CN103900280B - 集热升温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集热升温装置，而提供一种利用环境中的热能实现集热升温的装置。包括平板状的金属黑体、聚焦元件和球壳，球壳下端有聚光孔，球壳上有热负载承载面；金属黑体的下表面有吸热翅片，与金属黑体上表面相对的位置安装有聚焦元件，聚焦元件反射金属黑体辐射的平行光束通过聚光孔并使得焦斑落入球壳内部，球壳内壁吸收聚焦元件的反射光，并将热能传递给热负载承载面上的热负载。本发明的集热升温装置能够将环境中的热能汇聚起来，不消耗自然资源，成本低，有利于保护环境。而且结构简单，成本低。可以用于烧水做饭、温差发电、汽轮机发电等。

Description

集热升温装置

技术领域

本发明涉及环境热能应用技术领域，特别是涉及一种利用环境中的热能实现集热升温的装置。

背景技术

随着经济的发展，能源和环境问题日益紧张。为此，减少自然能源的消耗、保护环境成为发展的重要课题。

目前，解决能源问题主要采用新能源，如利用风能、水能发电，以及开发新能源电池等。对于风能和水能发电设备复杂，新能源电池在报废后需要拆解，也会造成环境的污染，而且，使用成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种利用利用环境中的热能实现集热升温的装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种集热升温装置，包括平板状的金属黑体、聚焦元件和球壳，所述球壳下端设置有聚光孔，所述球壳上设置有热负载承载面；所述金属黑体的下表面连接有吸热翅片，与所述金属黑体上表面相对的位置安装有所述聚焦元件，所述聚焦元件反射所述金属黑体辐射的平行光束，所述聚焦元件的反射光通过所述聚光孔，并使得焦斑落入所述球壳内部，所述球壳内壁吸收所述聚焦元件的反射光，并将热能传递给所述热负载承载面上的热负载；所述金属黑体的上表面与所述聚焦元件之间的距离H与所述金属黑体上表面面积S1之间的关系为： $H<\frac{\sqrt{S_1}}{2.5}.$

所述聚焦元件为凸透镜或凹透镜，焦斑远方散焦。

所述聚焦元件为平凸透镜或双凸透镜。

所述金属黑体为正方形平板。

所述球壳为金属材料，所述球壳的外部安装有保温层。

所述金属黑体为热的良导体外表面设置黑色包覆层。

所述热负载承载面为平面或曲面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的集热升温装置能够将环境中的热能汇聚起来，不消耗自然资源，成本低，有利于保护环境。而且结构简单，成本低。

2、本发明的集热升温装置可以用于烧水做饭、温差发电、汽轮机发电等，当用于发电时，可以实现分片即地供电，取消空中输电网，无污染，满足环保要求。

附图说明

图1所示为本发明集热升温装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明集热升温装置的示意图如图1所示，包括平板状的金属黑体1、聚焦元件2和球壳3，所述球壳3下端设置有聚光孔，所述球壳3上设置有热负载承载面5，所述热负载承载面5为平面或曲面。所述金属黑体1的下表面连接有吸热翅片6，与所述金属黑体1上表面相对的位置安装有所述聚焦元件2，所述聚焦元件2反射所述金属黑体1辐射的平行光束，所述聚焦元件2的反射光通过所述聚光孔，并使得焦斑F落入所述球壳3内部，所述球壳3内壁吸收所述聚焦元件2的反射光，并将热能传递给所述热负载承载面5上的热负载。所述金属黑体1的上表面与所述聚焦元件2之间的距离H与所述金属黑体1上表面面积S1之间的关系为：在应用工程中，当范围内，向正上方的红外辐射视为平行光束。

所述聚焦元件2为凸透镜或凹透镜，焦斑F远方散焦。所述聚焦元件优选平凸透镜或双凸透镜。

本实施例中，所述金属黑体1为正方形平板。所述金属黑体1为热的良导体外表面设置黑色包覆层，所述金属黑体采用正方形紫铜或铝合金或不锈钢板材料平板，所述正方形紫铜或铝合金或不锈钢材料平板表面电化处理有黑色包覆层，或采用其他加工工艺在正方形紫铜或铝合金或不锈钢材料平板表面加工出黑色包覆层。

一般在内陆地区可选紫铜板，为节约成本亦可以用铝合金板。沿海地区，大气中盐粒子和氯离子多，为了防腐可以用不锈钢板。

所述球壳3为金属材料，可以选择铝合金或不锈钢材料，所述球壳3的外部安装有保温层4，保温层才可以用聚酯泡沫(球内温度t≤100℃)，亦可用陶瓷棉毡(球内温度t＞100℃)。

实施例1

环境大气温度30℃(303.15K)，金属黑体1上方辐射面积S₁为100m²，聚焦元件的焦斑面积S_F＝10^-5S₁＝10^-3m²，球壳内壁面积S_B＝0.1S₁＝10m²，初始球壳温度T₁＝30℃＝303.15K；进入热稳定后，T₁＝180℃＝453.15K，球壳下方聚光孔面积S_C＝10^-2m²。

