CN102538237B - 一种太阳能热交换系统及其集热器 - Google Patents
一种太阳能热交换系统及其集热器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于太阳能热交换系统的集热器，包括开设有窗口(21)的外壳(2)，以及依次远离所述窗口(21)的吸热体(23)和隔热层(22)，还包括导管(3)，所述导管(3)的进液口(31)与高压液体介质源相连通，导管(3)盘绕在吸热体(23)与隔热层(22)之间，且其朝向所述吸热体(23)的表面上开设有细小出液口(32)。液体在吸热体(23)上吸热蒸发。由于增加了具有出液口的导管结构，该集热器能够以液体作为工作介质进入集热器，流动稳定，流量较小，分布均匀。因此管路压力损失较小，管材消耗较少。本发明还公开了一种包括上述集热器的太阳能热交换系统。
Description
一种太阳能热交换系统及其集热器
技术领域
[0001] 本发明涉及热交换技术领域，特别涉及一种用于太阳能热交换系统的集热器。本发明还涉及一种包括上述集热器的太阳能热交换系统。
背景技术
[0002] 随着我国经济建设的快速发展，太阳能热交换系统越来越广泛地应用于热交换技术的各个领域。
[0003] 太阳能热利用技术作为一种可再生清洁能源技术因其节能减排的优势而发展迅速，它经常结合聚光技术，以高温高效率为特征，它通过聚光器把太阳光聚集起来投射到位于聚光器焦点处的集热器上，集热器把光转换成热，并把热量交换给通过集热器的工质，而产生的高温工质有多种应用，如工业加热、热力发电、化工过程等。在高倍聚光比的情况下，集热器是聚光技术的核心所在，也是太阳能热交换系统的重要组成部件。
[0004] 一种典型的集热器包括窗口、吸热体、外壳、二次聚光面。集热器以空气作为工作介质，空气从开设于外壳上的进气口进入集热器的腔体，之后穿过吸热体，吸收太阳光的热量，最后从出气口流出。太阳光穿过窗口后照射在陶瓷材料的吸热体上，窗口由石英材料制成，进入集热器的低温加压空气直接进入吸热体并与吸热体进行对流换热，吸收太阳光的热量，经由出口流出集热器，气体在集热器内没有发生相变；二次聚光面的作用是把照射在此面上的光线也反射到集热器腔体内，以提高效率。
[0005] 上述典型的集热器以空气或者气体作为工作介质，而空气的导热系数较小，密度较低，换热系数较低，载热能力较低，为满足热交换效率，在实际应用中往往需要提供较大的空气流量，使得风机输送功率消耗较大，同时管道直径要求较大，管材消耗较多。而如果在上述集热器中使用液态工作介质，很容易发生局部蒸发过快引起高压，从而影响系统的可靠性。
[0006] 因此，如何在保证集热器工作可靠性的情况下，提高集热器的工作效率，降低功率和材料消耗，就成为本领域技术人员亟须解决的问题。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种用于太阳能热交换系统的集热器，其具有较高的工作可靠性，且工作效率较高，功率和材料消耗较低。本发明的另一目的是提供一种包括上述集热器的太阳能热交换系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供一种用于太阳能热交换系统的集热器，包括开设有窗口的外壳，以及依次远离所述窗口的吸热体和隔热层，还包括导管，所述导管的进液口与高压液体介质源相连通，所述导管上开设有出液口，所述出液口朝向所述吸热体的表面。
[0009] 优选地，所述导管包括与所述高压液体介质源连通的直段，和与所述直段连通并开设所述出液口的盘段；所述盘段沿周向环绕所述吸热体。[0010] 优选地，所述盘段包括多层结构，且其各层沿所述吸热体的轴向分布。
[0011] 优选地，所述直段与所述盘段的最底层连通。
[0012] 优选地，所述盘段的各层均开设有所述出液口。
[0013] 优选地，每层所述盘段分别设置有多个所述出液口。
[0014] 优选地，各所述出液口沿每层所述盘段的周向均匀开设。
[0015] 优选地，所述出液口与所述吸热体之间具有预定距离。
[0016] 优选地，所述出液口为圆形孔，且其直径小于1mm。
[0017] 优选地，还包括设置于所述窗口下方的二次聚光面。
[0018] 本发明还提供一种太阳能热交换系统，包括集热器，所述集热器为如上述任一项所述的集热器。
[0019] 本发明所提供的用于太阳能热交换系统的集热器，包括开设有窗口的外壳，以及依次远离所述窗口的吸热体和隔热层，还包括导管，所述导管的进液口与高压液体介质源相连通，且其朝向所述吸热体的表面上开设有出液口 ；这样，当液体介质通过导管的进液口进入后，在压力差的作用下，经由导管上的出液口变成细小的液滴状并喷入吸热体，细小液滴受吸热体的高温作用发生汽化，经过相变后，生成的气体沿着吸热体与窗口之间的通道的流动，产生一定的过热度后，从集热器的出口管流出；由于增加了具有出液口的导管结构，该集热器能够以液体作为工作介质，进入集热器的是液态介质，流动稳定，流量较小，因此管路压力损失较小，管材消耗较少；集热器内主要换热方式为相变换热，换热系数高，有利于减少吸热体的温度与整个集热器的热损失；流出集热器的是蒸汽，方便直接加以利用，不需要额外的蒸汽发生器并避免了额外的换热过程中的热损失；同时，把液体工作介质先变成细小液滴，可以避免液体相变引起压力突然增加的发生，以保证集热器的可靠性，显著提高热利用效率并减少成本。
