CN115111786A - 一种双层梯级集热管及槽式太阳能集热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层梯级集热管及槽式太阳能集热器，双层梯级集热管包括水平设置的透明玻璃外管、集热外管和集热内管，集热外管套设在透明玻璃外管内，集热内管套设在集热外管内，且集热内管的上端与集热外管的上端相互贴合，且集热外管内部位于集热内管的下方沿周向间隔设有多根用以强化换热的直肋片，且直肋片的两端与集热外管的两端齐平，集热外管和集热内管分别用以供传热流体流过，且集热外管内的传热流体的沸点大于集热内管内传热流体的沸点，其可尽可能的降低了高温传热流体的向环境的热量损耗，同时还充分利用冷壁面的热能，实现太阳能高、低温梯级集热。

Description

一种双层梯级集热管及槽式太阳能集热器

技术领域

本发明属于太阳能集热器领域，尤其涉及一种双层梯级集热管及槽式太阳能集热器。

背景技术

槽式集热器是最成熟的太阳能聚光技术之一，具有可靠性高、应用广泛、易于与其他可再生能源结合等优点。由于槽式集热器的聚光特性，绝大部分的太阳辐射被聚集到集热管的下表面，而集热管的上表面接收正常强度的太阳辐射，从而形成高度非均匀热流分布，这将形成非常高的圆周温度梯度以及导致吸收管局部温度过高。采用强化传热技术是解决传统光滑集热管效能低下和运行安全问题的重要手段，而槽式集热器强化传热的技术主要有两种：一种是基于换热管表面的强化传热技术，如纵向涡发生器、对称和非对称外凸波纹管、翅片、正弦管、倾斜弯曲扭曲折流板和螺旋波纹管等；另一种是基于管内流体的强化传热技术，如扭带(波浪扭带、螺旋扭带和百叶扭带等)、多孔板、多孔介质和锥形片等。传统的强化传热技术侧重于扰动流场以促进流体的均匀混合，进而增强传热，由于其成本低、易于制造和安装等优点，在实际应用中具有良好的潜力。然而，槽式集热管的上半表面接受到的热流密度很小，下半表面接受到的热流密度很大，传统的强化传热技术会使得靠近下半表面的热流体与靠近上半表面的冷流体充分混合，热流体冲刷上半区的冷壁面反而会增大热损失，进而降低集热性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种可充分利用太阳能并降低热损耗的双层梯级集热管。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种双层梯级集热管，包括水平设置的透明玻璃外管、集热外管和集热内管，所述集热外管套设在所述透明玻璃外管内，所述集热内管套设在所述集热外管内，且所述集热内管的上端与所述集热外管的上端相互贴合，且所述集热外管内部位于所述集热内管的下方沿周向间隔设有多根用以强化换热的直肋片，且所述直肋片的两端与集热外管的两端齐平，所述集热外管和集热内管分别用以供传热流体流过，且所述集热外管内的传热流体的沸点大于所述集热内管内传热流体的沸点。

上述技术方案的有益效果在于：如此可由集热内管内通入海水或盐水类的低温传热流体，而集热外管内通入传热油类的高温传热流体，此时集热内管内的低温传热流体直接利用集热外管上端直接太阳光辐照的热能进行加热，而集热外管内的高温传热流体利用下方聚焦反射来的太阳光辐照进行加热(此时集热外管的上部可以视为冷壁面)，而集热内管可以减小高温传热流体与集热外管冷壁面的接触面积，从而尽可能的降低了高温传热流体的热量损耗，同时还充分利用冷壁面的热能。

