CN102748975B - 一种相变换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相变传热装置，所述相变传热装置采用相变介质如水为工质，通过在线性如管状的受热空间内的内管将水沿轴向相对均匀地注入，使注入水在管路轴向上各处近似同时发生吸热相变，其中，从入口输入的低温水在管路轴向上的各分布位置相对均匀的喷出，使管路上各点都同时发生水受热升温再变为饱和蒸汽，进一步加热成高温过热蒸汽的过程。本发明的相变传热装置可以在整个相变换热装置的轴向上获得相对均匀的两相流变换，从而克服传统的传热介质在轴向上流动，逐渐升温相变造成的两相流变换和汽化压力的轴向非均匀带来的换热介质的水锤、振动现象和管路疲劳损坏等问题。

Description

一种相变换热装置
技术领域
本发明涉及一种换热装置。
背景技术
随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发展，太阳能聚热发电(CSP)逐步为人们所认识，在CSP体系中，吸热传热部分具有非常重要的地位。太阳能的集热管技术的换热介质，目前主要采用导热油为传热工质，经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。由于目前的导热油工作温度必须控制在400℃以内，超出这一温度将会导致导热油裂解、粘度提高以及传热效率降低等问题，因此限制了太阳能聚热发电的工作温度。同时，导热油使用成本很高，因此迫切需要有新的传热工质取代导热油，以提高工作温度，并降低装置造价和运行成本。目前国际太阳能集热技术的换热介质的替代品有熔融盐类材料，但其结晶点较高，大多在230至260℃左右，因此直接替换仍有诸多困难，当前熔融盐主要用于热储能。
用水直接作为换热介质的直接蒸汽发生(DSG)技术已经试验多年，该技术与蒸汽锅炉受热管道运行原理相似，以水为工质，将低温水自吸热管路一端注入，水在沿管路轴向行进过程中吸热逐渐升温，达到沸点后变为饱和蒸汽，再继续吸热变为过热蒸汽。由于水在受热管内发生沸腾时状态不稳定，存在两相流传输和汽化压力在集热管内不均匀等问题，发生例如水锤、振动、管路材料疲劳破坏现象；另外在饱和蒸汽变为过热蒸汽段，由于蒸汽导热能力差，热吸收能力较弱，容易发生管路过温损毁，并且当管路受热不均匀时会发生严重弯曲，带来其他损失(如真空密封破坏)。因此该技术仍停留在试验阶段，但只要这些问题能够得以解决，DSG技术就成为成本最低、效率最高的环保安全型太阳能热发电关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种可应用于多领域的相变换热装置。
本发明提供了一种相变换热装置。该相变换热装置包括内管、外管和换热介质；所述内管布置在外管内，内管管壁布置介质通道；所述换热介质以液态从所述内管端部流经整个内管，同时穿过内管的管壁介质通道进入内管和外管之间的空间，接收外管壁获得的热源，所述换热介质相变成气态蒸汽后自外管端部输送至所述相变换热装置的外部。
优选地，所述内管长度为外管长度的50％-100％。
优选地，所述介质通道为通孔、喷嘴或渗透材料。
优选地，所述内管的通孔方向与管截面半径方向形成夹角。
优选地，所述内管的通孔方向与所述蒸汽运行的方向相反且形成夹角。
优选地，所述内管内布置有第三管，所述换热介质从第三管中注入所述相变换热装置。
优选地，所述外管包括第四管，所述内管与外管之间同轴布置一个或多个沿轴向排列的第四管，且内管与所述第四管之间间隔一定距离。
优选地，所述内管、外管、第三管和第四管的所选材料为金属、陶瓷或玻璃材料。
优选地，所述换热介质为水或导热油或导热姆。
本发明提供了一种相变换热装置的应用，即所述相变换热装置应用于太阳能热利用领域及锅炉加热领域。
本发明的相变换热装置可以在沿管路轴向分布的多个位置点同时向受热空间内注入换热介质，使每个位置的注入换热介质质量相对很少，能够在整个相变换热装置的轴向上基本同时获得迅速的升温相变，从而克服传统的换热介质直接在受热管一端注入，在受热管内沿轴向运动过程中逐渐受热升温，发生局部突然沸腾的不稳定状态、受热管轴向上吸热能力不均匀、汽化后的受热管段圆周上的温度不均匀等现象，以及由此引起在轴向上发生的两相流变换和汽化压力的轴向非均匀带来的如水锤、振动现象和管路疲劳损坏，以及局部管温过高烧坏、管路弯曲等问题。并且使热吸收效率更高。
附图说明
图1是本发明的相变换热装置结构示意图。
图2是本发明的相变换热装置结构的金属内管通孔布置示意图。
图3是本发明的相变换热装置整体结构第一实施例示意图。
图4是本发明的相变换热装置整体结构第二实施例示意图。
图5是本发明的相变换热装置应用于太阳能领域的第三实施例示意图及局部放大图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。
