CN107166753B - 一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管，所述真空集热管包括：金属吸热管，两端通过波纹管与玻璃罩管封接，金属吸热管与玻璃罩管之间呈真空状态；排气口，设于玻璃罩管的一端，用于抽取金属吸热管与玻璃罩管之间的空气；吸气剂，置于金属吸热管与玻璃罩管之间；选择性吸收涂层，覆于金属吸热管的外表面；内插棒，置于金属吸热管的内部；锁定装置，设于内插棒的两端，用于固定内插棒与金属吸热管之间的相对位置。本发明内插棒可以将传热流体从温度较低、流速较大的金属吸热管中心挤向温度较高的金属吸热管内壁，增加近壁面区域流速和扰动，达到强化换热的效果。此外内插棒还可减小金属吸热管受热弯曲，提高集热管的可靠性。

Description

一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管

技术领域

本发明属于集热器件领域，尤其涉及一种槽式太阳能真空集热管。

背景技术

在太阳能热发电及太阳能高温热利用系统中，塔式、抛物面槽式、菲涅尔式等各种点聚焦或线聚焦聚光系统都能产生几十千瓦每平米到上千千瓦每平米的极高热流，而上述聚光方式投射在吸热器集热管吸热表面上的瞬态能流分布往往是单侧分布，因此超高热流在时空上的分布极不均匀。目前的槽式太阳能热利用系统中，所使用的真空集热管均是光滑无缝钢管，管内没有强化换热措施。相比常规换热器中吸热管均匀受热的特点而言，目前使用的真空集热管内的流动换热很不充分，换热性能极差，同时极易在真空集热管中形成极大的温度梯度，容易造成如下几类故障：一，真空集热管的金属吸热管材料超温引发机械强度、抗腐蚀性能下降，进而发生金属吸热管破损渗漏；二，真空集热管内的传热流体超温引发导热油结焦或熔融盐分解劣化；三，真空集热管内温度梯度过大，引发金属吸热管过度弯曲变形，进而触碰玻璃罩管，玻璃罩管在极高热应力或在有风吹过震颤过程中敲击金属吸热管发生破碎，进而导致真空集热管中的真空失效，热损失激增。

对真空集热管的改进需要考虑如下因素：第一，真空集热管的加工工艺中，需要涉及耐高温选择性吸收涂层的镀膜、金属与玻璃封接、抽真空及真空维护等环节。第二，真空集热管内还涉及到传热流体排空的需求，如果传热流体是熔融盐，还涉及到熔融盐在排空失败，在真空集热管内发生熔融盐冻堵时，管内固态熔融盐需要再度熔化成液态的问题。所以比较可行的改进方式，是在不改变目前真空集热管外形特征的前提下，在管内进行适度改进。中国发明专利CN102425867A提出一种带有单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管，在金属吸热管吸收聚焦太阳能一侧的内表面设置内翅片，内翅片与金属管集成为一体，通过内翅片的肋片效应，借此实现增大换热面积，实现强化换热的效果。同时内翅片还可以提高集热管的抗弯强度。但是制造具有一体化内翅片的无缝钢管需要特殊的金属管加工工艺。中国发明专利CN101363664公布了一种单侧多纵向涡强化换热的聚焦槽式太阳能吸热器，在接收聚光热流一侧的金属吸热管的内管壁设置向管内凸起或凹进的不连续多纵窝发生器，强化管内换热。但是该措施对于提高真空集热管的整体抗弯强度没有作用，特别是凹进去的多纵窝结构，甚至会降低真空集热管的抗弯性能。

中国发明专利CN105115175A公布了一种内插管对流型高效低热损太阳能热水器。内插管在全玻璃真空管内形成内进外出的流动通道，换热流体从内插管流入全玻璃真空集热管，参与换热。其结构、功能及应用场合与本发明不同。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术换热性能和机械强度低下，以及改进结构后引发制造工艺复杂、可靠性低和成本高的缺点，提出一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管。本发明结构简单，能够合理的强化换热、有效避免金属吸热管和传热流体运行中出现的超温现象、增加真空集热管的机械性能特别是抗弯强度、提高真空集热管的整体可靠性，有效提高槽式真空集热管在槽式太阳能热发电系统或太阳能高温热利用系统中的传热性能和机械性能。

