CN111023589B - 一种小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器 - Google Patents

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Abstract

一种小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器，开口为敞开式，包括：保温壳体、吸热盘管、盘管压板、压片、热电偶支架、后盖板、保温材料以及热电偶。吸热体采用耐高温的钢管制成。用1支或多支耐热细钢管绕制成外轮廓为圆台状的螺旋盘管，螺旋盘管的螺距为耐热细钢管的外径，即耐热细钢管紧密排列。采用多支耐热钢管绕制，使空气在管内的流动阻力大大降低，进而可以降低进气设备的功率损失。吸热盘管的外侧设有保温壳体，在保温壳体与吸热盘管之间填充有保温材料。在吸热盘管的末端设置有热电偶支架，热电偶固定在热电偶支架上，在吸热器工作过程中始终监测吸热器出口的空气温度，然后将这一温度反馈给进气设备，以便调整进气流量。

Description

一种小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器
技术领域
本发明涉及一种太阳能承压空气吸热器。
背景技术
人们对化石能源无节制的开采和滥用，不仅对大气环境造成巨大的破坏，同时，使得化石能源到了濒临枯竭的地步，给人类赖以生存的环境带来了极大的破坏和威胁。生物质能和可再生能源的引入，尤其是太阳能的合理开发和利用，将大大缓解这一危险进程。太阳能是纯绿色的可再生能源，对人类来说可谓是取之不尽，用之不竭。太阳能光热发电是太阳能热利用的重要形式，太阳能光热发电具有生产过程环保、储能更加方便、应用更加广泛等优点，因此，太阳能光热发电已经成为近年来全球新能源开发的主要力量，并且在未来的能源开发道路中展现出了巨大的发展潜力。太阳能光热发电是指将收集的太阳能转化为热能并用于发电的技术。作为太阳能热发电的吸热工质主要包括：水工质、导热油、熔融盐、空气及其它气体等。其中，以空气作为传热流体的太阳能热发电技术是第三代热发电技术，此种发电技术可以在无水或少水的情况下运行，空气吸热器与燃机组合采用布雷顿循环可以进一步提高太阳能的发电效率，对于太阳能的高效利用具有重要意义。另外，利用太阳能加热空气，获得的高温空气具有广阔的应用前景。作为传热流体的空气具有易于获得，资源广阔；无成本，且清洁；工作温度范围广，没有相变；对管道及容器没有腐蚀等优点。高温空气可以广泛地应用到建筑采暖、除湿、农作物干燥、农作物废弃物热解、制冷、以及高温空气发电等。但由于空气的密度较低，传热效果相对较差，获得高温空气较为困难。已有的专利中，太阳能空气吸热器以容积式为主，结构相对较为复杂，并且吸热腔体的开口都是敞开的，因此，会造成热量的辐射损失和对流损失，进而影响到吸热器的运行效率。另外，如果吸热器开口用石英玻璃封住，由于石英玻璃的造价比较昂贵，则会带来吸热器成本的大幅度提高。同时，想获得较高压力的高温空气也比较困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器。本发明结构相对简单，制作容易，成本较低，可以通过太阳能加热获得压力超过0.5MPa，温度高于900℃的高温高压空气，吸热器的热效率可高于70％，为大型的承压空气吸热器的研制奠定了基础。
本发明太阳能管式承压空气吸热器的开口为敞开式。所述的吸热器包括：保温壳体、吸热盘管、盘管压板、压片、热电偶支架、后盖板、保温材料以及热电偶。所述的吸热器的吸热盘管采用耐受1000℃以上高温的细钢管制成，根据吸热器功率需求和参数要求，采用一支或多支耐高温钢管绕制而成，根据聚光器聚焦光线投入方向特征，耐高温钢管盘绕制成圆盘形或其他形状，也可以按照螺旋方向盘制，使得耐高温钢管形成一个盆状腔体，纵截面为圆台形或棱台形，有助于减少对外热损失。另外，将耐高温钢管盘成盆状腔体，也可以有效增加钢管的受热段和受热面积，从而提高吸热器的热效率。螺旋盘管的螺距为耐高温细钢管的外径，即耐高温细钢管紧密排列。在吸热盘管的入口端连接一段与耐高温钢管连通的金属管，以方便与进气设备连接。为了减少热量损失，在吸热盘管的外侧设有保温壳体，在保温壳体与吸热盘管之间填充有保温材料。保温壳体既是吸热盘管的支撑母体，又是填充保温材料的载体。在吸热盘管的出口端还连接一段与耐高温钢管连通的金属管，以便把热空气引出。在吸热盘管的末端设置有热电偶支架，热电偶通过热电偶支架上的金属管固定在热电偶支架上，热电偶的端头伸向热电偶支架的中心管的轴心。在吸热器工作过程中始终监测吸热器出口的空气温度，将测得的温度反馈给进气设备，以便调整进气流量。在吸热器的开口处设有盘管压板，阻挡盘管从开口端伸出；在吸热盘管的底部设有压片，将吸热盘管牢固固定在保温壳体内。保温壳体、盘管压板、压片、热电偶支架以及后盖板均采用不锈钢制作，不锈钢既有耐高温性能同时还有抗大气腐蚀性能。本发明小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器的开口正对太阳能聚光辐射能流投入方向，压缩空气的进口和出口可以根据需要灵活布置。
附图说明
图1a为本发明小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器剖切示意图；
图1b为本发明小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器正面示意图；
图2a为本发明热电偶支架主视示意图；
图2b为本发明热电偶支架侧视示意图；
图3a为本发明吸热盘管主视示意图；
图3b为本发明吸热盘管侧视示意图；
图4a为本发明保温壳体剖面示意图；
图4b为本发明保温壳体侧视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器包括：保温壳体1、吸热盘管2、盘管压板3、压片4、热电偶支架5、后盖板6、保温材料7以及热电偶8。根据点聚焦的聚光特点，吸热盘管2用1支或多支耐高温细钢管绕制而成。图3所示为两支耐高温钢管绕制的吸热盘管2。如图3所示，两支耐高温细钢管的端部留有一小段直管，其余部分绕制成圆台型螺旋盘管，吸热盘管2每一圈细钢管之间紧密排列。为了防止吸热盘管2因弹性变形回弹变松，在圆台型吸热盘管2的母线方向相邻两圈细钢管点焊连接。一段粗钢管与吸热盘管2大端的两根细钢管焊接，使粗钢管与两根细钢管连通。粗钢管的另一端与进气设备连接。吸热盘管2小端的两根尾管从圆台中心向外伸出，与另一段粗钢管焊接，此段粗钢管与两根细尾管相联通，粗钢管的末端焊有连接法兰盘。保温壳体1既是吸热盘管2的支撑母体，又是填充保温材料7的载体。保温壳体1由不锈钢制成，分为：外壳、内壳以及前面板，如图4a和图4b所示，保温壳体1位于吸热盘管2的外侧，在保温壳体1与吸热盘管2之间填充有保温材料。吸热盘管2的小端朝向保温壳体1的腔体内，吸热盘管2从保温壳体1的前面板侧装入保温壳体1中，两个压片4压住吸热盘管2的小端，通过螺栓与保温壳体1的内壳连接，如图1a所示。盘管压板3压住吸热盘管2的大端，通过螺栓与保温壳体1连接，将吸热盘管2牢固地固定在保温壳体1的腔体中，如图1a所示。
如图2a和图2b所示，热电偶支架5由中心管、沿周向120°分布的3根支管以及法兰盘焊接而成。在每根支管的外侧端部攻有内螺纹，以固定热电偶。热电偶支架5带有法兰盘的一侧与吸热盘管2上的法兰盘相连接，在两个法兰盘之间设有耐高温的密封垫，以防止高温高压空气泄漏。3根热电偶分别插入热电偶支架5上的3根支管内，并通过螺纹锁紧，3个热电偶的端部接近于中心管的轴心。在保温壳体1内与吸热盘管2和热电偶支架5之间的空腔内填充耐高温保温材料7，以减少热量的损失。保温壳体1的后端有后盖板6，并通过螺栓锁紧。
本发明吸热器的开口一侧朝向点聚焦聚光器，并使吸热器吸热腔体的轴线置于聚光器的主光轴上。螺旋盘管2的大端置于聚光器的聚焦平面的焦点处。
聚光器将太阳聚焦并照射在吸热器吸热盘管2形成的腔体的内表面上，低温空气在螺旋盘管2内流动，吸热盘管2通过吸收聚光器聚焦的太阳辐射能并转化为热能，然后再将热能传递给吸热盘管2内流动的空气。热电偶在吸热器工作过程中始终监测吸热器出口的空气温度，然后将这一温度反馈给进气设备，以便随时调整进气流量，进而使吸热器输出具有一定压力的高温空气。
实验结果表明，当投入到吸热器表面的平均热流密度达到600kW/㎡时，吸热管的管径取4mm，承受空气压力为0.5MPa，金属管采用镍基耐热合金钢，壁厚为2mm，为了保证足够的换热能力，空气质量流量为4.5g/s，进口温度为20℃时，空气出口温度为900℃。