上述技术方案中所述集热外管的内径为D，所述集热内管的外径为d,所述D≥2d。

上述技术方案的有益效果在于：如此可减小集热内管对集热外管内高温传热流体的流量影响。

上述技术方案中所述集热内管的两侧均沿其长度凸设有翼形外缘，且所述翼形外缘的上端均与所述集热外管的上端内壁贴合。

上述技术方案的有益效果在于：如此可进一步的减小高温传热流体与冷壁面的接触面积，从而进一步的降低高温传热流体的热损耗。

上述技术方案中所述翼形外缘和集热内管一体成型。

上述技术方案的有益效果在于：如此使得翼形外缘和集热内管在集热外管内安装更加方便。

上述技术方案中两个所述翼形外缘对应的圆心角为α，且所述α＜180°。

上述技术方案的有益效果在于：如此可避免集热外管内高温传热流体的流动阻力过大。

上述技术方案中所述直肋片的根数设有4-6根。

上述技术方案的有益效果在于：如此可提高高温传热流体与集热外管下部的传热效率。

上述技术方案中相邻两根所述直肋片对应的圆心角为35°-50°。

上述技术方案的有益效果在于：如此可避免直肋片影响集热外管内高温传热流体的流动。

上述技术方案中相邻两根所述直肋片对应的圆心角为45°。

上述技术方案的有益效果在于：如此使得其高温传热流体的传热效率与流动性能均适中。

上述技术方案中所述集热内管和翼形外缘的导热系数为λ，其中λ≤0.2W/(m·K)。

上述技术方案的有益效果在于：如此可进一步的降低高温传热流体与冷壁面以及低温传热流体之间的热交换。

本发明的目的之二在于提供一种结构简单，且热能利用效率高的槽式太阳能集热器。

本发明的另一技术方案如下：一种槽式太阳能集热器，包括如上所述的双层梯级集热管。

上述技术方案的有益效果在于：如此可对太阳能进行更加充分利用，同时对不同梯级的热能作不同的用途。

附图说明

图1为本发明实施例所述双层梯级集热管的结构简图；

图2为本发明实施例所述双层梯级集热管截面图；

图3为本发明实施例所述槽式太阳能集热器的结构简图；

图4为本发明实施例1所述双层梯级集热管截面图；

图5为本发明实施例1和对照例的努谢尔数Nu和摩擦系数f随体积流量V变化图；

图6为本发明实施例1和对照例的管壁最高温度T_max和集热效率η随体积流量V变化图；

图7为本发明实施例1和对照例的努谢尔数Nu和摩擦系数f随太阳辐射强度DNI变化图

图8为本发明实施例1和对照例的管壁最高温度T_max和集热效率η随太阳辐射强度DNI变化图。

图中：1双层梯级集热管、11透明玻璃外管、12集热外管、121直肋片、13集热内管、131翼形外缘、2槽式聚光反射器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种双层梯级集热管，包括水平设置的透明玻璃外管11、集热外管12和集热内管13，所述集热外管12套设在所述透明玻璃外管11内，所述集热内管13套设在所述集热外管12内，且所述集热内管13的上端与所述集热外管12的上端相互贴合，且所述集热外管12内部位于所述集热内管13的下方沿周向间隔设有多根用以强化换热的直肋片121，且所述直肋片121的两端与集热外管12的两端齐平，所述集热外管12和集热内管13分别用以供传热流体流过，且所述集热外管12内的传热流体的沸点大于所述集热内管13内传热流体的沸点，该实施例的优点体现在：如此可由集热内管内通入海水或盐水类的低温传热流体，而集热外管内通入传热油类的高温传热流体，此时集热内管内的低温传热流体直接利用集热外管上端直接太阳光辐照的热能进行加热，而集热外管内的高温传热流体利用下方聚焦反射来的太阳光辐照进行加热(此时集热外管的上部可以视为冷壁面)，而集热内管可以减小高温传热流体与集热外管冷壁面的接触面积，从而尽可能的降低了高温传热流体的热量损耗，同时还充分利用冷壁面的热能。

上述技术方案中所述集热外管12的内径为D，所述集热内管13的外径为d,所述D≥2d，该实施例的优点在于：如此可减小集热内管对集热外管内高温传热流体的流量影响。

上述技术方案中所述集热内管13的两侧均沿其长度凸设有翼形外缘131，且所述翼形外缘131的上端均与所述集热外管12的上端内壁贴合；该实施例的优点在于：如此可进一步的减小高温传热流体与冷壁面的接触面积，从而进一步的降低高温传热流体的热损耗。

上述技术方案中所述翼形外缘131和集热内管13一体成型；该实施例的优点在于：如此使得翼形外缘和集热内管在集热外管内安装更加方便。

上述技术方案中两个所述翼形外缘131对应的圆心角为α，且所述α＜180°；该实施例的优点在于：如此可避免集热外管内高温传热流体的流动阻力过大。

上述技术方案中所述直肋片121的根数设有4-6根；该实施例的优点在于：如此可提高高温传热流体与集热外管下部的传热效率。

上述技术方案中相邻两根所述直肋片121对应的圆心角为35°-50°；该实施例的优点在于：如此可避免直肋片影响集热外管内高温传热流体的流动。

上述技术方案中相邻两根所述直肋片121对应的圆心角为45°；该实施例的优点在于：如此使得其高温传热流体的传热效率与流动性能均适中。

上述技术方案中所述集热内管13和翼形外缘131的导热系数为λ，其中λ≤0.2W/(m·K)；该实施例的优点在于：如此可进一步的降低高温传热流体与冷壁面以及低温传热流体之间的热交换。

其中，所述透明玻璃外管与集热外管之间的环形空间的两端封堵，且环形空间内部为抽真空处理。

如图4所示，本发明还提供了一种槽式太阳能集热器，包括槽式聚光反射器2(属于现有技术，在此不作赘述)和上述实施例中所述的双层梯级集热管1；本实施例的优点在于:如此可对太阳能进行更加充分利用，同时对不同梯级的热能作不同的用途。

