專利名稱：管狀熱交換器、特別是聚集式太陽能電站的接收管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及管狀熱交換器，特別是聚集式太陽能電站的接收管。更確切地，本發(fā)明涉及到用于聚集式太陽能電站的接收管，也公知為太陽能管或者太陽能鍋爐，其通過以下特征實現(xiàn)借助于在正常太陽能管或者接收器表面的一部分上的、通常但不必一定為拋物面鏡(所謂的“拋物線貫穿”或者非涅耳技術及關于太陽能量的其他技術，以及下文中與聚集式熱動力太陽能電站相關的表述中的其他任意情形)的鏡子，降低其平均溫度，并對由于所聚集的太陽能量產(chǎn)生的照射而導致的軸向和周向溫度梯度進行均一化(homogenization)。本發(fā)明也能夠用于實現(xiàn)在太陽能管內(nèi)部流動的載熱流體的熱動力特性的均一化。
背景技術：
如所公知的，運行聚集式太陽能電站能夠通過借助于聚焦鏡、通常但不必須具有拋物線形狀的聚焦鏡來聚集太陽能輻射，在接收管或者太陽能管上運送照射以增加由所述管聚集的熱能，并促使它升溫至高溫，來放大太陽能輻射，即增加它的熱函(enthalpy)或者改變在其內(nèi)部流動的載熱流體(即向外運載能量的流體)狀態(tài)，或者(借助于來自受照射管的熱能進行的載熱流體的重整(reformulation))促進在流體中的熱化學變換的熱動力變換。載熱流體實質上能夠用于采用這種熱動力狀態(tài)的一系列應用，諸如與借助于太陽能電站下游的使用氣體渦輪和蒸汽渦輪的變電站或者聯(lián)合循環(huán)電站實現(xiàn)的熱能向電能的轉換相關的應用；與用于生產(chǎn)用于灌溉、飲用、工業(yè)的水的海水淡化相關的應用；涉及到純的或者混合的輕烴(甲烷、丙烷、丁烷、液化石油氣、甲醇等)的改良工藝的應用，上述輕烴用于濃縮具有較大值(氫或者較輕烴)的燃料顆粒中的燃料或者用于從原始化學式向更簡單分子式的燃料分解或重整。由于與熱能向電能的轉換相關的應用通常使用該技術(聚集式熱動力太陽能電站)，因此下文中將為了說明本發(fā)明的目的而非限制性目的，而特別參考了這些應用。在下文中簡單稱作“熱動力太陽能”的用于實現(xiàn)使用太陽能產(chǎn)生電能的技術是基于將太陽輻射聚集到設置在拋物線狀鏡串的焦點處的接收管上，且在接收管內(nèi)，載熱流體流動(例如選自導熱油、熔鹽等)升溫至高溫(在當前應用中為500-600°C)，這種熱能可以借助于穿過熱能存儲部分的中間流體來提供，以借助于發(fā)動機熱動力循環(huán)系統(tǒng)、諸如Rankine、Hirn、Joule或者Ericsson等循環(huán)系統(tǒng),將其轉換成機械電能,其中載熱流體或者中間流體表示高溫熱源。通過拋物線狀鏡獲得的聚集比(目前通常在50和150之間可變)允許管升溫到高溫(在太陽能管中具有明顯的周向和軸向溫度梯度)，一般相對于可能值來增加載熱流體的溫度或者熱函，而不聚集太陽能。因此可以將使用太陽能的可能性擴展至原本不聚集就不可能實現(xiàn)的應用，特別是如已經(jīng)引用的，擴展至通過太陽能供電的熱動力轉換或者擴展至總體或者局部燃料重整或者需要高溫的其他應用。
