CN102425867A

CN102425867A - 一种带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管

Info

Publication number: CN102425867A
Application number: CN2011103699298A
Authority: CN
Inventors: 吴治永; 王志峰
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2012-04-25

Abstract

一种带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管，包括玻璃外管和具有单侧内翅片强化传热结构的金属内管。玻璃外管两端通过波纹管与金属内管封接；玻璃外管与金属内管之间为真空；金属内管外表面镀有选择性吸收太阳光涂层；金属内管吸收聚焦太阳能一侧的内表面设有内翅片，内翅片与金属管集成为一体。所述的内翅片把热量导入金属内管中心，增加了对流换热面积，减小了金属内管与导热流体的温差，提高了集热管内导热流体速度场与集热管温度场的协同程度。此外，内翅片还增加了集热管的强度，提高了集热管的可靠性。

Description

一种带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳能真空集热管。

背景技术

在太阳能热利用中，槽式和线性菲涅尔式太阳能集热器的金属管均为单侧非均匀受热，周向能流密度分布极不均匀，能量密度最高达5×10⁴瓦每平方米，最低只有百瓦每平方米量级。更重要的是，集热管在生命周期内，始终是单侧受热，且受热面面向地球表面。一方面，这种能流分布极不均匀使得集热器金属管周向和轴向上产生很大的温差，由此引起的热膨胀对集热器性能会造成不利影响。从而对太阳能聚能系统的设计、安装和运行提出更高的要求。此外，在自身重力和单侧受热的情况下，金属管绕度将大增，这大大增加了槽式太阳能集热器的玻璃管与金属管碰触进而破坏的概率。研究表明，4米长无缝钢管在两端支撑条件下，在自重和单侧受热情况下的绕度比仅自重条件下的绕度增加5倍。另一方面，单侧受热对于金属管内部对流换热提出了很高的要求。对于目前广泛应用的内外表面光滑的无缝钢管，管内换热系数较低，这使得集热器金属管的外表面处于较高温度水平，进而使集热器的辐射热损较高，集热器的热效率较低。

在目前聚光太阳能热发电技术中，槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器的吸热器接收管均为光滑无缝钢管，管内没有采用强化换热措施。而在现有的管内强化换热技术中，大都采用螺纹结构、凹凸波纹状结构、纵向涡发生器、扭曲片等全周布置方案。比如，用于石化裂解炉的螺纹内翅片管、MERT管和SCOPE管等分别为周向均布的翅片、凸起单螺纹和凸起多螺纹；中国专利CN1451937发明了一种不连续双斜内肋强化换热管，其斜内翅片成对出现且周向均布。这些结构的设计增加了管壁的换热性能，同时也增加了流动阻力，即增加了泵功消耗，从而使得系统运行收益相对降低。很显然，按照场协同原理，这种周向均匀布置的增强换热结构，并不适合于太阳能热利用领域里槽式和线性菲涅尔式太阳能集热器单侧受热的情况。中国专利CN101363664A批露了一种单侧多纵向涡强化换热的聚焦槽式太阳能吸热器，其原理是通过增加金属管内受热测对流换热系数的方法，以实现场协同原理。然而，采用凸起的不连续多纵向涡发生器，相当于增加了金属管受热测的厚度，研究表明集热器外表面的温度没有明显降低；如采用凹进的不连续多纵向涡发生器，相当于减小了金属管受热测的厚度，对于壁厚只有大约2mm厚的金属管，其强度将大大降低，因此并不可行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的系统可靠性低和成本高的缺点，提出一种单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管。本发明能够合理强化换热、有效降低金属管壁温和热膨胀、增加集热管的强度、提高集热管的可靠性。本发明也可用于线性菲涅尔式太阳能集热器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种真空集热管，包括玻璃外管、具有单侧内翅片强化传热结构的金属内管。玻璃外管两端通过波纹管与金属管封接；玻璃外管与金属内管之间为真空；金属内管外表面镀有选择性吸收太阳光涂层；金属内管吸收聚焦太阳能一侧的内表面设有翅片。