[0020] 在一种具体实施方式中，本发明所提供的导管包括直段和盘段，其中直段与高压液体介质源连通，盘段与直段连通并开设有出液口，盘段沿周向环绕所述吸热体；设置盘段能够充分利用壳体内的空间，且盘段环绕于吸热体提高了热交换的均匀性。
[0021] 在另一种具体实施方式中，本发明所提供的出液口与吸热体之间具有预定距离，以便液态介质产生较好的雾化效果和较为均匀的流量分配。
附图说明
[0022] 图1为本发明所提供的集热器一种具体实施方式的剖视图；
[0023] 图2为图1中A部分的放大图；
[0024] 图3为本发明所提供的导管一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
[0025] 本发明的核心是提供一种用于太阳能热交换系统的集热器，其具有较高的工作可靠性，且工作效率较高，功率和材料消耗较低。本发明的另一核心是提供一种包括上述集热器的太阳能热交换系统。
[0026] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。[0027] 请参考图1，图1为本发明所提供的集热器一种具体实施方式的剖视图。
[0028] 在一种具体实施方式中，本发明所提供的集热器用于太阳能热交换系统，该集热器包括外壳2、隔热层22、吸热体23和导管3,其中外壳2上开设有窗口 21,外壳2内设置有隔热层22和吸热体23，隔热层22和吸热体23依次远离窗口 21，导管3的两端分别有进液口 31和出液口 32，其中导管3的进液口 31与高压液体介质源相连通，出液口 32开设于导管3的朝向吸热体23的表面上。
[0029] 本发明所涉及的集热器属于太阳能热利用技术领域，可结合塔式、碟式等聚光技术而用于太阳能热发电、制冷、干燥、加热等太阳能热交换系统中。
[0030] 上述吸热体23为多孔结构，其材料一般具有较高的光吸收率，并对液体工作介质具有较好的浸润性，该吸热体23的材料可以为金属丝网、多孔陶瓷或烧结颗粒等。
[0031] 上述窗口 21的材料可以为石英玻璃，具有较高的光透过率，并能够承受足够的压力与温度。太阳光从窗口 21底部进入，透过窗口 21进入吸热体23并被吸收。根据具体的应用场合和耐压要求，窗口 21可以为拱形结构，也可为其它规则或者不规则的形状，例如半圆球形等。
[0032] 上述隔热层22可以选取导热系数低且密度低的材质，还需要足够的耐温性，例如隔热层22可以为玻璃纤维材质制成的保温砖。
[0033] 集热器的出口管配有保温层与连接法兰。工质流量可随着太阳光强度的变化而变化，以满足出口蒸汽压力、温度的要求。根据需要，本集热器还可以加上二次聚光面，即在窗口 21下面连接一个镜面反射面，把投射在周围的光线聚集到空腔内，以增加光的采集比率，并防止集热器外壳2过热损坏。
[0034] 该集热器也可以根据需要把多个单元进行并联，模块化地满足各种场合的应用需求。
[0035] 由于使用水作为工作介质成本较低，该集热器的工作介质多为水，显然地，该集热器的工作介质也不局限为水，也可以使用其他液体材料作为工作介质，例如有机液体等。
[0036] 这样，当液体介质通过导管3的进液口 31进入后，在压力差的作用下，经由导管3上的出液口 32变成细小的液滴状并喷入吸热体23，细小液滴受吸热体23的高温作用发生汽化，经过相变后，生成的气体沿着吸热体23与窗口 21之间的通道的流动，产生一定的过热度后，从集热器的出口管流出；由于增加了具有出液口 32的导管3结构，该集热器能够以液体作为工作介质，进入集热器的是液态介质，流量较小，因此管路压力损失较小，管材消耗较少；集热器内主要换热方式为相变换热，换热系数高，有利于减少吸热体23的温度与整个集热器的热损失；流出集热器的是蒸汽，方便直接加以利用，不需要额外的蒸汽发生器并避免了额外的换热过程中的热损失；同时，把液体工作介质先变成细小液滴，可以避免液体相变引起压力突然增加的发生，以保证集热器的可靠性，显著提高热利用效率并减少成本。
[0037] 还可以对本发明所提供的用于太阳能热交换系统的集热器进行进一步的改进。
[0038] 请参考图2和图3 ;图2为图1中A部分的放大图；图3为本发明所提供的导管一种具体实施方式的结构示意图。
[0039] 在一种具体实施方式中，本发明所提供的导管3包括直段33和盘段34，其中直段33的一端与高压液体介质源连通，另一端与盘段34连通，盘段34上开设若干出液口 32，且盘段34沿周向环绕于吸热体23 ;设置盘段34能够充分利用壳体内的空间，且盘段34环绕于吸热体23提高了热交换的均匀性。
