CN115403094A - 一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置及方法 - Google Patents

Abstract

为了解决市场出售的普通平板型太阳能集热装置对海水加热升温速率慢、出口温度低、不能满足热电联产海水淡化系统对水快速加热升温的连续生产要求、及太阳能的低温热源与热电联产的高温热源不能协同匹配等问题，本发明提供了一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置，采用微缩放通道，使海水形成缩放液膜流动；由于海水液膜通过缩放周期性流动，增强了流体湍流强度，减薄液膜传热边界层，缩小速度场与温度场梯度矢量夹角，相比于普通平板型太阳能集热装置中的圆管传热，对流传热系数大幅提升；再通过对缩放流道关键参数扩张段长度、缩放段长度及肋高尺寸进行优化，发挥更佳的传热性能，进一步提高加热升温速率。

Description

一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置及方法。

背景技术

目前，大规模的海水淡化系统主要采用热电联产的方式，成本较高，且石化能源日益短缺成为了制约其进一步发展的主要障碍。太阳能作为可再生能源，取之不尽、用之不竭，开发利用太阳能对节能减排、环境保护和减缓气候变化意义重大。目前，利用太阳能进行海水淡化主要有两种方式，一种是太阳能光热利用，利用热能使海水发生相变得到淡水；另一种是太阳能光电利用，转为电能后驱动海水渗析。利用太阳能进行海水淡化在能源利用上有清洁环保和低成本优势，发展前景诱人，但单靠太阳能加热要达到多级蒸发的高温热水基本条件100℃难度较大，一般的太阳能集热器不能达到此高温。如果在不使用高成本的凹槽弧面聚光加热系统的情况下研发出新型高效的太阳能集热装置向海水淡化系统提供70～90℃的低温热水，之后再依靠热电联产的高温余热继续加热，达到多级蒸发需要的高温条件(>100℃)，然后再作多级蒸发和海水淡化，这可使太阳能的低温热源与热电联产的高温热源协同配合，在热源能级的合理利用方面做到最佳，实现海水淡化低成本、减少化石能源消耗和保护环境。

目前市场上销售的太阳能集热器产品中，水加热升温速率非常慢，从30℃的低温加热到 70～90℃的中温需要1～2小时，时间较长，不能满足热电联产海水淡化系统对海水快速加热升温的连续生产要求，难以匹配生产。为使太阳能与热电联产海水淡化能够更好的协调匹配，还需研发一种可快速使海水升温的太阳能集热器装置。

目前市场出售的普通平板型太阳能集热器装置主要以管板式为主，其结构如图1所示。当太阳能辐射到平板集热器的玻璃盖板后，部分能量被涂有涂层的吸热板吸收后转化为热能 Q₀。被转化的热能传递给圆形光滑管通道内的流体，光滑管通道直径通常为8mm及以上，流体温度升高后流出集热器，被工质吸收的热量称为有效能Q₁，集热器玻璃盖板和保温层以对流和辐射的形式向周围环境散热，散热损失包含玻璃盖板顶部热损失Q₂和四周边缘热损失 Q₃。能量传递过程循环往复直至稳定。

对集热器内海水流动与传热进行微观分析，对于稳态不可压二维层流流动，其能量守恒方程为：

式中，ρ、c_p和λ分别是海水的密度、定比压热容、导热系数；u和v分别是海水的速度；T是海水的温度。与含内热源的一维导热微分方程相比，式(1～1)左端对流项可比作内热源项后，再对边界层进行积分，其矢量形式为：

式中，δ_t和q_w分别为热边界层的厚度及壁面的热流密度。

通过无因次化后可得：

其中被积因子可表示为：

式中，β为速度矢量与温度梯度矢量间的夹角。

由式1-3可知，强化传热可以通过缩小流道直径、增加流速等来提高流体流动雷诺数Re；改变流体比热容、黏性等提高流体普朗特数Pr；改变速度温度场协同提高无因次积分值

等途径来实现。

对集热器内海水流动与传热进行宏观分析，集热器内海水吸收的有效热量主要受集热器采光面积、海水流量、海水的定压比热、导热系数以及海水的进出口温差等影响，根据能量守恒定律，单位时间内海水吸收的热量为：

式中：Q₁为单位面积吸收的热量或传递的热量，W；d为圆管直径，m；u为流体流速，m/s；ρ为工质的密度，kg/m³；c_p为定压比热，J/(kg·K)；t₂、t₁和Δt分别为单位时间内流体流出温度、流入温度、温差，K；

由式(1)可得单位时间内温升速率为：

Δt＝4Q₁/πd²uρc_p (1-6)

