CN110567175A - 腔体式气液两相吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腔体式气液两相吸热器，包括壳体，所述壳体上设有光学入口、气体工质入口、液体工质入口、气体工质出口、液体工质出口；所述壳体的腔体内设有：盘管，所述盘管连接液体工质入口、液体工质的出口；吸热体；反光锥，所述反光锥相对于光学入口设置，用于将通过光学入口进入的管线进行发射至盘管和吸热体；所述气体工质入口用于供气体工质流入壳体的腔体内，气体工质通过腔体内的盘管和吸热体后经气体工质出口排出。本吸热器能够有效减少能量损失，通过液体和气体流量的调控可实现最大化利用腔内能量。

Description

腔体式气液两相吸热器

技术领域

本发明主要涉及太阳能相关技术领域，具体是腔体式气液两相吸热器。

背景技术

目前，环境污染、能源危机已经成为全人类共同关注的焦点。中国能源消耗量为世界第一，煤炭、石油依然是主导燃料，这些都是不可再生能源，总有一天会枯竭。面对这样的能源供应结构和供求矛盾，以及环境污染，寻求可再生能源以及成为中国乃至全世界面临的问题。

太阳能是可再生能源，它具有普遍性、无害性以及持久性。中国有着丰富的太阳能资源，合理开发太阳能将为解决能源危机和减少环境污染提供保障。太阳能热利用主要分为光伏发电和光热发电两种形式，相较于光伏发电，光热发电具有高精度的双轴跟踪系统，可以对全波段太阳光进行最大化的利用，而且发电效率较高，规模化后成本会更低。太阳能光热发电可以通过储热进行连续发电，对电冲击相对较小，所以太阳能光热发电是太阳能热利用中更有前途的利用方式。

太阳能光热发电技术按照采集方式不同分为槽式太阳能光热发电系统、塔式太阳能光热发电系统以及碟式太阳能光热发电系统。与槽式和塔式太阳能光热发电系统相比，碟式太阳能光热发电系统聚光比和运行温度较高，峰值效率高达29％。而且碟式太阳能光热发电系统因其单机容量较小，一般为5～25KW，使得该系统布局灵活，可模块化，适合建立分布式能源系统。

吸热器是碟式太阳能光热发电系统的关键部件，该部件吸收经过聚光镜聚焦的高能流密度的太阳能辐射，并将能量传递给吸热工质。在运行过程中，该部件存在光学损失、导热损失、对流换热损失以及辐射热损失，这些损失直接影响了吸热器的光学性能及换热性能。因此，吸热器是太阳能光热发电系统的研究重点，如何进一步提高其光学性能和换热性能是本领域技术人员需要解决的一项技术问题。

发明内容

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种腔体式气液两相吸热器，本吸热器能够有效减少能量损失，通过液体和气体流量的调控可实现最大化利用腔内能量。

本发明的技术方案如下：

腔体式气液两相吸热器，包括壳体，所述壳体上设有光学入口、气体工质入口、液体工质入口、气体工质出口、液体工质出口；所述壳体的腔体内设有：

盘管，所述盘管为双层螺旋盘管，其外圈的螺旋盘管连接液体工质入口用于实现液体工质的预热，其内圈的螺旋盘管连接液体工质的出口用于实现液体工质的加热；

吸热体，所述吸热体包括外吸热体、中吸热体、内吸热体，其中所述外吸热体包覆于盘管外部与外圈的螺旋盘管接触，所述中吸热体设置于双层螺旋盘管之间与外圈和内圈的螺旋盘管接触，所述内吸热体设置于内圈的螺旋盘管内与内圈螺旋盘管接触；

反光锥，所述反光锥相对于光学入口设置，用于将通过光学入口进入的管线进行发射至盘管和吸热体；

所述气体工质入口用于供气体工质流入壳体的腔体内，气体工质通过腔体内的盘管和吸热体后经气体工质出口排出。

进一步，所述盘管内设有螺旋铜线，所述螺旋铜线与盘管内壁接触。

进一步，所述吸热体还包括后吸热体，所述后吸热体设置于盘管后方，用于使在腔体内流通的气体工质混合后经气体工质出口排出。

进一步，所述外吸热体、中吸热体、内吸热体、后吸热体均为具有网格式孔洞的框体式结构，该网格式孔洞用于实现热量的三维导流。

进一步，所述外吸热体、中吸热体、内吸热体、后吸热体由具有良好导热性能的多孔介质或铜网或铝网加工制作而成。

进一步，所述光学入口处设有石英玻璃，所述石英玻璃通过石英玻璃压板固定在壳体的前端盖上。

进一步，所述壳体的前端盖处设有环形的进气管，所述气体工质入口设置于所述进气管上，在所述进气管周向设有若干排气孔。

进一步，所述排气孔包括有下排气孔和侧排气孔，所述下排气孔与前端盖垂直设置，其排出的气体工质直接吹向前端盖，所述侧排气孔与前端盖呈一定角度布置，其排出的气体吹向石英玻璃。

