專利名稱：熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能聚光集熱系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用在太陽能中、高溫系統(tǒng)中的太陽能聚光集熱裝置，屬于太陽能集熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了得到高溫蒸汽、電能等，科研工作者對太陽能轉(zhuǎn)換和利用中的聚光原理進(jìn)行了探索和研究，開發(fā)出槽式太陽能熱利用技術(shù)、塔式太陽能熱利用技術(shù)和碟式太陽能熱利用技術(shù)。槽式太陽能熱利用技術(shù)是其中最為成熟的技術(shù)，已成為所有可再生能源技術(shù)中最有可能替代常規(guī)能源的一種手段。常規(guī)槽式太陽能熱利用系統(tǒng) 一回路為聚光集熱回路，工質(zhì)為導(dǎo)熱油，槽形聚光器聚光得到高能流密度的太陽能，通過集熱管(一般為金屬-玻璃直通式真空集熱管)中的金屬吸收管表面的吸收涂層轉(zhuǎn)化為熱能加熱集熱管內(nèi)工質(zhì)，得到高溫的導(dǎo)熱油；二回路為水-蒸汽回路，工質(zhì)為水，通過換熱器， 一回路中的高溫導(dǎo)熱油將熱量傳遞給二回路中的水，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽。
20世紀(jì)80年代，開始研究以水為工質(zhì)的單回路再次循環(huán)DSG (Direct SteamGeneration)熱利用系統(tǒng)。采用單回路原理，以水代替常規(guī)系統(tǒng)直通式集熱管內(nèi)的導(dǎo)熱油工質(zhì)，吸收太陽能，直接獲得高溫、高壓蒸汽。
再次循環(huán)方式的運行過程直通式集熱管中的工質(zhì)水由集熱場入口處泵入系統(tǒng)總管，經(jīng)過不斷加熱，逐步飽和，在汽水分離器中分離后，水由旁路管經(jīng)循環(huán)泵泵入系統(tǒng)總管入口，蒸汽則進(jìn)入系統(tǒng)的過熱段，進(jìn)一步過熱產(chǎn)生過熱蒸汽，由水變成蒸汽是一個逐步但連續(xù)的過程。
相對于常規(guī)聚光太陽能熱利用的雙回路系統(tǒng)，單回路再次循環(huán)DSG系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)點1、雖然與蒸汽相關(guān)的高壓運行條件帶來管道費用的增加，但系統(tǒng)中可以省去導(dǎo)熱油、熔鹽等系統(tǒng)所需的換熱器、火焰保護(hù)系統(tǒng)、油箱及其管路系統(tǒng)，該項費用足以得到彌補；2、由于省去了導(dǎo)熱油系統(tǒng)中的換熱器換熱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的整體效率得到提高；3、由于工質(zhì)粘性系數(shù)不同，DSG系統(tǒng)中集熱器內(nèi)部的壓降減小，附加損失減小，因此運行成本也會相應(yīng)減小。盡管單回路再次循環(huán)DSG系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，但由于聚光后的太陽能"直接"作用在承受高溫、高壓的真空集熱管的金屬吸收管上，因而1、為了應(yīng)對DSG系統(tǒng)所產(chǎn)生的高壓問題，對真空集熱管的要求很高；2、在控制方面，控制系統(tǒng)會十分復(fù)雜，并且在電站布置以及集熱器傾斜角度方面也會很復(fù)雜；3、由水變?yōu)槠?水兩相流流入金屬吸收管時，管子會由于壓力、振動等問題引起永久性變形或者會造成玻璃管破裂。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了解決采用單回路再次循環(huán)DSG系統(tǒng)的問題，本發(fā)明提出熱管
式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置及方法，采用熱管式真空集熱管取代現(xiàn)有金屬-
玻璃直通式真空集熱管，形成熱管式再次循環(huán)DSG系統(tǒng)，既能保留普通DSG系統(tǒng)單回路相對于常規(guī)聚光太陽能熱利用雙回路的優(yōu)勢，又將DSG系統(tǒng)的承壓部分和吸熱部分分開，利用熱管技術(shù)實現(xiàn)源匯分離，解決普通DSG系統(tǒng)中的難點。
