專利名稱：一種金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種在內(nèi)部部分填充金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)系統(tǒng)中的真空集熱裝置。
背景技術(shù)：
目前，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)以導(dǎo)熱油或水為換熱工質(zhì)，將清潔無(wú)污染的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能，近二十年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外備受矚目的新能源發(fā)電形式。其中，關(guān)鍵部件集熱管的熱性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響很大。大量學(xué)者對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱管的傳熱特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)集熱管本身的周向熱流分布極不均，這將導(dǎo)致管聚光側(cè)的熱膨脹大于非聚光側(cè)從而導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，并最終導(dǎo)致管壽命的降低。因此，對(duì)太陽(yáng)能集熱管熱性能的優(yōu)化提出了更高的要求。在現(xiàn)有的管式換熱器中，均采用全周布置的強(qiáng)化傳熱措施；針對(duì)真空集熱管的強(qiáng)化傳熱措施也很少，一般的方法是采用毛細(xì)結(jié)構(gòu)，或其他內(nèi)壁面強(qiáng)化傳熱措施，在強(qiáng)化傳熱時(shí)，并未考慮太陽(yáng)能集熱管周向熱流密度分布的特點(diǎn)。集熱管與聚光鏡之間是相對(duì)靜止的， 由于聚光系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤，聚光區(qū)始終固定在集熱管的下側(cè)，因此太陽(yáng)能集熱管表面聚光側(cè)才是接受熱量最大即熱流密度最大的部分，這一側(cè)的熱流密度分布極不均勻，因此，有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化件的布置，在增加同樣流動(dòng)阻力的同時(shí)提高強(qiáng)化傳熱的效果。在這樣的背景下，我們希望設(shè)計(jì)一種結(jié)合太陽(yáng)能集熱管特點(diǎn)，在不增加泵耗的同時(shí)，提升強(qiáng)化傳熱效果的新型太陽(yáng)能集熱管。采用填充金屬泡沫或其他強(qiáng)化傳熱措施的同時(shí)，總是增加了介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力損失。完全填充金屬泡沫可以使得強(qiáng)化傳熱效果明顯提高，但極大的增加了管內(nèi)流動(dòng)的沿程損失，在增加相同流動(dòng)阻力的情況下，針對(duì)太陽(yáng)能集熱管特有的熱流密度分布特點(diǎn)，布置強(qiáng)化傳熱部件的綜合效果會(huì)得到明顯提升。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提供了一種針對(duì)集熱管周向熱流密度分布，有效降低管壁周向溫差，大幅提高集熱管熱性能的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的式槽式太陽(yáng)能集熱管。技術(shù)方案本發(fā)明的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，包括玻璃管、封裝在所述玻璃管內(nèi)部的金屬管、設(shè)置于玻璃管兩端的封裝裝置，所述封裝裝置包括金屬-玻璃封接接頭、法蘭、波紋管；金屬管的兩端外側(cè)與法蘭連接，波紋管的兩端與金屬-玻璃封接接頭連接，波紋管設(shè)置在法蘭與金屬-玻璃封接接頭之間，玻璃管和金屬管之間抽真空；在所述金屬管內(nèi)一側(cè)填充有金屬泡沫，在金屬管的徑向剖面上，填充有所述金屬泡沫的區(qū)域是以剖面直徑為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱圖形。本發(fā)明中，金屬管管壁外側(cè)設(shè)置有吸氣劑，用于吸附管內(nèi)殘留氣體以保持真空。本發(fā)明中，金屬泡沫是由液態(tài)金屬鎳或鋁與高溫發(fā)泡劑混合發(fā)泡冷卻后形成的高孔隙率的固態(tài)金屬泡沫，其孔隙率在0. 9^0. 98之間。
