[发明专利]热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法

说明书

本发明涉及集热换热技术领域，公开了一种热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法。本热电子增强换热装置包括热电子换热层以及高温热源层，其中，热电子换热层由外到内依次包括高温阴极层、真空间隔层以及低温阳极层，低温阳极层的内部空间形成为低温介质通道。高温阴极层在高温下溢出热电子，热电子将高温阴极层的部分热量带走后传递给低温阳极层，升温后的低温阳极层与低温介质通道内流通的低温介质进行换热。本发明提供的热电子增强换热装置，结构简单紧凑，无需另外设置低温介质循环系统，安全度高，可靠性好。另外，利用热电子换热和辐射换热双重叠加的换热方式，有效提高热交换效率，满足高温环境下的换热需求。

技术领域

本发明涉及高温高热流换热技术领域，特别涉及一种基于热电子发射技术的热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法。

背景技术

高温高热流换热广泛存在于太阳能光热发电集热储热、核电、燃气轮机叶片冷却、电子元器件散热等高温热功转换和高温工业工程中。在温度超过500℃的高温工况下，目前常用的换热方式主要是冷却工质强制对流换热的方式，例如液态金属钠换热用于太阳能集热器换热、风扇强制空气对流用于电子元器件换热及燃气轮机叶片冷却等。

以太阳能光热系统中集热器的高温换热过程为例：如图1所示，塔式太阳能发电装置的组成部分包括镜场1、吸热子系统2、蓄热子系统3、蒸汽发生器子系统4、发电子系统5、冷却塔6等。其中塔顶吸热子系统2将通过镜场1反射的聚光太阳辐射并转化为热能，并将热能传递给流经吸热器的储热蓄热介质(通常为熔融盐、固体颗粒、气体等)，使之变为高温介质；高温介质在通过蒸汽发生器子系统3时将蒸汽发生器中的水加热转化为高压过热蒸汽，并传递给发电子系统5中的汽轮机；汽轮机被高压过热蒸汽驱动工作继而产生电能。其中，最为关键的一步在于如何高效的将塔顶吸热子系统2吸收的热量传递给储热蓄热介质，传递过程中热损耗越低，传递出的热能越高，发电量越大。

聚光太阳照射下的吸热器温度通常可以达到500℃以上。吸热器于储热蓄热介质之间，通常采用液态金属钠换热，需要单独设置液态金属钠的循环传输通道，结构复杂，且若出现泄露易造成较大的安全事故；另外，储热蓄热介质通常具有较低的导热率，其传热过程依赖于缓慢的热扩散，这严重限制了从接收器向储热低温介质的热传递，储热蓄热介质传热慢会直接导致蓄热子系统3充能速度慢，吸热子系统2附近积聚热量过多会存在吸热器表面过热的问题。实际条件下，当吸热器表面温度达到700℃时，接收器熔盐管道中心熔盐温度约为500℃，存在较大温差。因此，吸热子系统迫切需要一个效率高的换热方式，能够快速完成蓄热过程，从而可以更好地利用有限的可用太阳光照时间来增加系统内的存储能量，同时，增强换热过程能起到精简熔盐管路、提高熔盐温度上限的作用，对后续的熔盐罐储热过程也有利。

与太阳能光热系统中的高温换热类似，燃气轮机叶片冷却、电子元器件工作过程中也会出现局部温度过高，冷却工质无法有效及时完成高热流换热的问题。

发明内容

本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种基于热电子发射的增强换热装置。本发明的热电子增强换热装置，其结构简单，安全度高；其换热效果好，利用热电子发射换热和辐射/传导换热双重叠加的换热方式，提高了热交换效率；可通过调节换热强度实现温度控制，降低热流密度突变引起的局部高温，增强了系统工作的热稳定性。

具体来说，本发明提供了一种基于热电子发射的热电子增强增强换热装置，包括管状的热电子换热层以及高温热源层，高温热源层设置于热电子换热层的外侧壁。其中，热电子换热层包括：

高温阴极层，靠近高温热源层设置，构成为能够在高温下向外发射热电子；

低温阳极层，远离高温热源层设置，构成为能够接收热电子；

真空间隔层，真空设置于高温阴极层和低温阳极层之间；

低温阳极层的内部空间形成为供低温介质流通的低温介质通道。