CN104279770A - 太阳能中高温环路热管蒸汽发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，由环路热管(1)、直通式全玻璃真空管(2)、汽包(3)和密封环(4)构成；所述的环路热管(1)为由蒸发段(5)、冷凝段(6)、第一绝热段(7(A))和第二绝热段(7(B))构成的封闭环路；第一绝热段(7(A))为蒸汽上升管,第二绝热段(7(B))由冷凝液下降管(12)和U型储液管(13)构成；直通式全玻璃真空管(2)与蒸发段(5)同轴放置，形成的环形非真空空间(20)两端采用密封环(4)密封；汽包(3)与环路热管(1)的冷凝段(6)进行封接。本发明构建适用于槽式太阳能DSG技术,利用热管的高效相变传热，加热蒸汽发生器中的水，直接产生高温蒸汽，降低系统成本，提高系统运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源领域中的太阳能光热利用技术，尤其涉及一种太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，主要用于槽式太阳能直接产蒸汽(Direct SteamGeneration，DSG)系统。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源，其光热技术开发和利用是实现绿色可持续发展的有效途径之一。槽式太阳能DSG热发电技术是实现太阳能中高温热利用较为经济、有效的方式，对解决化石资源短缺、环境污染和温室效应等问题具有重要意义。槽式DSG系统是直接采用水/蒸汽作为传热工质，环境友好，集热温度不受传热介质限制，同时避免了二次换热造成的热损失，具有较高的集热效率，已成为太阳能中高温热利用领域的前沿研究热点。
槽式DSG系统实现方式均基于槽式太阳能集热管，直接加热集热管内的工质水，产生400℃(10MPa)左右的过热蒸汽。然而，由于太阳能热流密度多变，DSG系统运行时槽式太阳能集热管内部工质汽液两相热质传递过程较复杂，集热管周向温度梯度较大，易造成集热管弯曲炸管以及金属-玻璃封接处失效等问题；且非稳态条件下传热工质的温度和压力控制以及汽液分离需耦合较复杂的控制策略，实现难度较大。国内对于槽式太阳能集热管的开发起步较晚，其金属-玻璃封接关键技术仍落后于国外。
申请号为200810122376.4的中国发明专利避开了槽式太阳能集热管封接难题，公开了一种汽液两相分离型重力热管式太阳能锅炉。但该分离型重力热管(回路热管)采用法兰连接金属软管和不锈钢管，长期运行热管可靠性不高；且该回路热管系统管线较长，结构较复杂，运行时热管内部传热工质流动阻力较大。此外，该回路热管的蒸发段水平放置时，传热工质流动情况较复杂，无法形成高效的传热回路，进一步限制了其传热性能。目前，对于回(环)路热管的研究多集中于小尺度的电子元件散热过程，而在大尺度下尤其是蒸发段水平放置时的传热性能差极大地限制了其应用。总地来说，目前国内对于槽式DSG集热系统的研制工作鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有DSG系统、槽式太阳能集热管以及大尺度下水平环路热管的局限，开发一种基于水平环路热管太阳能集热管的DSG技术，的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器。
