CN111380234B - 一种放热管组管径变化的太阳能蒸汽装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种放热管组管径变化的太阳能蒸汽装置，包括箱体和集热装置，所述集热装置包括集热部件和放热部件，所述放热部件设置在箱体内，所述集热部件包括位于下部的集热管箱，放热部件包括左上管、右上管和放热管组，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述放热管组设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组的管径不断变大。本发明提供了一种新的热管结构的太阳能蒸汽发生器，所有放热管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。

Description

一种放热管组管径变化的太阳能蒸汽装置

本申请是针对2019年6月25日、申请号2019105519972、发明名称“一种太阳能蒸汽系统 ”的分案申请。

技术领域

本发明属于太阳能领域，尤其涉及一种太阳能蒸汽系统。

背景技术

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10 ¹⁸ kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利 用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

当利用太阳能加热蒸汽发生器，太阳能或者直接加热汽包，或者通过二次换热产生蒸汽，尤其是直接加热汽包，利用汽包内部的对流换热来进行汽包上部和下部的流体对流换热，但是此种情况下需要下部热流体自然对流到上部，换热效率低。针对太阳能蒸汽的结构，现有技术已经进行了很多的研发和改进，但是整体来说集热能力不足，而且还存在运行时间长容易结垢问题，影响集热效果。

无论哪种形式和结构的太阳能集热器，都要有一个用来吸收太阳辐射的吸收部件，集热器的结构对太阳能的吸收起到重要的作用。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种新式结构的太阳能蒸汽装置。该蒸汽装置能够提高集热效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太阳能蒸汽装置，包括箱体和集热装置，所述集热装置包括集热部件和放热部件，所述放热部件设置在箱体内，集热部件设置在箱体外，集热部件吸收太阳能，然后将热量通过放热部件向箱体内放热。

作为优选，所述箱体包括进水口和蒸汽出口。

作为优选，所述集热部件包括位于下部的集热管箱，放热部件包括左上管、右上管和放热管组，左上管、右上管位于集热管箱的上部，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组，左放热管组与左上管和集热管箱相连通，右放热管组与右上管和集热管箱相连通，从而使得集热管箱、左上管、右上管和放热管组形成加热流体封闭循环，所述放热管组为一个或多个，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；集热管箱包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左上管，右放热管组的出口连接右上管；所述左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的中部对称。

作为优选，所述左放热管组的放热管是以左上管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右上管的轴线为圆心分布。

作为优选，左上管的中心与右上管的中心之间的距离为M，左上管的管径、右上管的半径相同，为B，放热管中最内侧放热管的轴线的半径为N1,最外侧放热管的轴线的半径为W2,则满足如下要求：

N1/W2=a*Ln(B/M)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.5788<a<0.6002，1.6619<b<1.6623；作为优选，a＝0.5790， b＝1.6621。

作为优选，35<B<61mm；230<M<385mm；69<N1<121mm，119<W2<201mm。

作为优选，放热管组的放热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<N1/W2<0.62；0.154<B/M<0.166。

作为优选，0.57<N1/W2<0.61；0.158<B/M<0.162。

作为优选，集热箱体底部的中点与左上管、右上管圆心之间形成的夹角A为40－100度（角度），优选为60度（角度）。

作为优选，放热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种新的热管结构的太阳能蒸汽发生器，通过在设置集热部件和放热部件，使得传热速度快，提高对太阳能的热传输速度，能够进一步满足热量的吸收能力。

2、一种新式结构的新式结构的集热装置，通过在有限的空间设置更多的放热管组，增加管束的振动范围，从而强化传热，增强除垢。

3、本发明通过流体流动方向上的放热管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高换热效率。

4、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了集热装置的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