将金属黑体1、聚焦元件2、球壳3和保温层4组合成集热升温装置，组合完成时，环境大气30℃(303.15k)，金属黑体温度为30℃，球壳内也是30℃(303.15K)，组合后，金属黑体1经过聚焦元件2向球壳3内传送热能，根据斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmannlaw)，

j*＝εσΤ⁴(1)

公式(1)中：ε对于绝对黑体为1；σ为斯特藩常量σ＝5.67×10^-8˙W˙m^-2˙K^-4；T为热力学温度，又称绝对温度，单位K。

则金属黑体1经过聚焦元件2向球壳3内传送的热能为：

A_1-0＝j*×S₁＝εσT⁴×S₁＝5.67×10^-8W·m^-2·K^-4(303.15)⁴×100m²＝47886W同时，由球壳3的小孔向外辐出的热能的热能为

A_C-0＝j*×S_c＝σT⁴×S_c＝5.67×10^-8W·m^-2·K^-4(303.15)⁴×10^-2·m²＝4.7886W

球壳3得到的热能远远大于失去的热能，于是形成热差：

dA＝A_1-0-A_C-0＝47886-4.7886＝47881W

于是球壳3内出现热能积累。整个球壳质量未变，热能渐渐积累，球壳内温度随之上升。

经一段时间，进入稳定状态，金属黑体的温度为25℃(298.15k)，球壳3内温度为180℃(453.15k)。

金属黑体1经聚焦元件2向球壳3内输入的热能为

A₁＝M₀(T)×S₁＝σT⁴×S₁＝5.67×10^-8˙W˙m^-2˙K^-4×(298.15K)⁴×100m²＝44804W

球壳内壁辐射率为

A₃＝σT⁴＝5.67×10^-8˙Wm^-2˙K^-4(453.15K)⁴＝2390.8W˙m^-2

通过球壳下面聚光孔向外辐射热能为

A_C＝A₃×S_C＝2390.8W˙m^-2×10^-2m²＝23.9W

球顶承载面允许向外供热为

A_P＝A₁-A_C＝44804-23.9＝44780W

因为△A＝(A₁-A_C)＞＞0，即辐入热能远远大于辐出热能，故而在球壳体内形成热能积累——升温了。

应用实例：

1、烧水做饭——球壳顶部的热负载承载面与热水釜作紧密热耦合；使水温升至100℃，可供饮用；或使压力锅内的水升至120℃，煮米饭，或煮肉皆宜。

2、温差发电——球壳顶部的热负载承载面敷设一层泽贝克电片，热负载承载面一侧为180℃，令被冷却一面为40℃，两端温差△T＝180-40＝140℃.根据高敏、张景韶编著的《温差电转换及其应用》可知，△T＝140℃时，发电效率η_s＝0.09，故而发出电能A_E＝A_P×η_s＝44780.1W(≈4KW)。

3、汽轮机发电——令球壳热负载承载面与高压锅炉做热的紧密耦合，球壳3内温度为410℃，聚光孔辐出约123.49W，锅炉内水蒸气T_V≥401.1℃，理论效率上限＝0.44，计入有关损失，整体发电效率η≈0.4。即本系统发电功率17874W(≈18KW)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种集热升温装置，其特征在于，包括平板状的金属黑体、聚焦元件和球壳，所述球壳下端设置有聚光孔，所述球壳上设置有热负载承载面；所述金属黑体的下表面连接有吸热翅片，与所述金属黑体上表面相对的位置安装有所述聚焦元件，所述聚焦元件反射所述金属黑体辐射的平行光束，所述聚焦元件的反射光通过所述聚光孔，并使得焦斑落入所述球壳内部，所述球壳内壁吸收所述聚焦元件的反射光，并将热能传递给所述热负载承载面上的热负载；所述金属黑体的上表面与所述聚焦元件之间的距离H与所述金属黑体上表面面积S1之间的关系为：

2.根据权利要求1所述的集热升温装置，其特征在于，所述聚焦元件为凸透镜或凹透镜，焦斑远方散焦。

3.根据权利要求2所述的集热升温装置，其特征在于，所述聚焦元件为平凸透镜或双凸透镜。

4.根据权利要求2所述的集热升温装置，其特征在于，所述金属黑体为正方形平板。

5.根据权利要求1所述的集热升温装置，其特征在于，所述球壳为金属材料，所述球壳的外部安装有保温层。

6.根据权利要求1或4所述的集热升温装置，其特征在于，所述金属黑体为热的良导体外表面设置黑色包覆层。

7.根据权利要求1所述的集热升温装置，其特征在于，所述热负载承载面为平面或曲面。

8.根据权利要求6所述的集热升温装置，其特征在于，所述金属黑体采用正方形紫铜或铝合金或不锈钢板材料平板，所述正方形紫铜或铝合金或不锈钢材料平板表面电化处理有黑色包覆层。

9.根据权利要求1所述的集热升温装置，其特征在于，所述球壳为铝合金或不锈钢材料。