图1是本发明的相变换热装置结构示意图。从图1的局部剖视部分可见，本发明的相变换热装置1包括金属内管2、金属外管3和换热介质4。金属内管2和金属外管3通过间隔布置的金属支撑件相互支撑地同轴内外布置。金属外管3的外壁为受热面，在金属内管2的管壁内按一定规律布置贯穿管壁的通孔7。换热介质4于金属内管2的内部以液态形式流经金属内管2，穿过金属内管2的管壁通孔7进入内外管之间的空间或喷射到外管内壁，接受金属外管3壁的热量，然后，换热介质被加热成气态蒸汽并输送到所述换热装置外部，完成能量换出。因当液体流过金属内管2时，金属内管2的内部压力大于外部，并且平均下来每个通孔单位时间流出的介质量很少，液态换热介质4穿过管壁的通孔呈喷射状，扩散到内外管之间的空间甚至到达外部受热的金属外管的内壁，因此轴向上各处的喷出介质可基本同时迅速受热成高温和过热气态蒸汽，从金属外管3与金属内管2所形成的空间通道输送至相变换热装置系统之外，从而避免大量液体积累后发生局部突然沸腾等不稳定状态。优选地，为了进一步增强内部运行的换热介质4蒸汽的换热能力，在金属外管3的内壁螺旋布置翅片。换热介质4是在一定的范围内具有气液两相变化的物质，如水、酮类、醚类、醇类、各种有机物或液态或低熔点金属等热管介质。优选地，换热介质4为水、导热油、导热姆。
图2是本发明的相变换热装置结构的金属内管通孔布置示意图。从局部剖视部分可见，优选地，金属内管2的通孔7方向与管截面半径方向形成一定角度夹角，从而加大换热介质4的流经行程并形成沿圆周方向旋转，改善换热装置外管在圆周上的温度均匀性及增强换热效果，并能够避免由于外管受热不均造成的管路弯曲现象。优选地，金属内管的通孔方向除了在圆周上径向夹角布置外，在管路轴向方向上与蒸汽运行的方向成一定逆向角度，使得液态换热介质从通孔喷射后与蒸汽充分碰撞接触、液态颗粒进一步被分割微化，减少液态换热介质两相变化的冲击。此外，所述成逆向角度的通孔还达到使蒸汽整体环绕以内管为轴螺旋前进，加大与外管内壁的接触路径面积，增强换热并匀化外管圆周方向的温度分布，减少管路弯曲的效果。进一步优选地，将金属内管的通孔在轴向上变间距地布置，改善由于蒸汽从管路端部输出带来的参数分布不均匀性，使沿轴向上各处的吸热能力相对均匀，从而使外管温度在轴向上相对一致，增强吸热能力，减少热损失，避免局部过温损坏，使蒸汽换热介质在运行中保持稳定安全的参数。更优选地，在蒸汽的出口端近侧，内管上的通孔的间距较大，而在远侧通孔的间距较小，按照接收热量的位置的不同，非均匀地布置通孔7可获得所需稳定的蒸汽换热介质。优选地，金属内管2可采用脉冲式充液，一定时间间隔地向内外管空间充液，以此方式控制充液量，降低小直径通孔加工难度；优选地，所述金属外管3内壁布置螺旋翅片，使得内部运行的蒸汽换热介质产生涡旋，增强换热能力。
在一个实施例中，为了提高相变换热装置的工作效率，将其整体长度设计的很长例如1000米。优选地，在金属内管2的外壁设有绝热层，所述绝热层减少金属内管与金属外管形成空间内的高温蒸汽对金属内管内部的液态换热介质4的换热；优选地，采用沿液态换热介质流经的方向阶梯减小内管内径增加绝热层壁厚设计，以增加液态换热介质行进中的热阻，其中阶梯增加是指离散式地增加，逐步减小的金属内管可通过焊接的方式连接；优选地，金属内管2与金属外管3的长度不一致，沿液态换热介质流经的方向金属内管2的长度短于金属外管3的长度，即蒸汽有一定区域的过热区，使得在蒸汽换热介质的输出端无液态换热介质的喷入，使蒸汽直接受热完成进一步的过热过程。
以上优选方法可以避免使未从金属内管2的通孔7喷射至外部的液态换热介质因受热过多而引起在金属内管2管内发生沸腾或气化现象；减少金属内管2与金属外管3形成空间内的高温蒸汽对金属内管2液态换热介质的传热；防止内部液态换热介质的沸腾带来的不稳定影响。
本发明的相变换热装置采用相变介质例如水为工质，在线性如管状受热空间内，沿轴向相对均匀地分布注入水，使注入水主要在沿径向运动的路径上发生吸热相变的相变换热结构及应用。在受热管路轴向上布置内管分布水路，将入口的低温水在管路轴向上的各分布位置相对均匀的喷出，由于各点喷水量微少，都能相似的迅速发生水受热升温再变为饱和蒸汽，进一步加热成高温过热蒸汽的相变换热过程，此方式可以在整个相变换热装置的轴向上空间获得相对均匀的两相变换，从而克服发生在轴向上流动过程中逐渐发生的两相流变换和汽化压力的轴向非均匀带来的各种问题，例如水换热介质的水锤、振动现象和管路疲劳损坏等；此外，为了获得干燥的蒸汽输出，还可以通过控制蒸汽以更高温度和较低压力的输出，以获得完全干燥过热蒸汽。