在金属管内壁面的受热侧设置内翅片，对于槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器来说，即在接收聚焦太阳能热流侧设置内翅片。翅片分布的角度范围θ即为受热侧热流密度分布较高的区域，对于槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器来说，翅片分布角度θ为0～180度。这里，热流密度是指聚光太阳能投射到金属管表面的能流密度，单位为w/m²。此外，热流密度较高的范围是相对的，比如定义为热流密度大于最高热流密度50％的范围。翅片的数量根据金属管管径、壁厚、受热测宽度以及加工成本等确定。翅片的高度h＝0.05～0.4d，其中d为金属管管直径。翅片高度随热流分布的不同而不同，在热流密度相对高的地方翅片也高，在热流密度相对低的地方也低。翅片的横截面为长方形或梯形。

金属管在单侧受热情况下，受热侧金属温度高、非受热侧温度低。传热流体流经单侧受热金属管时，受热侧温度梯度高、非受热侧温度梯度低。根据场协同性原理，在温度梯度较大侧布置翅片，增大换热面积，其强化换热效果要好于温度梯度较小侧。单从强化传热的效果来看，周向均匀布置翅片其传热效果会更佳。然而，这样结构的流阻将会更高。因此，单侧布置翅片，是单侧受热情况下强化对流换热与降低流阻综合考虑后的优化结果。

本发明单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管的核心部件为单侧内翅片强化传热金属管，内翅片通过增加对流换热面积，从而增强对流换热，改善了速度场与热流场协同程度，强化了管内流体对流换热。在单侧受热情况下，以增加相同流动阻力为代价，采取单侧强化传热措施的换热效果是最优的，因此在受热侧采取增加翅片可以达到高效低阻的强化换热效果与节能降耗的目的。此外，该翅片增加了金属管的强度，能够有效降低槽式或线性菲涅尔式太阳能集热管受热时的绕度，从而提高集热器的可靠性。

本发明单侧内翅片金属管的结构形式也适用于线性菲涅尔式太阳能集热器。

附图说明

图1为装有本发明单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管整体示意图；

图2为装有本发明单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；

图3内翅片结构示意图；

图4典型槽式太阳能集热器接收管横截面外管壁面上太阳能能力密度分布图；其中，横坐标为接收管横截面周向位置(角度)，纵坐标为对应周向位置处接收管表面的能量密度(kW/m²)；

图5现有技术槽式太阳能集热管横截面上温度分布图；

图6本发明槽式太阳能集热管横截面上温度分布图；

图中：1波纹管，2外玻璃管，3单侧具有内翅片的金属管，4选择性吸收太阳光涂层，5真空腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管，其特点为集热管的金属管单侧内壁有内翅片，所述的内翅片与金属管为一体，这样金属管内壁面与内翅片间的热阻很小。在安装具有单侧翅片的槽式或线性菲涅尔式太阳能中高温集热器，必须使金属管有翅片的一侧正对聚光玻璃镜，以使翅片达到设计的目的——增强换热、增加集热管的强度，并实现管内流体速度场与温度场的协同。

如图1、图2所示，本发明包括波纹管1、外玻璃管2、单侧具有内翅片的金属管3、选择性吸收太阳光涂层4和真空腔5。玻璃外管两端通过波纹管与金属管封接，玻璃外管与金属内管之间为真空，金属内管外表面镀有选择性吸收太阳光涂层，金属内管吸收聚焦太阳能一侧的内表面设有翅片。单侧具有内翅片的金属管3内表面的单侧装有内翅片，即在接收聚焦太阳能热流侧装有内翅片。为了优化该换热管的结构，翅片的高度、数量以及分布可以根据热流密度的分布进行调整。即从整个圆周来看，内翅片布置在太阳热流密度高及金属管内温度梯度大的一侧。所述的内翅片为直翅、或翅侧面有孔、或翅片有锯齿结构，如图3所示，内翅片的截面可以是长方形或梯形。内翅片的高度、间距和厚度与聚焦太阳能的热流密度分布相匹配，是以金属管内温度梯度和内翅片加工成本为约束，以金属管表面温度最低为目标进行优化的结果。

