[發明專利]一種帶單側內翅片的槽式太陽能真空集熱管

無效

• 申請號: 201110369929.8
• 申請日: 2011-11-18
• 公開（公告）號: CN102425867A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 吳治永;王志峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: F24J2/46
• 分類號: F24J2/46
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種槽式太陽能真空集熱管。

背景技術

在太陽能熱利用中，槽式和線性菲涅爾式太陽能集熱器的金屬管均為單側非均勻受熱，周向能流密度分布極不均勻，能量密度最高達5×10⁴瓦每平方米，最低只有百瓦每平方米量級。更重要的是，集熱管在生命周期內，始終是單側受熱，且受熱面面向地球表面。一方面，這種能流分布極不均勻使得集熱器金屬管周向和軸向上產生很大的溫差，由此引起的熱膨脹對集熱器性能會造成不利影響。從而對太陽能聚能系統的設計、安裝和運行提出更高的要求。此外，在自身重力和單側受熱的情況下，金屬管繞度將大增，這大大增加了槽式太陽能集熱器的玻璃管與金屬管碰觸進而破壞的概率。研究表明，4米長無縫鋼管在兩端支撐條件下，在自重和單側受熱情況下的繞度比僅自重條件下的繞度增加5倍。另一方面，單側受熱對于金屬管內部對流換熱提出了很高的要求。對于目前廣泛應用的內外表面光滑的無縫鋼管，管內換熱系數較低，這使得集熱器金屬管的外表面處于較高溫度水平，進而使集熱器的輻射熱損較高，集熱器的熱效率較低。

在目前聚光太陽能熱發電技術中，槽式或線性菲涅爾式太陽能集熱器的吸熱器接收管均為光滑無縫鋼管，管內沒有采用強化換熱措施。而在現有的管內強化換熱技術中，大都采用螺紋結構、凹凸波紋狀結構、縱向渦發生器、扭曲片等全周布置方案。比如，用于石化裂解爐的螺紋內翅片管、MERT管和SCOPE管等分別為周向均布的翅片、凸起單螺紋和凸起多螺紋；中國專利CN1451937發明了一種不連續雙斜內肋強化換熱管，其斜內翅片成對出現且周向均布。這些結構的設計增加了管壁的換熱性能，同時也增加了流動阻力，即增加了泵功消耗，從而使得系統運行收益相對降低。很顯然，按照場協同原理，這種周向均勻布置的增強換熱結構，并不適合于太陽能熱利用領域里槽式和線性菲涅爾式太陽能集熱器單側受熱的情況。中國專利CN101363664A批露了一種單側多縱向渦強化換熱的聚焦槽式太陽能吸熱器，其原理是通過增加金屬管內受熱測對流換熱系數的方法，以實現場協同原理。然而，采用凸起的不連續多縱向渦發生器，相當于增加了金屬管受熱測的厚度，研究表明集熱器外表面的溫度沒有明顯降低；如采用凹進的不連續多縱向渦發生器，相當于減小了金屬管受熱測的厚度，對于壁厚只有大約2mm厚的金屬管，其強度將大大降低，因此并不可行。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的系統可靠性低和成本高的缺點，提出一種單側內翅片強化傳熱的槽式太陽能真空集熱管。本發明能夠合理強化換熱、有效降低金屬管壁溫和熱膨脹、增加集熱管的強度、提高集熱管的可靠性。本發明也可用于線性菲涅爾式太陽能集熱器。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種真空集熱管，包括玻璃外管、具有單側內翅片強化傳熱結構的金屬內管。玻璃外管兩端通過波紋管與金屬管封接；玻璃外管與金屬內管之間為真空；金屬內管外表面鍍有選擇性吸收太陽光涂層；金屬內管吸收聚焦太陽能一側的內表面設有翅片。

在金屬管內壁面的受熱側設置內翅片，對于槽式或線性菲涅爾式太陽能集熱器來說，即在接收聚焦太陽能熱流側設置內翅片。翅片分布的角度范圍θ即為受熱側熱流密度分布較高的區域，對于槽式或線性菲涅爾式太陽能集熱器來說，翅片分布角度θ為0～180度。這里，熱流密度是指聚光太陽能投射到金屬管表面的能流密度，單位為w/m²。此外，熱流密度較高的范圍是相對的，比如定義為熱流密度大于最高熱流密度50％的范圍。翅片的數量根據金屬管管徑、壁厚、受熱測寬度以及加工成本等確定。翅片的高度h＝0.05～0.4d，其中d為金屬管管直徑。翅片高度隨熱流分布的不同而不同，在熱流密度相對高的地方翅片也高，在熱流密度相對低的地方也低。翅片的橫截面為長方形或梯形。

金屬管在單側受熱情況下，受熱側金屬溫度高、非受熱側溫度低。傳熱流體流經單側受熱金屬管時，受熱側溫度梯度高、非受熱側溫度梯度低。根據場協同性原理，在溫度梯度較大側布置翅片，增大換熱面積，其強化換熱效果要好于溫度梯度較小側。單從強化傳熱的效果來看，周向均勻布置翅片其傳熱效果會更佳。然而，這樣結構的流阻將會更高。因此，單側布置翅片，是單側受熱情況下強化對流換熱與降低流阻綜合考慮后的優化結果。