SU1758359A1

SU1758359A1 - Solar radiation evacuated receiver

Info

Publication number: SU1758359A1
Application number: SU904807688A
Authority: SU
Inventors: Адольф Ибрагимович Рзаев; Леонид Леонидович Филатов; Владимир Исакович Кабаков; Георгий Викторович Циклаури
Original assignee: Государственный Научно-Исследовательский Энергетический Институт Им.Г.М.Кржижановского
Priority date: 1990-04-02
Filing date: 1990-04-02
Publication date: 1992-08-30

Abstract

Использование: изобретение позвол ет повысить эффективность работы приемника солнечного излучени , предназначенного дл использовани в солнечных коллекторах с параболоцилиндрическими концентраторами модульных солнечных электростанций. Сущность изобретени : сконцентрированное солнечное излучение попадает на часть наружной поверхности поглощающей трубы (Т) 1 с селективным покрытием 2 через окружающую ее коаксиаль- но прозрачную Т 3, где оно превращаетс в тепло, которое теплопроводностью передаетс через стенку Т 1 к теплоносителю. Т 3 крепитс на Т 1 с помощью сильфоное 4, компенсирующих температурные расширени Т 1 и 3. Внутри Т1 коаксиально размещена вытеснительна Т 5, заглушенна с обоих торцов пробками 6 конической формы . С одного торца Т 1 плавно переходит в патрубок 7 подвода питательной воды, а с другой - в отводной патрубок (П) 8 пара Теплоноситель по П 7, обтека пробку 6, подаетс Б кольцевой зазор между трубами, где закипает и превращаетс в пар, выход щий через П 8. Расположенные на внутренней поверхности Т 1 и наружной поверхности Т 5 многозаходные спиральные канавки (К) 10 и 11 привод т к закручиванию потока в кольцевом зазоре и образованию вихревых течений в канавках, что интенсифицирует теплообмен, резко снижает возможность образовани кризиса кипени и температурные напр жени в стенке Т1. Количество заходов К10 и 11, шаг их закрутки и направлени одинаковы. Рассто ние между соседними К в окружном на- правлении равно ширине К, а Т 5 ориентирована вокруг своей оси таким образом , что К 10 и 11 расположены напротив друг друга. 2 ил. Я со ел юUse: The invention improves the efficiency of the solar radiation receiver for use in solar collectors with parabolic concentrators of modular solar power plants. SUMMARY OF THE INVENTION: Concentrated solar radiation falls on a portion of the outer surface of the absorbing tube (T) 1 with a selective coating 2 through the surrounding coaxially transparent T 3, where it is converted into heat, which is transferred by thermal conductivity through the wall T 1 to the coolant. T 3 is attached to T 1 by means of bellows 4, which compensates for temperature expansions T 1 and 3. Inside T1, the displacing T 5 coaxially is placed, plugged at both ends with conical shaped plugs 6. From one end of T 1, the feedwater supply smoothly passes into the nozzle 7, and on the other - into the outlet (P) 8 steam 8 Heat carrier according to P 7, streamline plug 6, B gives an annular gap between the pipes, where it boils and turns into steam, the output 8. Through multiple inner grooves (K) 10 and 11 located on the inner surface of T 1 and outer surface of T 5, the flow in the annular gap and the formation of vortex currents in the grooves, which intensifies heat transfer, sharply reduces the possibility of a bale crisis. neither are the thermal stresses in the wall T1. The number of K10 and 11 visits, their twist pitch and direction are the same. The distance between neighboring K in the circumferential direction is equal to the width of K, and T 5 is oriented around its axis in such a way that K 10 and 11 are located opposite each other. 2 Il. I have done so

Description

Изобретение относитс к гелиоэнергети- ке и может быть использовано в солнечных коллекторах с параболоцилиндрическими концентраторами дл модульных солнечных электростанций.The invention relates to solar power and can be used in solar collectors with parabolic cylindrical concentrators for modular solar power plants.

Известен солнечный теплообменник, содержащий парогенерирующую трубу, трубу дл подачи питательной воды значительно меньшего диаметра, расположеннуюA solar heat exchanger is known, comprising a steam generating tube, a feed tube for supplying water of a much smaller diameter, located

внутри парогенерирующей трубы и прозрачную стекл нную оболочку, окружающую парогенерирующую трубу. Кольцевой канал между внутренней поверхностью стекл нной оболочки и наружной поверхностью парогенерирующей трубы вакуумиро- ван. Один из концов теплообменника снабжен трубой дл отвода пара. Труба подачи питательной воды начинаетс от противоположного конца теплообменника и проходит по всей парогенерирующей трубы. Прокачиваема через подающую трубу питательна вода разбрызгиваетс через маленькие отверсти в ее стенке на гор чую внутреннюю поверхность парогенерирующей трубы, где превращаетс в пар.inside the steam generating tube and the transparent glass envelope surrounding the steam generating tube. The annular channel between the inner surface of the glass shell and the outer surface of the steam generating tube was evacuated. One of the ends of the heat exchanger is equipped with a pipe for the removal of steam. The feedwater supply pipe starts from the opposite end of the heat exchanger and passes through the entire steam generating pipe. The feed water that is pumped through the feed pipe is sprayed through small holes in its wall onto the hot inner surface of the steam generating pipe, where it turns into steam.