本發(fā)明中，金屬泡沫的截面高度h與金屬管內(nèi)徑Di的比值在0. 7^0. 8之間。本發(fā)明中，金屬-玻璃封接接頭為可將玻璃管端面高溫熔封在波紋管端面的熔封接頭。本發(fā)明中，玻璃管將金屬管封裝在內(nèi)部，通過(guò)吸氣口抽出空氣，由吸氣劑吸附管內(nèi)殘留氣體以保持真空；金屬管與鋼管之間的封接裝置，由金屬-玻璃封接接頭，法蘭，波紋管組成；金屬-玻璃接頭用于緊密連接金屬和玻璃，波紋管具有一定的彈性，可補(bǔ)償金屬與玻璃在高溫下不同的熱膨脹，法蘭將波紋管固定在金屬管上。在金屬管內(nèi)壁單側(cè)，填充了高孔隙率的金屬泡沫。本發(fā)明在集熱管內(nèi)填充的金屬泡沫，是由液態(tài)金屬混合高溫金屬發(fā)泡劑，冷卻形成多孔狀的固態(tài)金屬泡沫，其孔隙率較高，在0. 9^0. 98之間，有效的降低了工作介質(zhì)通過(guò)時(shí)的阻力損失。金屬泡沫填充于金屬管內(nèi)一側(cè)，其分布沿著通過(guò)管中心的Y軸對(duì)稱，其高度 h與內(nèi)徑Di的比值在0.6、. 8之間。由于金屬泡沫直接鑄造在金屬管內(nèi)，使得管壁與金屬泡沫材料緊密的結(jié)合，有效的降低了兩種材料的接觸熱阻，且避免了傳統(tǒng)內(nèi)壁面強(qiáng)化傳熱措施加工復(fù)雜的缺點(diǎn)。有益效果本發(fā)明集熱管在金屬管內(nèi)一側(cè)填充金屬泡沫，針對(duì)集熱管外壁的熱流密度分布來(lái)布置集熱管安裝位置，將填充有金屬泡沫的一側(cè)設(shè)置在集熱管非聚光側(cè)，重構(gòu)了管內(nèi)的流場(chǎng)，使得熱流密度較大的聚光側(cè)的流速得到較大的提升；同時(shí)由于金屬泡沫本身較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，增強(qiáng)了非聚光側(cè)流體的傳熱，使得兩側(cè)的流體傳熱均得到強(qiáng)化。本發(fā)明適合應(yīng)用于以各種載熱介質(zhì)為工質(zhì)，周向熱流密度分布極不均勻的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的集熱管結(jié)構(gòu)剖面示意圖2為本發(fā)明的集熱管X-Y軸向剖面圖，其中Di是指金屬管的內(nèi)徑，h是指管內(nèi)填充的金屬泡沫的高度。圖3為本發(fā)明的金屬泡沫的孔隙率，幾何參數(shù)(h/Di)，對(duì)綜合強(qiáng)化傳熱效果評(píng)價(jià)值PEC的影響。圖中有吸氣口 1、真空層2、金屬-玻璃封接接頭3、法蘭4、金屬管5、真空玻璃管 6、吸氣劑7、波紋管8、金屬泡沫9、聚光側(cè)10、非聚光側(cè)11。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，包括玻璃管6、封裝在所述玻璃管6內(nèi)部的金屬管5、設(shè)置于玻璃管6兩端的封裝裝置，所述封裝裝置包括金屬-玻璃封接接頭3、法蘭4、波紋管8 ；金屬管5的兩端外側(cè)與法蘭4連接，玻璃管6的兩端與金屬-玻璃封接接頭3連接，波紋管8設(shè)置在法蘭4與金屬-玻璃封接接頭3之間，玻璃管6和金屬管5之間抽真空；在所述金屬管5內(nèi)一側(cè)填充有金屬泡沫9，在金屬管5的徑向剖面上，填充有所述金屬泡沫9的區(qū)域是以剖面直徑為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱圖形。本發(fā)明中，金屬管5管壁外側(cè)設(shè)置有吸氣劑7，用于吸附管內(nèi)殘留氣體以保持真空。
金屬泡沫9是由液態(tài)金屬鎳或鋁與高溫發(fā)泡劑混合發(fā)泡冷卻后形成的高孔隙率的固態(tài)金屬泡沫，其孔隙率在0. 9^0. 98之間。金屬泡沫9的截面高度h與金屬管5內(nèi)徑Di的比值在0. 7^0. 8之間。 金屬-玻璃封接接頭3為可將玻璃管6端面高溫熔封在波紋管8端面的熔封接頭。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明包括管內(nèi)部分填充的金屬泡沫9，金屬管5，真空玻璃管6，及金屬管與玻璃管之間的封接裝置。玻璃管6將金屬管5封裝在內(nèi)部，通過(guò)吸氣口 1抽出空氣，由吸氣劑7吸附管內(nèi)殘留氣體以保持真空；金屬管與玻璃管之間的封接裝置，由金屬-玻璃連接接頭3，法蘭4，波紋管8組成；金屬-玻璃接頭3用于緊密連接金屬和玻璃，波紋管8具有一定的彈性，可補(bǔ)償金屬與玻璃在高溫下不同的熱膨脹，法蘭4將波紋管固定在金屬管上。所述的金屬管5為不銹鋼管；
參見(jiàn)圖2，金屬泡沫9，由液態(tài)金屬鎳或鋁，混合了高溫發(fā)泡劑，實(shí)施例中采用CaH2作為高溫發(fā)泡劑，發(fā)泡冷卻后形成的高孔隙率的固態(tài)金屬泡沫，其孔隙率在0. 9^0. 98之間。金屬泡沫9填充在金屬管5內(nèi)壁一側(cè)，其高度h與內(nèi)徑Di的比值在0. 7、. 8之間；其分布沿著通過(guò)管中心的Y軸對(duì)稱。在實(shí)際工況中，聚光反射鏡將入射光線照射在集熱管的金屬管5表面的聚光側(cè)， 其內(nèi)部的傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水，與管壁進(jìn)行對(duì)流傳熱將熱量加熱工質(zhì)以達(dá)到額定參數(shù); 金屬泡沫9中此時(shí)也充滿了工質(zhì)，但由于其本身結(jié)構(gòu)的特性，使得其內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)速度和流量減小，迫使流體流向熱流密度更大的聚光側(cè)，強(qiáng)化了流體的傳熱，并且由于其本身具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，使得集熱管非聚光一側(cè)的流體傳熱也得到了強(qiáng)化。從而在不增加流動(dòng)阻力情況下提升了強(qiáng)化傳熱的總體性能。這里，我們采用同時(shí)考慮泵耗和強(qiáng)化傳熱效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考量本發(fā)明的強(qiáng)化傳熱效果
