CN102927692B - 基于固液气三相流的吸热腔及其方法 - Google Patents

基于固液气三相流的吸热腔及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固液气三相流的太阳能吸热腔及其方法。它包括玻璃盖板，外部交换器，内部交换器，结构空腔，隔板，气泵，小颗粒，液相工质，以及三相流吸热腔；气泵与三相流吸热腔相连，三相流吸热腔包括玻璃盖板、结构空腔、隔板、小颗粒，及液相工质，三相流吸热腔内下部隔板，内部填充有小颗粒及液相工质的混合工质，内部换热器和结构空腔浸没于混合工质内。本发明整合了气液固三相在热吸收中的优点，利用气相增强扰动加强对流换热并实现固相颗粒在液相基液中的均匀分散，固相导热、辐射吸收能力强，液相比热容大等特点，强化吸热能力，并以体吸收式的结构减少热阻，减少热量损失，提高热效率，为太阳能的高效利用及能量转化提供了支持。

Description

基于固液气三相流的吸热腔及其方法
技术领域
本发明涉及太阳能热利用领域，尤其涉及一种基于固液气三相流的吸热腔及其方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁的可再生能源备受关注，全球太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1%（1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标煤/年）。太阳能集热器能够将太阳能转化为热能，传统的集热器采用二次换热的方式传递热量，由吸热板或真空管壁先吸热，然后将热量传递给水等流动工质，为单相吸热，集热器的集热效率低。三相流吸热腔作为太阳能利用中的一种新型的集热设备，属于体吸收式集热器。体吸收式集热器中，太阳光直接由吸热腔内的液相工质与固相颗粒吸收，空气通入引起扰动，强化传热储热，从而提高太阳能的吸收，液相温度上升至200～550℃。空气通过液相工质时，从有机工质中带走部分热量，实现空气的温升，加热后的空气可用在外部换热器一次换热预热换热工质。预热后工质与浸没于三相流吸热腔中的内部换热器进行二次换热，所得热量可应用于预热燃烧系统、高温烘烤、太阳能制冷、有机朗肯循环加热器、斯特林发动机热源，实现发电等用途。 
发明内容
本发明目的在于克服现有太阳能热利用中的不足，解决太阳能利用中热量损失大、利用效率低的问题，提供一种基于固液气三相流的吸热腔及其方法。
    基于固液气三相流的吸热腔包括两个气泵、两个外部换热器、两个内部换热器和三相流吸热腔；三相流吸热腔包括腔式玻璃盖板、环形腔体、隔板、小颗粒、液相工质，一气泵出口与三相流吸热腔底部中心相连，一气泵入口经一外部换热器与三相流吸热腔上部相连，一外部换热器换热盘管与一内部换热器换热盘管相连，另一气泵出口与三相流吸热腔底部中心相连，另一气泵入口经另一外部换热器与三相流吸热腔上部相连，另一外部换热器换热盘管与另一内部换热器换热盘管相连，三相流吸热腔底部中心设有隔板，三相流吸热腔下部中心设有环形腔体，环形腔体上方设有腔式玻璃盖板，腔式玻璃盖板上端与三相流吸热腔顶部壳体相连，三相流吸热腔内部填充有小颗粒和液相工质的混合工质，内部换热器浸没于混合工质中。
    基于固液气三相流的吸热腔其特征在于，所述三相流吸热腔内混合工质中的小颗粒可以是纳米或微米级颗粒，体积浓度为0.1~3%。
基于固液气三相流的吸热方法是：当三相流吸热腔在太阳辐射下工作时，一气泵提供空气循环动力，冷空气由三相流吸热腔底部中心进入三相流吸热腔，三相流吸热腔内液相工质及小颗粒的混合工质吸收太阳辐射，温度上升至200～550℃，在空气的扰动下经由三相流吸热腔下部中心的环形腔体和腔式玻璃盖板间的夹层向两侧流动，气泵通入的空气引起扰动，提高了小颗粒与液相工质之间的换热，加强液相工质上下液层的混合，强化液相工质内的对流换热，使得三相流吸热腔内的液相工质及小颗粒的混合工质实现对太阳能的体吸收，流动到两侧的热混合工质因空气扰动的减小，小颗粒缓慢沉降，液相工质及小颗粒的混合工质经由环形腔体下部与三相流吸热腔腔体间的夹层回流至三相流吸热腔底部中心。三相流吸热腔两侧腔体中的液相工质的混合工质与一内部换热器换热实现热量的传递或利用；一气泵通入的空气通过小颗粒和液相工质的液固相悬浮液时，带走悬浮液部分热量，空气产生一定温升，经过一外部换热器换热进行一次换热，并冷凝回收空气带出的少量气态液相工质，另一气泵循环回路工作方法同上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）该三相流吸热腔属于太阳能直接吸收式集热器中，微米级或纳米级颗粒的添加改善了流体的辐射吸收特性，工作流体直接吸收太阳能，而不是传统集热器的二次换热，这减小了传热过程中的热阻，有利于减少热损失，提高热效率。
2）利用液相可实现太阳能的直接吸收，提高了介质蓄热能力，实现高温使用的同时能量输出相对稳定。