本发明的技术方案是：一种太阳能中高温环路热管蒸汽发生器：由环路热管1、直通式全玻璃真空管2、汽包3和密封环4构成；所述的环路热管1为由蒸发段5、冷凝段6、第一绝热段7(A)和第二绝热段7(B)构成的封闭环路；蒸发段5管外表面镀有选择性吸收涂层8，管内壁面填充金属吸液芯9，管内装有传热工质10；冷凝段6管外缠绕金属翅片11；第一绝热段7(A)为蒸汽上升管，第二绝热段7(B)由冷凝液下降管12和U型储液管13构成；第一绝热段7(A)一端与蒸发段5一侧顶部封接，另一端与冷凝段6一端封接，冷凝段6另一端与冷凝液下降管12一端封接，冷凝液下降管12另一端与U型储液管13一端封接，U型储液管13另一端与蒸发段5另一侧底部封接；冷凝液下降管12顶部靠近冷凝段6位置接有排气阀14；所述的直通式全玻璃真空管2由玻璃外管15、玻璃内管16、波形膨胀节17和过渡联接环18构成；玻璃外管15与玻璃内管16之间为真空空间19；直通式全玻璃真空管2两端均通过过渡联接环18与波形膨胀节17封接；直通式全玻璃真空管2与环路热管1的蒸发段5同轴放置，形成的环形非真空空间20两端采用密封环4密封；汽包3与环路热管1的冷凝段6进行封接；汽包3一侧底部设有热水进口21，另一侧顶部设有蒸汽出口22。
所述的环路热管1的材质为不锈钢或碳钢等金属材料；其蒸发段5直径为40～100mm，长度为1000～4060mm；冷凝段6直径为20～40mm，长度为600～3000mm；第一绝热段7(A)与第二绝热段7(B)直径为20～40mm，蒸发段5与冷凝段6中心线高度为200～800mm；冷凝液下降管12分为水平段、倾斜段和竖直段，其中水平段长度为50～100mm，倾斜段与水平段夹角β为0～30°；U型储液管13中心线宽度为50～200mm。
所述的蒸发段5管外表面的选择性吸收涂层8为具有高吸收率低发射率的Pt-Al2O3、Ag-Cr2O3或Ni-SiO2等金属陶瓷材料，或者是TiAl/TiAlN/TiAlON/TiAlO材料；选择性吸收涂层在非真空条件下涂层吸收率为86％～96％，发射率为4％～14％。
所述的蒸发段5管内壁面填充的金属吸液芯9为金属丝网、金属纤维毡或沟槽吸液芯中的至少一种；金属丝网规格为50～80目，填充3～8层。
所述的蒸发段5为水平放置，管内的相变传热工质10为水、导热姆、联苯、钾或多种工质的混合介质，传热工质体积与蒸发段容积比(充液率)为15％～95％。
所述的冷凝段6为直管，可倾斜0～10°放置；或为弯管，其夹角α为170～180°；其管外的金属翅片11材料为不锈钢或碳钢等金属材料；翅片厚度一般为1～2mm，宽度为10～30mm。
所述的直通式全玻璃真空管2两端与过渡联接环18以及波形膨胀节17的封接形式参见本发明人的发明专利，专利申请号201410348597.9。
所述的直通式全玻璃真空管2的玻璃外管15与玻璃内管16材质均为高硼硅玻璃；玻璃内管16的直径为60～120mm，玻璃外管15的直径比玻璃内管16大10～20mm。
所述的直通式全玻璃真空管2的波形膨胀节17材质为不锈钢或铜等金属材料；波形为U型或Ω型，波数为1～5。
所述的直通式全玻璃真空管2的过渡联接环18材质为可伐合金。
所述的直通式全玻璃真空管2的真空空间19的真空度为5×10-5～0.05Pa。
所述的直通式全玻璃真空管2与蒸发段5之间的环形非真空空间20为空气；其两侧采用的密封环4材质为石墨或其它耐高温非金属材料。
所述的汽包3除设有热水进口21和蒸汽出口22外，还配备有温度传感器、压力传感器、液位传感器以及安全阀等接口。
所述的环路热管蒸汽发生器，适用于槽式等高倍线聚光集热系统，集热温度为200～400℃。
根据本领域公知的资料，凡是形式和材质与本发明相似、没有实质性改变的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，均落在本发明的保护范围内。
有益效果：
(1)本发明提出将中高温环路热管和直通式双层玻璃真空管集成，构建适用于槽式太阳能DSG技术。避开传统DSG技术中槽式太阳能集热管金属-玻璃焊接难题和复杂的过程控制，利用热管的高效相变传热，加热蒸汽发生器中的水，直接产生高温蒸汽，降低系统成本，提高系统运行的可靠性。
(2)本发明的中高温环路热管结构简单，其U型储液管结构可形成液封，使得环路热管内部工质形成有效的相变传热回路，提高其在非均匀非稳态和高热流密度下工作的稳定性和可靠性。
(3)本发明的中高温环路热管蒸汽发生器可水平放置，应用于聚光比为20～100的槽式等高倍线聚光系统，可直接产生200～400℃的中高温蒸汽，用于槽式太阳能热发电系统。