技術(shù)方案熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置將多個聚光器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，聚光器聚集的太陽光透過熱管式真空集熱管的玻璃外管和真空腔，被選擇性吸收涂層吸收后，加熱熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)，熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)上升至熱管的冷凝段，工質(zhì)蒸汽將熱量傳遞給熱管管外、系統(tǒng)總管中的冷卻介質(zhì)水后，工質(zhì)凝結(jié)成液體重新回到熱管蒸發(fā)段循環(huán)使用。工質(zhì)水由集熱場入口處泵入系統(tǒng)總管，經(jīng)過不斷加熱，逐步飽和，在汽水分離器中分離后，飽和水由旁路管經(jīng)循環(huán)泵泵入系統(tǒng)總管入口，飽和蒸汽則進(jìn)入系統(tǒng)的過熱段，進(jìn)一步過熱產(chǎn)生過熱蒸汽。系統(tǒng)中，熱管式真空集熱管的熱管冷凝段是插入到總管中，實現(xiàn)源匯分離。'
熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置包括聚光器、熱管式真空集熱管、泵、
第一總管、第二總管、汽水分離器、旁路管、循環(huán)泵；其中，泵的ir出端接第一
總管，旁路管的中間設(shè)有循環(huán)泵，該循環(huán)泵的出口接泵出口處的第一總管上，該循環(huán)泵的進(jìn)口接汽水分離器的下部出口，第一總管的出口接汽水分離器中部的進(jìn)口，汽水分離器上部的出口接第二總管，第二總管的出口輸出過熱蒸汽；熱管式真空集熱管并聯(lián)連接在第一總管和第二總管上，熱管式真空集熱管的熱管冷凝段是插入到第一總管和第二總管中，實現(xiàn)源匯分離。熱管式真空集熱管包括玻璃外管、真空腔、選擇性吸收涂層、熱管、蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)；熱管蒸發(fā)段位于玻璃外管中，熱管蒸發(fā)段與玻璃外管之間是真空腔，選擇性吸收涂層涂在熱管蒸發(fā)段上。
4所述熱管式真空集熱管為熔封式(火封式)真空集熱管、融封式(熱壓封) 真空集熱管。
所述熱管式真空集熱管為圖2所示普通型真空集熱管、、聚光式真空集熱管 或翅片式真空集熱管。
熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的的方法，其特征在于將多個聚光器經(jīng)過串并 聯(lián)的排列，聚集的太陽光透過熱管式真空集熱管的玻璃外管和真空腔，被選擇性 吸收涂層吸收后，加熱熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)，熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)上升至熱管 的冷凝段，工質(zhì)蒸汽將熱量傳遞給熱管外的第一總管中的冷卻介質(zhì)水后，工質(zhì)凝 結(jié)成液體重新回到熱管蒸發(fā)段循環(huán)使用；第一總管中的冷卻介質(zhì)水由泵泵入到第 一總管中，被不斷加熱后，由介質(zhì)水變成飽和水和飽和水蒸汽混和物進(jìn)入汽水分 離器中，經(jīng)汽水分離器分離后，飽和水在循環(huán)泵作用下經(jīng)旁路管泵入第一總管的 入口處循環(huán)，汽水分離器輸出到第二總管中的飽和水蒸汽則進(jìn)一步被加熱成過熱 蒸汽至出口處，輸出到需要場所；熱管式真空集熱管的熱管冷凝段是插入到總管 中，實現(xiàn)源匯分離。
有益效果采用熱管式再次循環(huán)方式形成的DSG系統(tǒng)1)安全性好。水在 系統(tǒng)總管中被加熱，逐步由水變成汽-水混和物再變成過熱蒸汽，承受高溫、高 壓的系統(tǒng)總管與熱管式真空集熱管的關(guān)鍵部份即保持真空的吸熱部分是分離的， 能有效的保護(hù)集熱管的真空結(jié)構(gòu)；2)易控制。與普通DSG系統(tǒng)由處于運動狀態(tài) 下聚光集熱器的直通式真空集熱管作為承壓結(jié)構(gòu)相比，熱管式DSG系統(tǒng)的承壓部 分為處于固定狀態(tài)下的總管，結(jié)構(gòu)簡單，運行更可靠，易控制；3)免維護(hù)。熱 管式真空集熱管的吸熱結(jié)構(gòu)在玻璃管內(nèi)，如同太陽能熱水器的真空管一樣，無需 人工清冼；4)效率高。系統(tǒng)中雖然增加了熱管元件，但熱管是利用工質(zhì)相變進(jìn) 行熱量傳輸?shù)母咝鳠嵩?，其熱阻對于系統(tǒng)效率的影響很小，相反，熱管式真 空集熱管的放熱段插入到一根冷卻介質(zhì)(水或水蒸汽)流動的總管中，相當(dāng)于撓 流柱，強化了傳熱，可提高系統(tǒng)效率。因而，熱管式DSG系統(tǒng)既保留普通DSG 系統(tǒng)單回路相對于常規(guī)聚光太陽能熱利用雙回路的效率和成本優(yōu)勢，又解決普通 DSG系統(tǒng)中的真空集熱管易損壞和控制復(fù)雜等問題。


圖1是熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 .
