纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法

摘要

本发明公开了一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法，将纳米流体直接吸收式太阳能集热与蒸汽发生集为一体，外管采用无涂层的U型真空管(2)，U型真空管内设置有套管蒸汽发生管(5)，U型真空管与套管蒸汽发生管之间的环形封闭腔内充满纳米流体(4)。蒸发介质在套管蒸汽发生管中吸收纳米流体的热量后汽化成蒸汽流出。套管蒸汽发生管的内管管壁设有喷嘴(7)，用于补充液体增大换热系数。本发明利用纳米流体的光吸收特性直接吸收太阳能并产生中温蒸汽，同时强化了蒸发换热传热性能，从根本上避免了传统集热器吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷，是将吸热、传热、载热、蒸汽发生于一体的新型高效的太阳能集热技术。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能集热，属于太阳能热利用以及蒸汽发生领域。

背景技术

目前应用的中温集热器类型主要以直通式金属-玻璃真空管结构为主，该结构通过集热内管表面镀上太阳能选择性吸收涂层，涂层吸收太阳辐射后再将热能传递给管内的集热流体，这种结构因吸收性涂层耐温耐久性差、玻璃和金属热膨胀系数不同以及运行时管壁圆周方向受热不均，易引起集热管破裂或空泄，可靠性和安全性低。热管式真空管太阳能集热器利用集热管壁或翅片上的吸收涂层吸收太阳能，将热量传递给热管蒸发段内工质使其汽化，在热管冷凝端放热给载热流体。研究表明，虽然热管式太阳能集热器在高热流密度下具有较好的传热性能和承压性能，但需要热管与工作流体再进行换热来实现蒸汽的产生，因而造成了因传热温差增大而引起的不可逆损失。

关于太阳能直接蒸汽发生系统(DSG)，由于管内流型的剧烈变化更容易导致集热管沿周向温差增大，引起集热管应力集中甚至玻璃管破裂，继而影响系统长期运行的可靠性和安全性。研究发现，当采用直径25.4mm的钢管作为内集热管时，集热管周向最大温差达到了60℃，将导致集热管中间最大弯曲程度达到65mm，耐热玻璃管全部破裂。

近年来，一种利用无吸收涂层的透明管的直接吸收式太阳能集热方法开始引起研究者的关注。它通过在集热流体中添加吸热颗粒，使集热流体自身具有很强的太阳辐射吸收特性，即管内集热介质既是吸热材料，也是传热和载热材料，从根本上避免了吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷。研究发现，在实际应用的太阳能聚光工况下，纳米流体直接吸收集热过程中，由于太阳辐射穿过透明管后被纳米流体逐层吸收，避免了管壁和流体间的热阻，使得吸热速率有所提升；并且其内部流型、温度分布均与传统间接吸收集热明显不同，纳米流体靠近管内中心的主流温度要高于管壁处，且不存在管壁圆周方向温度不均的情况。

基于此，在新型太阳能集热管内设置金属蒸汽发生管，纳米流体温度分布特性将有利于减少传热温差，有效提高热利用效率。纳米流体在250℃以下的中低温区太阳集热领域具有优势，因此蒸发介质既可以是水为工质，也可利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)中采用的R245fa,R236ea等有机物为工质，在太阳能制冷空调、工业供热等领域具有巨大的节能潜力和应用前景。

发明内容

本发明为提高太阳能中温集热效率和太阳能直接蒸汽发生效率，解决传统太阳能集热器吸收涂层耐高温和耐久性差，传热温差大导致的可逆损失增加，在聚光工况下集热管周向温差大易引起集热管破损等问题，本发明提出一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法，能够有效提高热利用效率，利用太阳热能产生中、低温区蒸汽。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置，包括聚光器(1)、支架(14)、单轴跟踪器(15)和纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)，所述单轴跟踪器(15)设置于聚光器(1)的外侧壁上，所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)设置于聚光器(1)的焦线上，所述支架(14)固定在聚光器(1)端部，且所述支架(14)与纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)连接；