3）在液相介质中添加固体颗粒，显著的提高了循环工质的传热性能，从而提高吸热腔的热效率。
4）通过气相空气通过悬浮液的形式，引入扰动，强化了液相对流换热，由静态传热介质对太阳能的表面吸收转化为吸热腔的体吸收，显著提高了吸热腔的吸热能力，同时防止固相颗粒的沉淀，使固相对太阳能辐射吸收效果明显，最终液相介质温度上升到更高值，实现更大量的太阳能的吸收。
5）结构空腔的设置和气泵入口位置的布置可以有效的实现冷热工质间的循环，热工质由于气流作用向两侧流动，进入两侧较大液槽范围后由于扰动减弱，颗粒向下沉降；冷工质由于上空负压自发通过下部流道携带颗粒向中心流动，完成了主要热收集区域的工质循环，避免了高温液泵的使用。
6）由于太阳能聚光热利用系统中聚光后光斑能量密度不均匀造成的集热器中心部分接收能流密度较高、集热器中心温度较高的问题，通过气相扰动和带孔隔板对液相工质的流动引导能够得到有效改善。
附图说明
图1为基于固液气三相流的吸热腔总体结构示意图；
图中，腔式玻璃盖板1、外部换热器2、内部换热器3、环形腔体4、隔板5、气泵6、小颗粒7、三相流吸热腔8、液相工质9、光路10。
具体实施方式
    如附图1所示，基于固液气三相流的吸热腔包括两个气泵6、两个外部换热器2、两个内部换热器3和三相流吸热腔8；三相流吸热腔8包括腔式玻璃盖板1、环形腔体4、隔板5、小颗粒7、液相工质9，一气泵6出口与三相流吸热腔8底部中心相连，一气泵6入口经一外部换热器2与三相流吸热腔8上部相连，一外部换热器2换热盘管与一内部换热器3换热盘管相连，另一气泵6出口与三相流吸热腔8底部中心相连，另一气泵6入口经另一外部换热器2与三相流吸热腔8上部相连，另一外部换热器2换热盘管与另一内部换热器3换热盘管相连，三相流吸热腔8底部中心设有隔板5，三相流吸热腔8下部中心设有环形腔体4，环形腔体4上方设有腔式玻璃盖板1，腔式玻璃盖板1上端与三相流吸热腔8顶部壳体相连，三相流吸热腔8内部填充有小颗粒7和液相工质9的混合工质，内部换热器3浸没于混合工质中。
    所述三相流吸热腔8内混合工质中的小颗粒6可以是纳米或微米级颗粒，体积浓度为0.1~3%。
基于固液气三相流的吸热方法是：当三相流吸热腔8在太阳辐射下工作时，一气泵6提供空气循环动力，冷空气由三相流吸热腔8底部中心进入三相流吸热腔8，三相流吸热腔8内液相工质9及小颗粒7的混合工质吸收太阳辐射，温度上升至200～550℃，在空气的扰动下经由三相流吸热腔8下部中心的环形腔体4和腔式玻璃盖板1间的夹层向两侧流动，气泵6通入的空气引起扰动，提高了小颗粒7与液相工质9之间的换热，加强液相工质9上下液层的混合，强化液相工质9内的对流换热，使得三相流吸热腔8内的液相工质9及小颗粒7的混合工质实现对太阳能的体吸收，流动到两侧的热混合工质因空气扰动的减小，小颗粒7缓慢沉降，液相工质9及小颗粒7的混合工质经由环形腔体4下部与三相流吸热腔8腔体间的夹层回流至三相流吸热腔8底部中心。三相流吸热腔8两侧腔体中的液相工质9的混合工质与一内部换热器3换热实现热量的传递或利用；一气泵6通入的空气通过小颗粒7和液相工质9的液固相悬浮液时，带走悬浮液部分热量，空气产生一定温升，经过一外部换热器2换热进行一次换热，并冷凝回收空气带出的少量气态液相工质9，另一气泵6循环回路工作方法同上。
     本发明是利用固液气三相在吸热传热方面的特性，设计三相流吸热腔，目的在于提高太阳能热转化过程中的效率，提高太阳能利用率。该三相流吸热腔属于太阳能直接吸收式集热器，工作流体直接吸收太阳能，而不是传统集热器的二次换热，这减小了传热过程中的热阻，有利于减少热损失，提高热效率。
吸热腔中固相为微米或纳米级颗粒，利用固体颗粒对太阳辐射吸收能力强的特性，加强吸热腔对太阳能的吸收；吸热腔中气相为从入口处持续通过的空气，空气的通入引入扰动，强化对流化热使其以体吸收形式减小热阻，同时避免颗粒沉淀，并借助空气所提供的动力实现冷热混合工质的循环避免了高温液泵的使用。
本发明中使用的固相小颗粒7为粒径为120μm规格的黑色SiC颗粒，液相工质9为斯卡兰耐高温320导热油，在三相流吸热腔8中装入2.025kg导热油，导热油中加入0.265kgSiC颗粒，空气以6.0m3/h的流量由气泵6通入三相流吸热腔8。
本发明三相流吸热腔8中液相工质9可采用三组分熔盐，熔盐中主要组分硝酸钾，亚硝酸钠，硝酸钠分别占53%，40%，7%，熔盐中加入75nm规格的Al2O3作为固相小颗粒7，由气泵6通入空气，以此形成三相流吸热腔。
本发明三相流吸热腔8中固相小颗粒7也可以是纳米级颗粒，加入100nm规格的CuO颗粒作为固相小颗粒，美孚传热油605导热油作为液相工质9。往三相流吸热腔8中通入空气，以此形成基于固液气三相流的吸热腔。其对太阳能进行直接吸收，利用三相流优势，提高对太阳能的辐射吸收能力，获得的高温热量作为斯特林发动机热源，实现发电等用途。

