CN112984833B - 一种具有v型凹槽的太阳能粒子反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有V型凹槽的太阳能粒子反应器,包括回流底座、反应腔、石英窗口、工质入口和工质出口,所述反应腔一端与回流底座连接,反应腔另一端设置用于入射太阳辐射的石英窗口,所述反应腔侧面设置一周V型凹槽,所述V型凹槽径向截面为V字型,V型凹槽深度小于反应腔半径,所述工质入口设置于回流底座侧面,工质出口设置于反应腔侧面,且位于V型凹槽和石英窗口之间。本发明能够实现将连续工作,可以合理分配颗粒在反应器内部的循环时间,提高碳酸钙反应的比例,实现太阳能的高效率的转化和存储;同时本发明能够降低颗粒在石英玻璃表面的沉积,实现高效率的太阳能捕捉效率,也能保证石英玻璃洁净程度提高,利于使用维护和降低维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能反应器,尤其是一种具有V型凹槽的太阳能粒子反应器。
背景技术
当今社会,传统化石燃料仍然是推动社会发展、维持居民生活需要的重要能量来源,但化石燃料的储量是有限的,不足以支持人类的长久发展,且使用含碳有机燃料带来很多严重的环境问题,因此,转向新型能源开发利用变得尤为关键,在品类众多的可再生能源中,太阳能是目前已知的分布最广泛、储量最丰富,可以实现长远发展利用的清洁能源,但对于太阳能的开发面临一系列问题,如太阳的辐射因为地点、季节和天气等因素会发生起伏变化,并且分摊到地球表面的能量密度较低,使太阳能不容易实现连续、高密度的能量输送,为了克服这些缺点,太阳能集热技术逐渐完善。
太阳能集热技术的基本理念是利用反应器(也可以叫接收器)接收太阳辐射能量,然后与储能介质接触反应,实现太阳辐射能量转化存储,然后平稳释放能量负荷,实现太阳能平稳连续的利用。在太阳能集热技术当中,太阳能反应器是实现太阳能吸收储存的重要部件,进入反应器内部的太阳光辐射和储能介质结合反应,完成太阳能的转化储存。
颗粒在反应器内部循环流动时,容易停留在石英玻璃内表面,当颗粒表面温度升高,容易导致石英玻璃因为温度不均匀而产生破裂,通常会利用以特殊方式布置保护气喷口喷入保护气体,来清除石英玻璃上的颗粒粉末,但会因过多保护气的介入,从而带走入射的太阳能,降低能量的转化储存效率;另外颗粒在反应器内部流动时,要保证颗粒与太阳辐射能量有充分接触时间,颗粒在反应器内部的停留时间成为提升颗粒介质储能效率中至为重要的因素。
发明内容
发明目的:针对以上缺点,本发明提供一种提高颗粒反应比例、减少颗粒在石英窗口内表面沉积的具有V型凹槽的太阳能粒子反应器。
技术方案:为解决上述问题,本发明采用一种具有V型凹槽的太阳能粒子反应器,包括回流底座、反应腔、石英窗口、工质入口和工质出口,所述反应腔为圆柱,且反应腔一端与回流底座连接,反应腔另一端设置石英窗口,所述石英窗口用于入射太阳辐射,所述反应腔侧面设置一周V型凹槽,所述V型凹槽径向截面为V字型,V型凹槽深度小于反应腔半径,所述工质入口设置于回流底座侧面,所述工质出口设置于反应腔侧面,工质出口位于V型凹槽和石英窗口之间。
进一步的,所述回流底座为圆锥体,反应腔连接于回流底座的圆锥底面,圆锥体回流底座的母线与轴线的夹角为40°
进一步的,还包括小孔通道,所述石英窗口与反应腔之间通过小孔通道连接,小孔通道横截面面积小于石英窗口大小,且小孔通道截面面积小于反应腔横截面面积,太阳辐射从石英窗口穿过小孔通道进入反应腔内。
进一步的,所述反应腔为圆柱,石英窗口为圆形,反应腔底面直径与石英窗口直径相等。
进一步的,所述回流底座设置两个工质入口,所述两个工质入口以回流底座中轴线成中心对称。
进一步的,所述反应腔设置两个工质出口,所述两个工质出口以反应腔中轴线成中心对称。
进一步的,还包括与工质入口连接的入口管、与工质出口连接的出口管,所述出口管沿反应腔径向延伸,所述入口管延伸母线与回流底座的旋转母线相切,所述出口管的延伸方向垂直于所述入口管的延伸方向。
进一步的,所述回流底座的长度Lc为59mm,反应腔的长度Lb为121mm,小孔通道的长度Lap为10mm,反应腔底面直径与石英窗口直径Db为100mm,所述小孔通道的直径Dap为32mm,入口管直径Din为3mm和出口管直径Dout为4mm,所述工质入口与回流底座圆锥顶点的轴向距离Lin为5mm,所述工质出口与反应腔靠近石英窗口一端的轴向距离Lout为10mm。
进一步的,所述石英窗口到小孔通道之间为集光口,集光口高度Lsc为20mm。
进一步的,所述V型凹槽中心位置距反应腔靠近回流底座一端的距离Lv为60mm,V型凹槽的深度LS为30mm,V型凹槽径向截面V字型的一边与水平方向的夹角θ=20°。
有益效果:本发明相对于现有技术,其显著优点是该反应器结构简单,能够减少加工成本,该结构反应器能够通过气流自身的旋转,实现物料连续进出工况,该反应器能够减少颗粒在石英窗口内表面的沉积,保持石英窗口内表面的洁净,提升了石英窗口石英玻璃的使用寿命,减少维护成本;能够提高颗粒的反应比例,实现太阳辐射能量更加高效率的转化。
