[发明专利]基于固液气三相流的吸热腔及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能热利用领域，尤其涉及一种基于固液气三相流的吸热腔及其方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁的可再生能源备受关注，全球太阳能辐射总量约1.7×10¹⁷W，其中我国约占1%（1.8×10¹⁵W，相当于1.9万亿吨标煤/年）。太阳能集热器能够将太阳能转化为热能，传统的集热器采用二次换热的方式传递热量，由吸热板或真空管壁先吸热，然后将热量传递给水等流动工质，为单相吸热，集热器的集热效率低。三相流吸热腔作为太阳能利用中的一种新型的集热设备，属于体吸收式集热器。体吸收式集热器中，太阳光直接由吸热腔内的液相工质与固相颗粒吸收，空气通入引起扰动，强化传热储热，从而提高太阳能的吸收，液相温度上升至200～550℃。空气通过液相工质时，从有机工质中带走部分热量，实现空气的温升，加热后的空气可用在外部换热器一次换热预热换热工质。预热后工质与浸没于三相流吸热腔中的内部换热器进行二次换热，所得热量可应用于预热燃烧系统、高温烘烤、太阳能制冷、有机朗肯循环加热器、斯特林发动机热源，实现发电等用途。 

发明内容

本发明目的在于克服现有太阳能热利用中的不足，解决太阳能利用中热量损失大、利用效率低的问题，提供一种基于固液气三相流的吸热腔及其方法。

    基于固液气三相流的吸热腔包括两个气泵、两个外部换热器、两个内部换热器和三相流吸热腔；三相流吸热腔包括腔式玻璃盖板、环形腔体、隔板、小颗粒、液相工质，一气泵出口与三相流吸热腔底部中心相连，一气泵入口经一外部换热器与三相流吸热腔上部相连，一外部换热器换热盘管与一内部换热器换热盘管相连，另一气泵出口与三相流吸热腔底部中心相连，另一气泵入口经另一外部换热器与三相流吸热腔上部相连，另一外部换热器换热盘管与另一内部换热器换热盘管相连，三相流吸热腔底部中心设有隔板，三相流吸热腔下部中心设有环形腔体，环形腔体上方设有腔式玻璃盖板，腔式玻璃盖板上端与三相流吸热腔顶部壳体相连，三相流吸热腔内部填充有小颗粒和液相工质的混合工质，内部换热器浸没于混合工质中。

    基于固液气三相流的吸热腔其特征在于，所述三相流吸热腔内混合工质中的小颗粒可以是纳米或微米级颗粒，体积浓度为0.1~3%。

基于固液气三相流的吸热方法是：当三相流吸热腔在太阳辐射下工作时，一气泵提供空气循环动力，冷空气由三相流吸热腔底部中心进入三相流吸热腔，三相流吸热腔内液相工质及小颗粒的混合工质吸收太阳辐射，温度上升至200～550℃，在空气的扰动下经由三相流吸热腔下部中心的环形腔体和腔式玻璃盖板间的夹层向两侧流动，气泵通入的空气引起扰动，提高了小颗粒与液相工质之间的换热，加强液相工质上下液层的混合，强化液相工质内的对流换热，使得三相流吸热腔内的液相工质及小颗粒的混合工质实现对太阳能的体吸收，流动到两侧的热混合工质因空气扰动的减小，小颗粒缓慢沉降，液相工质及小颗粒的混合工质经由环形腔体下部与三相流吸热腔腔体间的夹层回流至三相流吸热腔底部中心。三相流吸热腔两侧腔体中的液相工质的混合工质与一内部换热器换热实现热量的传递或利用；一气泵通入的空气通过小颗粒和液相工质的液固相悬浮液时，带走悬浮液部分热量，空气产生一定温升，经过一外部换热器换热进行一次换热，并冷凝回收空气带出的少量气态液相工质，另一气泵循环回路工作方法同上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）该三相流吸热腔属于太阳能直接吸收式集热器中，微米级或纳米级颗粒的添加改善了流体的辐射吸收特性，工作流体直接吸收太阳能，而不是传统集热器的二次换热，这减小了传热过程中的热阻，有利于减少热损失，提高热效率。

2）利用液相可实现太阳能的直接吸收，提高了介质蓄热能力，实现高温使用的同时能量输出相对稳定。

3）在液相介质中添加固体颗粒，显著的提高了循环工质的传热性能，从而提高吸热腔的热效率。

4）通过气相空气通过悬浮液的形式，引入扰动，强化了液相对流换热，由静态传热介质对太阳能的表面吸收转化为吸热腔的体吸收，显著提高了吸热腔的吸热能力，同时防止固相颗粒的沉淀，使固相对太阳能辐射吸收效果明显，最终液相介质温度上升到更高值，实现更大量的太阳能的吸收。

5）结构空腔的设置和气泵入口位置的布置可以有效的实现冷热工质间的循环，热工质由于气流作用向两侧流动，进入两侧较大液槽范围后由于扰动减弱，颗粒向下沉降；冷工质由于上空负压自发通过下部流道携带颗粒向中心流动，完成了主要热收集区域的工质循环，避免了高温液泵的使用。