[發(fā)明專利]基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計的熱聚集器裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910946027.2
• 申請日: 2019-10-01
• 公開（公告）號: CN110806022B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃吉平;須留鈞;戴高樂
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: F24S20/20
• 分類號: F24S20/20;F24S50/80;F24S70/10;F24S70/60
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于能源和紅外技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計的熱聚集器裝置。本發(fā)明裝置，采用變換熱輻射方法，根據(jù)熱聚集的要求，將特定區(qū)域的空間進行壓縮變換，然后將空間壓縮等價為材料的變換，實現(xiàn)物理空間上局域的熱流增強，該局域即為熱聚集器；其中，熱流為輻射熱流和傳導(dǎo)熱流的總和。輻射熱流通過Rosseland擴散近似進行計算，傳導(dǎo)熱流通過Fourier定律進行計算。本發(fā)明具有廣泛的實際應(yīng)用價值，比如：提高太陽熱能發(fā)電的效率、海水淡化的效率等等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源和紅外技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)崃鬟M行局域增強的裝置，稱為熱聚集器。

背景技術(shù)

熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射是自然界中常見的三種熱輸運方式。自從2008年變換熱學(xué)提出以來，變換理論已經(jīng)能夠處理三種熱能輸運方式中的兩種，即：熱傳導(dǎo)和熱對流。遺憾的是，至今還未有相應(yīng)的理論來處理熱輻射問題。但是，熱輻射問題又格外重要。因為根據(jù)Stefan-Boltzmann定律可知：只要物體有溫度，就會向外輻射能量，也就是熱輻射。隨著能源問題的日益嚴重，太陽熱輻射已經(jīng)成為了研究的熱點和重點，很多研究者致力于太陽熱能發(fā)電、太陽能海水淡化、輻射制冷等方面的研究，目的就是為了能夠調(diào)控并利用熱輻射。因此，熱輻射的重要性不言而喻。

與以往手段不同的是，本發(fā)明提出了一種新的方法來調(diào)控熱輻射，即：變換熱輻射理論。通過將特定區(qū)域的空間進行壓縮變換，可以實現(xiàn)局域的熱流增強，稱該局域為熱聚集器。與以往的熱聚集器不同的是：本發(fā)明設(shè)計的熱聚集器能夠同時處理熱傳導(dǎo)和熱輻射問題。這對高溫物理有著重要的應(yīng)用。因為在溫度較高的情況下，熱輻射將取代熱傳導(dǎo)成為主要的熱能輸運過程。如果像以前只考慮熱傳導(dǎo)因素，那么這些器件在高溫熱輻射主導(dǎo)的情況下失去作用。本發(fā)明提出的方案，能夠同時處理針對熱傳導(dǎo)和熱輻射的熱聚集問題，對太陽能熱輻射利用有著重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對熱輻射和熱傳導(dǎo)設(shè)計一種熱聚集器裝置，該裝置能夠使得局域熱流得到顯著的增強。

本發(fā)明設(shè)計的熱聚集器裝置，是基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論的，即采用變換熱輻射方法，根據(jù)熱聚集的要求，將特定區(qū)域的空間進行壓縮變換，然后將空間壓縮等價為材料的變換，實現(xiàn)物理空間上局域的熱流增強，該局域即為熱聚集器；其中，所述熱流為輻射熱流和傳導(dǎo)熱流的總和。

本發(fā)明設(shè)計的熱聚集器裝置，適用于二維情形，也適用于三維情形。

本發(fā)明設(shè)計的熱聚集器裝置，適用于穩(wěn)態(tài)情形，也適用于瞬態(tài)情形。

本發(fā)明設(shè)計的熱聚集器裝置，其中的輻射熱流可以通過Rosseland擴散近似來進行計算，傳導(dǎo)熱流可以通過Fourier定律來進行計算。

下面將進一步闡述本發(fā)明裝置滿足的具體條件：

先考慮兩類熱輸運方式，即：瞬態(tài)熱輻射和熱傳導(dǎo)，此過程的溫度演化過程由以下公式(1)決定：

其中，ρ和C分別表示材料的密度和熱容，T代表溫度，t代表時間，為拉普拉斯算子；

括號中第一項即為輻射熱流J_rad，由Rosseland擴散近似給出：

括號中第二項即為傳導(dǎo)熱流J_con，由Fourier定律給出：

其中，β為Rosseland平均消光系數(shù)，n為相對折射率，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)(其值等于5.67×10^-8Wm^-2K^-4)；κ為材料熱導(dǎo)率。