CN105066476A - 一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器 - Google Patents

一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器 Download PDF

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谭建宇
王富强
来庆志
谢银模
马兰新
王程超
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Abstract

一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，属于太阳能利用技术领域。本发明为了解决金属圆管太阳能吸热器金属管的热变形的问题、并实现金属管内强化传热的目的。本发明的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩，还包括波节管，波节管安装在真空玻璃罩内，波节管与真空玻璃罩之间形成真空段，波节管内构成传热流体通道；波节管为外凸形波节管。本发明采用外凸波纹管替代传统抛物槽式太阳能聚光系统中的圆管以实现提高强化传热、均匀化管式吸热器的温度场分布并达到降低管式吸热器的热变形的目的。

Description

一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及一种管式太阳能吸热器，具体涉及一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
太阳能以其储量的无限性、开发利用的清洁性，成为21世纪解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一。太阳能资源的利用按照能量转化方式可以分为光热转换利用、光电转换利用和光化学转换利用。其中，太阳能热动力发电是太阳能光热转换的有效途径之一，它具有清洁、无污染等优点。但是由于太阳能资源具有能流密度低，易受到昼夜、季节、和地理纬度等因素影响的缺点，必须通过聚集技术将低热流密度的太阳辐射聚集起来，形成高汇聚的太阳能热流以实现降低热损失和高效的能源利用。传统的太阳能热动力发电系统包括发电子系统、传热和蓄热系统、集热子系统。集热子系统由聚光系统、吸热器和跟踪系统等部件构成。太阳光辐射经过聚光系统汇聚后形成了高倍汇聚的太阳能辐射能，照射到安装在聚光系统焦平面处的吸热器上，加热吸热管内的换热流体，产生热水或蒸汽驱动发动机，进而带动电机产生电能。
由于受昼夜、季节、地理纬度和天气变化等因素的影响，太阳能的热利用具有显著的间断性和不均匀性，导致太阳能吸热器承受反复高温差的热冲击循环，吸热器容易产生高的热应变并引发吸热器玻璃管罩破裂以及吸热器的弯曲变形并最终失效。
传统抛物槽式太阳能聚光系统整体示意图如图1所示，太阳光经过槽式聚光系统聚集并反射后，照射到金属圆管太阳能吸热器外表面下半段；圆管式太阳能吸热器示意图如图2至图3所示，金属圆管太阳能吸热器吸热管外表面的下半段受到高汇聚热流密度的照射，而金属圆管太阳能吸热管外表面上半段为非汇聚的低太阳能热流密度的照射。因此，金属圆管太阳能吸热器外表面的热流密度场分布为高度非均匀的，金属圆管太阳能吸热器容易承受高的温度梯度，并引发热变形及金属管壁的失效。由于金属圆管的热变形远大于玻璃罩的热变形，金属管与玻璃罩之间的巨大热变形差异，容易引起玻璃罩破裂。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，以至少解决金属圆管太阳能吸热器金属管的热变形问题、并实现金属管内强化传热的目的。本发明提出一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，采用外凸波纹管替代传统抛物槽式太阳能聚光系统中的圆管以实现提高强化传热、均匀化管式吸热器的温度场分布并达到降低管式吸热器的热变形的目的。
本发明提出的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩，还包括波节管，所述波节管安装在真空玻璃罩内，波节管与真空玻璃罩之间形成真空段，波节管内构成传热流体通道；所述波节管为外凸形波节管。
进一步地：所述波节管的波节比p/D为4.3至14，p为相邻波峰之间的距离，D为波节管非波形段的直径。通过改变不同的波节比p/D实现不同的强化传热和降低热应变的效果。
进一步地：所述波节管的波节比p/D为4.3。如此设置，外凸波节管太阳能吸热管努赛尔数(Nu)比传统圆管式太阳能吸热器努赛尔数(Nu)提高达8％。
进一步地：所述波节管的波节比p/D为9.4。如此设置，外凸波节管太阳能吸热管的最大热应变比传统圆管式太阳能吸热器的最大热应变降低达13％。
进一步地：所述波节管的波节比p/D为6.2。如此设置，外凸波节管太阳能吸热管与内凹式吸热管相比，其有效降低流体的压降达48％，同时强化了换热效果。
进一步地：所述波节管与真空玻璃罩同轴设置。
本发明所达到的效果为：
