CN218495382U - 一种塔式太阳能高温热管集热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种塔式太阳能高温热管集热器，包括集热管结构和套在集热管结构上的壳体；所述壳体的两端分别具有开口，其中一端开口为工作流体进口，另一端开口为工作流体出口；所述集热管结构，在竖直方向上分为多层，每一层包括多根热管，所述热管向壳体内部延伸。本实用新型的优点是采用多层多排设计的集热管结构，减小了集热器内部热流密度分布不均匀性，解决了集热器局部热应力差异所带来的弯曲变形问题，提高了热管的使用寿命及使用安全。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种塔式太阳能高温热管集热器，属于集热器技术领域。
背景技术
集热器是塔式电站光-热转换的核心设备，它将定日镜场反射、聚焦的太阳辐射转换为可以高效利用的高温热能，从而加热流体工质并驱动发电电子系统输出电力。
塔式太阳能接收器分为间接照射和直接照射两大类。直接照射太阳能接收器也称空腔式接收器，这类接收器的特点是接收器向工质传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，同时空腔式接收器内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能，从而避免了选择性吸收涂层的问题。然而，采用这类接收器时，由于太阳能只能从其窗口方向射入，定日镜场的布置受到一定的限制。空腔式接收器工作温度一般在500～1300℃之间，工作压力≤30atm。间接照射太阳能接收器也称外露式太阳能接收器，其主要特点是接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的工质传递。管状接收器就属于这一类型。这种接收器可采用水、熔盐、空气等多种工质，流体温度一般在100～600℃之间，压力≤120atm，能承受的太阳能能量密度为1000kW/㎡。管状太阳能接收器的优点是它可以接收来自塔四周360°范围内定日镜反射、聚焦的太阳光，有利于定日镜镜场的布局设计和太阳能的大规模利用。
集热器不论是腔体内受光型还是外部受光型，大多采用管壁式，且外部受光型常为外部管屏式。然而研究表明，塔式集热器内部热流密度分布具有强烈的非均匀性，容易形成很大的不均匀温度场，能量主要集中在集热管屏中心。非均匀的热流密度容易引起局部过热，形成较大的热应力，从而导致集热器的弯曲变形并失效。在已有的塔式电站运行报告中，也出现过集热器结构被破坏所导致太阳能热发电站运行停止的事故。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种用于塔式太阳能热发电的高温热管集热器，能够解决非均匀热流密度所引起的局部过热，导致集热器弯曲变形并最终失效的问题。
为了达到以上目的，本实用新型的技术方案如下：一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：包括集热管结构和套在集热管结构上的壳体；
所述壳体的两端分别具有开口，其中一端开口为工作流体进口，另一端开口为工作流体出口；
所述集热管结构，在竖直方向上分为多层，每一层包括多根热管，且相邻两层的热管之间不连通，所述热管向壳体内部延伸。
本实用新型的热管结构采用多排多层分布，接受太阳辐射，且采用叉排交错布置，整体呈对称分布，可以更均匀地从四个面接受太阳辐射能。通过本实用新型设计的热管集热器，解决了非均匀热流密度引起的局部过热，导致集热器弯曲变形并最终失效的问题，提高了热管的使用寿命和使用安全。
本实用新型进一步细化的结构如下：
进一步的，所述集热管结构包括若干组热管，每组热管包括一根竖直管和至少两根折弯管；所述竖直管的上部直接延伸至所述壳体；所述折弯管在与上一层热管交错处分别具有向集热管结构内部弯曲或延伸的部分，并且所述折弯管在弯曲或延伸一段距离后向上延伸至所述壳体。
上述的集热管结构为由多组热管形成的多排多列结构，各组热管插排交错布置，分布均匀，使得集热器内部热流密度分布要均匀。
进一步的，所述折弯管由上、下两竖直段和中间一弯曲段组成。
上述结构中，热管为直管或直管与弯管相结合的管子，排布方便，多根热管在集热器内均匀排布，使得集热器内部热流密度分布均匀，避免因局部过热引起集热器变形。
进一步的，所述弯曲段与竖直段之间的夹角为90°或大于90°。
进一步的，所述集热管结构在竖直方向上从上至下分为四层，第一层由32根竖直管组成，第二层、第三层、第四层分别由32根折弯管组成。
进一步的，所述壳体设置在热管上方。
进一步的，所述壳体的底面设有壳体下管板，在所述壳体下管板上制有多个与热管相配合的通孔。
上述结构中，热管被壳体下管板分为上下两段，上部为放热段，下部为吸热段，吸热段的热管在水平方向上沿太阳入射光线前后方向交错分成两排以上分布，在竖直方向上分成两层以上分布，放热段的热管均为竖直分布。另外，壳体下板管不仅起到支撑壳体的作用，还是工作流体流通通道的下壁面。
进一步的，在所述壳体内设有沿热管轴向延伸的翅片。
进一步的，所述翅片为环形或螺旋状，所述翅片设置于热管外。
本实用新型的集热器采用高温热管作为吸热管，高温热管上部出入壳体内，与壳体内的工作流体及翅片进行换热，翅片用来加强换热。
进一步的，所述热管的横截面为圆形或多边形。
工作时，投射到集热器的太阳辐射一部分被每一层热管的第一排所吸收，另一部分透过热管之间的间隙传递至后面的每一排，确保了热管在每一侧都有受热，减轻热管受热不均匀的现象。
本实用新型的优点是采用多层多排设计的集热管结构，减小了集热器内部热流密度分布不均匀性，解决了集热器局部热应力差异所带来的弯曲变形问题，提高了热管的使用寿命及使用安全。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为图1去除壳体后的俯视图。
