一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器

摘要

本发明公开了一种基于蒸发冷却的采暖用吸热器，应用于太阳能塔式集热系统，包括列管式吸热器管排、下集液箱、上集汽箱、汽/水换热器、主水泵和控制系统组成。该吸热系统中，传热工质封闭在吸热器管排、下集液箱、上集汽箱、汽/水换热器建立的封闭空间内，传热工质吸收吸热器管排传递的热量并汽化，进入上集汽箱，传热工质蒸汽通过连接管道进入汽/水换热器壳侧，并在汽/水换热器冷凝，将热量传递给管侧被加热流体，放热冷凝后的传热工质通过连接管道返回下集液箱，形成闭式循环。吸热器和汽/水换热器之间的连接管道需要做绝热处理。本发明解决了大聚光比、小温差、大流量条件下塔式吸热器流速、水力学分配、流场控制和吸热器的安全性问题。

权利要求

1.一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的太阳能吸热器包括吸热器传热工质的蒸发冷凝回路和汽/水换热器内的水加热回路，其中，所述的蒸发冷凝回路包括依次循环连通的下集液箱(1)、吸热器管排(2)以及上集汽箱(3)以及汽/水换热器(6)壳侧，所述的水加热回路包括依次连通的主水泵(8)、进水管(7)、汽/水换热器(6)管侧和出水管(5)，其中，所述的吸热器管排(2)的的外表面作为吸热面接收来自镜场反射的太阳光，加热吸热器管排(2)内的传热工质，传热工质吸热相变后，进入上集汽箱(3)，并通过连接管道进入汽/水换热器(6)壳侧，并在汽/水换热器(6)内冷凝，将热量传递给汽/水换热器(6)管侧被加热流体，放热冷凝后的传热工质通过连接管道返回下集液箱(1)，形成闭式循环回路；

其中，所述的主水泵(8)驱动低温水通过进水管(7)进入汽/水换热器(6)管侧，吸收来自汽/水换热器(6)壳侧的热量，水加热后通过出水管(5)返回采暖热网或储热系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的上集汽箱(3)通过蒸汽联管4连接汽/水换热器(6)壳侧，所述的下集液箱(1)通过回液联管9连接汽/水换热器(6)壳侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的吸热器管排(2)采用塔式吸热器管排或列管式吸热器管排。

4.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的吸热器管排(2)的外表面喷涂选择性吸收涂层。

5.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的吸热器管排(2)和下集液箱(1)的内表面作亲湿处理或加装亲湿材料。

6.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的蒸发冷凝回路中传热工质通过吸热器管排(2)中吸热升温升压和汽/水换热器(6)内降温冷凝的压差、吸热器管排(2)高度方向加热升温过程的密度差和亲湿处理的湿度差共同驱动下，形成一个无泵驱动的蒸发冷凝循环。

7.根据权利要求1所述的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，其特征在于，所述的汽/水换热器(6)为间壁式换热器。

说明书

一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器

技术领域

[0001] 本发明涉及集热与采暖技术领域，具体涉及一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能塔式集热系统用吸热器，特别涉及将塔式集热技术应用于采暖时，小温差大流量下的一种基于蒸发冷却无功循环和二回路循环的太阳能塔式吸热器。

背景技术

[0002] 大规模太阳能区域供热技术是未来太阳能供热的重要发展方向，大容量太阳能集热系统的成本、可靠性、安全性是太阳能供热技术规模化应用的重要保障。当前，太阳能区域供热主要的集热器形式为平板集热器和真空管集热器，考虑到用户端温度舒适性、管网安全性和微生物抑制等因素，采暖系统管网供水温度在70℃以上，回水温度在40度以上，由于我国广大采暖地区冬季气温较低，在该运行温度下，非聚光型集热器热损失较大，采暖季集热场热效率过低，大型集热场水力学组织、防冻、防过热和耐腐蚀等要求较高等诸多问题，开发基于塔式聚光集热的太阳能采暖系统，可以有效规避传统太阳能采暖效率过低及防冻等诸多问题，是太阳能采暖技术发展的重要方向。

