接而成的真空管集热器，玻璃管与金属管之间的空间抽成真空，以保护金属管表面的选择性吸收涂层，同时降低集热损耗。用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到真空集热管上，可使聚光比在30——100之间，可以产生10.4MPa/370℃的过热蒸汽，带动汽轮机发电。但是，直通式金属——玻璃真空集热管在技术上存在着一定的局限，这种局限在于：金属与玻璃之间是采取熔封而成的，其质量的好坏主要取决于对金属的真空卫生和金属的氧化处理，尤其是氧化处理，如果金属表面的氧化层过薄，则封接强度达不到要求，容易脱封；如果金属表面的氧化层过厚，虽然封接强度上达到了要求，但气密性又可能较差，容易产生漏气现象。这就导致了现行技术生产的直通式金属——玻璃真空集热管不能够长久运行的弊端。

另外，在未来的槽式太阳能热发电系统中，集热装置如果采用直接蒸汽发生系统(Direct Solar Generation)，可以提高效率减小热量损失，如果简单地应用现行技术生产的直通式金属——玻璃真空集热管，这就要求表面涂有选择性涂层的金属管(吸收管)的厚度要加大到足以承受12MPa以上的压力，其制造难度更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能中、高温集热与换热装置，它集真空集热技术和换热技术于一体，采取分级换热方式，具有热交换快、工作范围宽等显著优点。本发明由于换热系统可以承受较高压力，当采用聚光镜围绕真空集热管旋转的极轴式聚光跟踪方式时，可以固定输送热量的管路，为直接蒸汽发生系统提供了一种新的运行模式。

本发明的目的是这样实现的：

一种太阳能中高温集热与换热装置，包括由外玻璃管、吸热玻璃管、隔离玻璃管内玻璃管和玻璃扩容法兰组成的全玻璃双通道真空管集热器，外玻璃管、吸热玻璃管和隔离玻璃管的顶部呈同轴排列经高温熔封在玻璃扩容法兰上，在吸热玻璃管的内底部和隔离玻璃管的底部之间设有起支撑定位作用的内不锈钢支架，在外玻璃管的内底部和吸热玻璃管的外底部之间设有起支撑定位作用的外不锈钢支架，在外玻璃管的底部设有真空排气孔，外玻璃管、吸热玻璃管与玻璃扩容法兰之间的腔体通过真空排气孔进行抽真空处理形成封闭的真空腔体；在吸热玻璃管的外表面镀有应用于高温的选择性太阳能吸收涂层，吸热管玻璃和隔离玻璃管之间的夹层构成循环介质的受热及流出通道，隔离玻璃管和中间的内玻璃管的底部固定在一起，隔离玻璃管和内玻璃管之间的夹层构成隔热层；内玻璃管中间的通道作为循环介质的流入通道，隔热层将受热及流出通道和流入通道隔离；在玻璃扩容法兰的外圈设有与受热及流出通道相通的流出管嘴，在玻璃扩容法兰的中间设有与流入通道相通的流入管嘴，特征是：还包括换热器和金属联接器，换热器由外壳、内胆、导入管、导出管、换热盘管、循环介质和受热介质组成，内胆悬空放置于外壳中，且外壳与内胆之间为绝热层，玻璃扩容法兰上的流入管嘴通过金属联接器与导出管的下端连接，导出管的上端向上穿过外壳后固定在内胆的底部并与内胆的空腔相通，玻璃扩容法兰上的流出管嘴通过金属联接器与导入管的下端连接，导入管的上端向上穿过外壳和内胆并伸入到内胆的空腔的中部，换热盘管置于内胆的空腔的中下部并将导入管套在中间，在换热盘管中存储有受热介质，换热盘管的进口水平向外穿出内胆和外壳设在外壳的外侧壁下部，换热盘管的出口向上穿出内胆和外壳后向外穿出内胆和外壳后设在外壳顶端外壁的一侧，在外壳顶端外壁的另一侧设有与内胆的空腔上端相通的通气孔；金属联接器为快卸法兰；全玻璃双通道真空管集热器通过导入管和导出管与换热器一起构成循环介质回路，换热盘管及其中的受热介质与外界的管道构成受热介质回路。

