WO2012142932A1 - 一种相变换热装置 - Google Patents

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Description

1JL η ^ FP11067P
一种相变换热装置
技术领域
本发明涉及一种换热装置。
背景技术 随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发展， 太阳能聚热发电
( CSP )逐步为人们所认识， 在 CSP体系中， 吸热传热部分具有非常重要的 地位。 太阳能的集热管技术的换热介质， 目前主要采用导热油为传热工质， 经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。 由于目前的导热油工 作温度必须控制在 400 °C以内， 超出这一温度将会导致导热油裂解、 粘度提 高以及传热效率降低等问题，因此限制了太阳能聚热发电的工作温度。同时， 导热油使用成本很高， 因此迫切需要有新的传热工质取代导热油， 以提高工 作温度， 并降低装置造价和运行成本。 目前国际太阳能集热技术的换热介质 的替代品有熔融盐类材料， 但其结晶点较高， 大多在 230至 260 °C左右， 因 此直接替换仍有诸多困难， 当前熔融盐主要用于热储能。
用水直接作为换热介质的直接蒸汽发生 （DSG )技术已经试验多年， 该 技术与蒸汽锅炉受热管道运行原理相似， 以水为工质， 将低温水自吸热管路 一端注入， 水在沿管路轴向行进过程中吸热逐渐升温， 达到沸点后变为饱和 蒸汽，再继续吸热变为过热蒸汽。由于水在受热管内发生沸腾时状态不稳定， 存在两相流传输和汽化压力在集热管内不均匀等问题，发生例如水锤、振动、 管路材料疲劳破坏现象； 另外在饱和蒸汽变为过热蒸汽段， 由于蒸汽导热能 力差， 热吸收能力较弱， 容易发生管路过温损毁， 并且当管路受热不均匀时 会发生严重弯曲， 带来其他损失（如真空密封破坏）。 因此该技术仍停留在 试验阶段， 但只要这些问题能够得以解决， DSG技术就成为成本最低、 效率 最高的环保安全型太阳能热发电关键技术。 发明内容
多领域的相变换热装置。 本发明实施例提供了一种相变换热装置， 其特征在于， 包括内管、 外管 和换热介质； 所述内管布置在外管内； 内管管壁布置有介质通道； 所述换热 介质以液态从所述内管端部输入流经整个内管， 穿过内管的管壁上的各介质 通道进入内管和外管之间的空间， 接收外管壁获得的热源， 所述换热介质升 温相变成蒸汽后自外管端部输送至所述相变换热装置的外部。
优选地， 所述内管长度为外管长度的 50%-1 00%。
优选地， 所述介质通道为通孔、 喷嘴或渗透材料通口。
优选地， 所述内管的通孔方向与管截面半径方向形成夹角。
优选地， 所述内管的通孔方向与所述蒸汽运行的方向相反且形成夹角。 优选地， 所述内管内布置有第三管， 所述换热介质从第三管中注入所述 相变换热装置。
优选地， 所述外管包括第四管， 所述内管与外管之间同轴布置一个或多 个沿轴向排列的第四管， 且内管与所述第四管之间间隔一定距离。
优选地， 所述内管、 外管、 第三管和第四管的所选材料为金属、 陶瓷或 玻璃材料。
优选地， 所述换热介质为水或导热油或导热姆。
本发明实施例提供了一种相变换热装置的应用， 即所述相变换热装置应 用于太阳能热利用领域及锅炉加热领域。
本发明实施例的相变换热装置可以在沿管路轴向分布的多个位置点同 时向受热空间内注入换热介质， 使每个位置的注入换热介质质量相对艮少， 能够在整个相变换热装置的轴向上基本同时获得迅速的升温相变，从而克服 传统的换热介质直接在受热管一端注入，在受热管内沿轴向运动过程中逐渐 受热升温，发生局部突然沸腾的不稳定状态、受热管轴向上吸热能力不均匀、 汽化后的受热管段圓周上的温度不均匀等现象， 以及由此引起在轴向上发生 的两相流变换和汽化压力的轴向非均勾带来的如水锤、振动现象和管路疲劳 损坏， 以及局部管温过高烧坏、 管路弯曲等问题。 并且使热吸收效率更高。 附图说明 图 1是本发明实施例的相变换热装置结构示意图。