根據(jù)關于太陽能管的公知現(xiàn)有技術，這些技術用于使用均勻厚度(周向和軸向)的金屬管，這種金屬管能夠抵抗載熱流體的工作壓力，內(nèi)部表面平滑以限制壓降，外部表面覆蓋有合適的材料以增加太陽能輻射的吸收系數(shù)，允許用作黑體。在金屬管周圍提供共軸管，與太陽能管適當?shù)責峤^緣，且由對于太陽輻射透明并吸收來自金屬管的再輻射能量的材料制成，以便回收來自太陽能管的大部分再輻射能量。在金屬管和周圍的玻璃管之間限定的間隔被保持為真空，結果是還必須提供以下特征在金屬管和玻璃管之間的靜態(tài)密封系統(tǒng)；適當?shù)?金屬)彈性波紋管(bellow)，以允許吸收伴隨著其溫度以及軸向溫度梯度增加的管的巨大軸向膨脹；同樣用作密封的連接件(joint)，以允許太陽能管的部件相對于其他部件旋轉，允許與太陽能管巨大長度連續(xù)性的需求、將土壤引入到太陽能管本身的需求相結合，允許快速斷開或者分開該管或其部件。事實上，根據(jù)所需功率，太陽能管的長度能夠延伸數(shù)公里，且因此需要易于實現(xiàn)部件斷開的部分。熱動力太陽能技術(以及其可能應用的技術)的進展在于太陽能管的尺寸(直徑)的增加，這實現(xiàn)了收集熱能的更大表面，且因此對于相同的管長度(且由此對于相同整體長度)，實現(xiàn)了電站更大的供電能力；可在太陽能管表面上獲得的、且通過拋物線狀鏡聚 焦而在平臺表面上獲得的進一步增加的太陽能聚集比；且結果獲得的材料和載熱流體工作溫度的增加，結果對于機械密封系統(tǒng)的工作條件，對于管縱向和周向熱變形的問題，對于金屬管和透明管之間的密封，對于管相鄰部分之間、即利用電站不同部件之間的連接和斷開設備的密封，以及對于管表面處理工藝的結構穩(wěn)定性，都更加嚴格，以改善其用作黑體的性能。使用氣體(例如氮、二氧化碳、水蒸汽、氦、二氧化碳)作為載熱流體以克服當前使用的載熱流體(特別是熔鹽)在低于200-250°C的溫度下固化的問題，結果需要增加載熱流體壓力，以補償?shù)兔芏?，由此進一步惡化了密封系統(tǒng)的工作條件。而且，為了促進載熱流體運載的熱功率增加(是增加管直徑或者增加聚集比的結果)，需要增加太陽能管出口處的載熱流體的溫度，且這將意味著管材料工作溫度的增加以及周向和軸向溫度梯度的惡化。根據(jù)現(xiàn)有技術的方案以及根據(jù)技術進展，提出了一系列工作問題。由于僅在電磁干擾圓柱形表面上照射接收管，在該管上產(chǎn)生巨大的周向溫度梯 度。這種梯度對于在金屬管(其內(nèi)部流動載熱流體)與玻璃管或者其材料對太陽光透明且吸收自該管再輻射的光的管之間的靜態(tài)密封系統(tǒng)很關鍵。而且，由于在接收管內(nèi)部流動的載熱流體逐步增加其溫度，因此產(chǎn)生沿著接收管軸向以及圍繞其周邊的溫度梯度，導致顯著的差別膨脹，由于這種差別膨脹圍繞管周向和軸向，因此這種差別膨脹對于熱加工應力以及對于表面處理的結構保護都很關鍵。用氣體替換當前使用的載熱流體(油或者熔鹽)包括對流熱傳遞系數(shù)的降低(debbrease)，這導致除非使得載熱流體(氣體)工作壓力增加，否則在載熱流體的相同溫度下，導致管溫度增加，但是這會需要管具有大得多的厚度，導致在太陽能管的重量、成本、偏轉和整體變形方面增加。在管內(nèi)部的氣體速度增加(增加質量流量的結果)實際上將僅僅對熱傳遞系數(shù)降低進行部分補償。由于這個原因，在涉及到氣體的應用中，會存在增加氣體和金屬壁之間熱傳遞系數(shù)的問題，為了實現(xiàn)氣體和金屬壁之間溫度差降低，如將在下文中解釋的，由太陽照射并適當聚集在太陽能管上的熱功率是恒定的，其他條件相同(例如但不僅是場所的地理位置，太陽能管尺寸，聚集系統(tǒng)尺寸，太陽能管相對于拋物線狀鏡焦點的位置)。