附图说明
图1为实施例1太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图；
其中，1-环路热管；2-直通式全玻璃真空管；3-汽包；4-密封环；5-蒸发段；6-冷凝段；7(A)-第一绝热段；7(B)-第二绝热段，8-选择性吸收涂层；9-金属吸液芯；10-传热工质；11-金属翅片；12-冷凝液下降管；13-U型储液管；14-排气阀；15-玻璃外管；16-玻璃内管；17-波形膨胀节；18-过渡联接环；19-真空空间；20-非真空空间；21-热水进口；22-蒸汽出口。
图2为实施例1太阳能中高温环路热管蒸汽发生器蒸发段一侧联接处局部视图；
图3实施例2太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图；
图4实施例3太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图；
图5实施例4太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本发明公开了一种太阳能中高温环路热管蒸汽发生器：由环路热管1、直通式全玻璃真空管2、汽包3和密封环4构成；所述的环路热管1为由蒸发段5、冷凝段6、第一绝热段7(A)和第二绝热段7(B)构成的封闭环路；蒸发段5管外表面镀有选择性吸收涂层8，管内壁面填充金属吸液芯9，管内装有传热工质10；冷凝段6管外缠绕金属翅片11；第一绝热段7(A)为蒸汽上升管，第二绝热段7(B)由冷凝液下降管12、U型储液管13和排气阀14构成；第一绝热段7(A)一端与蒸发段5一侧顶部封接，另一端与冷凝段6一端封接，冷凝段6另一端与冷凝液下降管12一端封接，冷凝液下降管12另一端与U型储液管13一端封接，U型储液管13另一端与蒸发段5另一侧底部封接；冷凝液下降管12顶部靠近冷凝段6位置接有排气阀14；所述的直通式全玻璃真空管2由玻璃外管15、玻璃内管16、波形膨胀节17和过渡联接环18构成；玻璃外管15与玻璃内管16之间为真空空间19；直通式全玻璃真空管2两端均通过过渡联接环18与波形膨胀节17封接；直通式全玻璃真空管2与环路热管1的蒸发段5同轴放置，形成的环形非真空空间20两端采用密封环4密封；汽包3与环路热管1的冷凝段6进行封接；汽包3一侧底部设有热水进口21，另一侧顶部设有蒸汽出口22。环路热管1的材质为不锈钢；其蒸发段5直径为40mm，长度为1000mm；冷凝段6直径为20mm，长度为600mm；第一绝热段7(A)和第二绝热段7(B)直径为20mm，蒸发段5与冷凝段6中心线高度为200mm；冷凝液下降管12分为水平段、倾斜段和竖直段，水平段长度为50mm，倾斜段与水平段夹角β为15°；U型储液管13中心线宽度为50mm。蒸发段5管外表面的选择性吸收涂层8为Pt-Al2O3材料，在非真空条件下吸收率为95％，发射率为10％；蒸发段5管内壁面填充的金属吸液芯9为金属丝网，规格为50目，填充8层；蒸发段5为水平放置，管内的传热工质10为联苯，充液率为15％；冷凝段6为水平放置的直管，其管外的金属翅片11为不锈钢；翅片11厚度1mm，宽度为10mm；所述的直通式全玻璃真空管2两端与过渡联接环18以及波形膨胀节17的封接形式参见本发明人的发明专利，专利申请号201410348597.9；直通式全玻璃真空管2的玻璃外管15与玻璃内管16材质均为高硼硅玻璃，玻璃内管16的直径为60mm，玻璃外管15的直径比玻璃内管16大10mm；波形膨胀节17材质为不锈钢，波形为U型，波数为1；过渡联接环18材质为可伐合金；直通式全玻璃真空管2的真空空间19的真空度为5×10-5Pa；直通式全玻璃真空管2与蒸发段5之间的环形非真空空间20为空气，其两侧采用的密封环4为石墨。
本实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器用于聚光比为25的槽式聚光器，可产生250℃的中高温蒸汽。
