CN109780739B - 一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，包括光学窗口、石英泡沫、多孔吸热芯组和隔热层；其中，多孔吸热芯为不同参数和材质梯级组合并通过间隙式布置的泡沫材料，气流工质从工质入口流入，经过环形通道预热，再依次通过石英泡沫和多孔吸热芯组，最后由工质出口排出。解决了现有技术的吸热器容易导致热斑、流动不稳定性、热应力集中，换热不充分，整个多孔吸热芯的温度差异较大，进而影响吸热器的使用寿命和可靠性的问题，本发明提出一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，提高太阳能高温光‑热转换效率的同时，可优化吸热器内部换热环境，增加使用寿命和可靠性。

Description

一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器
技术领域
本发明涉及一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
太阳能资源丰富、绿色无污染，主要有光热转换和光电转换两种利用方式。吸热器是实现太阳能高温光-热转换的核心装置。采用多孔材料作为吸热芯的容积式吸热器，因其高转换效率而成为国内外的研究热点。高倍聚集太阳光被多孔吸热芯在整个体积内逐步吸收，多孔吸热芯迅速升温，并通过高强度的对流换热可使气流工质达到1000℃以上的高温。
目前，多孔吸热芯的设计以单层或多层紧密贴合为主。由于太阳能聚集光能流密度在空间分布上具有很强的非均匀性，多孔吸热芯在径向上形成大温度梯度，容易导致热斑、流动不稳定性、热应力集中等问题的出现；多孔吸热芯入口气流非均匀导致换热不充分；另外，多孔吸热芯厚度大，轴向导热集中在中心，导致多孔吸热芯与气流换热过于集中在中心区域，整个多孔吸热芯的温度差异较大；上述因素均影响吸热器的使用寿命和可靠性。
发明内容
本发明为解决现有技术的多孔吸热芯在径向上形成大温度梯度，容易导致热斑、流动不稳定性、热应力集中，换热不充分；且入射太阳辐射非均匀、多孔吸热芯厚度大，轴向导热集中在中心，导致多孔吸热芯与气流换热过于集中在中心区域，整个多孔吸热芯的温度差异较大，进而影响吸热器的使用寿命和可靠性的问题，提出一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器。
本发明提出一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器包括光学窗口、石英泡沫、多孔吸热芯组、工质入口、隔热层、工质出口、环形通道和腔体，所述腔体的前端面安装有光学窗口，所述腔体的后端外周设置有工质入口，所述腔体的后端设置有工质出口，所述腔体的外周包有隔热层，所述腔体内侧设置有环形通道，所述环形通道与工质入口连通，所述环形通道内垂直从前到后依次安装有石英泡沫和多孔吸热芯组，所述石英泡沫与多孔吸热芯组的前端留有间隙。
优选地，所述腔体的前端呈圆柱形，后端呈圆锥形。
优选地，所述多孔吸热芯组包括多层多孔吸热芯，其中层与层之间的间隙为2mm～5mm。
优选地，每层多孔吸热芯的厚度为5mm～20mm。
优选地，所述光学窗口采用熔融石英玻璃制成，厚度为3mm～10mm。
优选地，所述石英泡沫材质为熔融石英玻璃，孔隙率为0.8～0.95，孔隙密度为8～20PPI，厚度为3mm～8mm。
优选地，所述石英泡沫的孔隙参数在径向上梯度设计，孔隙率递增，孔隙密度递减。
优选地，所述石英泡沫与多孔吸热芯组前端的间隙为2mm～10mm。
优选地，所述多孔吸热芯组中的各层为耐高温金属或陶瓷泡沫，采用金属镍、碳化硅、氧化铝泡沫中的一种或多种，结构参数和材质按梯级组合布置。
优选地，所述多孔吸热芯组包括三层，从前到后依次为第一多孔吸热芯、第二多孔吸热芯和第三多孔吸热芯。
本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的工作原理为：
本发明综合考虑聚集太阳光的能流密度非均匀、多孔吸热芯换热集中、气流工质进入多孔吸热芯时的不均匀性、多孔吸热芯的自身热辐射波段等特征，优化设计一种增加石英泡沫、多孔吸热芯梯级间隙式布置的太阳能吸热器，气流工质从工质入口流入，经过环形通道预热，再依次通过石英泡沫和泡沫吸热芯，最后由工质出口排出，提高太阳能高温光-热转换效率的同时，优化吸热器内部换热环境，增加使用寿命和可靠性。
本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的有益效果为：
1、本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器采用石英泡沫对太阳光有高透过率，对多孔吸热芯红外热辐射有低透过率，提高转换效率；
2、本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的石英泡沫采用孔隙参数梯度设计，对气流工质有很好的混合整流作用，增强换热效果；
3、本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的多孔吸热芯间隙式布置有利于吸收的热量径向扩散；
4、本发明所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器整体上提高吸热器径向的温度均匀性，防止产生热斑和应力集中，从而实现高效低损失、高可靠性、长寿命的设计目标。
附图说明
图1是本发明所述的一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的结构示意图；
图中：1-光学窗口；2-石英泡沫；3-第一多孔吸热芯；4-第二多孔吸热芯；5-第三多孔吸热芯；6-工质入口；7-隔热层；8-工质出口；9-环形通道；10-腔体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器包括光学窗口1、石英泡沫2、多孔吸热芯组、工质入口6、隔热层7、工质出口8、环形通道9和腔体10，所述腔体10的前端面安装有光学窗口1，所述腔体10的后端外周设置有工质入口6，所述腔体10的后端设置有工质出口8，所述腔体10的外周包有隔热层7，所述腔体10内侧设置有环形通道9，所述环形通道9与工质入口6连通，所述环形通道9内垂直从前到后依次安装有石英泡沫2和多孔吸热芯组，所述石英泡沫2与多孔吸热芯组的前端留有间隙。
所述腔体10前端安装可使高倍聚集太阳光透过并进入其内部的光学窗口1，腔体10的外侧包裹隔热层7以减少热损失，内部分别设置石英泡沫2和多孔吸热芯组，气流工质由工质入口6进入，通过环形通道9预热，再进入吸热器内腔，依次通过石英泡沫2和多孔吸热芯组，最终由工质出口8排出。其中，多孔吸热芯组为不同参数和材质梯级组合并通过间隙式布置的泡沫材料。
所述腔体10的前端呈圆柱形，后端呈圆锥形，所述工质出口8设置在腔体10后端的圆锥形尖上。
所述多孔吸热芯组包括多层多孔吸热芯，间隙布置，其中层与层之间的间隙为2mm～5mm，每层多孔吸热芯的厚度为5mm～20mm，通过间隙减小轴向热量传递，促进径向传热，减小径向温度梯度，避免出现热斑和应力集中。
所述的光学窗口1采用熔融石英玻璃制成，厚度为3mm～10mm，对太阳光有高透过率，对红外热辐射透过率低，可以有效降低吸热器向环境的红外热辐射损失。
所述石英泡沫2材质为熔融石英玻璃，孔隙率为0.8～0.95，孔隙密度为8～20PPI，厚度为3mm～8mm，具有高孔隙率和低孔隙密度，有很好的气流渗透性，具有高的太阳光透过率和低的红外热辐射透过率。所述石英泡沫2的孔隙参数在径向上梯度设计，孔隙率递增，孔隙密度递减，对流速中心高边缘低的来流气流工质进行混合整流。所述石英泡沫2与多孔吸热芯组前端的间隙为2mm～10mm。
所述的石英泡沫2主体结构能够对聚集太阳光通过散射有一定的重新分配功能，同时对进入的气体工质有混合整流的作用，增加进入多孔吸热芯组前端的气流均匀性。
所述的多孔吸热芯组中的各层为耐高温金属或陶瓷泡沫，一般采用金属镍、碳化硅、氧化铝泡沫中的一种或多种，具有高孔隙率、比表面积大特征，结构参数和材质按梯级组合布置，通过高强度换热加热气流工质。
所述多孔吸热芯组包括三层，从前到后依次为第一多孔吸热芯3、第二多孔吸热芯4和第三多孔吸热芯5。
本发明所述的一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器的具体操作过程和工作原理为：
聚集太阳光的光-热转换过程为：外界入射聚集太阳光穿过光学窗口1，进入腔体10，通过石英泡沫2内的折射和部分反射重新分配空间的能流密度大小，降低非均匀性，继续向前传输到多孔吸热芯组，逐步在多孔吸热芯组内被吸收，然后多孔吸热芯组温度升高，由于每层多孔吸热芯之间存在间隙，避免了接触传热，利于通过径向传热减小径向温度梯度。气流工质由工质入口6进入，通过环形通道9预热，再进入吸热器内腔，由石英泡沫2进行混合整流，过程中对光学窗口1和石英泡沫2有一定冷却作用，经过整流的气流工质在径向流速趋于均匀，再依次与多孔吸热芯组进行强烈的对流换热，在径向上气流和多孔吸热芯组均不会产生很大的温度梯度，避免热斑和应力集中，最终高温气流工质混合后由工质出口8排出。
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，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，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 (6)