图3是本发明的相变换热装置整体结构第一实施例示意图。相变换热装置1整体布置成U型。液态换热介质4-1与气态换热介质4-2的流经方向一致，A为液态换热介质4-1的进口，B为气态换热介质4-2的出口，A、B两口空间距离较近，可以在进口A设置自力式温控阀8，通过感应出口B输出蒸汽温度的温度变化调节控制入口B输入介质的流量，保持输出蒸汽温度参数稳定，结构简单可靠，成本低。在相变换热结构装置1的内部，金属内管2与金属外管3之间有金属支撑件6，以完成之间的相互支持，满足长距离地机械布置的强度。优选地，金属内管2与金属外管3的长度不一致，沿液态换热介质流经的方向金属内管2的长度短于金属外管3的长度，即蒸汽有一定区域的过热区，同时也可减少金属内部与金属外部形成空间内的高温蒸汽对金属内管2液态换热介质的传热，防止内部液态换热介质的沸腾带来的不稳定影响。
图4是本发明的相变换热装置1整体结构第二实施例示意图。相变换热装置1包括金属内管2、金属外管3和换热介质4。此外，在金属内管2还包括内部布置的金属第三管5；液态换热介质4从金属第三管5入口端流入，从金属第三管5的出口端流出至金属内管2与金属第三管5二者形成的空间内部，再通过金属内管2壁上的通孔7喷入金属内管2和金属外管3之间的空间中。此方式可以均匀降低金属内管的液态换热介质温度，避免了液态换热介质4在运行过程中的沸腾气化现象。优选地，所述金属第三管5小于金属内管2的长度。更优选地，金属第三管5长度可以为金属内管长度的20％～99％。优选地，所述金属第三管5的管壁分布有通孔，通过控制水流注入位置，调节金属内管2的管内部各处温度和压力分布，并且使金属内管2内部的换热介质4处于激活状态，长期保持活动搅拌的状态，降低换热介质4的沸腾的可能性。优选地，金属外管3与金属内管2空间内部同轴一定间隔布置的一个或多个第四管13，所述第四管13沿轴向排列，且内管2与第四管13之间间隔一定距离，第四管13与金属内管2之间可形成封闭空间或相对封闭空间，达到对金属内管2的隔热作用。一个或多个第四管13间隔布置，换热介质金属流经第四管13，穿过内管2上位于第四管13之间间隔的通孔7喷射至第四管13与金属外管3之间的空间内，而第四管13与金属内管2之间所形成的空间的蒸汽处于静止或低速运行状态，大大降低高速流动蒸汽对金属内管2的换热能力，降低高速流动的蒸汽对金属内管外管壁的高速换热带来的金属内管内部液态换热介质的沸腾汽化影响。本实施例可以很好地解决液态换热介质的沸腾问题及内部液态换热介质的沸腾带来的不稳定影响。
图5是本发明的相变换热装置1应用于太阳能领域的第三实施例示意图及局部放大图。在本实施例中，相变换热装置1应用于太阳能集热，包括金属内管2、金属外管3和金属第三管5，三者同轴布置。金属外管3为太阳光线会聚加热面，接收抛物面反射镜10或菲涅尔反射镜阵列反射会聚的光，且金属外管3的外壁涂有低发射率、高吸收率涂层，以高效接收外部热量。进一步优选，在金属外管的外部布置有玻璃套管9，玻璃套管9与金属外管3、金属内管2或金属第三管5同轴布置，玻璃套管9与金属外管3通过密封端头相互连接，且二者所形成的空间处于真空状态。优选地，所述金属外管3周边设置有反射光学系统，增大入射光线光学容差角度、匀化入射光线分布，使金属外管沿圆周方向相对均匀受热，改善换热效果，减少管路弯曲。
本实施例中，相变换热装置1整体布置成线性，液态换热介质与气态换热介质的流经方向相反，相变换热装置1一端封闭，另一端为液态换热介质的入口和过热蒸汽的出口，通过相变换热装置1内的换热介质换出系统外部，减少U型回路在转弯处的跨接管路材料及热损失。同时，由于此方式液态介质入口和蒸汽出口两口空间距离较近，可以在进口设置自力式温控阀，通过感应出口输出蒸汽温度的温度变化调节控制入口输入介质的流量，保持输出蒸汽温度参数稳定，结构简单可靠，成本低。
在一个具体实施例中，将本发明的相变换热装置应用于太阳能槽式或菲涅尔反射镜阵列热利用，所选换热介质4为去离子水；反射镜的光学开口宽度为6米，金属外管和反射镜组的长度为1000米，太阳能直射光强密度(DNI)为800W/m2；接收部分为金属外管3，其外径为76mm，厚度6mm。金属内管2的外径为34mm，厚度3mm；金属内管2内部的换热介质以150℃，压力10MPa，流经金属内管2，该高压的传热介质换热介质穿过管壁的通孔7到达金属内管2与金属外管3所形成的空间内，与内部蒸汽混合，接收金属外管3所吸收的太阳光热量，受热成高温和过热水蒸气，产生8MPa，550℃过热蒸汽。基于上述，金属外管3理想全部接收太阳能量的功率为4800kW；管道内换热介质水的焓变为2880.47kJ/kg，则换热介质4的质量流量为1.66kg/s；液态水在金属内管2内的流速约为2.92m/s；而金属内管2与金属外管3所形成的空间的蒸汽的流速约为32.45m/s。从上述数据说明整个体系中换热介质4的流量适中，完全能够满足所需的能量传输能力。
