一种金属泡沫强化传热的槽式太阳能集热管

摘要

一种金属泡沫强化传热的槽式太阳能集热管，包括玻璃管、封装在玻璃管内部的金属管、设置于玻璃管两端的封装装置，封装装置由法兰、波纹管和金属-玻璃封接接头组成，金属管内部分填充的金属泡沫。本发明只针对金属管内壁单侧，填充高孔隙率的金属泡沫，其中金属泡沫孔隙在0.9~0.98之间。本发明安装时，太阳能集热管填充有金属泡沫的一侧设置在热流密度较小的非聚光侧，金属泡沫使迫使流体流向热流密度更大的聚光侧，强化了流体的传热，且只部分填充而不至于过分增加流动的阻力。经过优化计算确定，其填充高度h与内径Di的比值在0.6~0.8之间时，换热综合效果最佳。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能槽式热发电领域，具体涉及一种在内部部分填充金属泡沫强化传热的槽式太阳能热发系统中的真空集热装置。

背景技术

目前，大规模商业化应用的槽式太阳能热发电系统以导热油或水为换热工质，将清洁无污染的太阳辐射能转换成电能，近二十年来成为国内外备受瞩目的新能源发电形式。其中，关键部件集热管的热性能对整个系统的影响很大。大量学者对槽式太阳能热发电系统的集热管的传热特性进行了研究，发现集热管本身的周向热流分布极不均，这将导致管聚光侧的热膨胀大于非聚光侧从而导致较大的热应力，并最终导致管寿命的降低。因此，对太阳能集热管热性能的优化提出了更高的要求。

在现有的管式换热器中，均采用全周布置的强化传热措施；针对真空集热管的强化传热措施也很少，一般的方法是采用毛细结构，或其他内壁面强化传热措施，在强化传热时，并未考虑太阳能集热管周向热流密度分布的特点。集热管与聚光镜之间是相对静止的，由于聚光系统对太阳的跟踪，聚光区始终固定在集热管的下侧，因此太阳能集热管表面聚光侧才是接受热量最大即热流密度最大的部分，这一侧的热流密度分布极不均匀，因此，有针对性的对其进行强化件的布置，在增加同样流动阻力的同时提高强化传热的效果。在这样的背景下，我们希望设计一种结合太阳能集热管特点，在不增加泵耗的同时，提升强化传热效果的新型太阳能集热管。

采用填充金属泡沫或其他强化传热措施的同时，总是增加了介质在管内流动的沿程阻力损失。完全填充金属泡沫可以使得强化传热效果明显提高，但极大的增加了管内流动的沿程损失，在增加相同流动阻力的情况下，针对太阳能集热管特有的热流密度分布特点，布置强化传热部件的综合效果会得到明显提升。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种针对集热管周向热流密度分布，有效降低管壁周向温差，大幅提高集热管热性能的金属泡沫强化传热的式槽式太阳能集热管。

技术方案：本发明的金属泡沫强化传热的槽式太阳能集热管，包括玻璃管、封装在所述玻璃管内部的金属管、设置于玻璃管两端的封装装置，所述封装装置包括金属-玻璃封接接头、法兰、波纹管；金属管的两端外侧与法兰连接，波纹管的两端与金属-玻璃封接接头连接，波纹管设置在法兰与金属-玻璃封接接头之间，玻璃管和金属管之间抽真空；在所述金属管内一侧填充有金属泡沫，在金属管的径向剖面上，填充有所述金属泡沫的区域是以剖面直径为对称轴的轴对称图形。

本发明中，金属管管壁外侧设置有吸气剂，用于吸附管内残留气体以保持真空。

本发明中，金属泡沫是由液态金属镍或铝与高温发泡剂混合发泡冷却后形成的高孔隙率的固态金属泡沫，其孔隙率在0.9~0.98之间。

本发明中，金属泡沫的截面高度h与金属管内径Di的比值在0.7~0.8之间。

本发明中，金属-玻璃封接接头为可将玻璃管端面高温熔封在波纹管端面的熔封接头。

本发明中，玻璃管将金属管封装在内部，通过吸气口抽出空气，由吸气剂吸附管内残留气体以保持真空；金属管与钢管之间的封接装置，由金属-玻璃封接接头，法兰，波纹管组成；金属-玻璃接头用于紧密连接金属和玻璃，波纹管具有一定的弹性，可补偿金属与玻璃在高温下不同的热膨胀，法兰将波纹管固定在金属管上。在金属管内壁单侧，填充了高孔隙率的金属泡沫。

本发明在集热管内填充的金属泡沫，是由液态金属混合高温金属发泡剂，冷却形成多孔状的固态金属泡沫，其孔隙率较高，在0.9~0.98之间，有效的降低了工作介质通过时的阻力损失。金属泡沫填充于金属管内一侧，其分布沿着通过管中心的Y轴对称，其高度h与内径Di的比值在0.6~0.8之间。由于金属泡沫直接铸造在金属管内，使得管壁与金属泡沫材料紧密的结合，有效的降低了两种材料的接触热阻，且避免了传统内壁面强化传热措施加工复杂的缺点。