所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)包括U型真空管(2)和套管蒸汽发生管(5)，所述U型真空管(2)包括同心设置的U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)，所述U型真空管内管(10)设置于U型真空管外管(9)的内侧，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)均采用表面无吸收涂层的玻璃；所述U型真空管(2)的开口端安装有隔离密封件(6)，所述隔离密封件(6)盖压在U型真空管(2)的开口端，且所述隔离密封件(6)的中部开设有圆形孔；

所述套管蒸汽发生管(5)包括套管蒸汽发生管外管(11)和套管蒸汽发生管内管(12)，所述套管蒸汽发生管外管(11)包括端部一(17)和端部二(18)这两个密封端部；所述套管蒸汽发生管内管(12)为两端直通式结构，所述套管蒸汽发生管内管(12)的外径小于套管蒸汽发生管外管(11)的内径，所述套管蒸汽发生管内管(12)的管壁上开设有若干喷嘴(7)；所述套管蒸汽发生管内管(12)设置于套管蒸汽发生管外管(11)内部，所述套管蒸汽发生管内管(12)固定在端部二(18)上；

隔离密封件(6)上圆形孔的直径等于套管蒸汽发生管(5)的外径，所述套管蒸汽发生管(5)穿过隔离密封件(6)的圆形孔伸入U型真空管(2)，且所述套管蒸汽发生管(5)的中心轴和U型真空管(2)的中心轴在同一条直线上，所述套管蒸汽发生管外管(11)的外径小于U型真空管内管(10)的内径；所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部一(17)位于U型真空管(2)内侧，所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部二(18)位于U型真空管(2)外侧；所述套管蒸汽发生管外管(11)在位于U型真空管(2)外侧的上部管壁上安装有蒸汽出口管(19)；

所述U型真空管内管(10)和套管蒸汽发生管外管(11)之间灌注有对太阳辐射具有吸收性能的纳米流体(4)。

进一步的，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)之间设置有弹簧支架(3)。

进一步的，沿套管蒸汽发生管内管(12)轴向的上部喷嘴个数大于下部喷嘴个数。

进一步的，所述套管蒸汽发生管外管(11)内壁面采用烧结多孔表面管。

纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置的发生方法：

采用液态的载热流体作为蒸发介质，通过端部二(18)上的通孔向套管蒸汽发生管(5)中导入蒸发介质，蒸发介质先流经套管蒸汽发生管内管(12)到达端部一(17)，再逆向在套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域流向端部二(18)；纳米流体(4)吸收透过U型真空管(2)的太阳辐射能，并将热量传递给流向端部二(18)的蒸发介质；流向端部二(18)的蒸发介质与纳米流体(4)进行换热后变成蒸汽从蒸汽出口管(19)排出，进入下一流程；当套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域的蒸发介质流向端部二(18)过程中吸热蒸发，气液两相流体中蒸汽质量分数不断提高，流经喷嘴(7)所设位置时，喷嘴(7)将套管蒸汽发生管内管(12)中部分液态的蒸发介质喷入套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用内外管表面均无吸收涂层的U型真空管，避免了吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷，管内纳米流体逐层吸收太阳辐射能，有效缓解了聚光工况下集热管局部受热造成管壁圆周方向温差过大，不仅提高了集热管长期中温运行的稳定性，并且有效提高集热效率，同时，蒸发发生管内部的喷嘴设计强化了流体的蒸发换热性能，能高效利用太阳能加热产生中温蒸汽。