Claims (2)

1.一种小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器，其特征在于，所述的吸热器包括：保温壳体(1)、吸热盘管(2)、盘管压板(3)、压片(4)、热电偶支架(5)、后盖板(6)、保温材料(7)以及热电偶(8)；吸热盘管(2)是用1支或多支耐高温钢管绕制而成；耐高温细钢管的端部留有一小段直管，其余部分绕制成圆台型螺旋盘管，螺旋盘管每一圈细钢管之间紧密排列；保温壳体(1)既是吸热盘管(2)的支撑母体，又是填充保温材料(7)的载体；保温壳体(1)由不锈钢制成，分为：外壳、内壳以及前面板；保温壳体(1)位于吸热盘管(2)的外侧，在保温壳体(1)与吸热盘管(2)之间填充有保温材料；吸热盘管(2)的小端朝向保温壳体(1)的腔体内，吸热盘管(2)从保温壳体(1)的前面板侧装入保温壳体(1)中，两个压片(4)压住吸热盘管(2)的小端，通过螺栓与保温壳体(1)的内壳连接；盘管压板(3)压住吸热盘管(2)的大端，通过螺栓与保温壳体(1)连接，将吸热盘管(2)固定在保温壳体(1)的腔体中；3根热电偶(8)分别插入热电偶支架(5)上的3根支管内；
所述的热电偶支架(5)由中心管、沿周向120°分布的3根支管以及法兰盘焊接而成；在每根支管的外侧端部设有内螺纹，以固定热电偶；将热电偶支架(5)带有法兰盘的一侧，与吸热盘管(2)上的法兰盘相连接；在两个法兰盘之间设有耐高温的密封垫，以防止高温高压空气泄漏；3根热电偶的端部接近于中心管的轴心。
2.根据权利要求1所述的小型点聚焦太阳能管式承压空气吸热器，其特征在于：吸热盘管用 2 支耐高温钢管绕制时， 螺旋盘管的母线方向相邻两圈细钢管通过点焊连接；一段粗钢管与螺旋盘管大端的两根细钢管焊接，使粗钢管与两根细钢管连通；粗钢管的另一端与进气设备连接；吸热盘管(2)小端的两根尾管从圆台中心向外伸出，与另一段粗钢管焊接，此段粗钢管与两根细尾管相联通，粗钢管的末端焊有连接法兰盘。
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