本发明采用外凸波纹管替代传统抛物槽式太阳能聚光系统中的圆管以实现提高强化传热、均匀化管式吸热器的温度场分布并达到降低管式吸热器的热变形的目的。数值分析结果表明，本文提出的外凸波纹管太阳能吸热管与传动圆管式太阳能吸热器相比较，努赛尔数(Nu)提高达8％，最大热应变降低达13％。
相比于内凹式波纹结构管式太阳能吸热器，本文所提出的外凸式波节结构吸热管不但可以有效降低流体在管内的流动阻力，有效降低流体的压降。而且，可以提高吸热管与换热流体间的换热量，强化了换热效果。
附图说明
图1为传统抛物槽式太阳能聚光系统整体示意图；
图2为圆管式太阳能吸热器示意图；
图3为图2的横截面示意图；
图4为本发明的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器的结构示意图；
图5为不同波节比(p/D)下波节管式太阳能吸热器的努赛尔数(Nu)与传统圆管式太阳能吸热器努赛尔数(Nu)的对比图；
图6为不同波节比(p/D)下波节管式太阳能吸热器的最大热应变与传统圆管式太阳能吸热器最大热应变的对比图；
图7为相同波节比(p/D)下外波节结构与内波节结构的管式太阳能吸热器的沿程压降的对比图；
图8为相同波节比(p/D)下外波节结构与内波节结构的管式太阳能吸热器的有效换热量的对比图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如附图4和图5所示本发明的实施例1提供了一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩1，还包括波节管2，所述波节管2安装在真空玻璃罩1内，波节管2与真空玻璃罩1之间形成真空段3，波节管2内构成传热流体通道4；所述波节管2为外凸形波节管，波节管2与真空玻璃罩1同轴设置；所述波节管2的波节比p/D为4.3。如此设置，外凸波节管太阳能吸热管努赛尔数(Nu)比传统圆管式太阳能吸热器努赛尔数(Nu)提高达8％。
另外，根据一种实现方式，如附图4和图6所示本发明的实施例2提供了一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩1，还包括波节管2，所述波节管2安装在真空玻璃罩1内，波节管2与真空玻璃罩1之间形成真空段3，波节管2内构成传热流体通道4；所述波节管2为外凸形波节管，波节管2与真空玻璃罩1同轴设置；所述波节管2的波节比p/D为9.4。如此设置，外凸波节管太阳能吸热管的最大热应变比传统圆管式太阳能吸热器的最大热应变降低达13％。
另外，根据一种实现方式，如附图4和图7、图8所示本发明的实施例3提供了一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩1，还包括波节管2，所述波节管2安装在真空玻璃罩1内，波节管2与真空玻璃罩1之间形成真空段3，波节管2内构成传热流体通道4；所述波节管2为外凸形波节管，波节管2与真空玻璃罩1同轴设置；所述波节管2的波节比p/D为6.2。如此设置，相比于内凹式波纹结构管式太阳能吸热器，本文所提出的外凸式波节结构吸热管不但可以有效降低流体在管内的流动阻力，有效降低流体的压降(图7所示)。而且，可以提高吸热管与换热流体间的换热量(图8所示)，强化换热效果更佳。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩(1)，其特征在于：还包括波节管(2)，所述波节管(2)安装在真空玻璃罩(1)内，波节管(2)与真空玻璃罩(1)之间形成真空段(3)，波节管(2)内构成传热流体通道(4)；所述波节管(2)为外凸形波节管。
2.根据权利要求1所述的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，其特征在于：所述波节管(2)的波节比p/D为4.3至14，p为相邻波峰之间的距离，D为波节管(2)非波形段的直径。
3.根据权利要求1所述的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，其特征在于：所述波节管(2)的波节比p/D为4.3；p为相邻波峰之间的距离，D为波节管(2)非波形段的直径。
4.根据权利要求1所述的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，其特征在于：所述波节管(2)的波节比p/D为9.4；p为相邻波峰之间的距离，D为波节管(2)非波形段的直径。
5.根据权利要求1所述的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，其特征在于：所述波节管(2)的波节比p/D为6.2；p为相邻波峰之间的距离，D为波节管(2)非波形段的直径。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种具有强化传热和降低热变形的波节管式太阳能吸热器，其特征在于：所述波节管(2)与真空玻璃罩(1)同轴设置。
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