在内胆的底部中间加工有内凹且狭窄的倒“U”形槽，导入管的上端放置于倒“U”形槽的槽中并从倒“U”形槽的顶端穿出、伸入到内胆的空腔的中部，换热盘管套在倒“U”形槽和导入管上。

内胆的空腔中的循环介质的装载量为内胆的空腔容量的2/3或3/4，换热盘管的高度不超过内胆的空腔高度的2/3，换热盘管完全浸没在循环介质中。流出管嘴、流入管嘴、导入管和导出管的接口均为KF接口，KF接口之间的密封垫圈为耐高温型垫圈，金属联接器为KF系列夹紧型快卸法兰。

所述绝热层是真空或高温绝热材料中的任意一种，高温绝热材料可以为石棉或陶瓷纤维中的一种。

本发明由全玻璃双通道真空管集热器、金属联接器和换热器组成，其中全玻璃双通道真空管集热器是申请人于2010年2月10日申请的发明专利和实用新型专利，实用新型专利已授权。全玻璃双通道真空管集热器通过导入管和导出管与换热器一起构成循环介质回路，换热盘管及其中的受热介质与外界的管道构成受热介质回路，循环介质回路和受热介质回路被换热器中的换热盘管分离开，在循环介质回路中装载有循环介质，在受热介质回路中装载有受热介质，循环介质作为循环液，受热介质作为冷却液，换热盘管及其中的受热介质作为本装置的冷却系统。

本发明的工作原理：本发明采用聚光镜围绕真空集热管旋转的极轴式聚光跟踪方式，聚焦型槽形抛物面聚光器将太阳辐射能以一定的聚光比聚集在全玻璃双通道真空管集热器上，循环介质在全玻璃双通道真空管集热器中接受热辐射后，在热虹吸作用下从全玻璃双通道真空管集热器中的流出管嘴经导入管进入换热器中的内胆中，将所吸收的热量传递给内胆中下部的换热盘管中的受热介质，循环介质被冷却后，又从内胆底部的导出管经流入管嘴流入全玻璃双通道真空管集热器再次受热，至此循环介质在循环介质回路中完成一次循环；在太阳光的持续辐射下，循环介质做周而往复地循环并且将不断地进入内胆中对换热盘管内的受热介质进行加热，受热介质加热后可以作为有用的高温高压热能输出，以驱动汽轮机发电、太阳能空调、海水淡化、太阳能工业用热等应用。内胆中的循环介质的装载量为内胆容量的2/3或3/4，留出1/3或1/4的容量来装载循环介质受热后膨胀的体积增量，通气孔则作为液态的循环介质气化后的出口，换热器为一个开放的非承压式换热器。

本发明同现有技术相比具有如下优点：

1、本发明集真空集热技术和换热技术于一体，采用间接换热、分级换热方式，不但具有热交换快、工作范围宽的显著功能，而且简化了换热结构，使输送热量子系统可以承受较高压力，克服了现有直通式金属——玻璃真空集热管密封结构复杂、运行时间不够长久等问题。

2、成本低廉、质量稳定。本发明中的真空集热管全部采用玻璃，从而使得与金属--玻璃结构真空集热器相比较，不存在异种材料的熔接问题，回避了金属--玻璃结构真空集热器的种种不尽人意的缺点；不仅成本低，而且运行周期长，质量稳定，用本装置构建的太阳能集热子系统、吸热与输送热量子系统具有极高的性价比，容易实现商业化。