PEC^iNuJNuJ/{fJfy"
上式中分子為采用本發(fā)明的強(qiáng)化傳熱措施后管平均無(wú)量綱對(duì)流換熱系數(shù)(Mz3)與傳統(tǒng)管的比值，分母為本發(fā)明的強(qiáng)化傳熱措施后管平均阻力系數(shù)(/；)與傳統(tǒng)管(fa，c)的比值。當(dāng)這兩者的比值大于1時(shí)，說(shuō)明強(qiáng)化傳熱方法取得了良好的綜合效果。經(jīng)計(jì)算，本發(fā)明的PEC值為1. 1纊1.2，從理論上說(shuō)明了該方法的可行性。參見(jiàn)圖3，采用數(shù)值模擬的方法，分析了金屬泡沫的孔隙率(Φ )，填充高度(H)等因素對(duì)強(qiáng)化傳熱的效果都有明顯的影響。圖中橫坐標(biāo)為填充高度(H)，縱坐標(biāo)為綜合強(qiáng)化換熱指數(shù)(PEC)；三條不同的曲線分別代表不同的孔隙率(Φ )對(duì)強(qiáng)化傳熱的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)幾種影響因素的分析比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)h/Di的值為0. 75時(shí)其綜合強(qiáng)化傳熱效果最好，在實(shí)際生產(chǎn)加工的過(guò)程中，這一值沒(méi)有精確的要求，保證在0. 7 0. 8之間即可，也在很大程度上降低了生產(chǎn)制造的精度要求，從而降低了成本。本發(fā)明針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱管的實(shí)際熱流密度分布，合理地強(qiáng)化流體與集熱管的傳熱，降低了由于管壁周向溫差引起的熱應(yīng)力，提高了綜合熱效率。并且采用成熟的金屬泡沫高溫發(fā)泡工藝，幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，適合規(guī)模化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，其特征在于，該太陽(yáng)能集熱管包括玻璃管(6)、封裝在所述玻璃管(6)內(nèi)部的金屬管(5)、設(shè)置于玻璃管(6)兩端的封裝裝置，所述封裝裝置包括金屬-玻璃封接接頭(3 )、法蘭(4 )、波紋管(8 )；所述金屬管(5 )的兩端外側(cè)與法蘭(4 )連接，玻璃管(6 )的兩端與金屬-玻璃封接接頭 (3 )連接，所述波紋管(8 )設(shè)置在法蘭(4)與金屬-玻璃封接接頭(3 )之間，玻璃管(6 )和金屬管(5)之間抽真空；在所述金屬管(5)內(nèi)一側(cè)填充有金屬泡沫(9)，在金屬管(5)的徑向剖面上，填充有所述金屬泡沫(9)的區(qū)域是以剖面直徑為對(duì)稱軸的軸對(duì)稱圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，其特征在于，所述金屬管(5)管壁外側(cè)設(shè)置有吸氣劑(7)，用于吸附管內(nèi)殘留氣體以保持真空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，其特征在于，所述的金屬泡沫(9)是由液態(tài)金屬鎳或鋁與高溫發(fā)泡劑混合發(fā)泡冷卻后形成的高孔隙率的固態(tài)金屬泡沫，其孔隙率在0. 9^0. 98之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，其特征在于，所述的金屬泡沫(9)的截面高度h與金屬管(5)內(nèi)徑Di的比值在0. 7^0. 8之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，其特征在于，所述的金屬-玻璃封接接頭(3 )為可將玻璃管(6 )端面高溫熔封在波紋管(8 )端面的熔封接頭。
全文摘要
一種金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的槽式太陽(yáng)能集熱管，包括玻璃管、封裝在玻璃管內(nèi)部的金屬管、設(shè)置于玻璃管兩端的封裝裝置，封裝裝置由法蘭、波紋管和金屬-玻璃封接接頭組成，金屬管內(nèi)部分填充的金屬泡沫。本發(fā)明只針對(duì)金屬管內(nèi)壁單側(cè)，填充高孔隙率的金屬泡沫，其中金屬泡沫孔隙在0.9~0.98之間。本發(fā)明安裝時(shí)，太陽(yáng)能集熱管填充有金屬泡沫的一側(cè)設(shè)置在熱流密度較小的非聚光側(cè)，金屬泡沫使迫使流體流向熱流密度更大的聚光側(cè)，強(qiáng)化了流體的傳熱，且只部分填充而不至于過(guò)分增加流動(dòng)的阻力。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算確定，其填充高度h與內(nèi)徑Di的比值在0.6~0.8之間時(shí)，換熱綜合效果最佳。
文檔編號(hào)F24J2/46GK102410651SQ201110338068
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者劉德有, 唐若涵, 王沛, 許昌, 郭蘇 申請(qǐng)人:河海大學(xué)