进一步，所述侧排气孔与前端盖之间的角度为45°。

进一步，所述光学入口设置于壳体前端面正对壳体的腔体设置，所述气体工质入口设置于壳体前端侧壁上，所述气体工质出口、液体工质入口、液体工质出口设置于壳体后端面，所述反光锥设置于壳体的腔体后端正对光学入口。

本发明的有益效果：

1、本吸热器使用时可为完全密封状态，只留一个加装石英玻璃的光学入口，能量损失较少，为最大化的利用腔体内能量，故设计出了气液两相吸热器；该吸热器可同时加热液体工质和气体工质，实行气液分离，液体走的为腔体内的螺旋盘管，气体走的为腔体内腔，通过液体与气体流量的调控可实现最大化利用腔内能量。

2、本发明中，螺旋盘管内设置螺旋铜线，可破坏管内流动状态，增大扰动，强化换热，也可对管内的流体起到混合的作用，使得出口温度比较均匀。

3、本发明中，利用吸热体的三维导流结构，透气性高，比表面积大，导热性能好等特点，提高了气体工质的换热效果，也可为吸热器进行短时间内的储热，在聚光现象不好的情况下液体工质和气体工质出口温度不会出现较大的波动。

4、本发明中，采用特殊结构的进气方式，能够降低前端盖和石英玻璃的温度，减小能量损失，同时也为了保护石英玻璃不因热应力过大而损坏。

5、本发明中，液体工质利用梯级换热，使腔体内的能量得到充分的利用，提高热量的利用率。

附图说明

附图1为本发明总体结构示意图一；

附图2为本发明总体结构示意图二；

附图3为本发明爆炸结构示意图；

附图4为本发明内部结构示意图；

附图5为本发明吸热体结构示意图；

附图6为本发明盘管结构示意图；

附图7为本发明进气管结构示意图。

附图中所述标号：

1、进气管；2、中吸热体；3、外吸热体；4、反光锥；5、后吸热体；6、后盖板；7、反光锥底板；8、盘管；9、内吸热体；10、连接螺栓；11、石英玻璃；12、壳体；13、石英玻璃压板；14、下排气孔；15、侧排气孔；16、光学入口；17、气体工质入口；18、液体工质入口；19、气体工质出口；20、液体工质出口。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1～7所示，为本发明提供的腔体式气液两相吸热器结构，其包括壳体12，所述壳体12上设有光学入口16、气体工质入口17、液体工质入口18、气体工质出口19、液体工质出口20；其内部的空腔设有盘管8，盘管8连接液体工质入口18和液体工质出口20，空腔内还设有吸热体，其中，吸热体包括外吸热体3、中吸热体2、内吸热体9，其中外吸热体3包覆于盘管8外部，中吸热体2设置于盘管8双层之间，内吸热体9设置于盘管8内；腔体内还设有反光锥4，其中反光锥4相对于光学入口16设置，用于将通过光学入口16进入的管线进行发射至盘管8和吸热体。

本发明的盘管8为双层螺旋盘管，液体工质由液体工质入口18进入温度较低的螺旋盘管外圈中进行预热，然后再进入温度较高的螺旋盘管内圈继续加热，最后从液体工质出口20流出。该结构的使用大大增加了换热面积，强化了换热效果，充分的利用了腔体内能量。

碟式聚光器聚集的光穿过光学入口经反光锥4将光反射到螺旋盘管8内壁从而加热螺旋盘管，反光锥4通过反光锥底板7安装在后盖板6处。由于只有单面为直接加热另一面为导热，所以螺旋盘管8的内外壁温差较高，这不利于换热。并且流体在螺旋盘管8内流动的过程中每时每刻都在改变流动方向，由于受到离心力的作用，使得螺旋盘管8内的速度为内圈速度慢，外圈速度快。