而且，對于相同溫度的載熱流體的管溫度增加、以及由于所聚集的太陽能輻射的不均勻性以及在太陽能管內(nèi)流動的載熱流體的溫度增加地越來越多而導致的周向和軸向溫度梯度的存在，使得用于對暴露于輻射的太陽能管表面進行覆蓋以便降低太陽能輻射反射和增加吸收部分的材料結構的保護變得關鍵。而且，由于通過利用表面處理組裝不同材料并容納對溫度變化和通過的載熱流體具有不同反應的系統(tǒng)來實現(xiàn)整體太陽能管，因此這使得太陽能管的不同構成部分容易發(fā)生不同的擴張，這能產(chǎn)生結構變形，與管溫度變化程度一樣大。最后，同樣，在高溫下重量也成為太陽 能管的一個關鍵因素，因為它增加了與由于重力導致的變形相關的偏差，并且因此當實現(xiàn)降低管向外部輻射的熱量的所述表面處理時，正如已經(jīng)說過的，這導致在管的外表面上的特別嚴重的差異變形。在該上下文中，根據(jù)本發(fā)明，將其放入溶液中，目的是提供接收管用于聚集式太陽能電站，其被制造成克服根據(jù)現(xiàn)有技術的管的問題和由于金屬管的熱狀態(tài)和其周向及軸向溫度梯度導致的問題，并因此克服在金屬管和玻璃管之間的密封的問題，并克服與載熱流體的熱分層(thermal stratification)相關的問題,還克服與表面處理機械穩(wěn)定性相關的問題。根據(jù)本發(fā)明，通過提出具有結構特征(管厚度適當?shù)刂芟蜃兓?和/或與周向和軸向熱阻(實現(xiàn)傳導和對流熱阻的相同周向和軸向方向變化)的特定目的(對流和傳導)一起局部變化的元件(鰭片、溝槽、插入物，它們?nèi)吭谳d熱流體側上徑向延伸)的用于聚集式太陽能電站的接收管，來實現(xiàn)這些和其他結果。而且，這種元件有助于均一化管內(nèi)部流動的載熱流體。參考所列舉的元件(鰭片、溝槽、插入物，這些元件全部在載熱流體側徑向延伸)，目的在于增加交換能量的流體之間的熱交換的引入至管內(nèi)部或者外部的技術是現(xiàn)有技術。實際上，公知的是，對于所要交換的設定熱功率，這種元件增加了流體渦流，并由此增加了交換的熱能，因此實現(xiàn)了熱交換器尺寸降低。在交換流體通常排空氣體、空氣、冷卻液體的情況下，大部分現(xiàn)有技術涉及的內(nèi)燃交流發(fā)動機領域主要使用這種元件。在所列舉的領域中，實際上，對于熱交換器的插入物來講尺寸降低是基本要素，這種尺寸降低可通過增加熱傳遞系數(shù)實現(xiàn)。現(xiàn)有技術應用中需要的進一步需求是降低壓降。例如EP0677715A1公開了設置成V形的鰭片，加強了渦流，并防止可能會在流體內(nèi)部側上污染交換器的顆粒的沉積(內(nèi)燃交流發(fā)動機的排空氣體被冷卻)。在以低成本技術實現(xiàn)這種元件的專利DE19540683AUDE19654367A1和DE19654368A1中，對于通過發(fā)動器排空氣體操作的熱交換器通常提出相似解決方案。也參考沿著表面具有均勻分布熱量的其他類型熱交換器(例如發(fā)動機輻射器)，在DE1061319A1和DE10227084A1中公開了相似插入物根據(jù)這些專利的解決方案的目的總是加強交換的熱功率(熱交換器的每單位表面)，由此降低了交換器尺寸并實現(xiàn)了更緊湊的解決方案。DE102005029321A1和US2010/0139631A1公開了插入物配置方面的其他改進，目的是實現(xiàn)交換的熱功率(對于熱交換器的相同表面)和流體壓降之間的優(yōu)化，易于通過定位插入物來進行強化。