有益效果：本发明集热管在金属管内一侧填充金属泡沫，针对集热管外壁的热流密度分布来布置集热管安装位置，将填充有金属泡沫的一侧设置在集热管非聚光侧，重构了管内的流场，使得热流密度较大的聚光侧的流速得到较大的提升；同时由于金属泡沫本身较强的导热性能，增强了非聚光侧流体的传热，使得两侧的流体传热均得到强化。本发明适合应用于以各种载热介质为工质，周向热流密度分布极不均匀的槽式太阳能热发电系统。

附图说明

图1为本发明的集热管结构剖面示意图；

图2为本发明的集热管X-Y轴向剖面图，其中Di是指金属管的内径，h是指管内填充的金属泡沫的高度。

图3为本发明的金属泡沫的孔隙率，几何参数（h/Di），对综合强化传热效果评价值PEC的影响。

图中有：吸气口1、真空层2、金属-玻璃封接接头3、法兰4、金属管5、真空玻璃管6、吸气剂7、波纹管8、金属泡沫9、聚光侧10、非聚光侧11。

具体实施方式

本发明的金属泡沫强化传热的槽式太阳能集热管，包括玻璃管6、封装在所述玻璃管6内部的金属管5、设置于玻璃管6两端的封装装置，所述封装装置包括金属-玻璃封接接头3、法兰4、波纹管8；金属管5的两端外侧与法兰4连接，玻璃管6的两端与金属-玻璃封接接头3连接，波纹管8设置在法兰4与金属-玻璃封接接头3之间，玻璃管6和金属管5之间抽真空；在所述金属管5内一侧填充有金属泡沫9，在金属管5的径向剖面上，填充有所述金属泡沫9的区域是以剖面直径为对称轴的轴对称图形。

本发明中，金属管5管壁外侧设置有吸气剂7，用于吸附管内残留气体以保持真空。

金属泡沫9是由液态金属镍或铝与高温发泡剂混合发泡冷却后形成的高孔隙率的固态金属泡沫，其孔隙率在0.9~0.98之间。

金属泡沫9的截面高度h与金属管5内径Di的比值在0.7~0.8之间。

金属-玻璃封接接头3为可将玻璃管6端面高温熔封在波纹管8端面的熔封接头。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明包括管内部分填充的金属泡沫9，金属管5，真空玻璃管6，及金属管与玻璃管之间的封接装置。玻璃管6将金属管5封装在内部，通过吸气口1抽出空气，由吸气剂7吸附管内残留气体以保持真空；金属管与玻璃管之间的封接装置，由金属-玻璃连接接头3，法兰4，波纹管8组成；金属-玻璃接头3用于紧密连接金属和玻璃，波纹管8具有一定的弹性，可补偿金属与玻璃在高温下不同的热膨胀，法兰4将波纹管固定在金属管上。所述的金属管5为不锈钢管；

参见图2，金属泡沫9，由液态金属镍或铝，混合了高温发泡剂，实施例中采用CaH₂作为高温发泡剂，发泡冷却后形成的高孔隙率的固态金属泡沫，其孔隙率在0.9~0.98之间。金属泡沫9填充在金属管5内壁一侧，其高度h与内径Di的比值在0.7~0.8之间；其分布沿着通过管中心的Y轴对称。

在实际工况中，聚光反射镜将入射光线照射在集热管的金属管5表面的聚光侧，其内部的传热介质为导热油或水，与管壁进行对流传热将热量加热工质以达到额定参数；金属泡沫9中此时也充满了工质，但由于其本身结构的特性，使得其内部工质流动速度和流量减小，迫使流体流向热流密度更大的聚光侧，强化了流体的传热，并且由于其本身具有极高的导热系数，使得集热管非聚光一侧的流体传热也得到了强化。从而在不增加流动阻力情况下提升了强化传热的总体性能。

这里，我们采用同时考虑泵耗和强化传热效果的评价标准来考量本发明的强化传热效果：

PEC=(Nu_a/Nu_a,c)/(f_a/f_c)^1/3

上式中分子为采用本发明的强化传热措施后管平均无量纲对流换热系数（Nu_a）与传统管（Nu_a，c）的比值，分母为本发明的强化传热措施后管平均阻力系数（f_a）与传统管（f_a,c）的比值。当这两者的比值大于1时，说明强化传热方法取得了良好的综合效果。经计算，本发明的PEC值为1.18~1.2，从理论上说明了该方法的可行性。

参见图3，采用数值模拟的方法，分析了金属泡沫的孔隙率（φ），填充高度（H）等因素对强化传热的效果都有明显的影响。图中横坐标为填充高度（H），纵坐标为综合强化换热指数（PEC）；三条不同的曲线分别代表不同的孔隙率（φ）对强化传热的影响。经过对几种影响因素的分析比较发现，当h/Di的值为0.75时其综合强化传热效果最好，在实际生产加工的过程中，这一值没有精确的要求，保证在0.7~0.8之间即可，也在很大程度上降低了生产制造的精度要求，从而降低了成本。

本发明针对槽式太阳能集热管的实际热流密度分布，合理地强化流体与集热管的传热，降低了由于管壁周向温差引起的热应力，提高了综合热效率。并且采用成熟的金属泡沫高温发泡工艺，几何结构简单，易于加工，适合规模化生产。