一種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能腔式吸熱器壁面熱流密度均勻化利用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽 能吸熱器壁面熱流密度均勻化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能吸熱器作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中實現(xiàn)太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的核心 部件，其性能的好壞直接影響到整個發(fā)電系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。由于換熱面積大、熱損失 小，腔式吸熱器得到了廣泛的應(yīng)用。腔式吸熱器通常只有一個開口，并且為單側(cè)采光，所有 的定日鏡都將太陽能聚焦到開口處，使開口平面上陽光能流密度呈現(xiàn)中心高四周低的高度 非均勻分布，并且極大地影響了吸熱器內(nèi)部吸熱表面上熱流密度和溫度的分布，使其同樣 呈現(xiàn)高度非均勻的分布特性，因溫度梯度產(chǎn)生的管道熱應(yīng)力會嚴(yán)重影響吸熱器運(yùn)行的安全 可靠性。再加上太陽能吸熱器非連續(xù)的工作性質(zhì)，導(dǎo)致管道熱應(yīng)力頻繁的加載和卸載，極易 產(chǎn)生機(jī)械疲勞應(yīng)力，嚴(yán)重影響吸熱管的使用壽命。同時腔式吸熱器蒸發(fā)受熱面出口工質(zhì)狀 態(tài)會隨熱流密度的變化而變化，有時為過熱蒸汽，有時為汽-水混合物，有時是未飽和水，同 時熱流分布不均勻還會引起吸熱管排回流及停滯，造成節(jié)流孔板失效不能有效調(diào)節(jié)流量分 配進(jìn)而導(dǎo)致管道過熱燒蝕，這都使得吸熱器工作極不穩(wěn)定，對吸熱器的安全運(yùn)行提出嚴(yán)峻 挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)《Effect of one-target focus type on hydrodynamic characteristics of tower solar cavity receiver.Adv Mech Eng,2014,2014:615942》中有公開上述內(nèi)容。
[0003] 目前有兩種方式來實現(xiàn)壁面熱流密度均勻化，一種方式是通過改變吸熱管內(nèi)傳熱 工質(zhì)的流動形式，例如在高熱流密度區(qū)增大工質(zhì)的流量，或者把沸騰管布置到高熱流密度 區(qū)，通過較高的換熱系數(shù)來降低壁溫，使吸熱表面溫度分布得更加均勻；另一種方式是從定 日鏡場的角度出發(fā)，通過調(diào)整聚焦策略，例如采用多點聚焦或模糊聚焦的方式等，來降低開 口平面上陽光能流密度分布的不均勻性，從而達(dá)到降低吸熱表面熱流密度分布不均勻性的 目的。由于熱應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制可知，均勻化吸熱器壁面熱流密度均勻化分布是降低吸熱管 熱應(yīng)力的的有效手段之一，文獻(xiàn)《腔式太陽能吸熱器的分析》中有公開上述內(nèi)容(王富強(qiáng)、永 帥、談和平，腔式太陽能吸熱器的分析[J]，工程熱物理學(xué)報，2011，32(5)，843-847)，上述方 法都是比較間接，沒有從吸熱器本身出發(fā)去解決熱流密度非均勻分布問題，而且具有操作 比較復(fù)雜、維護(hù)費用高和維護(hù)周期長等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化裝置，以解決現(xiàn)有 塔式太陽能吸熱器壁面熱流密度場的分布不均勻問題，以及吸熱器吸熱管道面在運(yùn)行過程 中的熱應(yīng)力高，由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致吸熱管道面失效和破裂的問題，本發(fā)明可以在降低對流 熱損失的情況下又能使得吸熱器壁面熱流密度均勻化，提高整個太陽能吸熱器的光熱轉(zhuǎn)化 效率。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化裝置，包括吸熱器，吸熱器的壁面內(nèi)側(cè)設(shè) 有沸騰管，吸熱器的太陽光進(jìn)口處設(shè)有石英玻璃窗體，吸熱器的內(nèi)部填充有氣溶膠，吸熱器 的一側(cè)設(shè)有氣溶膠進(jìn)口，另一側(cè)設(shè)有氣溶膠出口，吸熱器的側(cè)壁上還連接有用于保持吸熱 器內(nèi)部壓力平衡的壓力平衡單元。
