CN109813169B - 一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，包括二次聚光器、脉动流发生器、金属腔体、弹性管束、玻璃板和导流器；金属腔体为筒状结构，二次聚光器和玻璃板安装在金属腔体的前端开口处，玻璃板位于金属腔体和二次聚光器之间；金属腔体底部设置有一个通孔；所述的导流器为中空结构，侧壁上设有通孔，导流器固定在金属腔体的底部，且导流器内腔与金属腔体的底部的通孔连通；金属腔体的底部焊接有多个弹性管束，所述的脉动流发生器安装在金属腔体前端侧壁上。本发明通过脉动流发生器使多个的弹性管束振动，能够提高换热性能；而且能解决现有的吸热器在高温热斑烧蚀而产生工质泄露的问题，大大提高了工作寿命和可靠性。

Description

一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器

技术领域

本发明属于太阳能聚光集热设备技术领域，特别是涉及一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器。

背景技术

太阳能是清洁环保、供应充足和分布广泛的可再生能源，聚光太阳能热发电系统能与储热系统或常规火力发电站进行有机结合，从而实现连续、稳定的发电，被认为是开发和利用太阳能资源来解决能源短缺和环境污染问题的重要途径。聚光太阳能热发电技术通过大面积聚光器将太阳光能聚集到吸热器表面并加热内部流体工质，然后通过热力循环过程驱动发电机组进行发电，它是太阳能热利用的重要形式之一。

吸热器是太阳能热发电系统中光-热能量转换的核心装置，它将接收的高密度太阳光能加热工质，并用于驱动热机运转产生机械能，直至带动后续发电机输出电能。吸热器通常采用腔体几何结构，用于减小光学损失和热损失。传统吸热器通常是将金属盘管(管内工质换热)安装在腔体结构中，由于金属管表面聚焦能量密度高且分布不均匀，以及管内流动换热能力有限，通常会导致吸热器形成高温热斑或较大温度梯度，从而产生显著的热应力、热变形和烧损破坏等问题，尤其是金属管壁穿孔后工质泄露而被迫停机问题，这些均直接影响着吸热器的光热转换效率、运行安全性和工作寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，它通过脉动流发生器使得多个弹性管束振动并接收聚焦太阳光能，能够有效提升换热性能，即具有高光-热转换效率；而且能解决现有的吸热器在高温热斑烧蚀而产生工质泄露的问题，大大提高了工作寿命和可靠性。

本发明采用的技术方案是：一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，包括二次聚光器、脉动流发生器、金属腔体、弹性管束、玻璃板和导流器；金属腔体为筒状结构，二次聚光器和玻璃板安装在金属腔体的前端开口处，玻璃板位于金属腔体和二次聚光器之间，二次聚光器用于将接收的太阳光能继续聚集到吸热器内部；金属腔体底部设置有一个通孔；所述的导流器为中空结构，侧壁上设有通孔，导流器固定在金属腔体的底部，且导流器内腔与金属腔体的底部的通孔连通；所述的金属腔体的底部焊接有多个弹性管束，所述的脉动流发生器安装在金属腔体前端侧壁上，脉动流发生器与金属腔体的内腔连通。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的脉动流发生器连接的输气管上设有开关阀。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的脉动流发生器包括圆管和扰流体，扰流体安装在圆管内；所述的扰流体为圆锥形实体结构、长方体结构或球形实体结构。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的弹性管束包括管接收器和弹簧，所述的弹簧一端固定在金属腔体的底部，另一端与管接收器连接，管接收器为中空管状结构且侧壁上设有多个圆形通孔;所述的管接收器的内外表面涂覆有对太阳光能有高吸收效果的耐高温涂层。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，二次聚光器的内表面的截面呈复合抛物曲线，内表面为镜面反射壁面。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的导流器为锥形结构，或者导流器为一端为内凹锥形的圆柱形结构，导流器为中空结构，导流器的侧壁上设有圆形通孔。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的金属腔体内设置有多个分隔板；多个分隔板将金属腔体分割成多个腔隙，每个腔隙分别与至少一个脉动流发生器连通。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的管吸收器的截面为圆形、椭圆形或多边形；所述的金属腔体的的截面为圆形、椭圆形或多边形。