[0040] 开设于盘段34上的出液口 32可以设置有多个，各个出液口 32在盘段34的延伸方向上均匀分布。出液口 32应朝向吸热体23开设，以便能够更好地与吸热体23进行热交换。
[0041] 导管3的盘段34可以包括多层结构，且其各层沿所吸热体23的轴向分布。显然地，导管3的盘段34也不局限于多层结构，且也可以仅为一层的结构。
[0042] 多层盘段34的具体结构可以为，盘段34的最底层的外径最大，且自下向上盘段34的外径逐渐缩小。显然地，多层盘段34的结构也不局限于上述具体结构，盘段34的各层的外径也可以大体相等。
[0043] 需要指出的是，文中所述的底层是指靠近窗口 21开口的一侧。
[0044] 导管3的直段33可以与盘段34的最底层连通，这样，多层盘段34自下向上延伸，具有较好的热交换效果，同时能够优化集热器的空间布置。
[0045] 上述盘段34的各层均开设有出液口 32 ;这样，各层的出液口 32均能够喷出小液滴，从而显著提高了集热器的工作效率。显然地，也并不局限于每层都开设有出液口 32，也可以在多层盘段34间隔开设出液口 32。
[0046] 在上述多层盘段34的情况下，每层盘段34可以分别设置有多个出液口 32，以便进一步提闻集热器的集热效率。
[0047] 各出液口 32可以沿每层盘段34的周向均匀开设，显然地，也可以非均匀开设。
[0048] 导管3的出液口 32与吸热体23之间具有预定距离，以便液态介质产生较好的雾化效果和较为均匀的流量分配。该预定距离应该根据实际使用情况和工作介质的自身性质确定，在此不作限定。
[0049] 出液口 32可以为圆形孔，且其直径小于1mm。出液口 32的形状也不局限于圆形，其也可以为其他规则或者不规则的形状，例如方形或者椭圆形等。同时，圆形出液口 32的直径也不局限于1mm，其也可以根据实际使用情况扩大或者缩小该直径。
[0050] 本发明所提供的集热器还可以包括二次聚光面，该二次聚光面设置于窗口的下方，以便提高聚光性能。
[0051] 除了上述集热器，本发明所提供一种包括上述集热器的太阳能热交换系统，该太阳能热交换系统的其他各部分结构请参考现有技术，在此不做限定。
[0052] 以上对本发明所提供的太阳能热交换系统及其集热器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种用于太阳能热交换系统的集热器，包括开设有窗口(21)的外壳(2),以及依次远离所述窗口(21)的吸热体(23)和隔热层(22)，其特征在于，还包括导管(3)，所述导管(3)的进液口(31)与高压液体介质源相连通，所述导管(3)上开设有出液口(32)，所述出液口(32)朝向所述吸热体(23)的表面。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述导管(3)包括与所述高压液体介质源连通的直段(33)，和与所述直段(33)连通并开设所述出液口(32)的盘段(34);所述盘段(34)沿周向环绕所述吸热体(23)。
3.根据权利要求2所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述盘段(34)包括多层结构，且其各层沿所述吸热体(23)的轴向分布。
4.根据权利要求3所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述直段(33)与所述盘段(34)的最底层连通。
5.根据权利要求4所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述盘段(34)的各层均开设有所述出液口(32)。
6.根据权利要求5所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，每层所述盘段(34)分别设置有多个所述出液口(32)。
7.根据权利要求6所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，各所述出液口(32)沿每层所述盘段(34)的周向均匀开设。
8.根据权利要求1至7任一项所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述出液口(32)与所述吸热体(23)之间具有预定距离。
9.根据权利要求8所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，所述出液口(32)为圆形孔,且其直径小于1mm。
10.根据权利要求1至7任一项所述的用于太阳能热交换系统的集热器，其特征在于，还包括设置于所述窗口的下方的二次聚光面。
11.一种太阳能热交换系统，包括集热器，其特征在于，所述集热器为如权利要求1至10任一项所述的集热器。
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