附图说明：

图1为本发明集热装置的主视图。

图2为本发明太阳能蒸汽装置的主视图。

图3是本发明图1集热装置的左侧观测视图。

图4是本发明图1集热装置的底部观察视图。

图5是本发明集热装置放热管组错列布置结构示意图。

图6是集热装置尺寸结构示意图。

图中：1、放热管组，左放热管组11、右放热管组12、21、左上管，22，右上管，3、自由端，4、自由端，5、自由端，6、自由端，7、放热管，8、集热管箱，9、电加热器，10第一管口， 13第二管口，左回流管14，右回流管15，16反射镜，17支撑件，18箱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所示，一种集热装置，包括集热管箱8、左上管21、右上管22和放热管组1，所述放热管组1包括左放热管组11和右放热管组12，左放热管组11与左上管21和集热管箱8相连通，右放热管组12与右上管22和集热管箱8相连通，从而使得集热管箱8、左上管21、右上管22和放热管组1形成加热流体封闭循环，集热管箱8内填充相变流体，每个放热管组1包括圆弧形的多根放热管7，相邻放热管7的端部连通，使多根放热管7形成串联结构，并且使得放热管7的端部形成放热管自由端3-6；集热管箱包括第一管口10和第二管口13，第一管口10连接左放热管组11的入口，第二管口13连接右放热管组12的入口，左放热管组11的出口连接左上管21，右放热管组12的出口连接右上管22；所述第一管口10和第二管口13设置在在集热管箱8一侧。作为优选，左放热管组11和右放热管组12沿着集热管箱的中间位置对称。

作为优选，所述左上管21、右上管22与集热管箱8沿着水平方向延伸。

作为优选，沿着左上管21、右上管22与集热管箱8水平方向延伸上设置多个放热管组1，所述放热管组1之间是并联结构。

作为优选，所述左上管21与集热管箱8之间设置左回流管14，所述右上管22与集热管箱8之间设置右回流管15。作为优选，所述回流管设置在水平方向的两端。

集热管箱8内填充相变流体，优选是汽液相变流体。所述流体在集热管箱8进行加热蒸发，沿着放热管束向左上管21、右上管22流动，流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导放热管自由端产生振动，换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。流体在左右上管冷凝放热后又通过回流管回流到集热管箱。

本发明通过对现有技术进行改进，将上管和放热管组分别设置为左右分布的两个，使得左右两侧分布的放热管组都能进行振动换热除垢，从而扩大换热振动的区域，越能够使的振动更加均匀，换热效果更加均匀，增加换热面积，强化换热和除垢效果。

作为优选，所述左放热管组的放热管是以左上管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右上管的轴线为圆心分布。通过将左右上管设置为圆心，可以更好的保证放热管的分布，使得振动和加热均匀。

作为优选，所述左放热管组、右放热管组均为多个。

作为优选，左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的竖直方向轴心所在的面镜像对称。通过如此设置，能够使得换热的放热管分布更加合理均匀，提高换热效果。

作为优选，集热管箱8是扁平管结构。通过设置扁平管结构使得吸热面积增加。使得即使安装位置有点便宜，也能保证集热管箱8位于反射镜焦点位置处。

作为优选，左放热管组21和右放热管组22在水平延伸方向上错列分布，如图5所示。通过错列分布，能够使得在不同长度上进行振动放热和除垢，使得振动更加均匀，强化换热和除垢效果。

作为优选，集热装置下部设置反射镜16，所述集热管箱位于反射镜16的焦点位置处，所述左放热管组和右放热管组位于流体通道中。从而形成一种太阳能集热系统。

作为优选，包括支撑件17，支撑件17支撑集热装置。

作为优选，所述系统是一种太阳能蒸汽装置，所述装置包括箱体18，箱体包括水入口和蒸汽出口。如图2所示，所述集热管箱8位于箱体18下端。左上管21、右上管22、左放热管组11和右放热管组12设置在箱体18内，通过放热加热箱体18内的水来产生蒸汽。

作为优选，所述蒸汽出口位于箱体18的上部。

作为优选，包括流体通道，流体在流体通道内流动。如图2所示，所述集热管箱8位于流体通道下端，如图2所示。左上管21、右上管22、左放热管组11和右放热管组12设置在流体通道内，通过放热加热流体通道内的流体。

作为优选，流体的流动方向与左上管21、右上管22与集热管箱8延伸的方向相同。通过如此设置，使得流体在流动的时候冲刷房热管组，尤其是放热管组自由端，从而使得自由端振动，从而强化传热，达到除垢的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述放热管组1（例如同一侧（左侧或者右侧））设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组1（例如同一侧（左侧或者右侧））的管径不断变大。