本发明的技术方案如下：

一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管，包括：波纹管1、吸气剂2、排气口3、玻璃罩管4、金属吸热管5、内插棒6、选择性吸收涂层8、金属与玻璃封接9和锁定装置10，其中：

所述金属吸热管5两端通过波纹管1与玻璃罩管4封接，其中，金属吸热管5与玻璃罩管4之间呈真空状态；

所述吸气剂2置于金属吸热管5与玻璃罩管4之间，用于维持金属吸热管5与玻璃罩管4之间的真空状态；

所述排气口3设于所述玻璃罩管4的一端，用于抽取金属吸热管5与玻璃罩管4之间的空气，形成真空状态；

所述金属吸热管5的外表面覆有选择性吸收涂层8；

所述内插棒6置于所述金属吸热管5的内部；

所述锁定装置10设于内插棒6的两端，与内插棒6固定连接，用于固定内插棒6与金属吸热管5之间的相对位置。

可选地，所述内插棒6是实心棒或空心管。

可选地，所述内插棒6的横截面为圆形、椭圆形或多边形，所述内插棒6的横截面沿内插棒6轴向一致或大小缩放。

可选地，所述内插棒6的外表面光滑或设有扰流结构。

可选地，所述锁定装置10包括多个第一支柱11和环箍12，其中：

所述环箍12与内插棒6的外表面固定连接；

所述多个第一支柱11呈辐射状装设于环箍12的外表面，其一端与环箍12固定连接，另一端与金属吸热管5的内表面连接。

可选地，每个第一支柱11的长度固定，不同第一支柱11的长度相等或不相等，或者每个第一支柱11的长度可调。

可选地，还包括支撑装置7，所述支撑装置7设置在内插棒6的外侧，处于内插棒6与金属吸热管5之间，用于控制调节内插棒6与金属吸热管5之间的间隙，以确定内插棒6在金属吸热管5内的装配状态。

可选地，所述内插棒6在金属吸热管5内的装配状态包括但不限于：内插棒6在金属吸热管5内向下偏心装配、内插棒6与金属吸热管5同轴装配以及内插棒6在金属吸热管5内向上偏心装配。

可选地，所述支撑装置7包括多个第二支柱15、环箍12和多个耐高温球14，其中：

所述环箍12与内插棒6的外表面固定连接；

所述多个第二支柱15呈辐射状装设于环箍12的外表面，其一端与环箍12固定连接，另一端与金属吸热管5的内表面连接，以确定内插棒6与金属吸热管5之间的位置关系；

所述耐高温球14分别安装在所述第二支柱15的另一端。

可选地，每个第二支柱15的长度固定，不同第二支柱15的长度相等或不相等，或者每个第二支柱15的长度可调。

本发明真空集热管的金属吸热管在受到非均匀高密度热流时，产生高温，且温度场非均匀分布，周向直接受热一侧温度高，另一侧温度低，形成较大温度梯度，产生热应力和热变形。传热流体流经金属吸热管内部，与金属吸热管换热。受流动边界层影响，无内插棒的金属吸热管内壁面附近传热流体的流速低，靠近金属吸热管中心位置传热流体的流速高。在相同加热热流和相同质量流量情况下，金属吸热管中有插入内插棒时，由于流入金属吸热管的传热流体受内插棒挤压，离开金属吸热管的轴线中心区域，被推向靠近金属吸热管的内壁面，低温流体在靠近受热的金属吸热管内壁面区域快速流动，从而实现了强化换热的效果；内插棒表面刻有螺纹，或设置不连续螺旋肋，或内插棒的横截面沿内插棒的轴向缩放变化，均可以增加传热流体流动过程中的扰动，进一步提高强化换热效果。此外，由于内插棒仅仅受到传热流体的换热，温度相对较低且温度梯度较小，因此刚性较好，通过支撑装置作用于金属吸热管，可以有效减小金属吸热管的热变形弯曲。

