本发明专利技术公开了一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法，将纳米流体直接吸收式太阳能集热与蒸汽发生集为一体，外管采用无涂层的U型真空管(2)，U型真空管内设置有套管蒸汽发生管(5)，U型真空管与套管蒸汽发生管之间的环形封闭腔内充满纳米流体(4)。蒸发介质在套管蒸汽发生管中吸收纳米流体的热量后汽化成蒸汽流出。套管蒸汽发生管的内管管壁设有喷嘴(7)，用于补充液体增大换热系数。本发明专利技术利用纳米流体的光吸收特性直接吸收太阳能并产生中温蒸汽，同时强化了蒸发换热传热性能，从根本上避免了传统集热器吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷，是将吸热、传热、载热、蒸汽发生于一体的新型高效的太阳能集热技术。
【技术实现步骤摘要】
纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法
本专利技术涉及太阳能集热，属于太阳能热利用以及蒸汽发生领域。
技术介绍
目前应用的中温集热器类型主要以直通式金属-玻璃真空管结构为主，该结构通过集热内管表面镀上太阳能选择性吸收涂层，涂层吸收太阳辐射后再将热能传递给管内的集热流体，这种结构因吸收性涂层耐温耐久性差、玻璃和金属热膨胀系数不同以及运行时管壁圆周方向受热不均，易引起集热管破裂或空泄，可靠性和安全性低。热管式真空管太阳能集热器利用集热管壁或翅片上的吸收涂层吸收太阳能，将热量传递给热管蒸发段内工质使其汽化，在热管冷凝端放热给载热流体。研究表明，虽然热管式太阳能集热器在高热流密度下具有较好的传热性能和承压性能，但需要热管与工作流体再进行换热来实现蒸汽的产生，因而造成了因传热温差增大而引起的不可逆损失。关于太阳能直接蒸汽发生系统(DSG)，由于管内流型的剧烈变化更容易导致集热管沿周向温差增大，引起集热管应力集中甚至玻璃管破裂，继而影响系统长期运行的可靠性和安全性。研究发现，当采用直径25.4mm的钢管作为内集热管时，集热管周向最大温差达到了60℃，将导致集热管中间最大弯曲程度达到65mm，耐热玻璃管全部破裂。近年来，一种利用无吸收涂层的透明管的直接吸收式太阳能集热方法开始引起研究者的关注。它通过在集热流体中添加吸热颗粒，使集热流体自身具有很强的太阳辐射吸收特性，即管内集热介质既是吸热材料，也是传热和载热材料，从根本上避免了吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷。研究发现，在实际应用的太阳能聚光工况下，纳米流体直接吸收集热过程中，由于太阳辐射穿过透明管后被纳米流体逐层吸收，避免了管壁和流体间的热阻，使得吸热速率有所提升；并且其内部流型、温度分布均与传统间接吸收集热明显不同，纳米流体靠近管内中心的主流温度要高于管壁处，且不存在管壁圆周方向温度不均的情况。基于此，在新型太阳能集热管内设置金属蒸汽发生管，纳米流体温度分布特性将有利于减少传热温差，有效提高热利用效率。纳米流体在250℃以下的中低温区太阳集热领域具有优势，因此蒸发介质既可以是水为工质，也可利用有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)中采用的R245fa,R236ea等有机物为工质，在太阳能制冷空调、工业供热等领域具有巨大的节能潜力和应用前景。
技术实现思路
本专利技术为提高太阳能中温集热效率和太阳能直接蒸汽发生效率，解决传统太阳能集热器吸收涂层耐高温和耐久性差，传热温差大导致的可逆损失增加，在聚光工况下集热管周向温差大易引起集热管破损等问题，本专利技术提出一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置及方法，能够有效提高热利用效率，利用太阳热能产生中、低温区蒸汽。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置，包括聚光器(1)、支架(14)、单轴跟踪器(15)和纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)，所述单轴跟踪器(15)设置于聚光器(1)的外侧壁上，所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)设置于聚光器(1)的焦线上，所述支架(14)固定在聚光器(1)端部，且所述支架(14)与纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)连接；所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)包括U型真空管(2)和套管蒸汽发生管(5)，所述U型真空管(2)包括同心设置的U