基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法。它包括入口法蘭、套管式連接管、蒸汽出口管、改性表面內(nèi)套管、單口集熱管，單口集熱管包括封頭、波紋管、吸熱管、真空玻璃管、真空抽氣口、支撐構(gòu)件、選擇性吸光涂層、第一超親水涂層，改性表面內(nèi)套管包括導熱管、超疏水涂層、第二超親水涂層。本發(fā)明通過吸熱管內(nèi)表面的超親水涂層和改性表面內(nèi)套管超疏水涂層提高管內(nèi)出口蒸汽干度，通過改性表面內(nèi)套管第二超親水涂層強化管內(nèi)后端的沸騰換熱系數(shù)提升集熱管換熱效率。
【專利說明】 基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法，屬于太陽能熱利用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能熱發(fā)電技術(shù)已成為當前太陽能高效利用的主要發(fā)展方向之一。作為當前技術(shù)最成熟、商業(yè)化程度最高的槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，我國目前也在逐步開展槽式太陽能熱發(fā)電商業(yè)化示范項目建設(shè)。目前槽式太陽能系統(tǒng)采用的集熱管主要為直通式集熱管，其優(yōu)點在于通過串聯(lián)連接可獲得高溫蒸汽，但也存在兩端溫差過大，金屬管應力過高，金屬與玻璃管之間焊接工藝受限等問題。中國專利ZL 200820168123.6提出了一種同軸套管式U型集熱管，提供了一種成品率高、結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、便于大面積推廣的中高溫集熱管。但該集熱管在使用過程中出現(xiàn)了蒸汽出口溫度偏低、集熱管對流散熱損失過大等問題。中國專利ZL20110318417.9為了克服上述使用過程出現(xiàn)的問題，通過在套管內(nèi)管入口處安裝熱阻內(nèi)嵌管，減少出口蒸汽和入口冷凝水之間的對流換熱，從而改善傳熱，保證和提高了出口蒸汽的品質(zhì)。但其缺點在于使得集熱管結(jié)構(gòu)更加復雜，系統(tǒng)可靠性降低。因此，該種類型集熱管在改善性能等方面還有進一步優(yōu)化的空間。
[0003]另一方面，通過微-納表面改性技術(shù)強化傳熱作為一個嶄新的研究領(lǐng)域，已得到世界范圍的廣泛重視，一批開創(chuàng)性的研究工作已經(jīng)證明表面改性是一種極具前景的強化傳熱手段。隨著研究的深入，表面浸潤性對氣泡動力學過程及傳熱的影響被逐漸重視。通常認為，親水表面可以改善壁面液體傳輸特性更有利于提高臨界熱流密度，而根據(jù)異相成核理論疏水表面可以有效降低氣泡成核所需能量勢壘從而使沸騰提前。大量的實驗也已經(jīng)證實，通過改變表面的微-納結(jié)構(gòu)，帶來表面形貌及化學性質(zhì)的改變來引起表面浸潤性的變化是可行的。目前，對微-納改性表面的研究還停留在實驗研究范圍，而將這種新興技術(shù)付諸于工業(yè)應用還鮮有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服槽式太陽能集熱技術(shù)的不足，提出一種基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管包括入口法蘭、套管式連接管、蒸汽出口管、改性表面內(nèi)套管、單口集熱管；單口集熱管包括封頭、波紋管、吸熱管、真空玻璃管、真空抽氣口、支撐構(gòu)件、選擇性吸光涂層、第一超親水涂層；改性表面內(nèi)套管包括導熱管、超疏水涂層、第二超親水涂層；集熱管入口法蘭與改性表面內(nèi)套管焊接連接；改性表面內(nèi)套管經(jīng)套管連接管與單口集熱管同軸布置；套管連接管上端開口與蒸汽出口管焊接連接；套管連接管的兩端分別與改性表面內(nèi)套管的入口和單口集熱管開口端焊接連接；吸熱管與真空玻璃管開口端通過波紋管和封頭封接；吸熱管與真空玻璃管閉口端之間設(shè)有支撐構(gòu)件；真空玻璃管上設(shè)有真空抽氣口 ；吸熱管外表面涂有選擇性吸光涂層，內(nèi)表面涂有第一超親水涂層；導熱管內(nèi)表面沿軸向依次涂有超疏水涂層和第二超親水涂層。