实施例1

双层梯级集热管的管长选取7800mm，透明玻璃外管的内径为109mm，壁厚为3mm，集热外管的内径D＝66mm，透明玻璃外管与集热外管之间的空间为近似真空环境。高温传热流体为Syltherm-800传热油，低温传热流体是水，集热内管d＝20mm，两个翼形外缘对应圆心角α＝120°，集热内管内壁下部设有直肋片，且直肋片的数量为5根，直肋片的高度和宽度分别设定为h＝10mm和t＝4mm，如图3所示。

对照例

同实施例1，其区别在于集热外管内没有设置集热内管和翼形外缘，且集热外管内壁上没有设置直肋片。

应用商业CFD软件Fluent对实施例1、实施例2和对照例的综合换热性能进行仿真测试，实施例1和对照例换热与流动阻力特性计算结果如图5-图8所示。

图5反映的是努谢尔数Nu和摩擦系数f随体积流量V变化图。图5表明，实施例1对应的双层梯级集热管拥有良好的强化换热效果，随着体积流量V的增大，Nu逐渐增大，而f逐渐降低。且Nu提升为对照例的2.9到8.6倍，f为对照例的2.9到8.6倍。实施例1对应的双层梯级集热管在体积流量较小时表现出更好的换热性能。

图6反映的是集热外管最高温度T_max和集热效率η随体积流量V变化图，由图6可知，随着集热外管内流量的增大，双层梯级集热管的集热效率逐渐增大，双层梯级集热管的集热效率相比对照例而言有较大的提高，这表明本发明的双层梯级集热管具有优异的集热性能。

图7反映的是努谢尔数Nu和摩擦系数f随太阳辐射强度DNI变化图，由图8可知，DNI对集热外管的换热性能几乎没有影响，说明本发明在任意太阳辐射强度的条件下实施例1对应的双层梯级集热管的换热性能表现良好。

图8反映的是集热外管管壁最高温度T_max和集热效率η随太阳辐射强度DNI变化图，随着DNI的增大，T_max和η都逐渐增大，并且实施例1对应的双层梯级集热管的η始终高于对照例，并且峰值温度得到了有效降低。

综上，本发明通过在集热外管内加入带翼形外缘的集热内管和直肋片，从而实现了能量的梯级利用，具有优异的集热性能，集热效率相较传统集热管提高达1.89％，另外还可集热外管管壁最高温度相较传统集热管降低了75K，从而提高其安全性能。

应该指出，上述详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

同时，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在......之上”、“在......上方”、“在......上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在......上方”可以包括“在......上方”和“在......下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层梯级集热管，其特征在于，包括水平设置的透明玻璃外管(11)、集热外管(12)和集热内管(13)，所述集热外管(12)套设在所述透明玻璃外管(11)内，所述集热内管(13)套设在所述集热外管(12)内，且所述集热内管(13)的上端与所述集热外管(12)的上端相互贴合，且所述集热外管(12)内部位于所述集热内管(13)的下方沿周向间隔设有多根用以强化换热的直肋片(121)，且所述直肋片(121)的两端与集热外管(12)的两端齐平，所述集热外管(12)和集热内管(13)分别用以供传热流体流过，且所述集热外管(12)内的传热流体的沸点大于所述集热内管(13)内传热流体的沸点。

2.根据权利要求1所述的双层梯级集热管，其特征在于，所述集热外管(12)的内径为D，所述集热内管(13)的外径为d,所述D≥2d。

3.根据权利要求2所述的双层梯级集热管，其特征在于，所述集热内管(13)的两侧均沿其长度凸设有翼形外缘(131)，且所述翼形外缘(131)的上端均与所述集热外管(12)的上端内壁贴合。

4.根据权利要求3所述的双层梯级集热管，其特征在于，所述翼形外缘(131)和集热内管(13)一体成型。

5.根据权利要求3或4所述的双层梯级集热管，其特征在于，两个所述翼形外缘(131)对应的圆心角为α，且所述α＜180°。

6.根据权利要求5所述的双层梯级集热管，其特征在于，所述直肋片(121)的根数设有4-6根。

7.根据权利要求6所述的双层梯级集热管，其特征在于，相邻两根所述直肋片(121)对应的圆心角为35°-50°。

8.根据权利要求7所述的双层梯级集热管，其特征在于，相邻两根所述直肋片(121)对应的圆心角为45°。

9.根据权利要求1所述的双层梯级集热管，其特征在于，所述集热内管(13)和翼形外缘(131)的导热系数为λ，其中λ≤0.2W/(m·K)。

10.一种槽式太阳能集热器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的双层梯级集热管(1)。

Images