Недостатком данного устройства вл етс следующее. The disadvantage of this device is the following.

При попадании капель жидкости на го- р чую поверхность пэрогенерирующей трубы возникает вление, когда капли, частично испар сь, оттесн ютс потоком пара от парогенерирующей поверхности. Это приводит к росту времени испарени капель, росту температуры стенки и возникновению кризиса орошени , сопровождающемус сильными локальными перегревами и пульсаци ми температуры стенки.When droplets of liquid fall on the hot surface of the perogenesis tube, the phenomenon occurs when the drops, partially evaporated, are pushed aside by the steam flow from the steam generating surface. This leads to an increase in the evaporation time of droplets, an increase in the wall temperature and the occurrence of an irrigation crisis, accompanied by strong local overheating and wall temperature pulsations.

Последнее обуславливает значитель- ные термические и усталостные напр жени в материале парогенерирующей трубы, особенно в услови х переменной солнечной инсол ции.The latter causes significant thermal and fatigue stresses in the material of the steam generating tube, especially under conditions of variable solar insolation.

Известен солнечный тепловой коллек- тор, содержащий поглотитель, выполненный в виде трубы с внутренними спиральными выступами с коаксиально размещенным в ней трубчатым нагревателем с наружными спиральными выступами. Труба и нагреватель образуют кольцевой канал, в котором установлена спиральна лента из эластичного материала. Периодическими колебани ми давлени нагреваемого воздуха вызывают соответствующие сокращени эластичной ленты, что приводит к перемешиванию нагреваемого воздуха в радиальном и осевом направлени х.A solar thermal collector is known that contains an absorber made in the form of a pipe with internal spiral projections with a tubular heater coaxially placed in it with external spiral projections. The pipe and heater form an annular channel in which a spiral tape of elastic material is installed. Periodic fluctuations in the pressure of the heated air cause a corresponding reduction in the elastic band, which leads to mixing of the heated air in the radial and axial directions.

Недостатки данного устройства следующие . Во-первых, пульсационный режим работы устройства из-за периодических колебаний давлени воздуха, что отрицательно сказываетс на теплообменных характеристиках работы устройства и может привести к ухудшению теплообмена при достаточно высоких тепловых потоках, сопровождающемус сильными локальными перегревами и пульсаци ми температуры стенки.The disadvantages of this device are as follows. First, the pulsating mode of the device operation due to periodic fluctuations in air pressure, which adversely affects the heat transfer characteristics of the device and can lead to a deterioration of heat transfer at sufficiently high heat fluxes, accompanied by strong local overheating and wall temperature pulsations.

Во-вторых, при применении в качестве теплоносител несжимаемых жидкостей (например, воды), колебани давлени приведут к сильным пульсаци м расхода тёпло- носител и возможно даже его опрокидыванию. Такой режим работы также способствует ухудшению теплообмена вследствие возникновени застойных зон. Кроме того, резко увеличиваетс гидравлическое сопротивление и соответственноSecondly, when using incompressible liquids (for example, water) as heat transfer media, pressure fluctuations will lead to strong pulsations of heat carrier flow and possibly even its tilting. This mode of operation also contributes to the deterioration of heat transfer due to the occurrence of stagnant zones. In addition, the hydraulic resistance sharply increases and

мощность, затрачиваема на прокачку теплоносител .power required for pumping coolant.

Целью изобретени вл етс повышение эффективности использовани солнечной энергии приемником солнечного излучени за счет обеспечени беспульса- ционного, бескризисного режима работы при использовании приемника дл парообразовани .The aim of the invention is to increase the efficiency of the use of solar energy by the solar radiation detector by providing a pulsatile, crisis-free mode of operation when using the receiver for vaporization.