本发明的相变换热装置1还可以应用于锅炉加热领域。其中，金属外管3为受热面，将从金属内管2或金属第三管5流入的液态换热介质加热至蒸汽态，完成热能换出；除不需要吸收涂层和光学结构外，其它具体结构细节与上文描述相同。此应用也同样具备上述各项相变换热装置的优点。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (19)

1.一种相变换热装置，其特征在于，包括内管、外管和换热介质；
所述内管布置在外管内；
所述内管的内部压力大于外部，内管管壁布置有介质通道，所述介质通道为贯穿通孔；
所述换热介质以液态从所述内管端部输入流经整个内管，穿过内管的管壁上的各贯穿通孔进入内管和外管之间的空间，接收外管壁获得的热量，沿液态换热介质流经的方向内管的长度短于外管的长度，形成一定区域的蒸气过热区；
在所述内管的外壁设有绝热层；
沿所述换热介质流经的方向阶梯减小内管内径增加绝热层壁厚；
所述通孔在管路轴向方向与蒸气运行的方向相反且形成夹角；
所述通孔在轴向上变间距地布置在所述内管上；
所述换热介质升温相变成蒸气后自外管端部输送至所述相变换热装置的外部。
2.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管的长度为外管长度的50％至100％。
3.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管的贯穿通孔方向与管截面半径方向形成夹角。
4.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述外管内壁布置翅片。
5.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管内布置有管，液态换热介质从内管中管注入所述相变换热装置。
6.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征其于，所述内管与外管之间同轴布置一个或多个沿轴向排列的管，且所述内管与外管之间的管与内管间隔一定距离。
7.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管、外管所选材料为金属、陶瓷或玻璃。
8.根据权利要求5所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管中管所选材料为金属、陶瓷或玻璃。
9.根据权利要求6所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述内管与外管之间的管所选材料为金属、陶瓷或玻璃。
10.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，将所述换热介质采用脉冲式充液注入所述相变换热装置。
11.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述相变换热装置整体布置成U型。
12.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述相变换热装置整体布置成线型，其中，液态换热介质与蒸气的流经方向相反，且相变换热装置一端封闭，另一端为液态换热介质的入口和过热蒸气的出口。
13.根据权利要求11或12所述的一种相变换热装置，其特征在于，在所述相变换热装置的端头设置自力式温控阀，用输出蒸气的温度控制液态换热介质的输入流量。
14.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，外管的外部布置有玻璃套管，所述玻璃套管同轴布置于外管、内管的外部；所述玻璃套管与外管通过密封端头相互连接，且二者所形成的空间处于低气压状态。
15.根据权利要求14所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述外管受光方向的周围设置有辅助反射光学系统。
16.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述换热介质为水、导热油或导热姆。
17.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述相变换热装置应用于太阳能热利用领域。
18.根据权利要求17所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述外管外壁涂有低发射率、高吸收率涂层，以接收外部热量。
19.根据权利要求1所述的一种相变换热装置，其特征在于，所述相变换热装置应用于锅炉加热领域。
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