3、当采用聚光镜围绕真空集热管旋转的极轴式聚光跟踪方式时，可以固定输送热量的管路，为Direct Solar Generation(直接蒸汽发生系统)提供了一种新的运行模式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种太阳能中高温集热与换热装置，由全玻璃双通道真空管集热器1、金属联接器2和换热器3组成，其中：全玻璃双通道真空管集热器1又由外玻璃管14、吸热玻璃管15、隔离玻璃管16、内玻璃管17和玻璃扩容法兰4组成，外玻璃管14、吸热玻璃管15和隔离玻璃管16的顶部呈同轴排列经高温熔封在玻璃扩容法兰4上，在吸热玻璃管15的外表面镀有应用于高温的选择性太阳能吸收涂层，在吸热玻璃管15的内底部和隔离玻璃管16的底部之间设有起支撑定位作用的内不锈钢支架21，在外玻璃管14的内底部和吸热玻璃管15的外底部之间设有起支撑定位作用的外不锈钢支架20，在外玻璃管14的底部设有真空排气孔19，外玻璃管14、吸热玻璃管15与玻璃扩容法兰4之间的腔体通过真空排气孔19进行抽真空处理形成封闭的真空腔体；吸热管玻璃15和隔离玻璃管16之间的夹层构成循环介质23的受热及流出通道22，隔离玻璃管16和中间的内玻璃管17的底部固定在一起，隔离玻璃管16和内玻璃管17之间的夹层构成隔热层24；内玻璃管17中间的通道作为循环介质23的流入通道18，隔热层24将受热及流出通道22和流入通道18隔离；在玻璃扩容法兰4的外圈设有与受热及流出通道22相通的流出管嘴25，在玻璃扩容法兰4的中间设有与流入通道18相通的流入管嘴26；

换热器3由外壳10、内胆11、导入管5、导出管6、换热盘管13、循环介质23和受热介质27组成，内胆11悬空放置于外壳10中，且外壳10与内胆11之间为绝热层28，玻璃扩容法兰4上的流入管嘴26通过金属联接器2与导出管6的下端连接，导出管6的上端向上穿过外壳10后固定在内胆11的底部并与内胆11的空腔12相通，玻璃扩容法兰4上的流出管嘴25通过金属联接器2与导入管5的下端连接，导入管5的上端向上穿过外壳10和内胆11并伸入到内胆11的空腔12的中部，换热盘管13置于内胆11的空腔12的中下部并将导入管5套在中间，在换热盘管13中存储有受热介质27，换热盘管13的进口7水平向外穿出内胆11和外壳10后设在外壳10的外侧壁下部，换热盘管13的出口9向上穿出内胆11和外壳10后设在外壳10顶端外壁的一侧，在外壳10顶端外壁的另一侧设有与内胆11的空腔12上端相通的通气孔8；金属联接器2为快卸法兰；全玻璃双通道真空管集热器1通过导入管5和导出管6与换热器3一起构成循环介质回路，在循环介质回路中装载有循环介质23，换热盘管13及其中的受热介质27与外界的管道构成受热介质回路。

在内胆11的底部中间加工有内凹且狭窄的倒“U”形槽29，导入管5的上端放置于倒“U”形槽29的槽孔30中并从倒“U”形槽29的顶端穿出、伸入到内胆11的空腔12的中部，换热盘管13套在倒“U”形槽29和导入管5上。

内胆11的空腔12中的循环介质23的装载量为内胆11的空腔12容量的2/3或3/4，换热盘管13的高度不超过内胆11的空腔12高度的2/3，换热盘管13完全浸没在循环介质23中。

