CN103940126B - 基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管及方法。它包括入口法兰、套管式连接管、蒸汽出口管、改性表面内套管、单口集热管，单口集热管包括封头、波纹管、吸热管、真空玻璃管、真空抽气口、支撑构件、选择性吸光涂层、第一超亲水涂层，改性表面内套管包括导热管、超疏水涂层、第二超亲水涂层。本发明通过吸热管内表面的超亲水涂层和改性表面内套管超疏水涂层提高管内出口蒸汽干度，通过改性表面内套管第二超亲水涂层强化管内后端的沸腾换热系数提升集热管换热效率。

Description

基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管及方法
技术领域
本发明涉及一种基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管及方法，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳能热发电技术已成为当前太阳能高效利用的主要发展方向之一。作为当前技术最成熟、商业化程度最高的槽式太阳能热发电技术，我国目前也在逐步开展槽式太阳能热发电商业化示范项目建设。目前槽式太阳能系统采用的集热管主要为直通式集热管，其优点在于通过串联连接可获得高温蒸汽，但也存在两端温差过大，金属管应力过高，金属与玻璃管之间焊接工艺受限等问题。中国专利 ZL 200820168123.6 提出了一种同轴套管式U型集热管，提供了一种成品率高、结构简单、造价便宜 、便于大面积推广的中高温集热管。但该集热管在使用过程中出现了蒸汽出口温度偏低、集热管对流散热损失过大等问题。中国专利ZL20110318417.9为了克服上述使用过程出现的问题，通过在套管内管入口处安装热阻内嵌管，减少出口蒸汽和入口冷凝水之间的对流换热，从而改善传热，保证和提高了出口蒸汽的品质。但其缺点在于使得集热管结构更加复杂，系统可靠性降低。因此，该种类型集热管在改善性能等方面还有进一步优化的空间。
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，而根据异相成核理论疏水表面可以有效降低气泡成核所需能量势垒从而使沸腾提前。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不足，提出一种基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管包括入口法兰、套管式连接管、蒸汽出口管、改性表面内套管、单口集热管；单口集热管包括封头、波纹管、吸热管、真空玻璃管、真空抽气口、支撑构件、选择性吸光涂层、第一超亲水涂层；改性表面内套管包括导热管、超疏水涂层、第二超亲水涂层；集热管入口法兰与改性表面内套管焊接连接；改性表面内套管经套管式连接管与单口集热管同轴布置；套管式连接管上端开口与蒸汽出口管焊接连接；套管式连接管的两端分别与改性表面内套管的入口和单口集热管开口端焊接连接；吸热管与真空玻璃管开口端通过波纹管和封头封接；吸热管与真空玻璃管闭口端之间设有支撑构件；真空玻璃管上设有真空抽气口；吸热管外表面涂有选择性吸光涂层，内表面涂有第一超亲水涂层；导热管内表面沿轴向依次涂有超疏水涂层和第二超亲水涂层。
所述的改性表面内套管中的超疏水涂层区域长度为总长的1/3，改性表面内套管中的第二超亲水涂层区域的长度为总长的2/3。
基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管的集热方法是：冷凝水经入口法兰流入改性表面内套管经加热产生蒸汽从单口集热管反向流入套管式连接管经蒸汽出口管流出；吸热管经选择性吸光涂层吸收透过真空玻璃管的的太阳光加热；吸热管通过内表面的第一超亲水涂层加热提高管内蒸汽干度；改性表面内套管通过单口集热管内的蒸汽进行加热；改性表面内套管通过超疏水涂层弱化管内前端沸腾换热系数提高热阻来提升出口蒸汽的干度；改性表面内套管通过第二超亲水涂层强化管内后端的沸腾换热系数提升集热管换热效率。
本发明通过吸热管内表面的超亲水涂层和改性表面内套管超疏水涂层提高管内出口蒸汽干度，通过改性表面内套管超亲水涂层二强化管内后端的沸腾换热系数提升集热管换热效率。
附图说明
图1是基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管结构示意图；
图2-a是本发明的单口集热管结构示意图；
图2-b是本发明的单口集热管的A-A截面图；
图3是本发明的改性表面内套管内表面超疏水表面与超亲水表面具体布置图。
图中：入口法兰1、套管式连接管2、蒸汽出口管3、改性表面内套管4、单口集热管5、封头6、波纹管7、吸热管8、真空玻璃管9、真空抽气口10、支撑构件11、选择性吸光涂层12、第一超亲水涂层13、导热管14、超疏水涂层15、第二超亲水涂层16。
具体实施方式
如图1、2-a、2-b、 3所示，基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管包括入口法兰1、套管式连接管2、蒸汽出口管3、改性表面内套管4、单口集热管5；单口集热管5包括封头6、波纹管7、吸热管8、真空玻璃管9、真空抽气口10、支撑构件11、选择性吸光涂层12、第一超亲水涂层13；改性表面内套管4包括导热管14、超疏水涂层15、第二超亲水涂层16；集热管入口法兰1与改性表面内套管4焊接连接；改性表面内套管4经套管式连接管2与单口集热管5同轴布置；套管式连接管2上端开口与蒸汽出口管3焊接连接；套管式连接管2的两端分别与改性表面内套管4的入口和单口集热管5开口端焊接连接；吸热管8与真空玻璃管9开口端通过波纹管7和封头6封接；吸热管8与真空玻璃管9闭口端之间设有支撑构件11；真空玻璃管9上设有真空抽气口10；吸热管8外表面涂有选择性吸光涂层12，内表面涂有第一超亲水涂层13；导热管14内表面沿轴向依次涂有超疏水涂层15和第二超亲水涂层16。
所述的改性表面内套管4中的超疏水涂层15区域长度为总长的1/3，改性表面内套管4中的第二超亲水涂层区域的长度为总长的2/3。
基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管的集热方法是：冷凝水经入口法兰1流入改性表面内套管4经加热产生蒸汽从单口集热管5反向流入套管式连接管2经蒸汽出口管3流出；吸热管8经选择性吸光涂层12吸收透过真空玻璃管9的的太阳光加热；吸热管8通过内表面的第一超亲水涂层13加热提高管内蒸汽干度；改性表面内套管4通过单口集热管5内的蒸汽进行加热；改性表面内套管4通过超疏水涂层15弱化管内前端沸腾换热系数提高热阻来提升出口蒸汽的干度；改性表面内套管4通过第二超亲水涂层16强化管内后端的沸腾换热系数提升集热管换热效率。
基于改性表面的套管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将光能转化为热能，来同时加热吸热管和改性表面内套管中的冷凝水。通过微-纳表面改性技术可以得到超疏水涂层以及超亲水涂层，并分别将这些修饰涂层布置于吸热管和改性表面内套管的内表面。冷凝水经集热管入口法兰流入单口集热管，分别经过导热管内表面超疏水涂层和第一超亲水涂层，继而流入吸热管，经过超亲水涂层，最后得到蒸汽从蒸汽出口管流出。
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，是将科学研究前沿技术引入工业实际应用的有益尝试。本发明提出的新型集热管结构以及集热方法，相比现有技术具有较大优势。