沿着流体的流动方向，流体温度不断的提高，从而使得换热温差不断的减小，换热能力越来越的。通过放热管组的管径变大，可以保证更多的蒸汽通过上部进入放热管组，保证沿着流体流动方向，因为蒸汽量大以及振动效果好，从而使得整体换热均匀。所有放热管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组（例如同一侧（左侧或者右侧））的放热管管径不断变大的幅度不断的增加。

通过如此设置，避免流体都在前部进行换热，而使的尽量换热向后部增加，从而形成类似逆流的换热效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，所述同一侧（左侧或者右侧）放热管组设置为多个，从上向下方向，同一侧（左侧或者右侧）相邻放热管组的间距不断变小。具体效果类似前面的管径变化的效果。

作为优选，沿着流体通道内的流体的流动方向，同一侧（左侧或者右侧）放热管组之间的间距不断变小的幅度不断的增加。具体效果类似前面的管径变化的效果。

在试验中发现，左上管21、右上管22的管径、距离以及放热管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大，则换热效率太差，放热管之间的距离太小，则放热管分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端的振动会产生影响，从而影响换热。因此左上管21、右上管22的管径、距离以及放热管的管径具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

左上管21的中心与右上管22的中心之间的距离为M，左上管21的管径、右上管22的半径相同，为B，放热管中最内侧放热管的轴线的半径为N1,最外侧放热管的轴线的半径为W2,则满足如下要求：

N1/W2=a*Ln(B/M)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.5788<a<0.6002，1.6619<b<1.6623；作为优选，a＝0.5790， b＝1.6621。

作为优选，35<B<61mm；230<M<385mm；69<N1<121mm，119<W2<201mm。

作为优选，放热管组的放热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<N1/W2<0.62；0.154<B/M<0.166。

作为优选，0.57<N1/W2<0.61；0.158<B/M<0.162。

作为优选，集热箱体底部的中点与左上管21、右上管22圆心之间形成的夹角A为40－100度（角度），优选为60度（角度）。

作为优选，放热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

作为优选，自由端3、4的端部之间以左集箱的中心轴线为圆心的弧度为95－130角度，优选120角度。同理自由端5、6和自由端3、4的弧度相同。通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

作为优选，放热管组1的管束是弹性管束。

通过将放热管组1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

所述放热管组1为多个，多个放热管组1为并联结构。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种放热管组管径变化的太阳能蒸汽装置，包括箱体和集热装置，所述集热装置包括集热部件和放热部件，所述放热部件设置在箱体内，集热部件设置在箱体外，集热部件吸收太阳能，然后将热量通过放热部件向箱体内放热；所述集热部件包括位于下部的集热管箱，放热部件包括左上管、右上管和放热管组，左上管、右上管位于集热管箱的上部，所述放热管组包括左放热管组和右放热管组，左放热管组与左上管和集热管箱相连通，右放热管组与右上管和集热管箱相连通，从而使得集热管箱、左上管、右上管和放热管组形成加热流体封闭循环，所述放热管组为一个或多个，每个放热管组包括圆弧形的多根放热管，相邻放热管的端部连通，使多根放热管形成串联结构，并且使得放热管的端部形成放热管自由端；集热管箱包括第一管口和第二管口，第一管口连接左放热管组的入口，第二管口连接右放热管组的入口，左放热管组的出口连接左上管，右放热管组的出口连接右上管；所述左放热管组和右放热管组沿着集热管箱的中部对称；沿着流体通道内的流体的流动方向，所述放热管组设置为多个，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组的管径不断变大；

所述左上管与集热管箱之间设置左回流管，所述右上管与集热管箱之间设置右回流管。

2.如权利要求1所述的太阳能蒸汽装置，其特征在于，沿着流体通道内的流体的流动方向，放热管组的放热管管径不断变大的幅度不断的增加。

3.如权利要求1所述的太阳能蒸汽装置，其特征在于，所述左放热管组的放热管是以左上管的轴线为圆心分布，所述右放热管组的放热管是以右上管的轴线为圆心分布。

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