[发明专利]一种带单侧内翅片的槽式太阳能真空集热管

说明书

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳能真空集热管。

背景技术

在太阳能热利用中，槽式和线性菲涅尔式太阳能集热器的金属管均为单侧非均匀受热，周向能流密度分布极不均匀，能量密度最高达5×10⁴瓦每平方米，最低只有百瓦每平方米量级。更重要的是，集热管在生命周期内，始终是单侧受热，且受热面面向地球表面。一方面，这种能流分布极不均匀使得集热器金属管周向和轴向上产生很大的温差，由此引起的热膨胀对集热器性能会造成不利影响。从而对太阳能聚能系统的设计、安装和运行提出更高的要求。此外，在自身重力和单侧受热的情况下，金属管绕度将大增，这大大增加了槽式太阳能集热器的玻璃管与金属管碰触进而破坏的概率。研究表明，4米长无缝钢管在两端支撑条件下，在自重和单侧受热情况下的绕度比仅自重条件下的绕度增加5倍。另一方面，单侧受热对于金属管内部对流换热提出了很高的要求。对于目前广泛应用的内外表面光滑的无缝钢管，管内换热系数较低，这使得集热器金属管的外表面处于较高温度水平，进而使集热器的辐射热损较高，集热器的热效率较低。

在目前聚光太阳能热发电技术中，槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器的吸热器接收管均为光滑无缝钢管，管内没有采用强化换热措施。而在现有的管内强化换热技术中，大都采用螺纹结构、凹凸波纹状结构、纵向涡发生器、扭曲片等全周布置方案。比如，用于石化裂解炉的螺纹内翅片管、MERT管和SCOPE管等分别为周向均布的翅片、凸起单螺纹和凸起多螺纹；中国专利CN1451937发明了一种不连续双斜内肋强化换热管，其斜内翅片成对出现且周向均布。这些结构的设计增加了管壁的换热性能，同时也增加了流动阻力，即增加了泵功消耗，从而使得系统运行收益相对降低。很显然，按照场协同原理，这种周向均匀布置的增强换热结构，并不适合于太阳能热利用领域里槽式和线性菲涅尔式太阳能集热器单侧受热的情况。中国专利CN101363664A批露了一种单侧多纵向涡强化换热的聚焦槽式太阳能吸热器，其原理是通过增加金属管内受热测对流换热系数的方法，以实现场协同原理。然而，采用凸起的不连续多纵向涡发生器，相当于增加了金属管受热测的厚度，研究表明集热器外表面的温度没有明显降低；如采用凹进的不连续多纵向涡发生器，相当于减小了金属管受热测的厚度，对于壁厚只有大约2mm厚的金属管，其强度将大大降低，因此并不可行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的系统可靠性低和成本高的缺点，提出一种单侧内翅片强化传热的槽式太阳能真空集热管。本发明能够合理强化换热、有效降低金属管壁温和热膨胀、增加集热管的强度、提高集热管的可靠性。本发明也可用于线性菲涅尔式太阳能集热器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种真空集热管，包括玻璃外管、具有单侧内翅片强化传热结构的金属内管。玻璃外管两端通过波纹管与金属管封接；玻璃外管与金属内管之间为真空；金属内管外表面镀有选择性吸收太阳光涂层；金属内管吸收聚焦太阳能一侧的内表面设有翅片。

在金属管内壁面的受热侧设置内翅片，对于槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器来说，即在接收聚焦太阳能热流侧设置内翅片。翅片分布的角度范围θ即为受热侧热流密度分布较高的区域，对于槽式或线性菲涅尔式太阳能集热器来说，翅片分布角度θ为0～180度。这里，热流密度是指聚光太阳能投射到金属管表面的能流密度，单位为w/m²。此外，热流密度较高的范围是相对的，比如定义为热流密度大于最高热流密度50％的范围。翅片的数量根据金属管管径、壁厚、受热测宽度以及加工成本等确定。翅片的高度h＝0.05～0.4d，其中d为金属管管直径。翅片高度随热流分布的不同而不同，在热流密度相对高的地方翅片也高，在热流密度相对低的地方也低。翅片的横截面为长方形或梯形。

金属管在单侧受热情况下，受热侧金属温度高、非受热侧温度低。传热流体流经单侧受热金属管时，受热侧温度梯度高、非受热侧温度梯度低。根据场协同性原理，在温度梯度较大侧布置翅片，增大换热面积，其强化换热效果要好于温度梯度较小侧。单从强化传热的效果来看，周向均匀布置翅片其传热效果会更佳。然而，这样结构的流阻将会更高。因此，单侧布置翅片，是单侧受热情况下强化对流换热与降低流阻综合考虑后的优化结果。