图 2是本发明实施例的相变换热装置结构的金属内管通孔布置示意图。 图 3是本发明的相变换热装置整体结构第一实施例示意图。
图 4是本发明的相变换热装置整体结构第二实施例示意图。
图 5是本发明的相变换热装置应用于太阳能领域的第三实施例示意图及 局部放大图。 具体实施方式 下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。
图 1是本发明实施例的相变换热装置结构示意图。从图 1的局部剖视部 分可见， 本发明的相变换热装置 1包括金属内管 2、 金属外管 3和换热介质 4。 金属内管 2和金属外管 3通过间隔布置的金属支撑件相互支撑地同轴内 外布置。 金属外管 3的外壁为受热面， 在金属内管 2的管壁内按一定规律布 置介质通道， 例如为贯穿管壁的通孔 7、 喷嘴或渗透材料通口。 换热介质 4 于金属内管 2的内部以液态形式流经金属内管 2 , 穿过金属内管 2的管壁通 孔 7进入内外管之间的空间或喷射到外管内壁， 接受金属外管 3壁的热量， 然后， 换热介质被加热成气态蒸汽并输送到所述换热装置外部， 完成能量换 出。 因当液体流过金属内管 2时， 金属内管 2的内部压力大于外部， 并且平 均下来每个通孔单位时间流出的介质量很少， 液态换热介质 4穿过管壁的通 孔呈喷射状， 扩散到内外管之间的空间甚至到达外部受热的金属外管的内 壁， 因此轴向上各处的喷出介质可基本同时迅速受热成高温和过热气态蒸 汽，从金属外管 3与金属内管 2所形成的空间通道输送至相变换热装置系统 之外， 从而避免大量液体积累后发生局部突然沸腾等不稳定状态。 优选地， 为了进一步增强内部运行的换热介质 4蒸汽的换热能力，在金属外管 3的内 壁螺旋布置翅片。 换热介质 4是在一定的范围内具有气液两相变化的物质， 如水、 酮类、 醚类、 醇类、 各种有机物或液态或低熔点金属等热管介质。 优 选地， 换热介质 4为水、 导热油、 导热姆。
图 2是本发明实施例的相变换热装置结构的金属内管通孔布置示意图。 从局部剖视部分可见， 介质通道方向与管道截面半径方向形成夹角； 例如金 属内管 2的通孔 7方向与管截面半径方向形成一定角度夹角，从而加大换热 介质 4的流经行程并形成沿圓周方向旋转， 改善换热装置外管在圓周上的温 度均匀性及增强换热效果， 并能够避免由于外管受热不均造成的管路弯曲现 象。 优选地， 金属内管的介质通道方向除了在圓周上径向夹角布置外， 在管 路轴向上的介质通道方向与蒸汽运行的方向相反且形成夹角，使得液态换热 介质从通孔喷射后与蒸汽充分碰撞接触、 液态颗粒进一步被分割微化， 减少 液态换热介质两相变化的冲击。 此外， 所述成逆向角度的通孔还达到使蒸汽 整体环绕以内管为轴螺旋前进， 加大与外管内壁的接触路径面积， 增强换热 并匀化外管圓周方向的温度分布， 减少管路弯曲的效果。 进一步优选地， 将 金属内管的通孔在轴向上变间距地布置， 改善由于蒸汽从管路端部输出带来 的参数分布不均匀性， 使沿轴向上各处的吸热能力相对均匀， 从而使外管温 度在轴向上相对一致， 增强吸热能力， 减少热损失， 避免局部过温损坏， 使 蒸汽换热介质在运行中保持稳定安全的参数。 更优选地， 在蒸汽的出口端近 侧， 内管上的通孔的间距较大， 而在远侧通孔的间距较小， 按照接收热量的 位置的不同，非均勾地布置通孔 Ί可获得所需稳定的蒸汽换热介质。优选地， 金属内管 2可采用脉冲式充液， 一定时间间隔地向内外管空间充液， 以此方 式控制充液量， 降低小直径通孔加工难度； 优选地， 所述金属外管 3内壁布 置螺旋翅片， 使得内部运行的蒸汽换热介质产生涡旋， 增强换热能力。