1.一种含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，包括光学窗口(1)、石英泡沫(2)、多孔吸热芯组、工质入口(6)、隔热层(7)、工质出口(8)、环形通道(9)和腔体(10)，所述腔体(10)的前端面安装有光学窗口(1)，所述腔体(10)的后端外周设置有工质入口(6)，所述腔体(10)的后端设置有工质出口(8)，所述腔体(10)的外周包有隔热层(7)，所述腔体(10)内侧设置有环形通道(9)，所述环形通道(9)与工质入口(6)连通，所述环形通道(9)内垂直从前到后依次安装有石英泡沫(2)和多孔吸热芯组，所述石英泡沫(2)与多孔吸热芯组的前端留有间隙；
所述多孔吸热芯组包括多层多孔吸热芯，其中层与层之间的间隙为2mm～5mm；
所述石英泡沫(2)材质为熔融石英玻璃，孔隙率为0.8～0.95，孔隙密度为8～20PPI，厚度为3mm～8mm；
所述石英泡沫(2)的孔隙参数在径向上梯度设计，孔隙率递增，孔隙密度递减；
所述石英泡沫(2)与多孔吸热芯组前端的间隙为2mm～10mm。
2.根据权利要求1所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，所述腔体(10)的前端呈圆柱形，后端呈圆锥形。
3.根据权利要求1所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，每层多孔吸热芯的厚度为5mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，所述光学窗口(1)采用熔融石英玻璃制成，厚度为3mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，所述多孔吸热芯组中的各层为耐高温金属或陶瓷泡沫，采用金属镍、碳化硅、氧化铝泡沫中的一种或多种，结构参数和材质按梯级组合布置。
6.根据权利要求1所述的含石英泡沫的梯级间隙式太阳能多孔吸热器，其特征在于，所述多孔吸热芯组包括三层，从前到后依次为第一多孔吸热芯(3)、第二多孔吸热芯(3)和第三多孔吸热芯(5)。
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