[0007] 進(jìn)一步地，氣溶膠進(jìn)口連接有氣溶膠進(jìn)料管道，氣溶膠進(jìn)料管道上設(shè)有進(jìn)料閥，氣 溶膠出口連接有氣溶膠出料管道，氣溶膠出料管道上設(shè)有出料閥；氣溶膠出口和出料閥之 間設(shè)有用于收集氣溶膠的收集Y型過濾器。
[0008] 進(jìn)一步地，吸熱器頂部的壁面內(nèi)側(cè)設(shè)有波紋管。
[0009] 進(jìn)一步地，所述的壓力平衡單元包括壓力平衡管道，吸熱器的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)氣排 氣口，壓力平衡管道的一端連接在進(jìn)氣排氣口上，另一端連接有離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣 排氣口之間依次設(shè)有安全閥、壓力表以及用于防止氣溶膠泄露的防漏Y型過濾器，安全閥和 壓力表之間設(shè)有第一進(jìn)氣閥，離心風(fēng)機(jī)和安全閥之間設(shè)有第二進(jìn)氣閥。
[0010] 進(jìn)一步地，吸熱器內(nèi)部填充的氣溶膠的顆粒數(shù)密度為1 X 107-1 X l〇16/m3,顆粒粒 徑為0.08-50μπι。
[0011] -種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟一:在吸熱器的太陽光進(jìn)口處安裝石英玻璃窗體；
[0013] 步驟二：向吸熱器中填充氣溶膠，通過氣溶膠中的顆粒相吸收、輻射或散射太陽光 進(jìn)口處的不均勻太陽能，然后均勻的輻射或反射給吸熱器其它的壁面，進(jìn)而實現(xiàn)壁面熱流 密度均勻化。
[0014] 進(jìn)一步地，吸熱器的壁面內(nèi)側(cè)設(shè)有沸騰管，吸熱器頂部的壁面內(nèi)側(cè)還設(shè)有波紋管， 吸熱器的一側(cè)設(shè)有氣溶膠進(jìn)口，另一側(cè)設(shè)有氣溶膠出口，吸熱器的側(cè)壁上還連接有用于保 持吸熱器內(nèi)部壓力平衡的壓力平衡單元，氣溶膠進(jìn)口連接有氣溶膠進(jìn)料管道，氣溶膠進(jìn)料 管道上設(shè)有進(jìn)料閥，氣溶膠出口連接有氣溶膠出料管道，氣溶膠出料管道上設(shè)有出料閥;氣 溶膠出口和出料閥之間設(shè)有用于收集氣溶膠的收集Υ型過濾器。
[0015] 進(jìn)一步地，所述的壓力平衡單元包括壓力平衡管道，吸熱器的側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)氣排 氣口，壓力平衡管道的一端連接在進(jìn)氣排氣口上，另一端連接有離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)和進(jìn)氣 排氣口之間依次設(shè)有安全閥、壓力表以及用于防止氣溶膠泄露的防漏Υ型過濾器，安全閥和 壓力表之間設(shè)有第一進(jìn)氣閥，離心風(fēng)機(jī)和安全閥之間設(shè)有第二進(jìn)氣閥。
[0016] 進(jìn)一步地，吸熱器內(nèi)部填充的氣溶膠的顆粒數(shù)密度為1 X 107-1 X 1016/m3,顆粒粒 徑為0.08_50μπι，氣溶膠中顆粒相為碳粒子。
[0017]進(jìn)一步地，吸熱器為正方體腔體，石英玻璃窗體的厚度為10mm。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0019] 本發(fā)明在吸熱器的太陽光進(jìn)口處設(shè)有石英玻璃窗體，吸熱器的內(nèi)部填充具有強(qiáng)烈 輻射、吸收和散射顆粒相的氣溶膠，通過定日鏡場投射到吸熱器腔體內(nèi)的光線在遇到顆粒 相氣溶膠時會發(fā)生吸收、輻射和散射，顆粒吸收能量后又均勻的輻射到吸熱器腔體壁面，僅 需要通過改變氣溶膠顆粒粒徑、濃度和氣溶膠中顆粒相的濃度來調(diào)節(jié)壁面熱流密度的分 布，即可使得壁面熱流密度均勻化，腔式吸熱器在運(yùn)行過程中當(dāng)側(cè)向風(fēng)速度為9m/s時對流 熱損失最大可以達(dá)到15%，另外石英玻璃窗體有效的降低了與外界的對流熱損失，有效提 高吸熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資及維護(hù)費用少等優(yōu)點。
[0020]進(jìn)一步地，在氣溶膠出口設(shè)置收集Y型過濾器，可以有效回收氣溶膠。
[0021 ]進(jìn)一步地，在吸熱器頂部的壁面內(nèi)側(cè)設(shè)有波紋管，通過波紋管控制吸熱器內(nèi)部壓 力平衡。
[0022] 進(jìn)一步地，通過設(shè)置安全閥、壓力表以及用于防止氣溶膠泄露的防漏Υ型過濾器， 在吸熱器內(nèi)部壓力超過波紋管控制范圍時，可以通過安全閥進(jìn)行泄壓，泄壓時防漏Υ型過濾 器可以將氣溶膠收集起來，防止氣溶膠泄露。