所说的内翅片沿周向分布密度是均匀的，也可以是不均匀的。

图2所示为装有本发明单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管横截面示意图，其翅片分布的范围θ与受热测热流密度分布高的范围重叠。其中，热流密度分布高的范围定义为热流密度大于最高热流密度50～80％的范围。对于槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器来说，翅片分布的角度θ＝120～180度。翅片的数量为1-10片，具体数量根据金属管管径、壁厚、受热测宽度以及加工成本等确定。翅片的高度h＝0.05～0.4d，其中d为管直径。翅片高度随热流分布的不同而不同，在热流密度相对高的地方翅片也高，在热流密度相对低的地方也低。翅片的横截面为长方形或梯形。

工作时，太阳光通过镜面反射聚焦并首先投射到接收器的玻璃外管2上，太阳光透过玻璃外管2然后投射到金属内管3上；金属内管3外表面吸收太阳能并把其转化为热能，热能通过传导到金属管内部；管内的流体传热介质熔融盐或导热油(对直接水蒸气系统为水或水蒸气)，与金属管3内壁进行对流换热吸把热量带走，达到以利用太阳能的目的。而金在属管3内布置的翅片，一方面把热量导入金属管中心，另一方面通过增大对流换热面积实现增强换热的目的。单侧内翅片的存在，极大地改善了流体流场与集热管温度场的协同程度，强化了管内流体对流换热，降低了导热流体与金属管的平均温差，通过降低金属管表面温度，降低了集热管的辐射热损，进而提高了集热管的热效率。图4所示的是槽式聚光器开口6米宽和太阳直射辐照900W/m²情况下，聚焦槽式太阳能吸热器金属内管表面上能流密度分布。图5所示的是在该能量密度下，采用数值模拟方法获得的现有技术槽式太阳能集热管横截面上的温度分布；图6所示的是在该能量密度下，采用数值模拟方法获得的本发明单侧内翅片的槽式太阳能集热管横截面上的温度分布。从图5和图6可以看出，本发明单侧内翅片的槽式太阳能集热管金属管表面温度比普通槽式太阳能集热管的表面温度低20度。

此外，内翅片的存在，增加了金属管的强度和集热管的可靠性，减小了金属管的绕度，提高了整个集热管的可靠性。

研究表明，单侧内翅片金属管能较好地改善温度场与热流场协同性、增强换热，因而可以减少吸热器用钢量、降低投资成本、提高聚焦槽式和线性菲涅尔式太阳能热利用系统的热效率。依据于本技术领域特殊情况，单侧布置内翅片不仅抓住了集热管单侧受热的主要问题，强化了换热、增强了集热管的可靠性，也在很大程度上降低了管内流体流动阻力，能有效降低系统运行成本。

本发明合理地强化换热、降低管壁温差及热膨胀、提高槽式和线性菲涅尔式太阳能中高温集热器的可靠性，提高太阳能热利用效率，综合降低系统运行成本。单侧内翅片金属管，具有高效低阻的强化换热效果以及抗结垢等优点，内翅片可由钢板直接切割而成，通过特殊的焊接工艺把翅片焊接在无缝金属管内壁。单侧内翅片金属管也可以拉伸成型。该加工工艺不改变无缝钢管应用于高压和真空环境的性能，适合于批量化生产。

Claims

1.一种带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管，包括玻璃外管(2)和金属内管(3)；所述玻璃外管(2)的两端通过波纹管(1)与金属管(3)封接，玻璃外管(2)与金属内管(3)之间为真空腔(5)，金属内管(3)外表面镀有选择性吸收太阳光涂层(4)，其特征在于：所述的金属内管(3)接收聚焦太阳能热流侧的内表面设置有内翅片，所述的内翅片与金属管集成为一体。

2.按照权利要求1所述的带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管，其特征在于：所述的内翅片为直翅，或翅侧面有孔，或翅片有锯齿结，或翅片一侧波纹形结构，翅片的横截面为长方形、或梯形。

3.根据权利要求1所述的带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述的内翅片分布的角度为θ＝0～180度。