[0003] 塔式吸热器式塔式抬眼更热发电的核心部件之一。而塔式集热技术一般应用太阳能热发电领域，吸热器设计一般为高聚光比和高温差设计，吸热器工质一般为水或者熔融盐，水工质吸热器运行温度一般在饱和或直接过热蒸汽式吸热器熔融盐工质吸热器的设计温差在300℃以上，而当在采暖系统中应用时，吸热器供回水温差仅仅为30℃，在极端你条件下可能仅在10℃左右，与热发电用吸热器相比，采暖用吸热器由于温度端差较小，且与汽化点接近，如果采用常规管排式吸热器，则吸热器流体设计流量过大，流速过高，会远远超过相关管道标准规定的管内流速，吸热器阻力过高，主泵耗电大幅增加且需要进行特殊设计，同时，高流速将大幅增加吸热器管束的冲刷腐蚀，降低吸热器使用寿命。在实际运行中，很难保障吸热器并联之间的流量平衡，由于太阳辐照波动、位置变化、定日镜和镜场误差等问题的存在，吸热器表面能量不均匀，且实时波动，吸热器工作温度与水的汽化点非常接近，极易导致接受高热流的吸热器管道内水工质发生汽化，进一步减少该管道内的水流速度，造成吸热管内压力骤升、吸热管温度升高并导致吸热器整体故障。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服采暖用水工质塔式太阳能集热系统中塔式吸热器在高能流、大波动、非均匀、小温差的复杂条件下出现的受热和流量分配不均，造成的吸热器设计死点、控制复杂和吸热器安全性问题，提供一种基于蒸发冷却和二回路换热的采暖用塔式吸热器方案以解决采暖用塔式吸热器设计和运行安全问题。

[0005] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

[0006] 一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器，所述的太阳能吸热器包括吸热器传热工质的蒸发冷凝回路和汽/水换热器内的水加热回路，其中，所述的蒸发冷凝回路包括依次循环连通的下集液箱1、吸热器管排2以及上集汽箱3以及汽/水换热器6壳侧，所述的水加热回路包括依次连通的主水泵8、进水管7、汽/水换热器6管侧和出水管5，[0007] 其中，所述的吸热器管排2的的外表面作为吸热面接收来自镜场反射的太阳光，加热吸热器管排2内的传热工质，传热工质吸热相变后，进入上集汽箱3，并通过连接管道进入汽/水换热器6壳侧，并在汽/水换热器6内冷凝，将热量传递给汽/水换热器6管侧被加热流体，放热冷凝后的传热工质通过连接管道返回下集液箱1，形成闭式循环回路；

[0008] 其中，所述的主水泵8驱动低温水通过进水管7进入汽/水换热器6管侧，吸收来自汽/水换热器6壳侧的热量，水加热后通过出水管5返回采暖热网或储热系统。

[0009] 进一步地，所述的上集汽箱3通过蒸汽联管4连接汽/水换热器6壳侧，所述的下集液箱1通过回液联管9连接汽/水换热器6壳侧。

[0010] 进一步地，所述的吸热器管排2采用塔式吸热器管排或列管式吸热器管排。

[0011] 进一步地，所述的吸热器管排2的外表面喷涂选择性吸收涂层。

[0012] 进一步地，所述的吸热器管排2和下集液箱1的内表面作亲湿处理或加装亲湿材料。

[0013] 进一步地，所述的蒸发冷凝回路中传热工质通过吸热器管排2中吸热升温升压和汽/水换热器6内降温冷凝的压差、吸热器管排2高度方向加热升温过程的密度差和亲湿处理的湿度差共同驱动下，形成一个无泵驱动的蒸发冷凝循环。

[0014] 进一步地，所述的汽/水换热器6为间壁式换热器。

[0015] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

[0016] 本发明提出基于蒸发冷却和二回路换热的采暖用塔式吸热器，在吸热器侧，采用相变工质，提升吸热器传热工质的吸热能力，避免直接水工质在小温差情况下，为系统安全性而降低聚光比，造成吸热器开口面积过大，而导致吸热塔和吸热器造价过高，或在有限吸热器开口下，出现过热，或小温差-大流量工况出现，导致流速超过金属管道设计流速而导致的设计死点问题。同时二回路侧采用汽/水换热器设计，在一回路侧在加热和冷却端建立压差，构成被动的自适应循环回路。在水侧，由于水的加热过程和太阳辐照已经塔式吸热器表面能流脱离的关系，其换热面积的设计、管束设计边检宽松，不会出现设计死点问题。该方案通过二回路设计，解决了小温差下塔式光-热-水力学复杂耦合问题，设计简单，运行更为可靠。