综上，本发明带内插棒的槽式太阳能真空集热管，无需改变现有槽式真空集热管的外形结构和加工工艺，加工简单，制造成本低廉。本发明可以通过支撑装置调节内插棒在金属吸热管内的向下偏心、同轴或向上偏心，有效降低金属吸热管和传热流体温度梯度，提高传热流体出口温度，实现高效传热，稳定工作，使用方便的技术效果。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的带内插棒的槽式太阳能真空集热管的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的锁定装置的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的支撑装置的结构示意图；

图4是根据本发明一实施例的内插棒在金属吸热管内向下偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；

图5是根据本发明一实施例的内插棒与金属吸热管同轴装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；

图6是根据本发明一实施例的内插棒在金属吸热管内向上偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；

图7是现有技术槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图；

图8是根据本发明一实施例的带内插棒(向下偏心)的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图；

图9是根据本发明一实施例的带内插棒(同轴)的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图；

图10是根据本发明一实施例的带内插棒(向上偏心)的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图。

图中：1波纹管，2吸气剂，3排气口，4玻璃罩管，5金属吸热管，6内插棒，7支撑装置，8选择性吸收涂层，9金属与玻璃封接，10锁定装置，11第一支柱，12环箍，13第一长度调节器，14耐高温球，15第二支柱，16第二长度调节器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特点为集热管的金属吸热管内部装有内插棒，所述内插棒与金属吸热管之间的装配关系由支撑装置约束调节，并有锁定装置固定。

图1是根据本发明一实施例的带内插棒的槽式太阳能真空集热管的结构示意图；图2是根据本发明一实施例的锁定装置的结构示意图；图3是根据本发明一实施例的支撑装置的结构示意图。如图1、图2、图3所示，在本发明一实施例中，所述带内插棒的槽式太阳能真空集热管包括波纹管1、吸气剂2、排气口3、玻璃罩管4、金属吸热管5、内插棒6、选择性吸收涂层8、金属与玻璃封接9和锁定装置10，其中：

所述金属吸热管5两端通过波纹管1与玻璃罩管4封接，其中，金属吸热管5与玻璃罩管4之间呈真空状态；

所述排气口3设于所述玻璃罩管4的一端，用于抽取金属吸热管5与玻璃罩管4之间的空气，形成真空状态；

所述吸气剂2置于所述金属吸热管5与玻璃罩管4之间，用于维持金属吸热管5与玻璃罩管4之间的真空状态。

所述金属吸热管5的外表面覆有选择性吸收涂层8；

所述内插棒6置于所述金属吸热管5的内部；

所述金属与玻璃封接9设于玻璃罩管4的两端，用于连接波纹管1与玻璃罩管4，形成封闭空腔。

所述锁定装置10设于内插棒6的两端，与内插棒6固定连接，用于固定内插棒6与金属吸热管5之间的相对位置。

在本发明一实施例中，所述内插棒6可以是实心棒，也可以是空心管，若为实心棒，其横截面可以为圆形、椭圆形、多边形等多种形状，若为空心管，其可以为两端封闭的空心管，其横截面也可以为圆形、椭圆形、多边形等多种形状。

在本发明一实施例中，所述内插棒6的外表面可以为光滑，或设有螺纹、连续螺旋肋、间断螺旋肋等扰流结构，所述内插棒6的横截面沿内插棒的轴向设置为一致或呈缩放变化。

图2所示为根据本发明一实施例的集热管中，用于固定内插棒6和金属吸热管5之间相对位置的锁定装置10的结构示意图。如图2所示，所述锁定装置包括多个第一支柱11和环箍12，其中：

