CN105674586A - 一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器 - Google Patents

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谭建宇
汤哲翔
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Abstract

一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，属于太阳能利用技术领域。管式太阳能吸热器包括真空玻璃罩和金属管，所述金属管安装在真空玻璃罩内，金属管与真空玻璃罩之间形成真空区域，金属管内构成传热流体通道；所述金属管下半段内壁上设置多个扰流柱组，多个扰流柱组沿金属管下半段内壁均布。本发明的管式太阳能吸热器，采用有目的性地内置扰流柱群，在热流密度大的流动区域增加扰流，破坏流动边界层，从而起到强化换热和均匀化温度场的目的，减小热应变，提高换热器的可靠性，将平均努赛尔数(Nu)由5528提高到5634。

Description

一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及一种管式太阳能吸热器，具体涉及一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，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。太阳能利用技术主要指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术，其中太阳能-热能转换历史最久远、开发最普遍。太阳能热利用是指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。
常见的聚集技术有：复合抛物面、槽式、碟式、塔式等。槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。含有槽式聚光系统的太阳能热动力发电技术已经是成熟的商业化技术，而含有塔式聚光系统和碟式聚光系统的太阳能热动力发电技术仍处于实验和示范阶段。由于槽式聚光系统的聚光能力很强，聚光后的热流密度是聚光前的近百倍，所以换热管的温度场分布不均匀，并且由于热膨胀，在两端约束处会产生很大的应力作用。吸热器容易受到高的热应力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。
强化槽式太阳能热发电系统管式吸热器的管内换热可以提高管式吸热器的效率并均匀化管式吸热器的温度场而有效降低热应变，并从而提高吸热器的可靠性。
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，本发明旨在提出一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，以达到提高换热，即：管式吸热器内部的平均努赛尔数的目的。
本发明提出的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩和金属管，所述金属管安装在真空玻璃罩内，金属管与真空玻璃罩之间形成真空区域，金属管内构成传热流体通道；所述金属管下半段内壁上设置多个扰流柱组，多个扰流柱组沿金属管下半段内壁均布。
进一步地：所述扰流柱组为五个，每个扰流柱组包括若干个扰流柱，若干个扰流柱沿金属管母线等间距排布。采用有目的性地内置扰流柱群，在热流密度大的流动区域增加扰流，破坏流动边界层，从而起到强化换热和均匀化温度场的目的，进一步地可以减小热应变，提高换热器的可靠性。数值分析结果表明，与传统抛物槽式太阳能聚光系统的圆管式太阳能吸热器相比，内置扰流柱群的管式太阳能吸热器可以将平均努赛尔数(Nu)由5528提高到5634。
进一步地：每个扰流柱的轴线均与金属管的轴线垂直相交。如此设置，扰流柱的轴线和流体流动方向垂直，流体垂直冲击到扰流柱，扰流柱可以更有效地破坏流动边界层，增加湍流度，强化冷热流体的混合，提高对流换热强度，更有效地提高平均努赛尔数(Nu)。
进一步地：每个扰流柱的长度均为金属管内径的六分之一。如此设置，扰流柱对流固耦合面处的流体增加扰流，而对金属管轴线处的流体扰流不明显，从而相对减少压力损失，更有效地提高平均努赛尔数(Nu)。
进一步地：所述金属管与真空玻璃罩同轴设置。
本发明所达到的效果为：
传统抛物槽式太阳能聚光系统的圆管式太阳能吸热器(如图1至图3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。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是高度非均匀的，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。由于金属圆管与玻璃罩之间的巨大热变形差异，容易引起玻璃罩破裂。
本发明提出的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，采用有目的性地内置扰流柱群，在热流密度大的流动区域增加扰流，破坏流动边界层，从而起到强化换热和均匀化温度场的目的，进一步地可以减小热应变，提高换热器的可靠性(如图4和图5所示)。数值分析结果表明，与传统抛物槽式太阳能聚光系统的圆管式太阳能吸热器相比，本文提出的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器可以将平均努赛尔数(Nu)由5528提高到5634(如图6所示)。
附图说明
图1是传统抛物槽式太阳能聚光系统整体示意图；
图2是圆管式太阳能吸热器示意图；
图3是图2的横截面图；
图4是内置扰流柱群的管式太阳能吸热器示意图；
图5是金属管的横截面图；
图6是内置扰流柱群的管式太阳能吸热器的平均努赛尔数随扰流组数的变化曲线图。
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。
如图4和图5所示，本发明的实施例提供了一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩1和金属管2，所述金属管2安装在真空玻璃罩1内，金属管2与真空玻璃罩1之间形成真空区域3，金属管2内构成传热流体通道4；所述金属管2下半段内壁上设置五个扰流柱组，五个扰流柱组沿金属管下半段内壁均布，每个扰流柱组包括若干个扰流柱5，若干个扰流柱5沿金属管2母线等间距排布。
采用有目的地在流动通道内置放扰流柱群替带传统抛物槽式太阳能聚光系统中的圆管以实现强化传热目的。经过聚光器反射，高能量密度的太阳光照射在吸热管底部，产生较大热流密度，将扰流柱群分布在热流密度较大的吸热管底部，可以在热流密度大的流动区域增加扰流，破坏流动边界层，强化底部换热，更进一步均匀化温度场。数值分析结果表明，与传统抛物槽式太阳能聚光系统的圆管式太阳能吸热器相比，本发明的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器的努赛尔数(Nu)可以由5528提高到5634。
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 (5)

1.一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，包括真空玻璃罩(1)和金属管(2)，所述金属管(2)安装在真空玻璃罩(1)内，金属管(2)与真空玻璃罩(1)之间形成真空区域(4)，金属管(2)内构成传热流体通道(4)；其特征在于：所述金属管(2)下半段内壁上设置多个扰流柱组，多个扰流柱组沿金属管下半段内壁均布。
2.根据权利要求1所述的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，其特征在于：所述扰流柱组为五个，每个扰流柱组包括若干个扰流柱(5)，若干个扰流柱(5)沿金属管母线等间距排布。
3.根据权利要求1或2所述的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，其特征在于：每个扰流柱(5)的轴线均与金属管(2)的轴线垂直相交。
4.根据权利要求3所述的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，其特征在于：每个扰流柱(5)的长度均为金属管(2)内径的六分之一。
5.根据权利要求4所述的一种可以强化传热的内置扰流柱群的管式太阳能吸热器，其特征在于：所述金属管(2)与真空玻璃罩(1)同轴设置。
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