在一个实施例中， 为了提高相变换热装置的工作效率， 将其整体长度设 计的很长例如 1000米。 优选地， 在金属内管 2的外壁设有绝热层， 所述绝 热层减少金属内管与金属外管形成空间内的高温蒸汽对金属内管内部的液 态换热介质 4的换热； 优选地， 采用沿液态换热介质流经的方向阶梯减小内 管内径增加绝热层壁厚设计， 以增加液态换热介质行进中的热阻， 其中阶梯 增加是指离散式地增加， 逐步减小的金属内管可通过焊接的方式连接； 优选 地， 金属内管 2与金属外管 3的长度不一致， 沿液态换热介质流经的方向金 属内管 2的长度短于金属外管 3的长度， 即蒸汽有一定区域的过热区， 使得 在蒸汽换热介质的输出端无液态换热介质的喷入，使蒸汽直接受热完成进一 步的过热过程。
以上优选方法可以避免使未从金属内管 2的通孔 Ί喷射至外部的液态换 热介质因受热过多而引起在金属内管 2管内发生沸腾或气化现象； 减少金属 内管 2与金属外管 3形成空间内的高温蒸汽对金属内管 2液态换热介质的传 热； 防止内部液态换热介质的沸腾带来的不稳定影响。
本发明实施例的相变换热装置采用相变介质例如水为工质， 在线性如管 状受热空间内， 沿轴向相对均匀地分布注入水， 使注入水主要在沿径向运动 的路径上发生吸热相变的相变换热结构及应用。在受热管路轴向上布置内管 分布水路， 将入口的低温水在管路轴向上的各分布位置相对均勾的喷出， 由 于各点喷水量微少， 都能相似的迅速发生水受热升温再变为饱和蒸汽， 进一 步加热成高温过热蒸汽的相变换热过程，此方式可以在整个相变换热装置的 轴向上空间获得相对均勾的两相变换，从而克服发生在轴向上流动过程中逐 渐发生的两相流变换和汽化压力的轴向非均勾带来的各种问题，例如水换热 介质的水锤、振动现象和管路疲劳损坏等； 此外，为了获得干燥的蒸汽输出， 还可以通过控制蒸汽以更高温度和较低压力的输出， 以获得完全干燥过热蒸
、、气
图 3是本发明的相变换热装置整体结构第一实施例示意图。 相变换热装 置 1整体布置成 U型。液态换热介质 4-1与气态换热介质 4-2的流经方向一 致， A为液态换热介质 4-1的进口， B为气态换热介质 4-2的出口， A、 B两 口空间距离较近， 可以在进口 A设置自力式温控阀 8 , 通过感应出口 B输出 蒸汽温度的温度变化调节控制入口 B输入介质的流量，保持输出蒸汽温度参 数稳定， 结构简单可靠， 成本低。 在相变换热结构装置 1的内部， 金属内管 2与金属外管 3之间有金属支撑件 6 , 以完成内外管之间的相互支持， 满足 长距离地机械布置的强度。优选地，金属内管 2与金属外管 3的长度不一致， 沿液态换热介质流经的方向金属内管 2的长度短于金属外管 3的长度， 即蒸 汽有一定区域的过热区， 同时也可减少金属内部与金属外部形成空间内的高 温蒸汽对金属内管 2液态换热介质的传热， 防止内部液态换热介质的沸腾带 来的不稳定影响。
图 4是本发明的相变换热装置 1整体结构第二实施例示意图。相变换热 装置 1包括金属内管 2、 金属外管 3和换热介质 4。 此外， 在金属内管 2还 包括内部布置的金属第三管 5 ;液态换热介质 4从金属第三管 5入口端流入， 从金属第三管 5的出口端流出至金属内管 2与金属第三管 5二者形成的空间 内部，再通过金属内管 2壁上的通孔 Ί喷入金属内管 2和金属外管 3之间的 空间中。 此方式可以均匀降低金属内管的液态换热介质温度， 避免了液态换 热介质 4在运行过程中的沸腾气化现象。 优选地， 所述金属第三管 5小于金 属内管 2的长度。更优选地，金属第三管 5长度可以为金属内管长度的 20% ~ 99%。 优选地， 所述金属第三管 5 的管壁分布有通孔， 通过控制水流注入位 置， 调节金属内管 2的管内部各处温度和压力分布， 并且使金属内管 2内部 的换热介质 4处于激活状态， 长期保持活动搅拌的状态， 降低换热介质 4的 沸腾的可能性。 