所述环箍12与内插棒6的外表面固定连接；

所述多个第一支柱11呈辐射状装设于环箍12的外表面，其一端与环箍12固定连接，另一端与金属吸热管5的内表面连接，以实现内插棒6与金属吸热管5之间相对位置的锁定。

其中，所述第一支柱11的另一端可顶在金属吸热管5的内表面上，也可以与金属吸热管5的内表面固定连接，比如焊接。

在本发明一实施例中，每个第一支柱11的长度固定，但不同第一支柱11的长度可以相等，也可以不相等。

在本发明一实施例中，所述第一支柱11的长度可调，在该实施例中，所述锁定装置10还包括多个第一长度调节器13，所述第一长度调节器13套装在所述第一支柱11的外侧，用于改变第一支柱11的长度，并且将第一支柱11紧紧顶在内插棒6的外表面与金属吸热管5的内表面之间，实现内插棒6与金属吸热管5之间相对位置的锁定。

在本发明一实施例中，所述带内插棒的槽式太阳能真空集热管还包括支撑装置7，所述支撑装置7设置在内插棒6的外侧，处于内插棒6与金属吸热管5之间，用于控制调节内插棒6与金属吸热管5之间的间隙，以确定内插棒6在金属吸热管5内的装配状态，其中，内插棒6在金属吸热管5内的装配状态包括但不限于：内插棒6在金属吸热管5内向下偏心装配、内插棒6与金属吸热管5同轴装配以及内插棒6在金属吸热管5内向上偏心装配。图3所示为根据本发明一实施例的集热管中，用于支撑和调节内插棒6和金属吸热管5之间相对位置的支撑装置7的结构示意图。如图3所示，所述支撑装置7包括多个第二支柱15、环箍12和多个耐高温球14，其中：

所述环箍12与内插棒6的外表面固定连接；

所述多个第二支柱15呈辐射状装设于环箍12的外表面，其一端与环箍12固定连接，另一端与金属吸热管5的内表面连接，以确定内插棒6与金属吸热管5之间的位置关系；

所述耐高温球14分别安装在所述第二支柱15的另一端。所述耐高温球14可以减小摩擦阻力，保证内插棒6在金属吸热管5中的安装过程顺滑。

其中，所述第二支柱15的另一端可抵在金属吸热管5的内表面上，也可以与金属吸热管5的内表面固定连接，比如焊接。

在本发明一实施例中，每个第二支柱15的长度固定，但不同第二支柱15的长度可以相等，也可以不相等。

在本发明一实施例中，所述第二支柱15的长度可调，在该实施例中，所述锁定装置10还包括多个第二长度调节器16，所述第二长度调节器16套装在所述第二支柱15的外侧，用于改变第一支柱15的长度，并且将第二支柱15装有耐高温球14的一端抵在金属吸热管5的内表面，实现内插棒6与金属吸热管5之间向下偏心、同轴和向上偏心三种位置关系的确定。图4是根据本发明一实施例的内插棒在金属吸热管内向下偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；图5是根据本发明一实施例的内插棒与金属吸热管同轴装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图；图6是根据本发明一实施例的内插棒在金属吸热管内向上偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面示意图。

本发明带内插棒的槽式太阳能真空集热管工作时，经过抛物面槽式聚光器反射聚焦的极强能流首先投射到集热管的玻璃罩管4上，很小部分的能流被玻璃罩管4吸收，绝大部分的能流以光的形式继续透过玻璃罩管4，进一步投射到金属吸热管5外表面的选择性吸收涂层8上，通过选择性吸收涂层8的充分吸收，产生高温的热能，热能以传导的方式到达金属吸热管5内部。传热流体流经金属吸热管5，并与金属吸热管5发生对流换热，传热流体被加热，实现将热能带走的目的。