由于以上两个缺点的叠加使得盘管8内的流体内测与外测温度差较大，这种温度梯度的存在既不利于工质内部流场的稳定，也降低了吸热器的热转化效率。为解决该问题本发明在原有的铜管盘管8基础之上加以改进，在盘管8的内部设计螺旋铜线，以增强盘管内部的工质扰动，螺旋铜线采用蛇形布置方式布置在盘管8内部。该结构通过在管内增加螺旋铜线可破坏流动状态，增大扰动，强化换热效果，同时使得管内的流体进行充分融合，使得流出的工质温度均匀，减小了盘管径向温度梯度。螺旋铜线的增加也使得换热面积加大，有益于提高整体的换热效率。在盘管8中设置螺旋线，使铜线与铜管壁面充分接触，在经过盘管机盘管后铜线与铜管的壁面接触就更加充分。螺旋盘管8经过热传导方式将能量传递到螺旋铜丝上，一方面热量沿着螺旋线传递至背光面，均衡两侧温度，可减小盘管8本身的温度梯度；另一方面螺旋铜丝与液体工质对流换热，因换热面积增加也可增强换热效果。

在本发明中，吸热体又为储热体。其材料可以为多孔介质、铜网、铝网这一类导热性好的金属。吸热体结构具有良好的三维导流结构，比表面积大，导热性能好，质量轻，可以强化换热。

吸热体在腔体内的布置方式具有如下特点：经反光锥4反射的光一部分直接照射到内吸热体9上，使得内吸热体9吸收能量，由于内吸热体9与螺旋盘管8内圈相接触，所以内吸热体9的能量可通过热传导的方式直接传递到螺旋盘管8上，使得螺旋盘管8温度升高；另一部分光由于吸热体9为镂空结构则会穿过内吸热体9直接照射到螺旋盘管8的内圈壁面上，使得螺旋盘管8吸收能量，温度升高。由于腔体为完全密封状态，故能量损失较小，腔体中气体介质的能量一部分直接与螺旋盘管8壁面进行换热；另一部分能量可传递到吸热体中。其中，中吸热体2和外吸热体3的能量绝大部分来自于与气体介质进行换热。而中吸热体2和外吸热体3都与螺旋盘管8的壁面有接触，故中吸热体2和外吸热体3与气体介质换热取得的能量通过热传导的方式传递到螺旋盘管8上，使得螺旋盘管8温度升高。吸热体与螺旋盘管8这种间壁式的放置方法也可极大的解决螺旋盘管8内外圈壁面温度的不均匀性。

在腔体内大量的使用吸热体也可进行短时间的储热。碟式聚光集热器为点聚焦，对辐照度要求极高，辐照度波动较大时对腔体内的能量影响较大，使得出口的工质温度不稳定。如果遇到多云天气该情况则会更严重。通过在腔体内加入大量的吸热体后，在高辐照度下可将多余的能量储存在吸热体中，在低辐照度下吸热体可将热量放出，补充能量，使得出口工质的温度保持稳定。

由于太阳光线入射的不平行以及碟式聚光器的制造误差，使得聚集的光线并不能完全实现点聚焦，会有少部分的光线照射到腔体前端盖(前端盖指壳体上靠近光线入口的一端的盖板)外侧上，使得前端盖吸收能量，并且腔体内的气体介质也会与前端盖内侧进行换热，使得前端盖吸收能量。两项叠加，前端盖内会储存一部分能量，端盖与环境温度又有较大的温差，会进行对流换热，这一能量损失再加上石英玻璃11上的能量损失就占腔体式吸热器总能量损失的大部分。

为降低前端盖和石英玻璃11的温度，减小能量损失，同时也为了保护石英玻璃11不因热应力过大而损坏，本发明对进气口进行了改进，将传统的直管进气改为环形进气管1，环形进气管1分为下排气孔14和侧排气孔15两种孔洞。下排气孔14与前端盖相垂直，排出的气体吹向前端盖，侧排气孔15与前端盖成45°角，排出的气体吹向石英玻璃11。这样的改进结构强化了前端盖和石英玻璃11与气体介质的换热效果，降低了其能量损失。

本发明的工作原理如下：

光线流程：

吸热器安装在碟式聚光器上，光线由聚光器汇聚后从光学入口16透过石英玻璃11进入腔体内，再由反光锥4将光线反射到内吸热体9和螺旋盘管8上从而加热内吸热体9和螺旋盘管8。

液体介质流程：

液体工质由液体工质入口18进入螺旋盘管8内，先在螺旋盘管8外圈进行液体工质的预热，然后再进入内圈继续换热，最后由液体工质出口20流出，完成液体工质的换热。

气体工质流程：

气体工质由气体工质入口17进入进气管1，从其上的排气孔进入腔体内部，穿过内吸热体9、中吸热体2、外吸热体3向上运动，经后吸热体5混合后由气体工质出口19排出，完成气体工质换热。