实施例2
图3所示为该实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图。
本实施例结构形式及部分材质与实施例1相同。不同之处在于：环路热管1的材质为碳钢，其蒸发段5直径为100mm，长度为4060mm；冷凝段6长度为3000mm；蒸发段5与冷凝段6中心线高度为800mm；冷凝液下降管12的水平段长度为100mm，倾斜段与水平段夹角β为30°；U型储液管13中心线宽度为200mm。蒸发段5管外表面的选择性吸收涂层8为Ag-Cr2O3材料，在非真空条件下吸收率为96％，发射率为14％；蒸发段5管内壁面填充的金属吸液芯9为金属纤维毡，填充3层；蒸发段5为水平放置，管内的传热工质10为导热姆，充液率为95％；冷凝段6为倾斜10°放置的直管，其管外的金属翅片11为碳钢，翅片厚度2mm，宽度为30mm；直通式全玻璃真空管2的玻璃内管16的直径为120mm，玻璃外管17的直径比玻璃内管16大20mm；波形膨胀节17材质为铜，波形为Ω型，波数为5；直通式全玻璃真空管2的真空空间19的真空度为0.05Pa。
本实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器用于聚光比为40的槽式聚光器，可产生300℃的高温蒸汽。
实施例3
图4所示为该实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图。本实施例涉及的结构形式、部分材质及结构参数与实施例1相同。不同之处在于：环路热管1的蒸发段5长度为2000mm；冷凝段6直径为40mm，长度为1600mm；蒸发段5与冷凝段6中心线高度为400mm，第一绝热段7(A)直径为20mm，冷凝液下降管12直径为40mm；冷凝液下降管12水平段长度为70mm，倾斜段与水平段夹角β为10°；U型储液管13中心线宽度为100mm。蒸发段5管外表面的选择性吸收涂层8为Ni-SiO2材料，在非真空条件下吸收率为86％，发射率为4％；蒸发段5管内壁面填充的金属吸液芯9为金属丝网，金属丝网规格为80目，3层；蒸发段5为水平放置，管内的传热工质10为钾，充液率为60％；波形膨胀节17波形为U型，波数为5。
本实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器用于聚光比为100的槽式聚光器，可产生高于400℃的高温蒸汽。
实施例4
图5所示为该实施例中太阳能中高温环路热管蒸汽发生器结构示意图。本实施例涉及的结构形式、结构参数以及材质与实施例1基本相同。不同之处在于：冷凝液下降管12分为水平段和竖直段，即倾斜段与水平段夹角β为0°。蒸发段5管外表面的选择性吸收涂层8为TiAl/TiAlN/TiAlON/TiAlO材料，在非真空条件下吸收率为90％，发射率为9％；蒸发段5管内壁面填充的金属吸液芯9为沟槽吸液芯；蒸发段5为水平放置，管内的传热工质10为水，充液率为50％；冷凝段6为一弯管，夹角α为170°。
本实施例的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器用于聚光比为20的槽式聚光器，可产生200℃的中温蒸汽。
Claims (10)
1.一种太阳能中高温环路热管蒸汽发生器：由环路热管(1)、直通式全玻璃真空管(2)、汽包(3)和密封环(4)构成；所述的环路热管(1)为由蒸发段(5)、冷凝段(6)、第一绝热段(7(A))和第二绝热段(7(B))构成的封闭环路；蒸发段(5)管外表面镀有选择性吸收涂层(8)，管内壁面填充金属吸液芯(9)，管内装有传热工质(10)；冷凝段(6)管外缠绕金属翅片(11)；第一绝热段(7(A))为蒸汽上升管，第二绝热段(7(B))由冷凝液下降管(12)和U型储液管(13)构成；第一绝热段(7(A))一端与蒸发段(5)一侧上部封接，另一端与冷凝段(6)一端封接，冷凝段(6)另一