附图说明

[0017] 图1是本发明公开的一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器原理图。

[0018] 附图中：1-下集液箱，2-列管式吸热器管排，3-上集汽箱，4-蒸汽联管，5-出水管，6-汽/水换热器，7-进水管，8-主水泵，9-回液联管。

具体实施方式

[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0020] 实施例一

[0021] 本实施例引入被动式蒸发冷却技术作为太阳能吸热器主吸热面，使得吸热和水循环系统分离，吸热面接收来自镜场反射的太阳光，加热吸热器管排2内的传热工质，传热工质吸热相变后，进入上集汽箱3，并通过连接管道进入汽/水换热器6壳侧，并在汽/水换热器冷凝，将热量传递给汽/水换热器6管侧被加热流体，放热冷凝后的传热工质通过连接管道返回下集液箱1，形成闭式循环。该实施例中通过吸热器管排2内相变换热，减小吸热器管排2内的工质流速，在管排内采用自主吸湿的结构设计，当辐照波动时，每支吸热器管道内的蒸发量和工质流量在湿度差的推动下进行自适应条件，避免过热和非均匀流造成的吸热器不安全问问题，而在汽/水换热器6内，因为不受吸热器结构和面积等因素的限制，可以通过管束结构、面积及强化换热等设计，减少换热器水侧流速，综合保障吸热器系统的安全性，建立采暖用太阳能塔式吸热器系统。该方案通过吸热回路相变和换热面强化换热分离处理的形式，解决和采暖用小端差、大流量、大能流波动和大流量波动直接水工质吸热器设计死点问题和运行安全性问题。

[0022] 该太阳能吸热器主要包括吸热器管排2、下集液箱1、上集汽箱3，汽/水换热器6、主水泵8等辅助部件。

[0023] 主要涉及两个流体回路：吸热器传热工质的蒸发冷凝回路和汽/水换热器内的水加热回路。2个回路的具体循环方式为:

[0024] 吸热器传热工质的蒸发冷凝回路:当定日镜将太阳光反射到吸热器管排2表面时，吸热器管排2吸收太阳光并转化为热能，管排内的传热工质吸热后发生相变，在重力作用下向上流动，并进入上集汽箱3，上集汽箱3通过连接管道与汽/水换热器6连接，当上集汽箱3的气体达到一个压力时，向汽/水换热器6流动，并与汽/水换热器6管侧流体换热，气相传热工质放热后冷凝为液态，并通过连接管道返回下集液箱，完成一个吸热蒸发和放热冷凝的吸热放热过程，并构成一个闭环回路。在该循环中，相变工质在吸热器管排2和汽/水换热器6中的流动过，传热工质在吸热器内加热汽化升压可以视为闭环回路的高压侧，气相工质在汽/水换热器内放热冷凝降压可以视为闭式回路的低压侧，其在吸热器高压和汽/水换热器低压压差的驱动形成基于蒸发冷却的被动式无功耗自主循环。在吸热器管排2设计中，吸热器管排2内部需要亲湿处理，增强液态工质在湿差条件下的向上质量传递能力，保障吸热器管排2内表面的湿润度和传热能力。同时，在整体蒸发冷却回路的闭环空间中，对下集液箱1和充液量根据设计聚光比和波动范围进行设计。

[0025] 汽/水换热器内的水加热回路：来自采暖系统(或储热系统)的低温水在主水泵8的驱动下进入汽/水换热器管侧，吸收来自壳侧的热量，温度升高，并返回采暖热网(或储热系统)。由于不受循环水进出口温度差的大小、聚光比及太阳辐照波动的影响，换热器的水力学结构、传热面积(换热能留)等的设计裕度较大，可以适应大热流变化，并不出现安全行问题。