图3为图1的A-A向剖视图。
图4为本实用新型中一组热管的结构示意图。
图中：1.壳体下管板，2.第一高温热管，3.第二高温热管，4.第三高温热管，5.第四高温热管，6.工作流体进口，7.工作流体出口，8.翅片，9.壳体。
具体实施方式
本实施例的一种塔式太阳能高温热管集热器，其结构如图1至图4所示，包括截面为方形的壳体9和集热管结构，壳体9套在集热管结构的上部。壳体9为左右两端开口、内部中空的结构，壳体9的一端开口为工作流体进口6，另一端开口为工作流体出口7，工作流体是空气或二氧化碳。壳体9的底面设置壳体下管板1。壳体下管板1将集热管结构分为上下两部分，上部为放热段，下部为吸热段，放热段外包裹壳体9，在壳体下管板1上制有128个可与高温热管相配合的通孔，壳体下管板1与高温热管之间采用焊接或其他方式进行密封连接。壳体9内设有沿高温热管轴向延伸的翅片8，翅片8为环形或螺旋状，翅片8设置于高温热管外，用来加强换热。
集热管结构，在竖直方向上分为四层，每一层由32根高温热管组成（详细来讲，集热管结构从上至下的第一层由32根第一高温热管2组成，第二层由32根第二高温热管3组成，第三层由32根第三高温热管4组成，第四层由32根第四高温热管5组成），且相邻两层的高温热管之间不连通，即一层高温热管与上一层高温热管或下一层高温热管不连接。壳体9设在高温热管上方，并且高温热管插入壳体9内部一定距离。
集热管结构，由32组高温热管组成，高温热管的横截面为圆形或多边形，其材质为耐热合金钢。每组高温热管由第一高温热管2、第二高温热管3、第三高温热管4和第四高温热管5组成。128根集热管排布成8×16的阵列。其中，第一高温热管2为竖直管，直接延伸至壳体9；第二高温热管3、第三高温热管4、第四高温热管5在距离上一层高温热管一定距离时，向集热管结构内部弯曲或延伸，弯曲或延伸一段距离后向上弯曲，并延伸至壳体9。其中，第二高温热管3、第三高温热管4、第四高温热管5均由上、下两个竖直段和中间一个弯曲段组成，其中弯曲段与竖直段之间的夹角为90°的直角或大于90°的钝角。
壳体9内横向流过的工作流体用来吸热，壳体9内的高温热管用来放热。高温热管采用液态金属钠或钾作为工质。
本实用新型应用于塔式太阳能热发电系统，经过定日镜聚集后的太阳光辐射至集热器的吸热段，吸热段是由数根高温热管在水平方向形成两排以上，在竖直方向形成多层的热管分布结构。太阳光辐射传热由光能转化为热能，由吸热段的高温热管所吸收，热能再由高温热管的管壁传递至管内的液体工质金属钠或钾，液态金属钠或钾通过蒸发冷凝的相变换热将热量传递至集热器放热段高温热管的管壁。在集热器的放热段，一部分热量通过导热传递给管外的环形翅片或螺旋状翅片8，另一部分热量由从工作流体进口6进入流过冷凝段至工作流体出口7流出的工作流体带走，实现流体温度的提升以及高温热管温度的降低，至此工作流体通过后续热力装置来发电。
本实用新型在进行集热器设计时可计算出高温热管管径、间隙与每一排的间隔以及高温热管排数与层数，以确定在相应排数下高温热管的最大接受热量，且高温热管具有较强的传热能力。另外，本实用新型的接收器高4m左右，整体体积较小可以减小辐射能的散失，实现热量的聚集。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：包括集热管结构和套在集热管结构上的壳体；
所述壳体的两端分别具有开口，其中一端开口为工作流体进口，另一端开口为工作流体出口；
所述集热管结构，在竖直方向上分为多层，每一层包括多根热管，所述热管向壳体内部延伸。
2.根据权利要求1所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述集热管结构包括若干组热管，每组热管包括一根竖直管和至少两根折弯管；所述竖直管的上部直接延伸至所述壳体；所述折弯管在与上一层热管交错处分别具有向集热管结构内部弯曲或延伸的部分，并且所述折弯管在弯曲或延伸一段距离后向上延伸至所述壳体。
3.根据权利要求2所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述折弯管由上、下两竖直段和中间一弯曲段组成。
4.根据权利要求3所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述弯曲段与竖直段之间的夹角为90°或大于90°。
5.根据权利要求3或4所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述集热管结构在竖直方向上从上至下分为四层，第一层由32根竖直管组成，第二层、第三层、第四层分别由32根折弯管组成。
6.根据权利要求1所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述壳体设置在热管上方。
7.根据权利要求1所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述壳体的底面设有壳体下管板，在所述壳体下管板上制有多个与热管相配合的通孔。
8.根据权利要求1所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：在所述壳体内设有沿热管轴向延伸的翅片。
9.根据权利要求8所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述翅片为环形或螺旋状，所述翅片设置于热管外。
10.根据权利要求1所述一种塔式太阳能高温热管集热器，其特征在于：所述热管的横截面为圆形或多边形。
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