圖中有聚光器l、熱管式真空集熱管2、冷卻介質(zhì)水3、給水泵4、第一總管 5-1、第二總管5-2、汽水分離器6、飽和水7、旁路管8、循環(huán)泵9、飽和蒸汽 10、過熱蒸汽ll。圖2是熱管式真空集熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有玻璃外管2-1、真空腔 2-2、選擇性吸收涂層2-3、熱管2-4、工質(zhì)2-5。
具體實施例方式
熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置包括聚光器1、熱管式真空集熱管2、 泵4、第一總管5-1、第二總管5-2、汽水分離器6、旁路管8、循環(huán)泵9;其中， 泵4的輸出端接第一總管5-l，旁路管8的中間設(shè)有循環(huán)泵9，該循環(huán)泵9的出 口接泵4出口處的第一總管5-1上，該循環(huán)泵9的進(jìn)口接汽水分離器6的下部出 口，第一總管5-l的出口接汽水分離器6中部的進(jìn)口，汽水分離器6上部的出口 接第二總管5-2，第二總管5-2的出口輸出過熱蒸汽11;熱管式真空集熱管2 并聯(lián)連接在第一總管5-1和第二總管5-2上，熱管式真空集熱管2的熱管2-4 冷凝段是插入到第一總管5-1和第二總管5-2中，實現(xiàn)源匯分離。熱管式真空集 熱管2包括玻璃外管2-l、真空腔2-2、選擇性吸收涂層2-3、熱管2-4、蒸發(fā)段 內(nèi)的工質(zhì)2-5;熱管2-4蒸發(fā)段位于玻璃外管2-l中，熱管2-4蒸發(fā)段與玻璃外 管2-l之間是真空腔2-2，選擇性吸收涂層2-3涂在熱管2-4蒸發(fā)段上。熱管式 真空集熱管2為熔封式(火封式)真空集熱管、融封式(熱壓封式)真空集熱管、 普通型真空集熱管、聚光式真空集熱管或翅片式真空集熱管。
熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的的方法為:將多個聚光器1繹過串并聯(lián)的排 列，聚集的太陽光透過熱管式真空集熱管2的玻璃外管2-1和真空腔2-2，被選 擇性吸收涂層2-3吸收后，加熱熱管2-4蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)2-5，熱管2-4內(nèi)工質(zhì) 2-5蒸發(fā)上升至熱管2-4的冷凝段，工質(zhì)2-5蒸汽將熱量傳遞給熱管2-4外的第 一總管5-1中的冷卻介質(zhì)水3后，工質(zhì)2-5凝結(jié)成液體重新回到熱管2-4蒸發(fā)段 循環(huán)使用；第一總管5-1中的冷卻介質(zhì)水3由泵4泵入到第一總管5-1中，被不 斷加熱后，由介質(zhì)水3變成飽和水和飽和水蒸汽混和物進(jìn)入汽水分離器6中，經(jīng) 汽水分離器6分離后，飽和水7在循環(huán)泵9作用下經(jīng)旁路管8泵入第一總管5-1 的入口處循環(huán)，汽水分離器6輸出到第二總管5-2中的飽和水蒸汽10則進(jìn)一步 被加熱成過熱蒸汽ll至出口處，輸出到需要場所；熱管式真空集熱管2的熱管 2-4冷凝段是插入到總管5中，實現(xiàn)源匯分離。
熱管式再次通過方式的運行過程:冷卻介質(zhì)水3由入口處泵4泵入到總管中， 經(jīng)過熱管式真空集熱管2的不斷加熱，逐步產(chǎn)生過熱蒸汽11。如圖1所示由水3 變成蒸汽11是一個逐步但連續(xù)的過程。
權(quán)利要求
1、一種熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置，其特征在于該裝置包括聚光器(1)、熱管式真空集熱管(2)、泵(4)、第一總管(5-1)、第二總管(5-2)、汽水分離器(6)、旁路管(8)、循環(huán)泵(9)；其中，泵(4)的輸出端接第一總管(5-1)，旁路管(8)的中間設(shè)有循環(huán)泵(9)，該循環(huán)泵(9)的出口接泵(4)出口處的第一總管(5-1)上，該循環(huán)泵(9)的進(jìn)口接汽水分離器(6)的下部出口，第一總管(5-1)的出口接汽水分離器(6)中部的進(jìn)口，汽水分離器(6)上部的出口接第二總管(5-2)，第二總管(5-2)的出口輸出過熱蒸汽(11)；熱管式真空集熱管(2)并聯(lián)連接在第一總管(5-1)和第二總管(5-2)上，熱管式真空集熱管(2)的熱管(2-4)冷凝段是插入到第一總管(5-1)和第二總管(5-2)中，實現(xiàn)源匯分離。