上述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器中，所述的金属腔体的内表面涂覆有对太阳光能低吸收效果的耐高温涂层；所述的金属腔体的外表面还包覆有导热率低的保温材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过在吸热器内阵列布置大量的弹性管束，通过弹性管束来接收聚集的高密度的太阳能辐射能量，然后由工质与弹性管束产生热交换带走热能；由于阵列布置多个的弹性管束可以提升换热面积，以及气体工质流动过程中导致了弹性管束的振动，从而提升了流动换热性能。

2、本发明由于没有采用金属管流道，解决了现有吸热器由于高温热斑烧蚀而产生工质泄露的问题，大大提高了工作寿命和可靠性。

3、本发明通过气体工质通过脉动流发生器后再进入到腔体吸热器内部，从而可以增加进入工质的脉动性，可以提升弹性管束的振动幅度，从而进一步提升流动换热性能。

4、本发明的每一个脉动流发生器进行输气管上设有开关阀，用于控制气体工质流动的开与关，通过动态的控制各支路的开关阀的开与关，可以实现脉动流动的效果，从而增强金属腔体内部的弹性管束的弹性振动，达到强化换热的效果。

5、本发明的弹性管束受到脉动气体工质的激励，能一直工作于振动状态，可以实现太阳光能吸收和流动换热过程动态化，有利于本发明内的元件实现动态能流均匀化与温度均化，大大提高了本发明的安全性和换热性能。

6、本发明还具有结构简单，操作方便的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的剖视图。

图2本发明实施例1轴测图。

图3是图1中腔体吸热器中腔体结构剖视图。

图4为本发明的脉动流发生器的轴测图。

图5为本发明的弹性管束的轴测图。

图6本发明实施例2的剖视图。

图7是图6中腔体结构的轴测图。

图8是图7的剖视图。

图中：1—二次聚光器；2—玻璃板；3—脉动流发生器；4—开关阀；5—金属腔体；6—弹性管束；7—导流器；8—圆管；9—扰流体；10—管接收器；11—弹簧；12—分隔板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1包括二次聚光器1、玻璃板2、脉动流发生器3、金属腔体5、弹性管束6、导流器7和开关阀4。所述的金属腔体5为圆柱形筒状结构，也可以是截面为四边形、三角形、椭圆形的筒状结构，在前端设有一个法兰盘。二次聚光器1和玻璃板2通过法兰盘安装在金属腔体5的前端开口处，玻璃板2位于二次聚光器1和金属腔体5之间，二次聚光器1用于将接收的太阳光能继续聚集到吸热器内部，二次聚光器1的内表面的截面呈抛物状，内表面为镜面反射壁面。

所述的金属腔体5底部设有一个通孔。如图2所示，所述的导流器7为中空的锥形结构，侧壁上设有若干通孔。导流器7通过焊接方式固定在金属腔体5的底部，且导流器7内腔与金属腔体5的底部的通孔连通。这样可以有效避免金属腔体5内的气体工质形成流动死区，提升流动换热效果。

所述的金属腔体5的底部壁焊接有多个弹性管束6，如图4所示，所述的弹性管束6包括管接收器10和弹簧11，所述的弹簧11一端固定在金属腔体5的底部，另一端与管接收器10连接，管接收器10的侧壁上设有多个气孔，可以提升流动的湍流强度，从而提升换热效果。所述的管接收器10的内外表面涂覆有对太阳光能有高吸收效果的耐高温涂层，可以提升对太阳光能的吸收效果。所述的管接收器10为圆形管状结构，其截面也可以是椭圆形或多边形（三角形、四边形等）。相邻的弹性管束6之间留有一定的间隙，使得弹性管束6产生振动时，不会相互干扰。由于阵列布置多个的弹性管束可以提升换热面积，以及弹性管束受到脉动气体工质的激励，能一直工作于振动状态，可以实现太阳光能吸收和流动换热过程动态化，有利于本发明内的元件实现动态能流均匀化与温度均化，大大提高了本发明的安全性和流动换热性能。

所述的脉动流发生器3安装在金属腔体5前端侧壁上，脉动流发生器3与金属腔体5的内腔连通。如图3所示，脉动流发生器3包括圆管8和扰流体9，圆管8内焊接有三个支撑杆，三个支撑杆位于圆管8的同一界面内。扰流体9焊接在三个支撑杆上，位于圆管8内。所述的扰流体9是圆锥形实体结构，扰流体9还可以采用长方体结构或球形实体结构。脉动流发生器3用于进气，并使得弹性管束6产生振动。由于本发明通过气体工质通过脉动流发生器后再进入到腔体吸热器内部，从而可以增加进入工质的脉动性，可以提升弹性管束的振动幅度，从而进一步提升流动换热性能。

