CN103940110B - 沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管及方法。它包括冷凝水入口管、第一波纹管、合金封接环、真空玻璃管、吸热管、真空抽气口、第二波纹管、蒸汽出口管、选择性吸光涂层、超亲水改性表面涂层。本发明通过吸热管与冷凝水入口管和蒸汽出口管的布置导致在吸热管的下半管形成冷凝水滞留区；进而导致冷凝水在吸热管下半管区域进行池沸腾；同时，通过在吸热管下半管表面涂装超亲水表面强化吸热管内沸腾换热，进而提高集热管换热效率，使管内流动与传热情况改善，形成一种新的集热管以及集热方法。

Description

沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管及方法
技术领域
本发明涉及一种沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管及方法，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
真空集热管作为光热转换部件，与抛物面槽式聚光器组合使用，形成抛物面槽式集热器，可以为太阳能热发电、太阳能海水淡化、太阳能空调、工业生产等提供热能。
目前槽式太阳能系统采用的集热管主要为直通式集热管，通过串联连接可获得高温蒸汽。但这种结构形式往往会使集热管两端温差过大，金属管应力过高，金属与玻璃管之间焊接工艺受到一定限制。串联连接又增加了结构的复杂性，对整体系统的可靠性、稳定性提出了挑战。由于槽式集热器的固有性能，决定了真空集热管在工作时管壁始终是单侧受热，且抛物面反射镜反射聚焦的辐射能流密度高且分布不均匀。因此，该种类型集热管所存在的缺陷和固有特性启发了我们对它进行优化和改善。
另一方面，通过微-纳表面改性技术强化传热作为一个崭新的研究领域，已得到世界范围的广泛重视，一批开创性的研究工作已经证明表面改性是一种极具前景的强化传热手段。随着研究的深入，表面浸润性对气泡动力学过程及传热的影响被逐渐重视。通常认为，亲水表面可以改善壁面液体传输特性更有利于提高临界热流密度。大量的实验也已经证实，通过改变表面的微-纳结构，带来表面形貌及化学性质的改变来引起表面浸润性的变化是可行的。目前，对微-纳改性表面的研究还停留在实验研究范围，而将这种新兴技术付诸于工业应用还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服槽式太阳能集热技术的缺陷，同时将新兴技术应用于工业实际，提出一种沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管包括冷凝水入口管、第一波纹管、合金封接环、真空玻璃管、吸热管、真空抽气口、第二波纹管、蒸汽出口管、选择性吸光涂层、超亲水改性表面涂层；冷凝水入口管、第一波纹管、吸热管、第二波纹管、蒸汽出口管顺次焊接连接；真空玻璃管套于所述吸热管外，真空玻璃管的两端通过合金封接环分别与第一波纹管和第二波纹管封接；真空玻璃管上设有真空抽气口；吸热管的外表面涂有选择性吸光涂层，吸热管的下半管内表面涂有超亲水改性表面涂层。
所述的吸热管内径为冷凝水入口管和蒸汽出口管内径的2倍；冷凝水入口管与吸热管同轴布置，蒸汽出口管与吸热管截面内切布置。
基于表面改性的结构改善型太阳能集热方法是：吸热管与冷凝水入口管和蒸汽出口管的布置导致在吸热管的下半管形成冷凝水滞留区；太阳光经聚光后透过真空玻璃管，经吸热管外表面的选择性吸光涂层被加热，冷凝水自冷凝水入口管进入吸热管后在下半管区域进行池沸腾，产生的蒸汽从吸热管经蒸汽出口管排出；同时，通过在吸热管下半管内表面涂装超亲水改性表面涂层强化吸热管内沸腾换热，进而提高集热管换热效率，改善管内流动沸腾传热特征。
本发明通过吸热管与冷凝水入口管和蒸汽出口管的布置导致在吸热管的下半管形成冷凝水滞留区；进而导致冷凝水在吸热管下半管区域进行池沸腾；同时，通过在吸热管下半管内表面涂装超亲水改性表面涂层强化吸热管内沸腾换热，进而提高集热管换热效率，使管内流动与传热情况改善，形成一种新的集热管以及集热方法。
附图说明
图1是沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管结构示意图；
图2是沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管的A-A截面图；
图中：冷凝水入口管1、第一波纹管2、合金封接环3、真空玻璃管4、吸热管5、真空抽气口6、第二波纹管7、蒸汽出口管8、选择性吸光涂层9以及超亲水改性表面涂层10。
具体实施方式
如图1、2所示，沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管包括冷凝水入口管1、第一波纹管2、合金封接环3、真空玻璃管4、吸热管5、真空抽气口6、第二波纹管7、蒸汽出口管8、选择性吸光涂层9、超亲水改性表面涂层10；冷凝水入口管1、第一波纹管2、吸热管5、第二波纹管7、蒸汽出口管8顺次焊接连接；真空玻璃管4套于所述吸热管5外，真空玻璃管4的两端通过合金封接环3分别与第一波纹管2和第二波纹管7封接；真空玻璃管4上设有真空抽气口6；吸热管5的外表面涂有选择性吸光涂层9，吸热管5的下半管内表面涂有超亲水改性表面涂层10。
所述的吸热管5内径为冷凝水入口管1和蒸汽出口管8内径的2倍；冷凝水入口管1与吸热管5同轴布置，蒸汽出口管8与吸热管5截面内切布置。
基于表面改性的结构改善型太阳能集热方法是：吸热管5与冷凝水入口管1和蒸汽出口管8的布置导致在吸热管5的下半管形成冷凝水滞留区；太阳光经聚光后透过真空玻璃管4，经吸热管5外表面的选择性吸光涂层9被加热，冷凝水自冷凝水入口管1进入吸热管5后在下半管区域进行池沸腾，产生的蒸汽从吸热管5经蒸汽出口管7排出；同时，通过在吸热管5下半管内表面涂装超亲水改性表面涂层10强化吸热管5内沸腾换热，进而提高集热管换热效率，改善管内流动沸腾传热特征。
沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管内部传热与流动过程如下：太阳光通过聚光反射镜透过真空玻璃管，大部分光能被吸热管外表面的的选择性涂层吸收转化为热能，来加热吸热管内的蒸汽。冷凝水自冷凝水入口管进入吸热管后被加热，在吸热管下半管受热进行池沸腾，产生的蒸汽从吸热管上半管经蒸汽出口管排出。
本发明将新兴的表面微-纳改性技术引入太阳能集热装置中，通过修饰吸热管内表面，改变其浸润性，得到具优良沸腾特性的超亲水改性表面涂层来强化沸腾传热，是将科学研究前沿技术引入工业实际应用的有益尝试。与此同时，本发明还对直通式集热管几何结构进行改进，将冷凝水入口管、吸热管和蒸汽出口管的位置做了优化布置，在吸热管的下半管形成冷凝水滞留区，是冷凝水在此区域进行池沸腾，改善了集热管整体的流动与换热条件，克服了现有的集热装置中的一系列缺陷。相比现有技术，本发明具有的优点显而易见。