图7所示为在太阳直射辐射1000W/㎡，传热流体熔融盐以相同质量流量1.176kg/s流过现有技术中6.77米开口的抛物面槽式真空集热管时，距离入口2米处横截面上的温度分布示意图。图8为相同热流和相同质量流量前提下，采用本发明内插棒在金属吸热管内向下偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图；图9为相同热流和相同质量流量前提下，采用本发明内插棒在金属吸热管内同轴装配的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图；图10为相同热流和相同质量流量前提下，采用本发明内插棒在金属吸热管内向上偏心装配的槽式太阳能真空集热管横截面温度分布示意图。从图7，图8，图9和图10的对比可以看出，本发明带内插棒的槽式太阳能真空集热管金属吸热管表面的温度最大值比普通槽式太阳能真空集热管降低可达30摄氏度。同时，在三种位置装配关系中，内插棒6表面的温度梯度极小，表明内插棒6受热变形弯曲很小，刚度可以有效保证，可以有效支撑金属吸热管5，减小金属吸热管5受热变形弯曲的程度，提高了集热管的整体性能。内插棒6的直径增加，会带来压降增加的不利因素，经过优化计算，内插棒6的直径与金属吸热管5的内直径比值在0.1至0.9之间，都能具备较好的综合换热性能。另外，内插棒6表面增加螺纹，连续或不连续螺旋纽带、将内插棒的横截面设置为沿内插棒轴向缩放变化等扰流措施，可以进一步强化集热管内的换热性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述槽式太阳能真空集热管包括：波纹管(1)、吸气剂(2)、排气口(3)、玻璃罩管(4)、金属吸热管(5)、内插棒(6)、选择性吸收涂层(8)、金属与玻璃封接(9)和锁定装置(10)，其中：

所述金属吸热管(5)两端通过波纹管(1)与玻璃罩管(4)封接，其中，金属吸热管(5)与玻璃罩管(4)之间呈真空状态；

所述排气口(3)设于所述玻璃罩管(4)的一端，用于抽取金属吸热管(5)与玻璃罩管(4)之间的空气，形成真空状态；

所述吸气剂(2)置于所述金属吸热管(5)与玻璃罩管(4)之间，用于维持金属吸热管(5)与玻璃罩管(4)之间的真空状态；

所述金属吸热管(5)的外表面覆有选择性吸收涂层(8)；

所述内插棒(6)置于所述金属吸热管(5)的内部；

所述锁定装置(10)设于内插棒(6)的两端，与内插棒(6)固定连接，用于固定内插棒(6)与金属吸热管(5)之间的相对位置。

2.根据权利要求1所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述内插棒(6)是实心棒或空心管。

3.根据权利要求2所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述内插棒(6)的横截面为圆形、椭圆形或多边形，所述内插棒(6)的横截面沿内插棒(6)的轴向一致或大小缩放。

4.根据权利要求1所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述内插棒(6)的外表面光滑或设有扰流结构。

5.根据权利要求1所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述锁定装置(10)包括多个第一支柱(11)和环箍(12)，其中：

所述环箍(12)与内插棒(6)的外表面固定连接；

所述多个第一支柱(11)呈辐射状装设于环箍(12)的外表面，其一端与环箍(12)固定连接，另一端与金属吸热管(5)的内表面连接。

6.根据权利要求5所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，每个第一支柱(11)的长度固定，不同第一支柱(11)的长度相等或不相等，或者每个第一支柱(11)的长度可调。

7.根据权利要求1所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，还包括支撑装置(7)，所述支撑装置(7)设置在内插棒(6)的外侧，处于内插棒(6)与金属吸热管(5)之间，用于控制调节内插棒(6)与金属吸热管(5)之间的间隙，以确定内插棒(6)在金属吸热管(5)内的装配状态。

8.根据权利要求7所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述内插棒(6)在金属吸热管(5)内的装配状态包括但不限于：内插棒(6)在金属吸热管(5)内向下偏心装配、内插棒(6)与金属吸热管(5)同轴装配以及内插棒(6)在金属吸热管(5)内向上偏心装配。

9.根据权利要求7所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，所述支撑装置(7)包括多个第二支柱(15)、环箍(12)和多个耐高温球(14)，其中：

所述环箍(12)与内插棒(6)的外表面固定连接；

所述多个第二支柱(15)呈辐射状装设于环箍(12)的外表面，其一端与环箍(12)固定连接，另一端与金属吸热管(5)的内表面连接，以确定内插棒(6)与金属吸热管(5)之间的位置关系；

所述耐高温球(14)分别安装在所述第二支柱(15)的另一端。

10.根据权利要求9所述的带内插棒的槽式太阳能真空集热管，其特征在于，每个第二支柱(15)的长度固定，不同第二支柱(15)的长度相等或不相等，或者每个第二支柱(15)的长度可调。