[0006]所述的改性表面內(nèi)套管中的超疏水表面涂層區(qū)域長度為總長的1/3，改性表面內(nèi)套管中的第二超親水涂層區(qū)域的長度為總長的2/3。
[0007]基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管的集熱方法是:冷凝水經(jīng)入口法蘭流入改性表面內(nèi)套管經(jīng)加熱產(chǎn)生蒸汽從單口集熱管反向流入套管式連接管經(jīng)蒸汽出口管流出；吸熱管經(jīng)選擇性吸光涂層吸收透過真空玻璃管的的太陽光加熱；吸熱管通過內(nèi)表面的第一超親水涂層加熱提高管內(nèi)蒸汽干度；改性表面內(nèi)套管通過單口集熱管內(nèi)的蒸汽進行加熱；改性表面內(nèi)套管通過第二超疏水涂層弱化管內(nèi)前端沸騰換熱系數(shù)提高熱阻來提升出口蒸汽的干度；改性表面內(nèi)套管通過第二超親水涂層強化管內(nèi)后端的沸騰換熱系數(shù)提升集熱管換熱效率。
[0008]本發(fā)明通過吸熱管內(nèi)表面的超親水涂層和改性表面內(nèi)套管超疏水涂層提高管內(nèi)出口蒸汽干度，通過改性表面內(nèi)套管超親水涂層二強化管內(nèi)后端的沸騰換熱系數(shù)提升集熱管換熱效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2-a是本發(fā)明的單口集熱管結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2-b是本發(fā)明的單口集熱管的A-A截面圖；
圖3是本發(fā)明的改性表面內(nèi)套管內(nèi)表面超疏水表面與超親水表面具體布置圖。
[0010]圖中:入口法蘭1、套管式連接管2、蒸汽出口管3、改性表面內(nèi)套管4、單口集熱管
5、封頭6、波紋管7、吸熱管8、真空玻璃管9、真空抽氣口 10、支撐構(gòu)件11、選擇性吸光涂層12、第一超親水涂層13、導熱管14、超疏水涂層15、第二超親水涂層16。
[0011]
【具體實施方式】
[0012]如圖l、2-a、2_b、3所示，基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管包括入口法蘭1、套管式連接管2、蒸汽出口管3、改性表面內(nèi)套管4、單口集熱管5 ;單口集熱管5包括封頭6、波紋管7、吸熱管8、真空玻璃管9、真空抽氣口 10、支撐構(gòu)件11、選擇性吸光涂層12、第一超親水涂層13 ;改性表面內(nèi)套管4包括導熱管14、超疏水涂層15、第二超親水涂層16 ;集熱管入口法蘭I與改性表面內(nèi)套管4焊接連接；改性表面內(nèi)套管4經(jīng)套管連接管2與單口集熱管5同軸布置；套管連接管2上端開口與蒸汽出口管3焊接連接；套管連接管2的兩端分別與改性表面內(nèi)套管4的入口和單口集熱管5開口端焊接連接；吸熱管8與真空玻璃管9開口端通過波紋管7和封頭6封接；吸熱管8與真空玻璃管9閉口端之間設(shè)有支撐構(gòu)件11 ;真空玻璃管9上設(shè)有真空抽氣口 10 ;吸熱管8外表面涂有選擇性吸光涂層12，內(nèi)表面涂有第一超親水涂層13 ;導熱管14內(nèi)表面沿軸向依次涂有超疏水涂層15和第二超親水涂層16。
[0013]所述的改性表面內(nèi)套管4中的超疏水表面涂層15區(qū)域長度為總長的1/3，改性表面內(nèi)套管4中的第二超親水涂層區(qū)域的長度為總長的2/3。[0014]基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管的集熱方法是:冷凝水經(jīng)入口法蘭I流入改性表面內(nèi)套管4經(jīng)加熱產(chǎn)生蒸汽從單口集熱管5反向流入套管式連接管2經(jīng)蒸汽出口管3流出；吸熱管8經(jīng)選擇性吸光涂層12吸收透過真空玻璃管9的的太陽光加熱；吸熱管8通過內(nèi)表面的第一超親水涂層13加熱提高管內(nèi)蒸汽干度；改性表面內(nèi)套管4通過單口集熱管5內(nèi)的蒸汽進行加熱；改性表面內(nèi)套管4通過第二超疏水涂層15弱化管內(nèi)前端沸騰換熱系數(shù)提高熱阻來提升出口蒸汽的干度；改性表面內(nèi)套管4通過第二超親水涂層16強化管內(nèi)后端的沸騰換熱系數(shù)提升集熱管換熱效率。