Claims (3)

1.一种沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管，其特征在于包括冷凝水入口管（1）、第一波纹管（2）、合金封接环（3）、真空玻璃管（4）、吸热管（5）、真空抽气口（6）、第二波纹管（7）、蒸汽出口管（8）、选择性吸光涂层（9）、超亲水改性表面涂层（10）；冷凝水入口管（1）、第一波纹管（2）、吸热管（5）、第二波纹管（7）、蒸汽出口管（8）顺次焊接连接；真空玻璃管（4）套于所述吸热管（5）外，真空玻璃管（4）的两端通过合金封接环（3）分别与第一波纹管（2）和第二波纹管（7）封接；真空玻璃管（4）上设有真空抽气口（6）；吸热管（5）的外表面涂有选择性吸光涂层（9），吸热管（5）的下半管内表面涂有超亲水改性表面涂层（10）。
2.根据权利要求1所述的一种沸腾传热改善型直通式自然循环太阳能集热管，其特征在于所述的吸热管（5）内径为冷凝水入口管（1）和蒸汽出口管（8）内径的2倍；冷凝水入口管（1）与吸热管（5）同轴布置，蒸汽出口管（8）与吸热管（5）截面内切布置。
3.一种使用如权利要求1所述装置的基于表面改性的结构改善型太阳能集热方法，其特征在于：吸热管（5）与冷凝水入口管（1）和蒸汽出口管（8）的布置导致在吸热管（5）的下半管形成冷凝水滞留区；太阳光经聚光后透过真空玻璃管（4），经吸热管（5）外表面的选择性吸光涂层（9）被加热，冷凝水自冷凝水入口管（1）进入吸热管（5）后在下半管区域进行池沸腾，产生的蒸汽从吸热管（5）经蒸汽出口管（7）排出；同时，通过在吸热管（5）下半管内表面涂装超亲水改性表面涂层（10）强化吸热管（5）内沸腾换热，进而提高集热管换热效率，改善管内流动沸腾传热特征。
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