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Abstract

本发明公开了一种槽式太阳能直接蒸汽集热管，用于太阳能热发电系统。该集热管能够直接接受太阳能聚焦辐射对管内工质水进行加热产生蒸汽，包括吸收管、玻璃套管及两端连接装置，其中吸热管由不锈钢管、管外壁表面的选择性吸收涂层和管内填充结构构成，填充结构为带有轴向螺旋沟槽的环状金属泡沫层，层厚沿工质流动方向逐渐减小；吸收管和玻璃套管之间为真空层；两端连接装置由法兰和波纹管构成，玻璃-金属封接口采取褶皱处理。本发明一方面可以实现吸收管内径向“内气外液”的气-液两相流型重构，改变吸收管周向热应力分布不均，解决热应力诱发失效问题；另一方面可以减小熔封工艺中的局部残余应力，解决玻璃套管端部封接失效问题。本发明可显著提高太阳能直接蒸汽集热管的可靠性和稳定性。

Description

一种槽式太阳能直接蒸汽集热管
技术领域
本发明属于太阳能光-热利用技术领域，具体涉及一种槽式太阳能直接蒸汽集热管。
背景技术
目前，太阳能热发电技术中以槽式系统发展最为成熟，商业化程度最高。槽式太阳能热发电系统普遍以导热油为传热介质，通过热交换产生蒸汽进而推动汽轮机发电。由于导热油的分解温度限制了蒸汽参数的提高，导致汽轮机发电效率无法进一步提升。另一方面，导热油价格昂贵，对环境存在潜在污染，且易燃、有毒。鉴于以上不足，采用槽式太阳能直接加热工质产生蒸汽的新技术迅速发展起来。
太阳能直接蒸汽集热管管内工质由水代替了导热油，使得系统简化、成本降低、环境压力减小、安全性提高的优点得以体现。但随之而来也会产生一些新的问题。一方面，由于管内流动由气-液两相流动代替了液体单相流动，流动状态更为复杂。气-液分层的不均匀流型以及气、液两相热物理性质的显著差异容易造成管壁周向温差，进而管壁周向热应力分布不均，最终导致集热管发生变形甚至断裂。另一方面，出于减小热损失的考虑，集热管通常在吸收管和玻璃套管之间设置真空层。在加工过程中，玻璃与金属之间的封接通过高温熔封工艺实现。由于玻璃与金属的线膨胀系数存在差异，通过高温熔封之后的玻璃-金属封接处常存在局部残余应力，容易导致集热管在运行中由于应力集中而破裂，进而真空层被破坏。
可见，吸收管周向热应力分布不均的问题是由于管内气-液分层的两相流型导致，玻璃套管端部的局部残余应力问题是由于玻璃与金属之间的线膨胀系数差异导致，本发明就是针对上述两种由应力诱发导致集热管失效的问题提出解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种槽式太阳能直接蒸汽集热管，以解决槽式太阳能直接蒸汽集热管在吸收管内和玻璃套管端部存在的应力诱发的失效问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种槽式太阳能直接蒸汽集热管，该集热管能够直接接受太阳能聚焦辐射对管内工质水进行加热进而产生蒸汽，包括吸收管、玻璃套管1及两端连接装置，其中吸热管由不锈钢管4、管外壁表面的选择性吸收涂层3和管内填充结构构成；吸收管和玻璃套管1之间为真空层2；两端连接装置由法兰7和波纹管8构成。
上述方案中，该选择性吸收涂层3具有大于90％的高吸收率和低于10％的低发射率的特性，以保证最大程度进行太阳能光热转换，减小辐射热量损失。
上述方案中，该管内填充结构为带有轴向螺旋沟槽6的环状金属泡沫层5，层厚沿工质流动方向逐渐减小。
上述方案中，该真空层2用于减少自然对流产生的热量损失。
上述方案中，该法兰7的玻璃-金属封接口9为经过褶皱处理的金属管口，法兰7与玻璃套管1的封接通过高温熔封实现。该玻璃套管1材料为硼硅酸盐玻璃，法兰7材料为可伐合金，且玻璃-金属封接口9经过褶皱处理。
上述方案中，该波纹管8用于对集热管在工作状态时的热膨胀进行补偿。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的槽式太阳能直接蒸汽集热管，吸收管内壁布置环形金属泡沫层，层厚沿工质流动方向逐渐减小，目的是借助毛细作用将液相布置于环形金属泡沫层中，同时可强化沸腾换热。
2、本发明提供的槽式太阳能直接蒸汽集热管，环形金属泡沫层具有轴向螺旋沟槽，目的是通过螺旋沟槽诱导流体旋转流动，将液相均匀地布置于整个金属泡沫层内；上述特点可以实现吸收管内径向“内气外液”的气-液两相流型重构，改变吸收管周向热应力分布不均，进而解决热应力诱发失效问题，显著提高太阳能直接蒸汽集热管的可靠性。
3、本发明提供的槽式太阳能直接蒸汽集热管，玻璃-金属封接处对金属管口采取褶皱处理，目的是减小熔封工艺中的局部残余应力，解决玻璃-金属封接失效问题，可显著提高太阳能直接蒸汽集热管的稳定性。
4、本发明提供的槽式太阳能直接蒸汽集热管，利用太阳能直接加热工质产生蒸汽，没有导热油分解温度的限制，可以提高蒸汽参数，从而提升太阳能热发电效率。无需借助价格昂贵的导热油而利用太阳能直接加热工质产生蒸汽，可以简化系统结构，显著降低成本。无需借助易燃、有毒的导热油而利用太阳能直接加热工质产生蒸汽，提高了安全性和环境友好度。
5、本发明提供的槽式太阳能直接蒸汽集热管，不仅限于太阳能热发电系统，也可适用于化工、冶金、纺织、汽车制造等工业领域中动力、工艺蒸汽供给，从而减小一次能源能耗，拓宽本发明的应用范围。