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)，所述U型真空管内管(10)设置于U型真空管外管(9)的内侧，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)均采用表面无吸收涂层的玻璃；所述U型真空管(2)的开口端安装有隔离密封件(6)，所述隔离密封件(6)盖压在U型真空管(2)的开口端，且所述隔离密封件(6)的中部开设有圆形孔；所述套管蒸汽发生管(5)包括套管蒸汽发生管外管(11)和套管蒸汽发生管内管(12)，所述套管蒸汽发生管外管(11)包括端部一(17)和端部二(18)这两个密封端部；所述套管蒸汽发生管内管(12)为两端直通式结构，所述套管蒸汽发生管内管(12)的外径小于套管蒸汽发生管外管(11)的内径，所述套管蒸汽发生管内管(12)的管壁上开设有若干喷嘴(7)；所述套管蒸汽发生管内管(12)设置于套管蒸汽发生管外管(11)内部，所述套管蒸汽发生管内管(12)固定在端部二(18)上；隔离密封件(6)上圆形孔的直径等于套管蒸汽发生管(5)的外径，所述套管蒸汽发生管(5)穿过隔离密封件(6)的圆形孔伸入U型真空管(2)，且所述套管蒸汽发生管(5)的中心轴和U型真空管(2)的中心轴在同一条直线上，所述套管蒸汽发生管外管(11)的外径小于U型真空管内管(10)的内径；所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部一(17)位于U型真空管(2)内侧，所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部二(18)位于U型真空管(2)外侧；所述套管蒸汽发生管外管(11)在位于U型真空管(2)外侧的上部管壁上安装有蒸汽出口管(19)；所述U型真空管内管(10)和套管蒸汽发生管外管(11)之间灌注有对太阳辐射具有吸收性能的纳米流体(4)。进一步的，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)之间设置有弹簧支架(3)。进一步的，沿套管蒸汽发生管内管(12)轴向的上部喷嘴个数大于下部喷嘴个数。进一步的，所述套管蒸汽发生管外管(11)内壁面采用烧结多孔表面管。纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置的发生方法：采用液态的载热流体作为蒸发介质，通过端部二(18)上的通孔向套管蒸汽发生管(5)中导入蒸发介质，蒸发介质先流经套管蒸汽发生管内管(12)到达端部一(17)，再逆向在套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域流向端部二(18)；纳米流体(4)吸收透过U型真空管(2)的太阳辐射能，并将热量传递给流向端部二(18)的蒸发介质；流向端部二(18)的蒸发介质与纳米流体(4)进行换热后变成蒸汽从蒸汽出口管(19)排出，进入下一流程；当套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域的蒸发介质流向端部二(18)过程中吸热蒸发，气液两相流体中蒸汽质量分数不断提高，流经喷嘴(7)所设位置时，喷嘴(7)将套管蒸汽发生管内管(12)中部分液态的蒸发介质喷入套管蒸汽发生管内管(12)和套管蒸汽发生管外管(11)之间区域。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术采用内外管表面均无吸收涂层的U型真空管，避免了吸收涂层耐高温和耐久性差的缺陷，管内纳米流体逐层吸收太阳辐射能，有效缓解了聚光工况下集热管局部受热造成管壁圆周方向温差过大，不仅提高了集热管长期中温运行的稳定性，并且有效提高集热效率，同时，蒸发发生管内部的喷嘴设计强化了流体的蒸发换热性能，能高效利用太阳能加热产生中温蒸汽。2.本专利技术为吸热、传热、载热与蒸汽发生为一体的太阳能集热装置和方法。3.本专利技术产生的蒸汽可应用于加热水蒸气、有机工质等，应用与建筑制冷空调、有机朗肯循环发电、工业供热等领域，具有显著的节能潜力和应用前景。附图说明图1是本专利技术纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置结构示意图；图2是采用槽式聚光器的纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置结构截面示意图；图3是NDASC-DSG管结构示意图；图4是套管蒸汽发生管内管上的喷嘴结构示意图。