這些專利的特性在于強化流動方向上的結構元件數(shù)目，由此實現(xiàn)交換熱功率的強化在管中流體入口區(qū)域中，優(yōu)選設置減少數(shù)目的結構元件，限制壓降。實際上在該區(qū)域中，在兩個流體之間的高溫差可以獲得大量熱能的傳遞，由此該元件可能為了加強交換熱功率的目的而部分有用，但其數(shù)量降低也促進了壓降的減少。越來越多的流體進入到管內(nèi)部，由于該溫差增加，因此交換熱功率易于降低。結構元件(沿著流體方向上的)數(shù)目的強化補償了這種降低，導致對流熱傳遞系數(shù)增加。為了實現(xiàn)增加交換熱功率(具有強化的沿著流動方向的結構元件數(shù)量)和降低壓降(與用于結構元件均勻分布的解決方案相比)的目的，DE102005029321A1和US2010/0139631A1公開了不同的建設性解決方案，這里，結構化元件間隔不同，且相對于流動方向成不同角度。FR2682747A1公開了一種管狀熱交換器，提出了非圓柱形熱交換表面，這是具有不規(guī)則形狀的熱表面，可能在棱角狀部分上重復，目的是增加熱交換表面和強化交換熱功率。這種內(nèi)部表面不具有結構元件(鰭片)但具有表面溝槽(不規(guī)則物)。涉及到的應用是冷凝流體，該表面的這些不規(guī)則物的目的是促進強化渦流和/或從層化流至渦流的通道。這種溝槽有利于形成滴狀物，用作冷凝的促進劑、降低金屬管的厚度，降低了輻射熱阻，增加了對流熱傳遞系數(shù)。獲得的熱交換器更有效且具有更低實現(xiàn)成本。 在US005409675A中公開了一種相似解決方案，其中通過具有設定間距和形狀的凸角(lobe)來設定管狀交換器的內(nèi)部截面形狀，這增加了在內(nèi)部流體側上的熱交換表面，同時實現(xiàn)降低壓降。具體應用是用于其內(nèi)部執(zhí)行用于制造烯的Pirolisis轉換的熱交換器。在流動方向方面，熱交換器截面改變，在流動方向上變大，且內(nèi)部表面保持凸角尺寸以限定對于反應氣體可獲得的體積增加。US005655599A公開了一種解決方案,根據(jù)該方案，向管狀交換器內(nèi)表面提供鰭片以增加由于在內(nèi)部流動的氣體(也經(jīng)歷燃燒)和管外部表面之間的對流和輻射而交換的熱能。對延伸以實現(xiàn)用于內(nèi)部氣體的通路表面的明顯降低的鰭片形狀進行優(yōu)化，以強化在氣體和暴露表面之間的輻射熱交換，由此將熱交換表面(通常稱作對流)的鰭片應用擴展至福射交換的情況。在該解決方案中，進一步提供了沿著螺旋線(elicoidal)線實現(xiàn)的鰭片，使得內(nèi)部流體經(jīng)受圍繞管軸的旋轉(扭轉)。這種螺旋線的間距可以沿著管變化。在DE102004027208A1中也公開了一種使用在管狀熱交換器內(nèi)部提供的鰭片。根據(jù)該專利，將鰭片設置在內(nèi)部以增加管狀熱交換器的溫度，并防止包括在從燃燒過程得到的排空氣體中的水蒸氣冷凝，延遲了形成酸性冷凝物。以這種方式，可以使用不太抗腐蝕且較便宜的材料。在權利要求的解決方案中，以相對于管狀交換器軸向的垂直方向，從燃燒工藝到達的氣體到達了在外部表面上的管狀熱交換器。由此實現(xiàn)了通過與排空氣體一致的氣體流動實現(xiàn)的管外部表面的第一部分停滯(“上游區(qū)域”)，增加了其壓力，和直徑方向上與第一部分相反的管外部表面的第二部分在氟動力尾跡(wake)中，特征是低壓(“下游區(qū)域”)。