Указанна цель достигаетс тем, что в приемнике солнечного излучени , содержащем установленные коаксиально внутреннюювытесчительнуютрубу , промежуточную поглощающую и наружную прозрачную трубу, патрубки подвода и отвода теплоносител , сообщенные с зазором между вытеснительной и поглощающей трубами и спиральные канавки, выполненные на внутренней поверхности поглощающей трубы и внешней поверхности вытеснительной трубы, вытеснительна труба заглушена с обоих торцов, спиральные канавки поглощающей и вытеснительной трубы размещены напротив друг друга, выполнены с одинаковым шагом закрутки, ширина канавок равна рассто нию между ними.This goal is achieved by the fact that in a solar radiation receiver, containing a coaxially installed inner piping, an intermediate absorbing and outer transparent pipe, coolant inlet and outlet connections communicated with the gap between the displacement and absorbing pipes and helical grooves made on the inner surface of the absorbing pipe and the outer surface displacement pipe, displacement pipe is plugged at both ends, spiral grooves of the absorbing and displacement pipe are placed opposite each other, made with the same twist pitch, the width of the grooves is equal to the distance between them.

На фиг. 1 изображен приемник солнечного излучени , продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение.FIG. 1 shows a solar receiver, a longitudinal section; in fig. 2 is the same cross section.

Приемник солнечного излучени содержит поглощающую трубу 1 с селективным покрытием 2 на наружной поверхности, окруженную хоаксиально прозрачной трубой 3. Труба 3 крепитс на трубе 1 с помощью сильфонов 4, предназначенных дл компенсации разности температурных расширений трубы 3 и трубы 1. Кольцевое пространство, образованное трубами 1 и 3 сильфонами 4 взкуумировано до давлени мм рт.ст.The solar receiver contains an absorbing tube 1 with a selective coating 2 on the outer surface, surrounded by a coaxially transparent tube 3. The tube 3 is attached to the tube 1 by means of bellows 4, designed to compensate for the difference in temperature expansions of the tube 3 and tube 1. The annular space formed by the tubes 1 and 3 bellows 4 are charged up to a pressure of mm Hg.

Внутри трубы 1 коаксиально размещена вытеснительна труба 5, заглушенна с обоих торцов пробками 6 конической формы. С одного торца труба 1 плавно переходит в патрубок подвода питательной воды 7, а с другой - в патрубок отвода пара 8. Труба 5 закреплена внутри трубы 1 с помощью перемычек 9. На внутренней поверхности трубы 1 методом электрохимической обработки нанесены многозаходные спиральные канавки 10, а на наружной поверхности трубы 5 - многозаходные спиральные канавки 11. При этом количество заходов канавок 10 равно количеству заходов канавок 11, шаг закрутки (т.е. длина, на которой канавки совершает оборот вокруг оси трубы на 360°) канавок 10 равен шагу закрутки канавок 11. Закрутка канавок 10 и 11 имеет одинаковое направление (левое или правое), рассто ние ежду соседними канавками в окружном направлении равно ширине канавок, а труба 5 ориентирована вокруг своей оси таким образом , что канавки 11 расположены напротив канавок 10.Inside the pipe 1 there is a coaxially placed pressure pipe 5, which is plugged at both ends with conical shaped plugs 6. From one end, the pipe 1 smoothly passes into the feedwater supply pipe 7, and on the other, to the steam outlet pipe 8. The pipe 5 is fixed inside the pipe 1 with jumpers 9. Multiple spiral grooves 10 are applied on the inner surface of the pipe 1, and on the outer surface of the pipe 5 - multiple spiral grooves 11. The number of visits of the grooves 10 is equal to the number of visits of the grooves 11, the spin pitch (i.e., the length at which the grooves rotate around the pipe axis 360 °) of the grooves 10 is equal to the twist pitch grooves 11. Twist grooves 10 and 11 in the same direction (left or right), the distance ezhdu adjacent grooves in the circumferential direction is equal to the groove width, and the pipe 5 is oriented about its axis such that the grooves 11 are located opposite the grooves 10.

Поскольку труба 5 не участвует в про- цессе теплообмена, то дл обеспечени кон- центрации кольцевого зазора между трубами 1 и 5 материал и толщина стенки трубы 5 подбираетс таким образом, чтобы вес трубы 5 с учетом канавок и инертного газа, заполн ющего ее внутренний обьем, был равен Архимедовой силе, действующей на трубу в потоке теплоносител .Since pipe 5 does not participate in the heat exchange process, to ensure the concentration of the annular gap between pipes 1 and 5, the material and wall thickness of pipe 5 are selected so that the weight of pipe 5, taking into account the grooves and inert gas filling its internal volume , was equal to the Archimedean force acting on the pipe in the flow of coolant.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Сконцентрированное солнечное излучение сквозь прозрачную трубу 3 попадает на часть наружной поверхности поглощающей трубы 1 с селективным покрытием 2, где превращаетс в тепло и теплопроводностью передаетс к внутренней поверхности трубы 1.Concentrated solar radiation through the transparent tube 3 falls on a portion of the outer surface of the absorbing tube 1 with a selective coating 2, where it is converted into heat and is transferred by thermal conductivity to the inner surface of the tube 1.