附图说明
图1为依照本发明提供实施例的槽式太阳能直接蒸汽集热管的剖面示意图。
图2为依照本发明提供实施例的槽式太阳能直接蒸汽集热管的工作原理示意图。
上述图中各部件及相应标记为：1-玻璃套管；2-真空层；3-选择性吸收涂层；4-不锈钢管；5-金属泡沫；6-螺旋沟槽；7-法兰；8-波纹管；9-玻璃-金属封接口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参照图1，图1为依照本发明提供实施例的槽式太阳能直接蒸汽集热管的剖面示意图，该集热管能够直接接受太阳能聚焦辐射对管内工质水进行加热进而产生蒸汽。该集热管包括吸收管、玻璃套管1及两端连接装置，吸收管和玻璃套管1之间为真空层。其中，吸热管由不锈钢管4、管外壁表面的选择性吸收涂层3和管内带有轴向螺旋沟槽6的环状金属泡沫层5构成，环状金属泡沫层5的厚度沿工质流动方向逐渐减小。选择性吸收涂层3具有高吸收率(＞90％)和低发射率(＜10％)的特性，以保证最大程度进行太阳能光热转换，减小辐射热量损失。吸收管和玻璃套管1之间为真空层2，真空层2的作用是减少自然对流产生的热量损失。两端连接装置由法兰7和波纹管8构成。波纹管8的作用是对集热管在工作状态时的热膨胀进行补偿。玻璃套管1与法兰7通过玻璃-金属封接口9进行封接，其中玻璃套管1材料为硼硅酸盐玻璃，法兰7材料为可伐合金，且玻璃-金属封接口9经过褶皱处理。材料选取的目的是减小玻璃和金属之间线膨胀系数的差异。在熔封工艺降温过程中，金属由于线膨胀系数较大而发生较大线性形变，封接口褶皱处理的目的是通过几何方式将轴向线性形变为沿褶皱结构方向线性形变，从而分散了应力方向，缓解了玻璃套管端部轴向残余应力集中的问题。
该集热管内沸腾强制流动的目标流型为“内气外液”分布、湿润整个管内壁的环状流，因为该流型沿周向的热阻分布均匀；而对于“上气下液”的层状流型，其周向热阻差异明显，易引起周向热应力分布不均，因而是竭力避免的流型。本发明中，吸收管内填充带有轴向螺旋沟槽的环状金属泡沫层，目的是借助金属泡沫的毛细作用和螺旋沟槽对流体的诱导作用将液相均匀布置于环形金属泡沫层内，实现“内气外液”的流型重构，进而解决热应力诱发集热管失效问题。
参照图2，图2为依照本发明提供实施例的槽式太阳能直接蒸汽集热管的工作原理示意图。当吸收管内出现“上气下液”的层状流型时(左图)，气、液两相的热物理性质差异易引起吸收管壁周向热应力分布不均，进而可能导致集热管变形甚至断裂失效。在管内布置环状金属泡沫层5，目的是利用多孔介质的毛细作用提升液相，进而润湿管内壁，同时可强化沸腾换热。然而，由于液相位于吸收管下部且管内壁发生沸腾相变，无法保证顶部管内壁得到润湿。在环状金属泡沫层5中增加螺旋沟槽6，目的是对流体诱导产生旋转流动，利用气相对液相的夹带作用和液体旋转惯性将液相散布于顶部以润湿管内壁。考虑到管内发生沸腾相变，干度沿工质流动方向逐渐增加，因而设置环状金属泡沫层5的厚度沿工质流动方向逐渐减小，与干度变化规律相匹配，避免产生多余的流动阻力。通过上述环状金属泡沫层5的毛细作用和螺旋沟槽6对流体的诱导作用，最终将液相均匀布置于环形金属泡沫层内，实现吸收管内“内气外液”的流型重构(右图)，进而解决热应力诱发集热管失效问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该集热管能够直接接受太阳能聚焦辐射对管内工质水进行加热进而产生蒸汽，包括吸收管、玻璃套管(1)及两端连接装置，其中吸热管由不锈钢管(4)、管外壁表面的选择性吸收涂层(3)和管内填充结构构成；吸收管和玻璃套管(1)之间为真空层(2)；两端连接装置由法兰(7)和波纹管(8)构成。
2.根据权利要求1所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该选择性吸收涂层(3)具有大于90％的高吸收率和低于10％的低发射率的特性，以保证最大程度进行太阳能光热转换，减小辐射热量损失。
3.根据权利要求1所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该管内填充结构为带有轴向螺旋沟槽(6)的环状金属泡沫层(5)，层厚沿工质流动方向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该真空层(2)用于减少自然对流产生的热量损失。
5.根据权利要求1所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该法兰(7)的玻璃-金属封接口(9)为经过褶皱处理的金属管口，法兰(7)与玻璃套管(1)的封接通过高温熔封实现。
6.根据权利要求5所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该玻璃套管(1)材料为硼硅酸盐玻璃，法兰(7)材料为可伐合金，且玻璃-金属封接口(9)经过褶皱处理。
7.根据权利要求1所述的槽式太阳能直接蒸汽集热管，其特征在于，该波纹管(8)用于对集热管在工作状态时的热膨胀进行补偿。
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