2.本发明为吸热、传热、载热与蒸汽发生为一体的太阳能集热装置和方法。

3.本发明产生的蒸汽可应用于加热水蒸气、有机工质等，应用与建筑制冷空调、有机朗肯循环发电、工业供热等领域，具有显著的节能潜力和应用前景。

附图说明

图1是本发明纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置结构示意图；

图2是采用槽式聚光器的纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置结构截面示意图；

图3是NDASC-DSG管结构示意图；

图4是套管蒸汽发生管内管上的喷嘴结构示意图。

附图标记说明

1-聚光器、2-U型真空管、3-弹簧支架、4-纳米流体、5-套管蒸汽发生管、6-隔离密封件、7-喷嘴、8-第一法兰、9-U型真空管外管、10-U型真空管内管、11-套管蒸汽发生管外管、12-套管蒸汽发生管内管、13-第二法兰、14-支架、15-单轴跟踪器、16-纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管、17-端部一、18-端部二、19-蒸汽出口管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置，包括聚光器1、支架14、纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生(NDASC-DSG)管16和单轴跟踪器15，单轴跟踪器15设置于聚光器1的外侧壁上。聚光器的作用是将太阳辐射反射到NDASC-DSG管16上，本发明聚光器采用槽式结构，也可以采用CPC等其他结构形式。槽式聚光器是一种线聚焦型聚光器，跟踪装置为单轴跟踪器15，可以时刻感知光线的方向使聚光器绕集热管转动，实现高效聚光。单轴跟踪器15可采用光伏板15提供电力，无需外接电源便于聚光器1的灵活移动。NDASC-DSG管16设置于聚光器1的焦线上，支架14固定在聚光器1端部，且支架14与NDASC-DSG管16连接，支架14实现聚光器1和NDASC-DSG管16的固定，支架14上安装有跟踪器。

如图3和图4所示，NDASC-DSG管16包括U型真空管2和套管蒸汽发生管5。U型真空管2材质使用内外管表面均无吸收涂层的高硼硅玻璃，高硼硅玻璃对可见光透过率在93％以上。U型真空管外管9和U型真空管内管10之间设置为真空。U型真空管2和套管蒸汽发生管5之间设置为真空，有效降低热损。可根据实际需要综合考虑在太阳辐射充足情况下，将U型真空管2无聚光部分半周外部增设玻璃罩进或保温材料，减少对外散热。U型真空管2包括U型真空管外管9和U型真空管内管10，U型真空管外管9和U型真空管内管10同心设置，U型真空管内管10设置于U型真空管外管9的内侧，且U型真空管外管9的开口端与U型真空管内管10的开口端齐平，U型真空管外管9的开口端与U型真空管内管10的开口端构成U型真空管2的开口端，U型真空管外管9和U型真空管内管10之间通过弹簧支架3进行连接，弹簧支架3可缓解内管外热应力变形而造成的损失问题。U型真空管2的开口端安装有隔离密封件6防止纳米流体4渗透出来，隔离密封件6盖压在U型真空管2的开口端，且隔离密封件6的中部开设有圆形孔。

套管蒸汽发生管5包括套管蒸汽发生管外管11和套管蒸汽发生管内管12，套管蒸汽发生管外管11包括端部一17和端部二18这两个密封端部。套管蒸汽发生管内管12为两端直通式结构，套管蒸汽发生管内管12的外径小于套管蒸汽发生管外管11的内径，套管蒸汽发生管内管12的管壁上开设有若干喷嘴7。套管蒸汽发生管内管12设置于套管蒸汽发生管外管11内部，套管蒸汽发生管内管12一端固定在端部二18上，且套管蒸汽发生管内管12另一端与端部17保持一定距离。套管蒸汽发生管外管11内壁面采用烧结多孔表面管，强化沸腾换热同时能稳定汽泡的产生过程。套管蒸汽发生管5材质为铜管。套管蒸汽发生管外管11内壁面烧结多孔层金属，形成烧结多孔表面管，多孔表面层适用于小温差蒸发过程，与光滑管相比能成10倍的提高传热系数，对水、氟利昂、苯、石油、乙醇等多种工制的沸腾传热均有显著强化作用。

隔离密封件6上圆形孔的直径等于套管蒸汽发生管5的外径，套管蒸汽发生管5穿过隔离密封件6的圆形孔伸入U型真空管2，且套管蒸汽发生管5的中心轴和U型真空管2的中心轴在同一条直线上，套管蒸汽发生管外管11的外径小于U型真空管内管10的内径。套管蒸汽发生管外管11的端部一17位于U型真空管2内侧，套管蒸汽发生管外管11的端部二18位于U型真空管2外侧。套管蒸汽发生管外管11在位于U型真空管2外侧的管壁上安装有蒸汽出口管20，蒸汽出口管20远离套管蒸汽发生管外管11的端口安装有第一法兰8，端部二18上远离隔离密封件6的一端安装有第二法兰13。第一法兰8和第二法兰13可方便与外部管道和阀门的连接、拆卸。