所述的脉动流发生器3连接的输气管上设有开关阀4，用于控制气体工质流动的开与关，通过动态的控制各支路的开关阀的开与关，可以实现脉动流动的效果，从而增强金属腔体5内部的弹性管束6的弹性振动幅度，从而达到强化换热的效果。所述的金属腔体5的内表面涂覆有对太阳光能低吸收效果的耐高温涂层；所述的金属腔体5的外表面还包覆有导热率低的保温材料，用于减少热损失。

实施例2

如图6所示，本发明的实施例2与实施例1结构相似，主要是导流器7和金属腔体5内部结构与实施例1中的不同。具体如下：

如图6所示，所述的导流器7为中空的圆柱形结构，导流器7的端部为凹锥形，导流器7的侧壁上设有若干通孔。导流器7通过焊接方式固定在金属腔体5的底部，且导流器7内腔与金属腔体5的底部的通孔连通。

如图7、8所示，所述的金属腔体5内设有多个分隔板12；所述的分隔板12依次连接金属腔体5的底部、内壁面和导流器7的外壁面，所述的导流器7和分隔板12的高度恰好与金属腔体5的顶部法兰平齐。多个分隔板12将金属腔体5分割成多个腔隙，每个腔隙分别与至少一个脉动流发生器3连通。当安装透明玻璃2后，分隔板12分割成的多个腔隙互不不干扰。工质从脉动流发生器3进入金属腔体5，然后通过与弹性管束6进行换热后，从导流器7的圆柱壁面的通孔流入其内部，然后由金属腔体5底部的通孔流出，其工质流动轨迹示意如图1、6所示。由于本发明没有采用金属管流道，解决了现有金属盘管吸热器由于高温热斑烧蚀而产生工质泄露的问题，大大提高了工作寿命和可靠性。

Claims (5)

1.一种弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，其特征在于：包括二次聚光器、脉动流发生器、金属腔体、弹性管束、玻璃板和导流器；金属腔体为筒状结构，二次聚光器和玻璃板安装在金属腔体的前端开口处，玻璃板位于金属腔体和二次聚光器之间，二次聚光器用于将接收的太阳光能继续聚集到吸热器内部；金属腔体底部设置有一个通孔；所述的导流器为中空结构，侧壁上设有通孔，导流器固定在金属腔体的底部，且导流器内腔与金属腔体的底部的通孔连通；所述的金属腔体的底部焊接有多个弹性管束，所述的脉动流发生器安装在金属腔体前端侧壁上，脉动流发生器与金属腔体的内腔连通；

所述的脉动流发生器连接的输气管上设有开关阀；

所述的脉动流发生器包括圆管和扰流体，扰流体安装在圆管内；所述的扰流体为圆锥形实体结构、长方体结构或球形实体结构；

所述的弹性管束包括管接收器和弹簧，所述的弹簧一端固定在金属腔体的底部，另一端与管接收器连接，管接收器为中空管状结构且侧壁上设有多个圆形通孔;所述的管接收器的内外表面涂覆有对太阳光能有高吸收效果的耐高温涂层；

所述的导流器为锥形结构，或者导流器为一端为内凹锥形的圆柱形结构，导流器为中空结构，导流器的侧壁上设有圆形通孔。

2.根据权利要求1所述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，其特征在于：二次聚光器的内表面的截面呈复合抛物曲线，内表面为镜面反射壁面。

3.根据权利要求1所述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，其特征在于：所述的金属腔体内设置有多个分隔板；多个分隔板将金属腔体分割成多个腔隙，每个腔隙分别与至少一个脉动流发生器连通。

4.根据权利要求1所述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，其特征在于：所述的管收器的截面为圆形、椭圆形或多边形；所述的金属腔体的截面为圆形、椭圆形或多边形。

5.根据权利要求1所述的弹性管束振动增强换热型太阳能腔体吸热器，其特征在于：所述的金属腔体的内表面涂覆有对太阳光能低吸收效果的耐高温涂层；所述的金属腔体的外表面还包覆有导热率低的保温材料。