Claims (3)

1.一种基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管，其特征在于包括入口法兰（1）、套管式连接管（2）、蒸汽出口管（3）、改性表面内套管（4）、单口集热管（5）；单口集热管（5）包括封头（6）、波纹管（7）、吸热管（8）、真空玻璃管（9）、真空抽气口（10）、支撑构件（11）、选择性吸光涂层（12）、第一超亲水涂层（13）；改性表面内套管（4）包括导热管（14）、超疏水涂层（15）、第二超亲水涂层（16）；集热管入口法兰（1）与改性表面内套管（4）焊接连接；改性表面内套管（4）经套管式连接管（2）与单口集热管（5）同轴布置；套管式连接管（2）上端开口与蒸汽出口管（3）焊接连接；套管式连接管（2）的两端分别与改性表面内套管（4）的入口和单口集热管（5）开口端焊接连接；吸热管（8）与真空玻璃管（9）开口端通过波纹管（7）和封头（6）封接；吸热管（8）与真空玻璃管（9）闭口端之间设有支撑构件（11）；真空玻璃管（9）上设有真空抽气口（10）；吸热管（8）外表面涂有选择性吸光涂层（12），内表面涂有第一超亲水涂层（13）；导热管（14）内表面沿轴向依次涂有超疏水涂层（15）和第二超亲水涂层（16）。
2.根据权利要求1所述的一种基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管，其特征在于所述的改性表面内套管（4）中的超疏水涂层（15）区域长度为总长的1/3，改性表面内套管（4）中的第二超亲水涂层（16）区域的长度为总长的2/3。
3.一种使用如权利要求1所述的基于传热改性表面的自然循环太阳能回路型集热管的集热方法，其特征在于：冷凝水经入口法兰（1）流入改性表面内套管（4）经加热产生蒸汽从单口集热管（5）反向流入套管式连接管（2）经蒸汽出口管（3）流出；吸热管（8）经选择性吸光涂层（12）吸收透过真空玻璃管（9）的太阳光加热；吸热管（8）通过内表面的第一超亲水涂层（13）加热提高管内蒸汽干度；改性表面内套管（4）通过单口集热管（5）内的蒸汽进行加热；改性表面内套管（4）通过超疏水涂层（15）弱化管内前端沸腾换热系数提高热阻来提升出口蒸汽的干度；改性表面内套管（4）通过第二超亲水涂层（16）强化管内后端的沸腾换热系数提升集热管换热效率。
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