附图标记说明1-聚光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置，其特征在于：包括聚光器(1)、支架(14)、单轴跟踪器(15)和纳米流体直接吸收集热‑蒸汽发生管(16)，所述单轴跟踪器(15)设置于聚光器(1)的外侧壁上，所述纳米流体直接吸收集热‑蒸汽发生管(16)设置于聚光器(1)的焦线上，所述支架(14)固定在聚光器(1)端部，且所述支架(14)与纳米流体直接吸收集热‑蒸汽发生管(16)连接；所述纳米流体直接吸收集热‑蒸汽发生管(16)包括U型真空管(2)和套管蒸汽发生管(5)，所述U型真空管(2)包括同心设置的U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)，所述U型真空管内管(10)设置于U型真空管外管(9)的内侧，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)均采用表面无吸收涂层的玻璃；所述U型真空管(2)的开口端安装有隔离密封件(6)，所述隔离密封件(6)盖压在U型真空管(2)的开口端，且所述隔离密封件(6)的中部开设有圆形孔；所述套管蒸汽发生管(5)包括套管蒸汽发生管外管(11)和套管蒸汽发生管内管(12)，所述套管蒸汽发生管外管(11)包括端部一(17)和端部二(18)这两个密封端部；所述套管蒸汽发生管内管(12)为两端直通式结构，所述套管蒸汽发生管内管(12)的外径小于套管蒸汽发生管外管(11)的内径，所述套管蒸汽发生管内管(12)的管壁上开设有若干喷嘴(7)；所述套管蒸汽发生管内管(12)设置于套管蒸汽发生管外管(11)内部，所述套管蒸汽发生管内管(12)固定在端部二(18)上；隔离密封件(6)上圆形孔的直径等于套管蒸汽发生管(5)的外径，所述套管蒸汽发生管(5)穿过隔离密封件(6)的圆形孔伸入U型真空管(2)，且所述套管蒸汽发生管(5)的中心轴和U型真空管(2)的中心轴在同一条直线上，所述套管蒸汽发生管外管(11)的外径小于U型真空管内管(10)的内径；所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部一(17)位于U型真空管(2)内侧，所述套管蒸汽发生管外管(11)的端部二(18)位于U型真空管(2)外侧；所述套管蒸汽发生管外管(11)在位于U型真空管(2)外侧的上部管壁上安装有蒸汽出口管(19)；所述U型真空管内管(10)和套管蒸汽发生管外管(11)之间灌注有对太阳辐射具有吸收性能的纳米流体(4)。...
【技术特征摘要】
1.一种纳米流体直接吸收式太阳能蒸汽发生装置，其特征在于：包括聚光器(1)、支架(14)、单轴跟踪器(15)和纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)，所述单轴跟踪器(15)设置于聚光器(1)的外侧壁上，所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)设置于聚光器(1)的焦线上，所述支架(14)固定在聚光器(1)端部，且所述支架(14)与纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)连接；所述纳米流体直接吸收集热-蒸汽发生管(16)包括U型真空管(2)和套管蒸汽发生管(5)，所述U型真空管(2)包括同心设置的U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)，所述U型真空管内管(10)设置于U型真空管外管(9)的内侧，U型真空管外管(9)和U型真空管内管(10)均采用表面无吸收涂层的玻璃；所述U型真空管(2)的开口端安装有隔离密封件(6)，所述隔离密封件(6)盖压在U型真空管(2)的开口端，且所述隔离密封件(6)的中部开设有圆形孔；所述套管蒸汽发生管(5)包括套管蒸汽发生管外管(11)和套管蒸汽发生管内管(12)，所述套管蒸汽发生管外管(11)包括端部一(17)和端部二(18)这两个密封端部；所述套管蒸汽发生管内管(12)为两端直通式结构，所述套管蒸汽发生管内管(12)的外径小于套管蒸汽发生管外管(11)的内径，所述套管蒸汽发生管内管(12)的管壁上开设有若干喷嘴(7)；所述套管蒸汽发生管内管(12)设置于套管蒸汽发生管外管(11)内部，所述套管蒸汽发生管内管(12)固定在端部二(18)上；隔离密封件(6)上圆形孔的直径等于套管蒸汽发生管(5)的外径，所述套管蒸汽发生管(5)穿过隔离密封件(6)的圆形孔伸入U型真空管(2)，且所述套管蒸汽发生管(5)的中心轴和U型真空管(2)的中心轴在同一条直线上，所述套管蒸汽发生管外管(11)的外径小于U型真空管内管(10)的内径；所...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐国英，陈彩，张小松，李舒宏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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