由传热过程可得，对流传热速率方程为：

式中：α为对流传热系数，W/(m2·K)；Δt_m为工质的平均温差，K；T₂和T₁分别为吸热管出口端和进口端温度，K。

从关系式(1-6)和(1-7)，可以得出温升速率关系式为：

可见，基于对集热器内海水流动与传热微观和宏观分析，优化流体流道、提高对流传热系数、改善速度温度场协同均可提高升温速率。

专利文献CN113790532A公开了一种基于液膜传热的高效太阳能热水器，该基于液膜传热的高效太阳能热水器利用布液器与导流翅片使水在集热板涂层上面形成均匀的水膜，强化水与集热板的换热能力。由于该方案的水膜流动是在太阳能集热板吸热涂层的上表面流动，水膜会对辐射到吸热板的太阳光有阻碍作用，水膜越厚对太阳能的辐射阻碍越严重。水膜直接影响太阳光到吸热板的透射率，导致涂层对太阳光光能转化为热能的转化效率降低，使得吸热板涂层上面的液膜吸收的热量有限，也会使太阳能热水器集热效率提升受限。

发明内容

为了解决现有的普通平板型太阳能集热装置对海水加热升温速率慢、出口温度低、不能满足热电联产海水淡化系统对海水快速加热升温的连续生产要求、及太阳能的低温热源与热电联产的高温热源不能协同匹配等问题，本发明提供了一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面本发明提供了一种基于微缩放通道太阳能海水快速预热升温装置，包括：

流道，所述流道由若干节周期性缩放流道组成；所述缩放流道包括缩放段以及和所述缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，所述缩放段的口径由大变小，所述扩张段的口径由小变大；

所述流道的横截面外形为矩形状。

进一步地，所述流道设置有若干条，若干条流道并排而设。

进一步地，所述流道的高度为0.5～1.5mm，宽度为50～60mm。

进一步地，所述扩张段长度：缩放段长度为1：3～1：4。

进一步地，所述收缩段的长度为0.6～1.2mm。

进一步地，所述扩张段的长度为0.2～0.3mm；一节缩放流道的长度为0.8～1.5mm

进一步地，所述缩放段的最窄位置处和扩张段的最宽位置处的高度差为0.1～0.2mm。

进一步地，所述流道最大的口径间距为0.8～1.5mm。

第二方面，本发明提供一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温方法，包括：

采用缩放液膜流动传热方法来提高加热升温速率；所述缩放液膜流动传热方法为：

缩放液膜由流体通过微缩放通道流动而形成，所述微缩放通道应用于太阳能集热装置；所述微缩放通道由多条流道组成，所述流道的横截面外形为矩形状；所述流道由若干节周期性缩放流道组成，所述缩放流道包括缩放段以及和所述缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，所述缩放段的口径由大变小，所述扩张段的口径由小变大；缩放液膜在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动扩张段产生的剧烈漩涡在收缩段得到有效利用，液膜通过周期性缩放来改变近吸热板流体边界层底层状态进一步提升换热效果。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提供了一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置，采用微缩放通道，使海水形成缩放液膜流动；由于海水液膜通过缩放周期性流动，增强了流体湍流强度，减薄液膜传热边界层，缩小速度场与温度场梯度矢量夹角，相比于普通平板型太阳能集热装置中的圆管传热，对流传热系数大幅提升；此外，海水液膜与太阳能吸热板充分接触，传热面积大幅增大，换热量进一步大幅提升；再通过对缩放流道关键参数扩张段长度、缩放段长度及肋高尺寸进行优化，发挥更佳的传热性能，进一步提高加热升温速率；最后通过多通道设计，液膜在流道内往返流动，相比单流道延长了吸热时间，提高海水的出口温度；基于上述方法形成了一套对海水加热升温速率快、出口温度高、满足热电联产海水淡化系统连续生产要求及太阳能低温热源与热电联产高温热源协同匹配的新型高效太阳能集热装置。

附图说明

图1为现有普通平板型太阳能集热器能量传递过程示意图；

图2为缩放流道流体流动示意图；

图3为缩放流道缩放段和扩张段流动旋涡示意图；

图4为平行流道流体流动示意图；

图5为16条缩放流道的正面布置示意图；

图6为单条缩放流道的侧面断面图。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，普通平板太阳能集热器，太阳辐射的受热面积尽管为整块吸热板，但有效面积仅仅为太阳光照射到的光滑圆管一半的外表面积，流体与光滑管交换的热量非常有限，导致流体升温慢，如果想要增加光滑圆管的太阳照射面积则需要加大光滑圆管的直径，一旦加大光滑圆管的直径，那光滑圆管内的流体厚度就很大，流体的升温速度也很慢。