流出管嘴25、流入管嘴26、导入管5和导出管6的接口均为KF接口，KF接口之间的密封垫圈为耐高温型垫圈，金属联接器2为KF系列夹紧型快卸法兰。

所述绝热层28是真空或高温绝热材料中的任意一种，本例中绝热材料为石棉。

循环介质23为导热油，受热介质27为水或溴化锂溶液或海水中的一种。

上面所述的实施例仅仅是对发明的优先实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中工程技术人员依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，均落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种太阳能中、高温集热与换热装置，包括由外玻璃管(14)、吸热玻璃管(15)、隔离玻璃管(16)、内玻璃管(17)和玻璃扩容法兰(4)组成的全玻璃双通道真空管集热器(1)，外玻璃管(14)、吸热玻璃管(15)和隔离玻璃管(16)的顶部呈同轴排列经高温熔封在玻璃扩容法兰(4)上，在吸热玻璃管(15)的外表面镀有应用于高温的选择性太阳能吸收涂层，在吸热玻璃管(15)的内底部和隔离玻璃管(16)的底部之间设有起支撑定位作用的内不锈钢支架(21)，在外玻璃管(14)的内底部和吸热玻璃管(15)的外底部之间设有起支撑定位作用的外不锈钢支架(20)，在外玻璃管(14)的底部设有真空排气孔(19)，外玻璃管(14)、吸热玻璃管(15)与玻璃扩容法兰(4)之间的腔体通过真空排气孔(19)进行抽真空处理形成封闭的真空腔体；吸热管玻璃(15)和隔离玻璃管(16)之间的夹层构成循环介质(23)的受热及流出通道(22)，隔离玻璃管(16)和中间的内玻璃管(17)的底部固定在一起，隔离玻璃管(16)和内玻璃管(17)之间的夹层构成隔热层(24)；内玻璃管(17)中间的通道作为循环介质(23)的流入通道(18)，隔热层(24)将受热及流出通道(22)和流入通道(18)隔离；在玻璃扩容法兰(4)的外圈设有与受热及流出通道(22)相通的流出管嘴(25)，在玻璃扩容法兰(4)的中间设有与流入通道(18)相通的流入管嘴(26)；其特征在于：还包括金属联接器(2)和换热器(3)，换热器(3)由外壳(10)、内胆(11)、导入管(5)、导出管(6)、换热盘管(13)、循环介质(23)和受热介质(27)组成，内胆(11)悬空放置于外壳(10)中，且外壳(10)与内胆(11)之间为绝热层(28)，玻璃扩容法兰(4)上的流入管嘴(26)通过金属联接器(2)与导出管(6)的下端连接，导出管(6)的上端向上穿过外壳(10)后固定在内胆(11)的底部并与内胆(11)的空腔(12)相通，玻璃扩容法兰(4)上的流出管嘴(25)通过金属联接器(2)与导入管(5)的下端连接，导入管(5)的上端向上穿过外壳(10)和内胆(11)并伸入到内胆(11)的空腔(12)的中部，换热盘管(13)置于内胆(11)的空腔(12)的中下部并将导入管(5)套在中间，在换热盘管(13)中存储有受热介质(27)，换热盘管(13)的进口(7)水平向外穿出内胆(11)和外壳(10)后设在外壳(10)的外侧壁下部，换热盘管(13)的出口(9)向上穿出内胆(11)和外壳(10)后设在外壳(10)顶端外壁的一侧，在外壳(10)顶端外壁的另一侧设有与内胆(11)的空腔(12)上端相通的通气孔(8)；金属联接器(2)为快卸法兰或卡箍；全玻璃双通道真空管集热器(1)通过导入管(5)和导出管(6)与换热器(3)一起构成循环介质回路，在循环介质回路中装载有循环介质(23)，换热盘管(13)及其中的受热介质(27)与外界的管道构成受热介质回路。

2.根据权利要求1所述的太阳能中、高温集热与换热装置，其特征在于：在内胆(11)的底部中间加工有内凹且狭窄的倒“U”形槽(29)，导入管(5)的上端放置于倒“U”形槽(29)的槽孔(30)中并从倒“U”形槽(29)的顶端穿出、伸入到内胆(11)的空腔(12)的中部，换热盘管(13)套在倒“U”形槽(29)和导入管(5)上。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能中、高温集热与换热装置，其特征在于：内胆(11)的空腔(12)中的循环介质(23)的装载量为内胆(11)的空腔(12)容量的2/3或3/4，换热盘管(13)的高度不超过内胆(11)的空腔(12)高度的2/3，换热盘管(13)完全浸没在循环介质(23)中。

4.根据权利要求1所述的太阳能中、高温集热与换热装置，其特征在于：流出管嘴(25)、流入管嘴(26)、导入管(5)和导出管(6)的接口均为KF接口，KF接口之间的密封垫圈为耐高温型垫圈，金属联接器(2)为KF系列夹紧型快卸法兰或卡箍。

5.根据权利要求1所述的太阳能中、高温集热与换热装置，其特征在于：所述绝热层(28)是真空或高温绝热材料中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的太阳能中、高温集热与换热装置，其特征在于：循环介质(23)为导热油，受热介质(27)为水或溴化锂溶液或海水中的一种。

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