U型真空管内管10和套管蒸汽发生管外管11之间灌注有纳米流体4作为集热介质。该纳米流体可采用以导热油等中温载热流体为基液，添加CuO、石墨烯、石墨等纳米颗粒而形成具有优异传热性能和对太阳辐射强吸收性能。

纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置的发生方法：

采用液态的载热流体作为蒸发介质，通过端部二18上的通孔向套管蒸汽发生管5中导入蒸发介质，蒸发介质先流经套管蒸汽发生管内管12到达端部一17，再逆向在套管蒸汽发生管内管12和套管蒸汽发生管外管11之间区域流向端部二18。纳米流体4吸收透过U型真空管2的太阳辐射能，并将热量传递给流向端部二18的蒸发介质。流向端部二18的蒸发介质与纳米流体4进行换热后变成蒸汽从蒸汽出口管19排出，进入下一流程。蒸发主要发生在套管蒸汽发生管内管12和套管蒸汽发生管外管11之间的区域。

当流向端部二18的蒸发介质吸热蒸发，套管蒸汽发生管内管12和套管蒸汽发生管外管11之间区域的气液两相流体中蒸汽质量分数提高，当蒸汽质量分数过高，约为0.7-0.85时，套管蒸汽发生管外管11的液膜出现局部蒸干，传热状态急剧恶化，导致换热系数下降，并且这种状况随着气液两相流体中蒸汽质量分数的增加不断加剧。当气液两相流体中蒸汽质量分数达到1时，蒸发介质全部蒸发为气体，换热系数就变成单相气体的换热系数。因此在套管蒸汽发生管内管12沿长度方向中段及靠近端部二18的局部管段设置多个常开喷嘴7，套管蒸汽发生管内管12中的部分液态蒸发介质经喷嘴7向套管蒸汽发生管内管12和套管蒸汽发生管外管11之间的区域进行喷射混合，保证出口蒸汽品质的前提下提高蒸发介质在整个蒸汽发生管段的蒸发相变换热系数。因此喷嘴7在套管蒸汽发生管内管12沿圆周方向的安装个数呈不均匀分布，由于套管蒸汽发生管内管12和套管蒸汽发生管外管11之间的区域蒸汽主要聚集在顶端，顶端喷嘴个数大于底端喷嘴个数。其中喷嘴7出口直径，导管长度，收缩角度等主要参数根据不同设计工况进行设计和优化。

本发明的纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法，集热介质采用稳定性高、对太阳辐射具有强吸收性能的纳米流体，其物理性质如粘度、比热、导热系数和密度可以通过改变不同的粒子浓度而改变；研究表明：通过在集热介质中添加纳米颗粒的种类、尺寸和质量分数的优选，可以使得纳米流体具有优异的传热性能和光学选择性,在太阳能范围高吸收率和红外范围低发射率；并且在实际应用的太阳能聚光工况下，纳米流体直接吸收集热过程中，由于太阳辐射穿过透明管后被纳米流体逐层吸收，避免了管壁和流体间的热阻，使得吸热速率有所提升；并且其内部流型、温度分布均与传统间接吸收集热明显不同，纳米流体靠近管内中心的主流温度要高于管壁处，且有效缓解了U型真空管管壁圆周方向温度不均的情况集热效率明显提升。

在本发明中，中温集热器与蒸汽发生器集为一体，且采用无涂层集热管，通过纳米流体内部的逐层高效集热，以及内部蒸汽发生管的强化传热结构设计，相比传统采用涂层管的中温集热器和蒸汽发生器，装置结构更加紧凑、集热和传热效率高、集热管圆周温差小、聚光工况下装置的长期运行可靠性高，并且组装方便，在集热介质流经的各个器件中，均可拆卸清理以及更换损坏器件。本发明克服已有技术的不足，提供了一种高效、可靠的新型太阳能中温集热与蒸汽发生方法与装置，为太阳能中温热利用提供了技术支持。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。