为了解决流体传热量不足、升温速度慢的问题，如图5所示，本申请采用窄缝全流道，形成薄膜流，即将流道的横截面外形由圆形状改为扁平的矩形状，扁平的矩形状能够使流道内的流体形成薄膜流，而且各流道之间能够并排贴合而设，从而形成全流道的方式，进而使得太阳能辐射有效面积提升为整块吸热板。采用全流道的方式与太阳能集热装置中吸热板充分接触，整个集热器表面都可以接收太阳能。对比普通的平板型太阳能集热装置，直接换热面积可以提高9～11倍，吸热量也增加9～11倍，仅仅通过改变流体形状形成薄膜流，升温速率提高了200％～300％。

参阅图2～3所示，本实施例提供的一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置所采用的流道其横截面外形也是扁平的矩形状，但独特之处在于本申请的流道是由若干节周期性缩放流道组成，缩放流道包括缩放段以及和缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，缩放段的口径由大变小，扩张段的口径由小变大。如此，通过将平行流道设计为高效的缩放流道，流体进入缩放流道流动形成缩放液膜，缩放液膜在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动，扩张段产生的剧烈漩涡在收缩段得到有效利用，缩放液膜通过周期性收缩扩张来改变流体边界底层状态来提升换热效果。缩放液膜传热具有传热传质系数大、温差小、热流密度高等优点，相比于圆管内的流体传热，对流换热系数有显著提高，对流换热系数提高6～10倍。缩放液膜采用全流道流动方式吸热太阳能热量。此外，由于缩放流道是由缩放段和扩张段组成的，为了便于流体流动漩涡的形成，一般情况下扩张段的长度是要大于缩放段的，但发明人在实验中偶然发现，扩张段长度：缩放段长度处于1：3～1：4传热效果更佳，此优化结构下的缩放流道升温速率相比于扩张段的长度大于缩放段长度的缩放流道可以提高 30％～50％，取得了意料不到的效果。

另外，由于由缩放段和扩张段的具体结构尺寸也是影响升温速率的关键因素之一，为此，发明人对缩放段和扩张段的具体结构尺寸进行了优化改进。具体地，如图6所示，该收缩段 p₁的长度为0.6～1.2mm，扩张段的长度p₂为0.2～0.3mm，一节缩放流道的节据p为0.8～1.5mm；缩放段的最窄位置处和扩张段的最宽位置处的高度差(即肋高e)为0.1～0.2mm，流道的最大口径间距h为0.8～1.5mm。流道的主要结构尺寸如表1：

表1 流道的主要结构尺寸

如此，通过对缩放流道关键参数扩张段长度、缩放段长度及肋高尺寸进行优化，在上述各个尺寸结构的协同作用下，发挥出了更佳的传热性能，进一步提高加热升温速率；相对于流体在圆管内流动传热，传热系数仅有200～400W/mk，而流体在上述表1结构下的微缩放流道内流动传热，传热系数高达2000～2500W/mk，优化后形成缩放薄膜流，缩放薄膜流传热系数高，传热系数α提高了近6～10倍。缩放薄膜流与吸热板接触充分，能使温升速率提升230％～350％

具体地，如图5所示，本实施例所提供的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置一共并排贴合设置有16条流道，其中8条流道作为流体进口，8条流道作为流体出口，每条流道高度0.5～1.5mm，宽度50～60mm，长度2000mm，相比于图1所示的普通平板型太阳能集热装置(内含8条圆管，圆管直径8mm，长度2000mm)中圆管通道，加热介质流体在集热装置内形成缩放液膜往返流动，与太阳能集热装置中吸热板充分接触提高加热升温速率；升温速率可以提高230％～350％。相比于普通平板型太阳能集热装置中圆管通道单流道，微缩放通道太阳能快速预热升温装置中流体介质在缩放流道内往返流动相比单流道延长吸热时间，一次性将加热介质的出口温度提高到与热电联产高温热源协同配合的温度，形成一种可使海水快速升温的新型高效的太阳能集热装置。缩放液膜在流道内往返流动，提高流体出口温度；在自然光太阳能辐射强度为800～1500W/m2，进水温度为25～28℃时，缩放液膜往返流动后出口温度可以高达100～110℃；相对于普通平板型太阳能集热装置圆管单流道，不仅延长了吸热时间，流体的出口温度一次性提高到100℃以上。

综上，本实施例提供的基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置与现有技术相比，具有如下技术优势：