[0015]基于改性表面的套管式自然循環(huán)太陽能集熱管內(nèi)部傳熱與流動過程如下:太陽光經(jīng)聚光后透過真空玻璃管，經(jīng)吸熱管外表面的選擇性吸光涂層將光能轉(zhuǎn)化為熱能，來同時加熱吸熱管和改性表面內(nèi)套管中的冷凝水。通過微-納表面改性技術(shù)可以得到超疏水涂層以及超親水涂層，并分別將這些修飾涂層布置于吸熱管和改性表面內(nèi)套管的內(nèi)表面。冷凝水經(jīng)集熱管入口法蘭流入單口集熱管，分別經(jīng)過導熱管內(nèi)表面超疏水涂層和第一超親水涂層，繼而流入吸熱管，經(jīng)過第二超親水涂層，最后得到蒸汽從蒸汽出口管流出。
[0016]本發(fā)明將新興的表面微-納改性技術(shù)引入太陽能集熱裝置中，通過修飾吸熱管內(nèi)表面，改變其浸潤性，是將科學研究前沿技術(shù)引入工業(yè)實際應用的有益嘗試。本發(fā)明提出的新型集熱管結(jié)構(gòu)以及集熱方法，相比現(xiàn)有技術(shù)具有較大優(yōu)勢。
【權(quán)利要求】
1.一種基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管及方法，其特征在于包括入口法蘭(I)、套管式連接管(2)、蒸汽出口管(3)、改性表面內(nèi)套管(4)、單口集熱管(5);單口集熱管(5)包括封頭(6)、波紋管(7)、吸熱管(8)、真空玻璃管(9)、真空抽氣口(10)、支撐構(gòu)件(11)、選擇性吸光涂層(12)、第一超親水涂層(13);改性表面內(nèi)套管(4)包括導熱管(14)、超疏水涂層(15)、第二超親水涂層(16);集熱管入口法蘭(I)與改性表面內(nèi)套管(4)焊接連接；改性表面內(nèi)套管(4)經(jīng)套管連接管(2)與單口集熱管(5)同軸布置；套管連接管(2)上端開口與蒸汽出口管(3)焊接連接；套管連接管(2)的兩端分別與改性表面內(nèi)套管(4)的入口和單口集熱管(5 )開口端焊接連接；吸熱管(8 )與真空玻璃管(9 )開口端通過波紋管(7 )和封頭(6 )封接；吸熱管(8 )與真空玻璃管(9 )閉口端之間設(shè)有支撐構(gòu)件(11);真空玻璃管(9)上設(shè)有真空抽氣口( 10);吸熱管(8)外表面涂有選擇性吸光涂層(12)，內(nèi)表面涂有第一超親水涂層(13);導熱管(14)內(nèi)表面沿軸向依次涂有超疏水涂層(15)和第二超親水涂層(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管，其特征在于所述的改性表面內(nèi)套管(4)中的超疏水表面涂層(15)區(qū)域長度為總長的1/3，改性表面內(nèi)套管(4)中的第二超親水涂層(16)區(qū)域的長度為總長的2/3。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述的基于傳熱改性表面的自然循環(huán)太陽能回路型集熱管的集熱方法，其特征在于:冷凝水經(jīng)入口法蘭(I)流入改性表面內(nèi)套管(4)經(jīng)加熱產(chǎn)生蒸汽從單口集熱管(5 )反向流入套管式連接管(2 )經(jīng)蒸汽出口管(3 )流出；吸熱管(8 )經(jīng)選擇性吸光涂層(12)吸收透過真空玻璃管(9)的的太陽光加熱；吸熱管(8)通過內(nèi)表面的第一超親水涂層(13 )加熱提高管內(nèi)蒸汽干度；改性表面內(nèi)套管(4)通過單口集熱管(5 )內(nèi)的蒸汽進行加熱；改性表面內(nèi)套管(4 )通過第二超疏水涂層(15)弱化管內(nèi)前端沸騰換熱系數(shù)提高熱阻來提升出口蒸汽的干度；改性表面內(nèi)套管(4)通過第二超親水涂層(16)強化管內(nèi)后端的沸騰換熱系數(shù)提升集熱管換熱效率。
【文檔編號】F24J2/05GK103940126SQ201410147144
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】華蒙, 張良, 范利武, 俞自濤, 胡亞才, 樊建人 申請人:浙江大學