附图说明
图1是本发明反应器结构示意图;
图2是本发明反应器主视图;
图3是本发明反应器的侧视图;
图4是本发明反应器的左视图;
图5是本发明与不具有V型凹槽的反应器颗粒逃逸率的对比图;
图6是本发明与不具有V型凹槽的反应器颗粒沉积率的对比图;
图7是本发明与不具有V型凹槽的反应器颗粒理论反应率的对比图。
具体实施方式
如图1至图4所示,本次发明的一种旋流式太阳能粒子反应器,为用于碳酸钙粒子吸光分解的反应器,包括回流底座1、反应腔2、石英窗口3、小孔通道6、工质入口4和工质出口5,反应腔2为圆柱,回流底座1为圆锥体,圆锥体回流底座1的母线与轴线的夹角为40°,圆柱反应腔2一端底面与圆锥回流底座1的底面连接,反应腔2顶端设置圆形石英窗口3,反应腔侧面设置一周向反应腔内部凹陷的V型凹槽,V型凹槽径向截面为V字型,V型凹槽深度小于反应腔半径,反应腔2底面直径与石英窗口3直径相等,石英窗口3与反应腔2之间通过小孔通道6连接,小孔通道6直径小于石英窗口3直径,且小于反应腔2底面直径,石英窗口3到小孔通道6之间为圆柱体集光口7,石英窗口3用于入射太阳辐射,太阳辐射经石英窗口3穿过小孔通道6进入反应腔2内,在反应腔2内部被颗粒捕获吸收,从而发生颗粒分解,实现太阳能的转化储存。
回流底座1侧面设置两个工质入口4,两个工质入口4以回流底座1中轴线成中心对称;反应腔2侧面设置两个工质出口5,两个工质出口5以反应腔2中轴线成中心对称,工质入口4连接入口管41,工质出口5连接出口管51,出口管51沿反应腔2径向延伸,入口管41延伸母线与回流底座1的旋转母线相切,即进口管41的侧边与工质入口4所在回流底座的相交圆相切,出口管51的延伸方向垂直于所述入口管41的延伸方向。颗粒和流体介质通过入口管41从工质入口4进入反应器内部,经由圆锥回流底座1,混合流体膨胀进入到反应腔2内,实现颗粒在反应器内部的循环流动,然后从工质出口5经出口管流出。
在本实施例中,回流底座1的长度Lc为59mm,反应腔2的长度Lb为121mm,反应腔2底面直径、石英窗口3直径、回流底座1底面直径均为Db等于100mm,小孔通道6的长度Lap为10mm,小孔通道6的直径Dap为32mm,入口管41直径Din为3mm和出口管51直径Dout为4mm。集光口7高度Lsc=20mm;工质入口4与回流底座1圆锥顶点的轴向距离Lin为5mm,工质出口5与反应腔2顶端(靠近小孔通道6的一端)的轴向距离Lout为10mm,V型凹槽的尖部距离反应腔2底端(靠近回流底座1的一端)的轴向距离Lv为60mm,V型凹槽的进深LS为30mm,V型凹槽V型夹角为40°,且V型凹槽径向截面的V字型关于水平面对称,且V字型一边与水平面的夹角θ=20°。
在太阳能粒子反应器实现太阳能转化过程中,定义颗粒的逃逸率为从反应器出口逃逸出来的颗粒数和总输入颗粒数的比值,如图5所示,横坐标表示太阳能粒子反应器的类型,纵坐标表示太阳能粒子反应器的逃逸率,其中0-32表示不具备V型凹槽,但其他参数与本实施例中反应器相同的太阳能粒子反应器,其中0-32-20°表示本实施例具备V型凹槽的太阳能粒子反应器。由图可知,本实施例中具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒逃逸率等于98.4%,不具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒逃逸率等于95.9%,具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒逃逸率更大,说明该反应器能够提高颗粒从出口流出的比例,减少颗粒在反应器内部无限循环的几率,减少反应器的循环负荷。
在太阳能粒子反应器实现太阳能转化过程中,定义颗粒的沉积率为沉积在石英窗口3内表面颗粒数和总输入颗粒数的比值,如图6所示,横坐标表示太阳能粒子反应器的类型,纵坐标表示太阳能粒子反应器的沉积率,其中0-32表示不具备V型凹槽,但其他参数与本实施例中反应器相同的太阳能粒子反应器,其中0-32-20°表示本实施例具备V型凹槽的太阳能粒子反应器。由图可以看出,本实施例中具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒沉积率等于1.6%,不具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒沉积率等于4.1%,具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒沉积率更小,说明该反应器能够降低颗粒穿过小孔通道6,沉积在石英窗口的石英玻璃上的概率,这能减轻颗粒沉积带来的石英玻璃磨损,减少维护成本和延长使用寿命,同时这能使更多的颗粒去进行太阳能转化储存的任务,能进一步提高系统吸能转化效率。