Теплоноситель (например, вода) по патрубку 7. обтека пробку 6, подаетс в коль- цевой зазор, образованный трубами 1 и 5. Двига сь по кольцевому зазору, теплоносител нагреваетс , воспринима тепло от трубы 1, закипает и превращаетс в пар, который отводитс через патрубок 8, т.е. приемник солнечного излучени работает в режиме пр моточного парогенератора с вынужденной циркул цией теплоносител . Такой режим работы позвол ет получать на выходе приемника пэр с массовым паросо- держанием вплоть до единицы, а также осуществл ть перегрев пара.The coolant (for example, water) through pipe 7. The streamline plug 6 is fed into the annular gap formed by pipes 1 and 5. Moving through the annular gap, the coolant heats up, taking heat from pipe 1, boils and turns into steam, which is removed through pipe 8, i.e. The solar receiver operates in the mode of a continuous-flow steam generator with forced circulation of the coolant. This mode of operation makes it possible to obtain, at the output of the receiver, a peer with mass vapor content up to one, as well as to superheat the steam.

Спиральные канавки 10 и 11 оказывают следующее воздействие на поток. Во-пер- вых, весь поток закручиваетс в кольцевом зазоре относительно оси приемника, т.е. скорость потока приобретает радиальную составл ющую. Во-вторых, в канавках 10 и 11 возникают вихри Тейлора-Гертлера, на- правленные в противоположные стороны, что обуславливает возникновение вихревых течений в пространстве между расположенными напротив друг друга канавками 10 и 11.The spiral grooves 10 and 11 have the following effect on flow. Firstly, the entire flow is twisted in the annular gap relative to the axis of the receiver, i.e. the flow rate acquires a radial component. Secondly, Taylor-Gertler vortices appear in the grooves 10 and 11, which are directed in opposite directions, which causes the occurrence of vortex flows in the space between the grooves 10 and 11 located opposite each other.

Сложное закрученное движение теплоносител приводит к тому, что, во-первых, выравниваетс распределение температуры стенки трубы 1 по периметру, за счет чего уменьшаютс температурные напр жени в материале стенки трубы. Во-вторых , интенсифицируетс теплообмен от стенки трубы к однофазной жидкости, что ведет к уменьшению температуры стенки трубы 1 при посто нном тепловом потоке на экономайзерном участке приемника - пр моточного парогенератора. В-третьих, значительно возрастает величина критического теплового потока, соответствующего кризису теплообмена 1 рода при кипении, что предотвращает возможность его возникновени и, следовательно, локального перегрева стенки трубы. В-четвертых, увеличиваетс , вплоть до единицы, граничное массовое паросодержание, при котором наступает режим ухудшенного теплообмена при кипении, стабилизируетс область перехода к этому режиму, сокращаетс сама зона ухудшенного теплообмена.The complex swirling motion of the coolant leads to the fact that, firstly, the temperature distribution of the wall of the pipe 1 along the perimeter is equalized, due to which the temperature stresses in the material of the pipe wall are reduced. Secondly, heat transfer from the pipe wall to a single-phase fluid is intensified, which leads to a decrease in the temperature of the pipe wall 1 at a constant heat flux in the economizer section of the receiver — the direct steam generator. Thirdly, the magnitude of the critical heat flux corresponding to a heat exchange crisis of the first kind at boiling increases significantly, which prevents its occurrence and, consequently, localized overheating of the pipe wall. Fourth, the boundary mass vapor content increases, up to a unit, at which the mode of degraded heat transfer occurs at boiling, the transition to this mode stabilizes, the area of degraded heat transfer itself is reduced.

Claims

Claims of the Invention A vacuum solar receiver containing a coaxially mounted inner pressure pipe, an intermediate absorption pipe and an outer transparent pipe, supply and discharge connections of a heat transfer fluid communicated with a gap between the pressure pipe and the absorption pipe, while on the inside surface of the absorption pipe and on the outside surface of the pressure pipe spiral grooves are provided, characterized in that, in order to increase the efficiency of solar energy use by both sintering a pulsating, crisis-free mode of operation when using a receiver for vaporization, the pressure tube is plugged at both ends, the spiral grooves of the absorption and pressure tubes are placed opposite each other, made with the same spin pitch, the width of the grooves is equal to the distance between them.

W

F // U