2、 如權(quán)利要求l所述的熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置，其特征在于熱管式真空集熱管(2)包括玻璃外管(2-1)、真空腔(2-2)、選擇性吸收涂層(2-3)、熱管(2-4)、蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)(2-5);熱管(2-4)蒸發(fā)段位于玻璃外管(2-1)中，熱管(2-4)蒸發(fā)段與玻璃外管(2-1)之間是真空腔(2-2)，選擇性吸收涂層(2-3)涂在熱管(2-4)蒸發(fā)段上。
3. 如權(quán)利要求l所述的熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置，其特征在于熱管式真空集熱管(2)為熔封式真空集熱管、融封式真空集熱管、普通型真空集熱管、聚光式真空集熱管或翅片式熱管。
4. 如權(quán)利要求l所述的熱管式一次性通過直接產(chǎn)生蒸汽的裝置，其特征在于聚光器(1)可置于熱管式真空集熱管(2)內(nèi)。
5、 一種熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的的方法，其特征在于將多個聚光器(1)經(jīng)過串并聯(lián)的排列，聚集的太陽光透過熱管式真空集熱管(2)的玻璃外管(2-1)和真空腔(2-2)，被選擇性吸收涂層(2-3)吸收后，加熱熱管(2-4)蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)(2-5)，熱管(2-4)內(nèi)工質(zhì)(2-5)蒸發(fā)上升至熱管(2-4)的冷凝段，工質(zhì)(2-5)蒸汽將熱量傳遞給熱管(2-4)外的第一總管(5-1)中的冷卻介質(zhì)水(3)后，工質(zhì)(2-5)凝結(jié)成液體重新回到熱管(2-4)蒸發(fā)段循環(huán)使用；第一總管(5-1)中的冷卻介質(zhì)水(3)由泵(4)泵入到第一總管(5-1)中，被不斷加熱后，由介質(zhì)水(3)變成飽和水和飽和水蒸汽混和物進(jìn)入汽水分離器(6)中，經(jīng)汽水分離器(6)分離后，飽和水(7)在循環(huán)泵(9)作用下經(jīng)旁路管(8)泵入第一總管(5-1)的入口處循環(huán)，汽水分離器(6)輸出到第二總管(5-2)中的飽和水蒸汽(10)則進(jìn)一步被加熱成過熱蒸汽(11)至出口處，輸出到需要場所；熱管式真空集熱管(2)的熱管(2-4)冷凝段是插入到總管(5)中，實現(xiàn)源匯分離。
全文摘要
熱管式再次循環(huán)直接產(chǎn)生蒸汽的裝置及方法涉及一種太陽能聚光集熱系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用在太陽能中、高溫系統(tǒng)中的太陽能聚光集熱裝置，該裝置包括聚光器(1)、熱管式真空集熱管(2)、泵(4)、第一總管(5-1)、第二總管(5-2)、汽水分離器(6)、旁路管(8)、循環(huán)泵(9)；采用熱管式真空集熱管取代現(xiàn)有金屬-玻璃直通式真空集熱管，形成熱管式再次循環(huán)DSG系統(tǒng)，既能保留普通DSG系統(tǒng)單回路相對于常規(guī)聚光太陽能熱利用雙回路的優(yōu)勢，又將DSG系統(tǒng)的承壓部分和吸熱部分分開，利用熱管技術(shù)實現(xiàn)源匯分離，解決普通DSG系統(tǒng)中的難點。
文檔編號F22B1/00GK101660746SQ200910184158
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者尹芳芳, 李小燕, 軍 王 申請人:東南大學(xué)