[0026] 实施例二

[0027] 如图1所示，一种基于蒸发冷却的采暖用太阳能吸热器原理图，应用于塔式集热系统，主要包括下集液箱1、吸热器管排2、上集汽箱3、汽/水换热器6、主水泵8以及连接管道等相关辅助设备。

[0028] 本实施例公开的基于蒸发冷却的采暖用太阳能塔式集热系统用吸热器为二回路循环模式，在一回路侧(即，蒸发冷凝回路)为基于蒸发冷却的被动式相变传热过程，在二回路(即，水加热回路)侧，通过换热器将热量传递给采暖用水工质。在一回路侧，当定日镜将太阳光反射到塔式或列管式吸热器管排2表面时，吸热器管排2内的液态传热流体，液态传热流体吸热后发生相变并进入上集汽箱3，当上集汽箱3内的传热流体蒸汽压力达到一定水平时，推动传热流体蒸汽进入汽/水换热器6，在汽/水换热器6内，一回路侧的传热流体蒸汽与汽/水换热器6另一侧的采暖用水工质进行换热，对采暖水进行加热，同时一回路侧的传热流体蒸汽冷凝变为液态，返回下集液箱1，一回路流体形成闭式循环回路。在一回路流体循环中，在吸热器管排2的外表面需要喷涂选择性吸收涂层，以提升吸热器管排2外表面的吸收率，降低发射率，保障光热转换效率。在吸热器管排2和下集液箱1的内表面进行亲湿处理，或加装亲湿材料，提升一回路液态传热工质沿吸热器管高度方向上湿差传输能力，将下集液箱内的传热工质向上提升，使得吸热器管排2内壁处于湿润状态，及时吸收吸热器外表面的热能，保障吸热器管排2金属温度和系统安全性。在一回路流体循环中，流体在吸热器管排2中吸热升温升压和汽/水换热器6内降温冷凝的压差、吸热器管排2高度方向加热升温过程的密度差和亲湿处理的湿度差共同驱动下，形成一个无泵驱动的蒸发冷凝循环。在汽/水换热器6中，由于下集液箱1处于满液状态，当吸热器管排2表面因为能流分布不均匀时，由于各支路管道内流体是在压差、湿差和密度差的混合作用力下自行驱动的，具有很强的自适应性，各支路管的蒸发量和流体流量会根据关闭实际辐照和温度情况进行变化，不会出现干烧现象，保障了吸热管表面温度的可靠性。

[0029] 汽/水换热器6为间壁式换热器，采暖用低温水工质在主水泵8的驱动下通过进水管7进入汽/水换热器6管侧，吸收来自一回路蒸汽测的热量，升温后通过出水管5返回采暖管网。在汽/水换热器6的设计中，根据汽水换热器设计规范、设计换热量范围以及管道材料规范等进行设计。

[0030] 在吸热器管排2设计中，需要对吸热器管排和一回路压差、湿差和密度差驱动力进行校核，如果集热场面积很大，吸热器管排2高度较高时，如果湿差驱动力在高度方向动力不足时，可以将吸热器管排2、下集液箱1，上集汽箱3、汽/水换热器6做成小尺寸模块，并通过矩阵排列的形式，构建基于小模块的大面积吸热器阵列，形成拼接式吸热器，以保障吸热器的安全性。

[0031] 综上所述，为了进一步解决热发电用塔式吸热器向采暖用塔式吸热器转变过程中的诸多问题，上述实施例将建立基于蒸发冷却和二回路换热的采暖用塔式吸热器，一方面通过吸热器管排内相变换热，减小吸热器管排内的工质流速，在管排内采用自主吸湿的结构设计，当辐照波动时，每支吸热器管道内的蒸发量和工质流量在湿度差的推动下进行自适应条件，避免过热和非均匀流造成的吸热器不安全问题，而在汽/水换热器内，因为不受吸热器结构和面积等因素的限制，可以通过管束结构、面积及强化换热等设计，减少换热器水侧流速，综合保障吸热器系统的安全性，建立采暖用太阳能塔式吸热器系统。

[0032] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。