整体吸热器的工作流程：

吸热器安装在碟式聚光器上，太阳光线由聚光器汇聚后从光学入口16透过石英玻璃11进入腔体内，进入腔体内的聚焦光斑的能量分布为同心圆，圆中心的能量最高，距离中心越远能量越低。低能量部分的光线直接照射到螺旋盘管8和内吸热体9的下端面上，高能量部分的光线经过反光锥4的反射将光线照射到内吸热体9上，由于内吸热体9为镂空结构，故照射到内吸热体上的光线一部分可经过肋的折射或直接穿过孔洞照射到螺旋盘管8上，螺旋盘管8和内吸热体9可将照射到其上光线的能量吸收。这样的结构布置大大增加了吸热面积，强化了吸热性能。经过这一过程螺旋盘管8和内吸热体9都具有了热能，螺旋盘管8与内吸热体9互相接触，内吸热体9吸收的能量也可经过热传导的方式传递到螺旋盘管8上。同时气体工质由气体工质入口17进入进气管1中，从其上的排气孔进入腔体内部，下排气孔14的气体吹向前端盖，侧排气孔15的气体吹向石英玻璃11，气体流过前端盖和石英玻璃11时形成了强制对流，带走了前端盖和石英玻璃11的能量。气体向上流动时穿过了中吸热体2、外吸热体3和后吸热体5，此时气体工质与中吸热体2和外吸热体3进行换热，这一过程也可以称为储热过程。中吸热体2、外吸热体3和后吸热体5与螺旋盘管8也有接触，其储存的热量也可通过热传导的方式传递给螺旋盘管8。最后经加热的气体工质排出腔外。气体工质在腔体内流动也可以缓解腔内能量分布不均匀问题，从而提高换热效率。液体工质由液体工质入口18进入螺旋盘管8内，先在外吸热体3和中吸热体2之间的外圈螺旋盘管8内进行预热，这一过程的增加增大了换热面积，可以对腔体内的能量进行充分利用。经过预热的液体工质再进入温度较高的螺旋盘管8内圈继续换热，最后由液体工质出口20流出，完成液体工质的换热。

Claims (10)

1.腔体式气液两相吸热器，包括壳体，其特征在于：所述壳体上设有光学入口、气体工质入口、液体工质入口、气体工质出口、液体工质出口；所述壳体的腔体内设有：

盘管，所述盘管为双层螺旋盘管，其外圈的螺旋盘管连接液体工质入口用于实现液体工质的预热，其内圈的螺旋盘管连接液体工质的出口用于实现液体工质的加热；

吸热体，所述吸热体包括外吸热体、中吸热体、内吸热体，其中所述外吸热体包覆于盘管外部与外圈的螺旋盘管接触，所述中吸热体设置于双层螺旋盘管之间与外圈和内圈的螺旋盘管接触，所述内吸热体设置于内圈的螺旋盘管内与内圈螺旋盘管接触；

反光锥，所述反光锥相对于光学入口设置，用于将通过光学入口进入的管线进行发射至盘管和吸热体；

所述气体工质入口用于供气体工质流入壳体的腔体内，气体工质通过腔体内的盘管和吸热体后经气体工质出口排出。

2.如权利要求1所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述盘管内设有螺旋铜线，所述螺旋铜线与盘管内壁接触。

3.如权利要求1所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述吸热体还包括后吸热体，所述后吸热体设置于盘管后方，用于使在腔体内流通的气体工质混合后经气体工质出口排出。

4.如权利要求3所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述外吸热体、中吸热体、内吸热体、后吸热体均为具有网格式孔洞的框体式结构，该网格式孔洞用于实现热量的三维导流。

5.如权利要求4所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述外吸热体、中吸热体、内吸热体、后吸热体由具有良好导热性能的多孔介质或铜网或铝网加工制作而成。

6.如权利要求1所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述光学入口处设有石英玻璃，所述石英玻璃通过石英玻璃压板固定在壳体的前端盖上。

7.如权利要求6所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述壳体的前端盖处设有环形的进气管，所述气体工质入口设置于所述进气管上，在所述进气管周向设有若干排气孔。

8.如权利要求7所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述排气孔包括有下排气孔和侧排气孔，所述下排气孔与前端盖垂直设置，其排出的气体工质直接吹向前端盖，所述侧排气孔与前端盖呈一定角度布置，其排出的气体吹向石英玻璃。

9.如权利要求8所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述侧排气孔与前端盖之间的角度为45°。

10.如权利要求1～9任一项所述的腔体式气液两相吸热器，其特征在于：所述光学入口设置于壳体前端面正对壳体的腔体设置，所述气体工质入口设置于壳体前端侧壁上，所述气体工质出口、液体工质入口、液体工质出口设置于壳体后端面，所述反光锥设置于壳体的腔体后端正对光学入口。