端与冷凝液下降管(12)一端封接，冷凝液下降管(12)另一端与U型储液管(13)一端封接，U型储液管(13)另一端与蒸发段(5)另一侧底部封接；冷凝液下降管(12)顶部靠近冷凝段(6)位置接有排气阀(14)；所述的直通式全玻璃真空管(2)由玻璃外管(15)、玻璃内管(16)、波形膨胀节(17)和过渡联接环(18)构成；玻璃外管(15)与玻璃内管(16)之间为真空空间(19)；直通式全玻璃真空管(2)两端均通过过渡联接环(18)与波形膨胀节(17)封接；直通式全玻璃真空管(2)与环路热管(1)的蒸发段(5)同轴放置，形成的环形非真空空间(20)两端采用密封环(4)密封；汽包(3)与环路热管(1)的冷凝段(6)进行封接；汽包(3)一侧底部设有热水进口(21)，另一侧顶部设有蒸汽出口(22)。
2.根据权利1所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的环路热管(1)的材质为不锈钢或碳钢；所述的蒸发段(5)直径为40～100mm，长度为1000～4060mm；所述的冷凝段(6)直径为20～40mm，长度为600～3000mm；所述的第一绝热段(7(A))与第二绝热段(7(B))直径为20～40mm，蒸发段(5)与冷凝段(6)中心线高度为200～800mm；冷凝液下降管(12)分为水平段、倾斜段和竖直段，水平段长度为50～100mm，倾斜段与水平段夹角β为0～30°；U型储液管(13)中心线宽度为50～200mm。
3.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的蒸发段(5)管外表面的选择性吸收涂层(8)为Pt-Al2O3、Ag-Cr2O3、Ni-SiO2或TiAl/TiAlN/TiAlON/TiAlO材料，涂层在非真空条件下吸收率为86％～96％，发射率为4％～14％。
4.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的蒸发段(5)管内壁面填充的金属吸液芯(9)为金属丝网、金属纤维毡或沟槽吸液芯中的至少一种；优选所述的金属丝网规格为50～80目，填充3～8层。
5.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的蒸发段(5)为水平放置；管内的相变传热工质(10)为水、导热姆、联苯或钾，传热工质体积与蒸发段容积比为15％～95％。
6.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的冷凝段(6)为直管，倾斜0～10°放置；或者为弯管，其夹角α为170～180°；所述的金属翅片(11)材料为不锈钢或碳钢。
7.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的直通式全玻璃真空管(2)的玻璃外管(15)与玻璃内管(16)材质均为高硼硅玻璃；所述的玻璃内管(16)的直径为60～120mm，玻璃外管(15)的直径比玻璃内管(16)大10～20mm。
8.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的直通式全玻璃真空管(2)的波形膨胀节(17)材质为不锈钢或铜；波形为U型或Ω型，波数为1～5。
9.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，所述的直通式全玻璃真空管(2)的过渡联接环(18)材质为可伐合金；所述的直通式全玻璃真空管(2)与蒸发段(5)之间的环形非真空空间(20)为空气；所述的密封环(4)材质为石墨。
10.根据权利1所述的所述的太阳能中高温环路热管蒸汽发生器，其特征在于所述的直通式全玻璃真空管(2)的真空空间(19)的真空度为5×10-5～0.05Pa。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |