CN1392947A - 利用太阳能产生蒸汽的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用太阳能产生蒸汽的方法，由此将水带进包括多个大致水平的金属管(2)和照射到这些管子(2)上的太阳能的聚能器(3)的管子区(1)中，由此在该管子区(1)的加热部分(14)中对水进行加热，该水在具有多个与加热部分(14)连接的平行管子(2)的管子区(1)的饱和部分(15)中被转变成饱和蒸汽，并且在管子区(1)的过度加热部分(16)该饱和蒸汽被过度加热，其特征在于，在与加热部分(14)连接的饱和部分(15)的平行管子(2)中，以这样的速度供应一定量的蒸汽，从而水在这些管子(2)中贴着内壁成管状流动。

Description

利用太阳能产生蒸汽的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于利用太阳能产生出蒸汽的方法，由此将水带进包括多个大约水平的金属管和照射在这些管子上的太阳能的聚能器的管子区域中，由此在该管子区的加热部分中对水进行加热，在具有多个与加热部分连接的平行管子的管子区的饱和部分中，使该水转换成饱和蒸汽，并且在管子区的过度加热部分中，该饱和的蒸汽受到过度加热。
背景技术
不同部分的金属管形成布置在聚能器的聚焦线中的吸收器。这些聚能器收集光辐射并且为此跟随着太阳。它们直接或在另外聚集和折射到设置在管子上方的第二聚能器上之后将光辐射集中地折射到一部分管子上。
过度加热的蒸汽可以用于各种用途，例如驱动与发生器连接的蒸汽轮机。
在丹麦专利申请No.1008355中描述了一种类似的方法。
在加热部分中，管子完全充满了水，并且在过度加热部分中，它们完全充满了蒸汽，而在饱和部分中，这些管子包含有水以及蒸汽。
根据该公知的方法，水从加热部分均匀地分布在饱和部分的平行管子上。
在这些平行管子的起始端中实际上没有任何蒸汽。离另一个端部越近，蒸汽量越多。
一开始该蒸汽可以具有气泡的形状，该气泡随着吸收了越来越多的热量并且到达管子的另一端时而变得越来越大。在一段距离之后，水将处在底部并且蒸汽位于其上方。
因此，限制了管子热量的利用，所述管子通过聚能器而被太阳能加热。
实际上，水吸收热量比已经形成的蒸汽好得多，但是只有一部分管壁与水接触。
而且，管子的底部被水冷却比顶部被蒸汽冷却得更快，因此该管子会卷曲。
发明概述
本发明的目的在于提供一种避免这些缺点的方法，因此通过这个方法可以更有效地利用太阳能并且防止了这个部分的管子卷曲的危险。
根据本发明，因为以这样的速度即水成管状压靠着内壁流进这些的管子将一定量的蒸汽带进与加热部分相连的饱和部分的平行管子中，所以可以实现这个目的。
因此水将覆盖着这些管子的整个内壁，从而使这些管子的热转换最优。利用蒸汽速度和水的速度之间的明显比率来获得成管状压靠着管子内壁的水流。
优选的是，从加热部分提供给饱和部分的平行管子的水在这些管子的入口处膨胀，从而由于压力降低的缘故所以立即产生出蒸汽，并且这具有这样的速度即水成管状流进这些管子。
在该实施方案中，通过从加热部分流进饱和部分的水的膨胀来获得供应给这些平行管子的蒸汽，因此没有从外面额外供应任何蒸汽。
可以这样调节所供应的暖水的膨胀，从而使水的速度在0.1和1m/s之间并且蒸汽的速度在0.6和2.5m/s之间。
膨胀可以在大约50巴的压降下进行，例如从160巴的压力到110巴的压力。
在本发明的特定形式的实施方案中，在日落之后，仍然存在于加热部分中而没有加入到饱和部分的暖水存放在绝缘容器中，并且当太阳升起时，再次从容器将所存储的且仍然温暖的水供应给加热部分。
这使得仍然能够利用白天太阳的最后温暖以便在早上更快地获得蒸汽。在将这个最后所述的水带进饱和部分的情况下，考虑到以下事实即由于饱和蒸汽仍然可以形成，所以在其到达过度加热部分时，用于过度加热所述蒸汽的太阳能没有或不够，所以它无论如何都不能受到利用。
在另一个形式的实施方案中，在日落时处于饱和部分中的水在太阳能仍然足够的期间在过度加热部分中完全转变成饱和蒸汽并被过度加热，并且为此，要在日落之后的特定时刻停止向饱和部分供应水。
本发明还涉及一种尤其适用于实施根据前面所述的本发明的方法的装置。
因此，本发明涉及一种利用太阳能产生蒸汽的装置，该装置包括至少一个包含多个大致水平的金属管和照射在这些管子上的太阳能的聚能器的管子区，由此该管子区包括用于加热水的加热部分、具有至少多个与加热部分连接用于使该水转变成饱和蒸汽的平行管子的饱和部分以及用于过度加热蒸汽的过度加热部分，并且该装置的特征在于，在与加热部分连接的饱和部分的平行管子的入口处设有用来将蒸汽带进所述管子的装置。
这些装置可以由位于与加热部分连接的所述管子的入口中的可调节膨胀阀组成。
优选的是，加热部分包括热绝缘的容器，其出口与加热部分的入口连接，而回流管将该加热部分的入口连接在容器的入口上。
附图的简要说明
为了更好地显示出本发明的特征，之后参照附图以没有任何限制性特征的实施例来对根据本发明用于产生蒸汽的方法和设备的优选形式的实施方案进行说明，其中：
图1大致地显示出根据本发明利用太阳能产生蒸汽的装置的视图；
图2大致地并且放大地显示出沿着图1中的直线II-II剖开的横断面；
图3大致地并且放大地显示出图1的装置中的其中一个管子区的平面图；
图4大致地显示出与图3类似的平面图，但是涉及本发明的另一种形式的实施方案；
图5大致地显示出与图3类似的平面图，但是涉及本发明实施方案的还有一种形式。
优选实施方案的详细说明
如图1和2所示，根据本发明利用太阳能产生蒸汽的装置基本上由多个包括水平金属管例如钢管2和与之共同协作的聚能器3的管子区1组成。
例如，管子2其内径为20cm并且长度可以高达1000m。它们形成吸收器并且优选涂覆有黑色吸热材料。
管子区1相互平行地设置并且通过蒸汽管道4和水管5与连接在能量发生器7连接的蒸汽轮机6连接。这些管子区和蒸汽轮机6与管道4和5一起形成封闭的管路，在该管路中在蒸汽轮机之后设置有冷凝器8、水容器9和泵10。
所述聚能器3可以具有不同的形式。在其最简单的形式中，如图中大致所示的一样，聚能器3由长方形抛物面弯曲的镜11构成，其聚焦线与管子2一致。这些镜子例如具有大约40m的长度。
通过马达12利用传动装置13使该镜子11转动以便连续地跟随太阳。
聚能器3还包括条带形镜子，并且可以将另外的第二聚能器设置在管子2的上方。
如在图3中所详细地显示出的一样，每个管子区1包括三个部分，即将水加热至蒸发温度并且处于相对较高压力下的加热部分14，使水蒸发并且产生出饱和蒸汽的饱和部分15以及过度加热饱和蒸汽的过度加热部分16。
饱和部分15和过度加热部分16是超尺寸的，这意味着它们预计非常大，因此可以吸取比所需要的更多的太阳能。
在所示的实施例中，加热部分14包括四个串联布置的管子2，这意味着它们在其末端处通过接头17相互连接。
在该加热部分14的入口18中，顺序设置有泵19、切断阀20和流速计21。
加热部分14包括热绝缘容器22，其入口23通过回流阀24连接在加热部分14的出口25上，并且出口26通过管道27连接在入口18上。
在出口25和入口23之间，在回流管道24中顺序设置有泵28、温度计29、流速计30、压力表31和回流阀32。
饱和部分15包括五个管子2，即一个相互并联的三个管子的组15A以及之后也是相互并联的两个管子的组15B。
第一组15A的三个管子2单独地通过它们的入口33连接在加热部分14的出口25上，在所述入口中设有膨胀阀34和调节阀35。
所述三个管子2其入口36连接在收集器管道37上，第二组15B的两个管子通过所述收集器管道也连接在一起。
这两个管子2的出口39连接在将热量发送进水分离器41的收集器管道40上。
收集器管道40还向泵42发热，该泵的出口通过管道43发热给组15A的三个入口33。
过度加热部分16包括三个以并联方式连接的管子2，这些管子其入口44连接在收集器管道45上，该管道向水分离器41的顶部发热并因此只容纳有蒸汽。
三个管子2其出口连接在收集器管道47上。所述管道连接在其中设有压力表48、流速计49和温度计50的蒸汽管道4上。
注射管道51通过调节阀52将管道37连接在过度加热部分16的三个管子上。
该装置的运行如下：
在加热部分14的管子2中，通过泵19泵进的水在110或160巴的压力下被太阳能加热至沸点。
当太阳落下时，当然提供给该部分的热量停止。但是，在该部分中存在大量已经被加热的水，并且在该加热部分14的输出端处甚至处在沸腾温度下。
为了防止这些水在日落之后冷却并且在输出端处再次到达沸点之前必须在早上日出时被重新加热，该重新加热会花费1小时多，因此在日落时利用泵28通过回流管24从加热部分14将该热水泵送到容器22，该容器处于和加热部分14相同的压力下并且具有与加热部分14的水量对应的容积。
通过出口26将存在于该容器32中的较冷的水例如80℃的水压出该容器22并进入到加热部分14，从而来自该部分的热水就完全由该较冷的水所代替。
在日出时，进行相反的操作，即利用泵28将该较冷的水泵送出加热部分14并且被在昨夜存储在容器22中的热水代替，并且因为这个容器22是绝缘的，因此该水实际上没有冷却例如仍然在300℃以上。
优选的是，最热的水首先存放在容器22中，因此也最先被泵送回加热部分14中，从而在这个泵送之后，最热的水就处在加热部分14的出口25附近。
因此，在日出之后该装置就可以更快地在满功率下工作，因而处于沸点的水可以更快地流到饱和部分15。
在该饱和部分15中，热水转变成蒸汽。在管子2中，存在热水以及蒸汽。在管子2中，可以获得正常的速度，该速度对于水而言可以为3-5m/s而对于蒸汽而言可以从60-100m/s，但是根据本发明水的速度限制在0.1和1m/s之间的数值上并且蒸汽的速度限制在0.6和2.5m/s之间的数值上。
已经注意到，这样就可以实现管状流，从而水贴靠在管子2的内壁上并且蒸汽在水的“圆筒”内部流动。
为了在饱和部分15的开始处就获得这个图形，因而在组15A的管子2的入口33处的一般没有任何蒸汽的地方无论如何都必须提供适当量的蒸汽。
这是通过利用膨胀阀34以50巴的压降例如从主要在加热部分14中的110或160巴分别到60巴、100巴使所提供的沸水膨胀来实现的。
通过这个膨胀，蒸汽将立即在入口33处形成。可以通过膨胀阀34来调节蒸汽速度，并且调节阀35也可以帮助进行调节。
由于贴在饱和部分中的管壁上的水的管状流动，所以管子2受到均匀的加热，并且太阳能的吸收是最优的。
仍然存在于出口39处的饱和蒸汽中的少量水在水分离器41中被分离，并且利用泵42可以通过管道43将该水朝向第一组15A的管子2的入口33泵送。
在过度加热部分16中，饱和部分15的饱和蒸汽被过度加热以便最终朝着蒸汽管道4流向蒸汽轮机6。
在该过度加热部分16中的温度调节可以通过从收集器管道37将一定量饱和蒸汽注射穿过注射管道51进入该部分16的一个或多个管子2中来进行。
在图4中所示的装置形式与上述实施方案的形式的主要不同之处在于，饱和部分15还包括热绝缘容器53，该容器相对于组15A的三个管子以平行的方式布置并且去掉了调节阀门35。
在其远离水分离器41的侧面上，收集器管道40包括两个支管，即通过调节阀54连接在管道43上的支管40A，和其中具有泵55和与容器53的入口57连接的关闭元件56的支管40B。在两个支管40A和40B之间，管道58在其中设有调节阀59。
容器53的出口连接在收集器管道37上。该装置的作用类似于前面所述的功能，它们的差别在于，在日落时或当在白天过程中太阳没有照耀的时候，关闭元件56打开，而调节阀54和59关闭并且利用泵55通过支管40B将来自支管40B的水泵送给容器53。
被压出该容器53的水将通过出口60进入收集器管道37。
位于饱和部分15中的蒸汽例如通过过度加热部分16从该部分中排出，但是在那里它不必被过度加热，并且朝着例如脱盐装置的蒸发器引导。
在日出时或当太阳再次照耀时，可以利用泵55将现在处于饱和部分15中的水泵送给容器53，因此从该容器53中将所存储的水泵送回饱和部分15并且更具体的说进入收集器管道37。
可以采用在任何情况中用来防止饱和部分15在晚上的热量损失的方法，例如在使用如图1所示的装置时，包括通过关闭膨胀阀34在日落之前的特定时刻下停止向该饱和部分15提供水并且使仍然存在于该饱和部分15中的所有水蒸发随后在过度加热部分16中对它进行过度加热。
因此必须选择或估计上述时间，从而在停止水供应之后，可以有足够的太阳能来进行水的完全蒸发以及蒸汽的过度加热。
在图5中所示的实施方案的形式与在图1-3中所示的装置的主要不同之处在于，用注射器61来代替膨胀阀34，该注射器通过注射管道62与收集器管道40的共同支管63连接。在该支管63中设有调节阀64。
代替通过使加热部分14的水膨胀来在入口33处产生出蒸汽，在该实施例中从外面为饱和蒸汽的纯蒸汽注射进水中。
在所有形式的实施方案中，在夜晚要尽可能将蒸汽提供给涡轮机6。当蒸汽的压力太低时，该蒸汽可能仍然用于使水脱盐。
在所有形式的实施方案中，可以实现效率提高因此可以更好地利用太阳能。
本发明决不只限于上述在附图中所示形式的实施方案，相反在不脱离本发明的范围的情况下用于产生蒸汽的这种方法和装置可以在不同的变型中实现。

Claims (13)

1.利用太阳能产生蒸汽的方法，由此将水带进包括多个大致水平的金属管(2)和照射到这些管子(2)上的太阳能的聚能器(3)的管子区(1)中，由此在该管子区(1)的加热部分(14)中对水进行加热，该水在具有多个与加热部分(14)连接的平行管子(2)的管子区(1)的饱和部分(15)中转变成饱和蒸汽，并且在管子区(1)的过度加热部分(16)中该饱和蒸汽被过度加热，其特征在于，在与加热部分(14)连接的饱和部分(15)的平行管子(2)中，以这样速度供应一定量的蒸汽，该速度使水在这些管子(2)中贴着内壁成管状流动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从加热部分(14)供应给饱和部分(15)的平行管子(2)的水在这些管子(2)的入口处膨胀，从而在压降的作用下立即产生出蒸汽，并且这是以这样的速度进行的，即水在这些管子(2)中贴着内壁成管状流动。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，调节所供应的暖水的膨胀，使得水的速度在0.1和1m/s之间并且蒸汽的速度在0.6和2.5m/s之间。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述膨胀在大约50巴的压降下进行。
5.如前面权利要求任一所述的方法，其特征在于，在日落之后，仍然存在于加热部分(14)中热水不是加入到饱和部分(15)中而是存储在热绝缘的容器(22)中，并且当太阳升起时，所存储的且仍然是热的水从容器(22)再次供应给加热部分(14)。
6.如前面权利要求任一所述的方法，其特征在于，在日落时或当太阳在白天期间停止照耀时，将饱和部分(15)中的水泵送给热绝缘的容器(53)，并且在日出时或当太阳再次开始照耀时，所存储的热水从容器(53)被带回进饱和部分(15)。
7.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，只要存在足够的太阳能，则在日落时位于饱和部分(15)中的水仍然完全转变成饱和蒸汽并且在过度加热部分(16)中被过度加热，为此在日落之前的某个时刻要切断向饱和部分(15)供应水。
8.用于利用太阳能产生蒸汽的装置，该装置包括至少一个包含多个大致水平的金属管(2)和照射在这些管子上的太阳能的聚能器(3)的管子区(1)，由此该管子区(1)包括用于加热水的加热部分(14)、具有至少多个与加热部分(14)连接用于将该水转换成饱和蒸汽的平行管子(2)的饱和部分(15)以及用于过度加热蒸汽的过度加热部分(16)，并且该装置的特征在于，在与加热部分(14)连接的饱和部分(15)的平行管子(2)的入口(33)处设有用来将蒸汽带进所述管子(2)的装置。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，这些装置由与加热部分(14)连接的管子(2)的入口(33)中的可调节膨胀阀形成。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，加热部分(14)包括热绝缘容器(22)，其出口(26)与加热部分(14)的入口(18)连接，而回流管(24)将该加热部分(14)的出口(25)连接在容器(22)的入口(23)。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，加热部分(14)包括多个相互串联连接的管子(2)。
12.如权利要求8-11中任一所述的装置，其特征在于，饱和部分(15)包括相互平行地设置的管子(2)的第一组(15A)，这些管子连接成其一个末端连接在加热部分(14)的出口(25)上并且其另一个末端连接在收集器管道(37)上，该饱和部分还包括平行地设置的管子(2)的第二组(15B)，其一个末端连接在所述收集器管道(27)上并且另一个末端连接在收集器管道(40)上。
13.如权利要求8-12中任一所述的装置，其特征在于，饱和部分(15)包括热绝缘容器(53)，其入口(57)与饱和部分(15)的出口连接并且其出口(60)与连接在加热部分(14)上的平行管子(2)的远离出口(33)的末端连接。
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