金属内管的外壁布置有隔热结构， 优选地， 金属外管 3与金 属内管 2 空间内部同轴一定间隔布置的一个或多个第四管 1 3 , 所述第四管 1 3沿轴向排列，且内管 2与第四管 1 3之间间隔一定距离， 第四管 1 3与金属 内管 2之间可形成封闭空间或相对封闭空间，达到对金属内管 2的隔热作用。 一个或多个第四管 1 3间隔布置， 换热介质金属流经第四管 1 3 , 穿过内管 2 上位于第四管 1 3之间间隔的通孔 7喷射至第四管 1 3与金属外管 3之间的空 间内， 而第四管 1 3与金属内管 2之间所形成的空间的蒸汽处于静止或低速 运行状态， 大大降低高速流动蒸汽对金属内管 2的换热能力， 降低高速流动 的蒸汽对金属内管外管壁的高速换热带来的金属内管内部液态换热介质的 沸腾汽化影响。本实施例可以很好地解决液态换热介质的沸腾问题及内部液 态换热介质的沸腾带来的不稳定影响。
图 5是本发明的相变换热装置 1应用于太阳能领域的第三实施例示意图 及局部放大图。 在本实施例中， 相变换热装置 1应用于太阳能集热， 包括金 属内管 2、 金属外管 3和金属第三管 5 , 三者同轴布置。 金属外管 3为太阳 光线会聚加热面，接收抛物面反射镜 1 0或菲涅尔反射镜阵列反射会聚的光， 且金属外管 3的外壁涂有低发射率、 高吸收率涂层， 以高效接收外部热量。 进一步优选， 在金属外管的外部布置有玻璃套管 9 , 玻璃套管 9与金属外管 3、 金属内管 2或金属第三管 5同轴布置， 玻璃套管 9与金属外管 3通过密 封端头相互连接， 且二者所形成的空间处于真空状态。 优选地， 所述金属外 管 3周边设置有反射光学系统， 增大入射光线光学容差角度、 勾化入射光线 分布，使金属外管沿圓周方向相对均匀受热，改善换热效果，减少管路弯曲。
本实施例中， 相变换热装置 1整体布置成线性， 液态换热介质与气态换 热介质的流经方向相反， 相变换热装置 1一端封闭， 另一端为液态换热介质 的入口和过热蒸汽的出口，通过相变换热装置 1内的换热介质换出系统外部， 减少 U型回路在转弯处的跨接管路材料及热损失。 同时， 由于此方式液态介 质入口和蒸汽出口两口空间距离较近， 可以在进口设置自力式温控阀， 通过 感应出口输出蒸汽温度的温度变化调节控制入口输入介质的流量，保持输出 蒸汽温度参数稳定， 结构简单可靠， 成本低。
在一个具体实施例中， 将本发明的相变换热装置应用于太阳能槽式或菲 涅尔反射镜阵列热利用， 所选换热介质 4为去离子水； 反射镜的光学开口宽 度为 6米，金属外管和反射镜组的长度为 1000米，太阳能直射光强密度（匪 I ) 为 800W/m2; 接收部分为金属外管 3, 其外径为 76mm, 厚度 6匪。 金属内管 2 的外径为 34mm,厚度 3匪；金属内管 2内部的换热介质以 150°C,压力 lOMPa, 流经金属内管 2, 该高压的传热介质换热介质穿过管壁的通孔 Ί到达金属内 管 2与金属外管 3所形成的空间内， 与内部蒸汽混合， 接收金属外管 3所吸 收的太阳光热量， 受热成高温和过热水蒸气， 产生 8MPa, 550°C过热蒸汽。 基于上述，金属外管 3理想全部接收太阳能量的功率为 4800kW; 管道内换热 介质水的焓变为 2880.47kJ/kg,则换热介质 4的质量流量为 1.66kg/s; 液态 水在金属内管 2内的流速约为 2.92m/s;而金属内管 2与金属外管 3所形成的 空间的蒸汽的流速约为 32.45m/s。 从上述数据说明整个体系中换热介质 4 的流量适中， 完全能够满足所需的能量传输能力。
本发明的相变换热装置 1还可以应用于锅炉加热领域。 其中， 金属外管 3为受热面， 将从金属内管 2或金属第三管 5流入的液态换热介质加热至蒸 汽态， 完成热能换出； 除不需要吸收涂层和光学结构外， 其它具体结构细节 与上文描述相同。 此应用也同样具备上述各项相变换热装置的优点。