[0023] 本發(fā)明方法在吸熱器的太陽光進(jìn)口處安裝石英玻璃窗體，通過向吸熱器中填充氣 溶膠，通過氣溶膠中的顆粒相吸收或散射太陽光進(jìn)口處的不均勻太陽能，然后均勻的輻射 或反射給吸熱器其它的壁面，進(jìn)而實現(xiàn)壁面熱流密度均勻化，采用蒙特卡洛法編程的二維 計算結(jié)果可以看出，在4mX4mX4m的正方體吸熱器腔體內(nèi)填充氣溶膠，并對比含有氣溶膠 和無介質(zhì)參與輻射壁面溫度分布以及不均勻度，得出含有氣溶膠的腔體的左、右側(cè)面溫度 在同一位置處略高，正面中心處溫度明顯較低，遠(yuǎn)離中心處溫度明顯升高，左、右側(cè)面溫度 不均勻度大致相同，正面溫度不均勻度明顯下降，腔體內(nèi)加入氣溶膠對正面溫度場的均勻 化具有明顯的效果，可以達(dá)到降低太陽能吸熱器吸熱管道的熱應(yīng)力的目的，避免了由于熱 應(yīng)力而導(dǎo)致的管道面的失效或破裂事件發(fā)生。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的蒙特卡洛計算步驟流程總框圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的單個光束在介質(zhì)系內(nèi)輻射傳遞的蒙特卡洛模擬流程圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明的蒙特卡洛計算二維模型簡圖；
[0028] 圖5為本發(fā)明加熱器開口處陽光熱流密度分布圖；
[0029]圖6為采用本發(fā)明方法加入粒徑為0.08μπι介質(zhì)的正面壁面分布；
[0030]圖7為采用本發(fā)明方法加入粒徑為ΙΟμπι介質(zhì)的正面壁面分布；
[0031]圖8為采用本發(fā)明方法加入粒徑為30μπι介質(zhì)的正面壁面分布；
[0032]圖9為采用本發(fā)明方法加入粒徑為50μπι介質(zhì)的正面壁面分布；
[0033]圖10為吸熱器為正方體的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]其中，1、石英玻璃窗體;2、吸熱器;3、氣溶膠進(jìn)口；4、氣溶膠出口；5、波紋管;6、防 漏Υ型過濾器;7、壓力表、8、第一進(jìn)氣閥;9、安全閥；10、第二進(jìn)氣閥；11、離心風(fēng)機(jī);12、收集Υ 型過濾器;13、出料閥；14、進(jìn)料閥。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0036] 參見圖1，一種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化裝置，包括吸熱器2,吸熱器2的 太陽光進(jìn)口處設(shè)有石英玻璃窗體1，吸熱器2除了石英玻璃窗體1以外的壁面內(nèi)側(cè)均設(shè)有沸 騰管，吸熱器2頂部的壁面內(nèi)側(cè)還設(shè)有波紋管5，吸熱器2的內(nèi)部填充具有強(qiáng)烈輻射、散射和 吸收特性顆粒相的氣溶膠，吸熱器2的一側(cè)設(shè)有氣溶膠進(jìn)口 3，氣溶膠進(jìn)口 3連接有氣溶膠進(jìn) 料管道，氣溶膠進(jìn)料管道上設(shè)有進(jìn)料閥14;另一側(cè)設(shè)有氣溶膠出口 4，氣溶膠出口 4連接有氣 溶膠出料管道，氣溶膠出料管道上設(shè)有出料閥13,吸熱器2的側(cè)壁上還連接有用于保持吸熱 器2內(nèi)部壓力平衡的壓力平衡單元，所述的壓力平衡單元包括壓力平衡管道，吸熱器2的側(cè) 壁上設(shè)有進(jìn)氣排氣口，壓力平衡管道的一端連接在進(jìn)氣排氣口上，另一端連接有離心風(fēng)機(jī) 11，進(jìn)氣排氣口和離心風(fēng)機(jī)11之間依次設(shè)有用于防止氣溶膠泄露的防漏Y型過濾器6、壓力 表7、第一進(jìn)氣閥8、安全閥9以及第二進(jìn)氣閥10。
[0037] -種太陽能吸熱器壁面熱流密度均勻化方法，該方法的實施步驟包括:在直棱柱 形狀的太陽能腔式吸熱器的太陽光進(jìn)口處安裝具有透過率大于92%并且厚度為10mm的石 英玻璃，可以有效降低與外界的對流熱損失，并且保證有良好的氣密性，然后通過在吸熱器 腔體內(nèi)添加具有強(qiáng)烈輻射、吸收和散射顆粒相的氣溶膠，氣溶膠中碳顆粒數(shù)密度為1 X 1〇7-1 X 101%3，顆粒粒徑為0.08-50μπι，要求顆粒相的散射特征為非相干散射，通過顆粒相來吸 收、輻射或散射來自于鏡場的太陽能，進(jìn)而實現(xiàn)壁面熱流密度均勻化。
[0038] 下面對本發(fā)明的工作過程做詳細(xì)描述：
[0039] 本發(fā)明在使用時，通過氣溶膠進(jìn)口