當燃燒氣體達到交換管(其內(nèi)部流體流動)時，在氣流(上游)到達的以及直徑方向相反(下游)的區(qū)域中，其實現(xiàn)了氣體和金屬壁之間不同的溫度差。在后一區(qū)域中，考慮到氣體較低壓力，溫度差可將氣體帶入到酸性冷凝物的露點之下。鰭片的不同設置促進流體和氣體之間的溫差增加由此防止形成酸性冷凝物的可能性。在下文中基于物理-機械方式描述所提出的關于現(xiàn)有技術作出改善的解決方案的工作原理，其描述出在通過聚集和非聚集太陽能照射的太陽能管中發(fā)生的工藝。公知的是，通過等式描述在管中流動的流體之間的強制對流的機理Nu = kRe0· 8Pra 4(I)其中努賽爾數(shù)(Nu)是
權利要求
1.一種管狀熱交換器，所述管狀熱交換器在相對于所述管狀熱交換器位于外部的輻射熱源和在所述熱交換器內(nèi)部流動的載熱流體之間，來自所述源的輻射熱被聚集到所述管狀熱交換器外部表面的縱向部分上，特征在于其包括用于降低沿著所述管狀熱交換器的壁的截面的溫度梯度的裝置。
2.如權利要求I所述的管狀熱交換器，特征在于用于降低沿著管狀熱交換器的壁的截面的溫度梯度的所述裝置包括相對于所述管狀熱交換器內(nèi)表面的多個突起或者凹入元件，所述多個突起或者凹入元件主要與其上聚集了來自所述源的輻射熱能的所述管狀熱交換器外部表面的所述縱向部分相對應地設置。
3.如權利要求2所述的管狀熱交換器，特征在于沿著所述管狀熱交換器的圓柱形基體設置所述突起或者凹入元件。
4.如權利要求2所述的管狀熱交換器，特征在于沿著不遵循所述管狀熱交換器的圓柱形基體的曲線來設置所述突起或者凹入元件。
5.如權利要求2-4中任一項所述的管狀熱交換器，特征在于所述突起或者凹入元件的 數(shù)量和/或表面在周向和軸向方向上變化。
6.如權利要求2-5中任一項所述的管狀熱交換器，特征在于所述突起或者凹入元件的形狀在周向和軸向方向上變化。
7.如前述權利要求中任一項所述的管狀熱交換器，特征在于用于降低沿著管狀熱交換器的壁的截面的溫度梯度的所述裝置包括在周向方向上變化的壁厚度，所述壁厚度在與其上聚集來自所述源的輻射熱能的管狀熱交換器的外部表面的所述縱向部分對應的最小值、和與其上聚集來自所述熱源的輻射熱能的管狀熱交換器外部表面相對的管狀熱交換器外部表面的縱向部分對應的最大值之間。
8.如權利要求1-7中任一項所述的管狀熱交換器在聚集式太陽能電站中使用的用途。
9.如權利要求1-7中任一項所述的管狀熱交換器使用在烴改進電站中使用的用途，所述烴改進電站用于制造氫或者制造甲烷和氫的混合物或者制造在存在其他烴的情況下的氫的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及到在相對于管狀熱交換器(10)設置在外部的輻射源和在交換器內(nèi)部流動的載熱流體之間的管狀熱交換器(10)，來自所述源的輻射熱量被聚集到所述管狀熱交換器外部表面的縱向部分上，所述管狀熱交換器(10)包括用于降低沿著管狀熱交換器的壁的截面的溫度梯度的裝置(11)。
文檔編號F28F13/14GK102741645SQ201080049970
公開日2012年10月17日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2009年11月3日
發(fā)明者布魯諾·格林達圖 申請人:高級研究咨詢有限公司