显而易见， 在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下， 在此描述的本 发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变， 都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所 述的权利要求书进行限定。

Claims

权利要求书
1、 一种相变换热装置， 其特征在于， 包括内管、 外管和换热介质； 所 述内管布置在外管内； 内管管壁布置有介质通道； 所述换热介质以液态从所 述内管端部输入流经整个内管， 穿过内管的管壁上的各介质通道进入内管和 外管之间的空间， 接收外管壁获得的热源， 所述换热介质升温相变成蒸汽后 自外管端部输送至所述相变换热装置的外部。
2、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述内管 的长度为外管长度的 50%至 100%。
3、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述介质 通道为贯穿通孔、 喷嘴或渗透材料通口。
4、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述介质 通道方向与管截面半径方向形成夹角。
5、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述介质 通道方向与所述蒸汽运行的方向相反且形成夹角。
6、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述内管 的外壁布置有隔热结构。
7、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述外管 内壁布置翅片。
8、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述内管 内布置有第三管， 所述液态换热介质从第三管中注入所述相变换热装置。
9、 根据权利要求 1 所述的一种相变换热装置， 其特征其于， 所述内管 与外管之间同轴布置一个或多个沿轴向排列的第四管，且所述内管与第四管 之间间隔一定距离。
10、 根据权利要求 1、 8或 9所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述内管、 外管、 第三管和第四管中的至少一个管所选材料为金属、 陶瓷或 玻璃。
11、 根据权利要求 1所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 将所述换 热介质采用脉冲式充液注入所述相变传热装置。
12、 根据权利要求 1所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述相变 换热装置整体布置成 U型，在所述相变换热装置的入口端头设置自力式温控 阀， 用输出蒸汽的温度控制液态换热介质的输入流量。
13、 根据权利要求 1所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述相变 换热装置整体布置成线性， 其中， 液态换热介质与气态换热介质的流经方向 相反， 且相变换热装置一端封闭， 另一端为液态换热介质的入口和过热蒸汽 的出口。
14、 根据权利要求 1所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 外管的外 部布置有玻璃套管， 所述玻璃套管同轴布置于外管的外部； 所述玻璃套管与 外管通过密封端头相互连接， 且二者所形成的空间处于低气压状态。
15、 根据权利要求 1所述的一种相变换热装置， 其特征在于， 所述相变 换热装置应用于太阳能热利用领域或锅炉加热领域。
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