Claims (3)

1.一种基于固液气三相流的吸热腔，其特征是包括两个气泵（6）、两个外部换热器（2）、两个内部换热器（3）和三相流吸热腔（8）；三相流吸热腔（8）包括腔式玻璃盖板（1）、环形腔体（4）、带孔隔板（5）、小颗粒（7）、液相工质（9），一气泵（6）出口与三相流吸热腔（8）底部中心相连、入口经一外部换热器（2）与三相流吸热腔（8）上部相连，所述一外部换热器（2）换热盘管与一内部换热器（3）换热盘管相连；另一气泵（6）出口与三相流吸热腔（8）底部中心相连、入口经另一外部换热器（2）与三相流吸热腔（8）上部相连，所述另一外部换热器（2）换热盘管与另一内部换热器（3）换热盘管相连，三相流吸热腔（8）底部中心设有对液相工质的流动起引导作用的带孔隔板（5），三相流吸热腔（8）下部中心设有环形腔体（4），环形腔体（4）上方设有腔式玻璃盖板（1），腔式玻璃盖板（1）上端与三相流吸热腔（8）顶部壳体相连，三相流吸热腔（8）内部填充有小颗粒（7）和液相工质（9）的混合工质，内部换热器（3）浸没于混合工质中。
2.根据权利要求1所述的一种基于固液气三相流的吸热腔，其特征在于，所述三相流吸热腔（8）内混合工质中的小颗粒（7）是纳米或微米级颗粒，体积浓度为0.1~3%。
3.一种使用如权利要求1所述吸热腔的基于固液气三相流的吸热方法，其特征是：当三相流吸热腔（8）在太阳辐射下工作时，一气泵（6）提供空气循环动力，冷空气由三相流吸热腔（8）底部中心进入三相流吸热腔（8），三相流吸热腔（8）内液相工质（9）及小颗粒（7）的混合工质吸收太阳辐射，温度上升至200～550℃，在空气的扰动下经由三相流吸热腔（8）下部中心的环形腔体（4）和腔式玻璃盖板（1）间的夹层向两侧流动，气泵（6）通入的空气引起扰动，提高了小颗粒（7）与液相工质（9）之间的换热，加强液相工质（9）上下液层的混合，强化液相工质（9）内的对流换热，使得三相流吸热腔（8）内的液相工质（9）及小颗粒（7）的混合工质实现对太阳能的吸收，流动到两侧的热混合工质因空气扰动的减小，小颗粒（7）缓慢沉降，液相工质（9）及小颗粒（7）的混合工质经由环形腔体（4）下部与三相流吸热腔（8）腔体间的夹层回流至三相流吸热腔（8）底部中心，三相流吸热腔（8）两侧腔体中的液相工质（9）的混合工质与一内部换热器（3）换热实现热量的传递或利用；一气泵（6）通入的空气通过小颗粒（7）和液相工质（9）的液固相悬浮液时，带走悬浮液部分热量，空气产生一定温升，经过一外部换热器（2）换热进行一次换热，并冷凝回收空气带出的少量气态液相工质（9），另一气泵（6）循环回路工作方法同上。
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