在太阳能粒子反应器实现太阳能转化过程中,10μm碳酸钙在实验室状态下,完全分解需要3.2秒,定义颗粒的理论反应率为在反应器内部停留时间大于3.2s的颗粒数和总输入颗粒数的比值,如图7所示,横坐标表示太阳能粒子反应器的类型,纵坐标表示太阳能粒子反应器的理论反应率,其中0-32表示不具备V型凹槽,但其他参数与本实施例中反应器相同的太阳能粒子反应器,其中0-32-20°表示本实施例具备V型凹槽的太阳能粒子反应器。由图可以看出,本实施例中具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒理论反应率等于88.1%,不具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒理论反应率等于78.5%,具备V型凹槽的太阳能粒子反应器的颗粒理论反应率更大,说明该反应器能够增加颗粒达到完全反应时间需求的比例,提高了反应器的能量转化效率。
Claims (10)
1.一种具有V型凹槽的太阳能粒子反应器,包括回流底座(1)、反应腔(2)、石英窗口(3)、工质入口(4)和工质出口(5),所述反应腔(2)为圆柱,且反应腔(2)一端与回流底座(1)连接,反应腔(2)另一端设置石英窗口(3),所述石英窗口(3)用于入射太阳辐射,其特征在于,所述反应腔侧面设置一周V型凹槽,所述V型凹槽径向截面为V字型,V型凹槽深度小于反应腔(2)半径,所述工质入口(4)设置于回流底座(1)侧面,所述工质出口(5)设置于反应腔(2)侧面,工质出口(5)位于V型凹槽和石英窗口(3)之间。
2.根据权利要求1所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述回流底座(1)为圆锥体,反应腔(2)连接于回流底座(1)的圆锥底面,圆锥体回流底座(1)的母线与轴线的夹角为40°。
3.根据权利要求1所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,还包括小孔通道(6),所述石英窗口(3)与反应腔(2)之间通过小孔通道(6)连接,小孔通道(6)横截面面积小于石英窗口(3)大小,且小孔通道(6)截面面积小于反应腔(2)横截面面积,太阳辐射从石英窗口(3)穿过小孔通道(6)进入反应腔(2)内。
4.根据权利要求3所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述石英窗口(3)为圆形,反应腔(2)底面直径与石英窗口(3)直径相等。
5.根据权利要求3所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述回流底座(1)设置两个工质入口(4),所述两个工质入口(4)以回流底座(1)中轴线成中心对称。
6.根据权利要求5所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述反应腔(2)设置两个工质出口(5),所述两个工质出口(5)以反应腔(2)中轴线成中心对称。
7.根据权利要求6所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,还包括与工质入口(4)连接的入口管(41)、与工质出口(5)连接的出口管(51),所述出口管(51)沿反应腔径向延伸,所述入口管(41)延伸母线与回流底座(1)的旋转母线相切,所述出口管(51)的延伸方向垂直于所述入口管(41)的延伸方向。
8.根据权利要求7所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述回流底座(1)的长度Lc为59mm,反应腔(2)的长度Lb为121mm,小孔通道(6)的长度Lap为10mm,反应腔(2)底面直径与石英窗口(3)直径Db为100mm,所述小孔通道(6)的直径Dap为32mm,入口管(41)直径Din为3mm和出口管(51)直径Dout为4mm,所述工质入口(4)与回流底座(1)圆锥顶点的轴向距离Lin为5mm,所述工质出口(5)与反应腔(2)靠近石英窗口(3)一端的轴向距离Lout为10mm。
9.根据权利要求8所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述石英窗口(3)到小孔通道(6)之间为集光口(7),集光口(7)高度Lsc为20mm。
10.根据权利要求8所述的太阳能粒子反应器,其特征在于,所述V型凹槽中心位置距反应腔(2)靠近回流底座(1)一端的距离Lv为60mm,V型凹槽的深度LS为30mm,V型凹槽径向截面V字型的一边与水平方向的夹角θ=20°。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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