1、普通平板太阳能集热器，太阳辐射的受热面积尽管为整块吸热板，但有效面积仅仅为太阳光照射到的光滑圆管一半的外表面积，流体与光滑圆管交换的热量非常有限，导致流体升温慢；为了解决流体传热量不足的问题，采用窄缝全流道，形成薄膜流，采用全流道方法与太阳能集热装置中吸热板充分接触，整个集热器表面都可以接收太阳能。对比普通的平板型太阳能集热装置，直接换热面积可以提高9～11倍，吸热量增加了9～11倍。

2、采用改善传热场协同的方法，通过将平行流道设计为高效的缩放流道，海水进入缩放流道流动形成缩放液膜，增强流体的湍流强度，减薄传热边界层，缩小速度场与温度场梯度矢量夹角，强化传热；对缩放流道关键参数扩张段长度、缩放段长度及肋高尺寸进行优化，发挥更佳的传热性能，进一步提高加热升温速率；相对于流体在圆管内流动传热，传热系数仅有200～400W/mk，而缩放液膜流动传热系数高达2000～2500W/mk；流体通过缩放流道形成缩放液膜薄膜流，缩放液膜流传热系数α提高了近6～10倍；缩放液膜薄膜流与吸热板接触充分，温升速率可提升230％～350％。

3、缩放液膜在流道内往返流动，相比单流道延长了吸热时间，海水的出口温度一次性提高到100℃以上。在太阳自然光辐射强度为800～1500W/m2，海水进口温度为25～28℃时，缩放液膜在双流道内出口温度可以高达100～110℃；达到与热电联产高温热源协同配合的所需温度，满足太阳能的低温热源与热电联产的高温热源协同匹配，形成一种可使海水快速升温的新型高效的太阳能集热装置。

4、与普通平板太阳能集热器需要反复循环流动1～2小时才能将30℃的低温加热到 70～90℃的中温相比，基于微缩放通道的太阳能海水淡化预热的快速升温装置能够连续运行，可实现热电联产海水淡化系统连续生产要求。

实施例2：

本实施例提供了一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温方法，包括：

采用缩放液膜流动传热方法来提高加热升温速率；所述缩放液膜流动传热方法为：

缩放液膜由流体通过微缩放通道流动而形成，所述微缩放通道应用于太阳能集热装置；所述微缩放通道由多条流道组成，流道的横截面外形为矩形状，多条流道并排贴合而设；所述流道由若干节缩放流道组成，所述缩放流道包括缩放段以及和所述缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，所述缩放段的口径由大变小，所述扩张段的口径由小变大；缩放液膜在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动扩张段产生的剧烈漩涡在收缩段得到有效利用，液膜通过周期性缩放来改变近吸热板流体边界层底层状态进一步提升换热效果。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是条据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，包括：

流道，所述流道由若干节周期性缩放流道组成；所述缩放流道包括缩放段以及和所述缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，所述缩放段的口径由大变小，所述扩张段的口径由小变大；

所述流道的横截面外形为矩形状。

2.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述流道设置有若干条，若干条流道并排而设。

3.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述流道的高度为0.5～1.5mm，宽度为50～60mm。

4.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述扩张段长度：缩放段长度为1：3～1：4。

5.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述收缩段的长度为0.6～1.2mm。

6.如权利要求1或5所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述扩张段的长度为0.2～0.3mm；一节缩放流道的长度为0.8～1.5mm。

7.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述缩放段的最窄位置处和扩张段的最宽位置处的高度差为0.1～0.2mm。

8.如权利要求1所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置，其特征在于，所述流道最大的口径间距为0.8～1.5mm。

9.一种基于微缩放通道太阳能快速预热方法，其特征在于，包括：

采用缩放液膜流动传热方法来提高加热升温速率；所述缩放液膜流动传热方法为：

缩放液膜由流体通过微缩放通道流动而形成，所述微缩放通道应用于太阳能集热装置；所述微缩放通道由多条流道组成，所述流道的横截面外形为矩形状；所述流道由若干节周期性缩放流道组成，所述缩放流道包括缩放段以及和所述缩放段相衔接的扩张段；沿着流道内流体介质的流动方向，所述缩放段的口径由大变小，所述扩张段的口径由小变大；缩放液膜在方向反复改变的轴向压力梯度作用下流动扩张段产生的剧烈漩涡在收缩段得到有效利用，液膜通过周期性缩放来改变近吸热板流体边界层底层状态进一步提升换热效果。

10.如权利要求9所述的基于微缩放通道太阳能快速预热升温方法，其特征在于，所述多条流道并排而设。

Images