热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法
本专利技术涉及高温高热流换热
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。相较于现有技术而言，本专利技术提供的热电子增强换热装置，利用热电子换热和辐射/传导换热双重叠加的换热方式，能够使低温介质通道侧壁一直保持较高温状态，导热效果优异，有效提高热交换效率。例如当低温介质为熔盐时，可以增强储热熔盐换热，精简熔盐管路，优化储热系统结构。另外，本专利技术的低温介质通道还可实现传输液体低温介质、固体颗粒状低温介质和气体低温介质，应用范围广，适应性强。本专利技术提供的热电子增强换热装置还具有结构简单，无需另外设置低温介质循环系统，安全度高，制造成本低的优势。进一步地，作为优选，高温热源层与热电子换热层紧密贴附设置。根据该优选方案，高温热源层能够将热量有效传递给紧密贴附设置的热电子换热层，降低二者进行热传导时的热损失。另外，作为优选，高温阴极层、低温阳极层的厚度范围为100～500μm，真空间隔层的厚度范围为20μm～100μm。根据该优选方案，高温阴极层和低温阳极层之间的间隙较小，能够减小热电子运动时的空间电荷损失。进一步地，作为优选，热电子换热层具有多个，相邻两个热电子换热层之间存在间隙并同样形成为供低温介质流通的低温介质通道。根据该优选方案，相邻热电子换热层之间以及最内层的低温阳极层的内部空间形成为层叠的一个个低温介质通道，能够降低低温介质在每一层低温介质通道内的温度梯度，减小每层靠内、外低温介质之间的温差，进一步增强换热效果。另外，作为优选，高温阴极层为钡钨阴极、氧化物阴极或者半导体阴极中的一种，低温阳极层为高导电低功函数的金属制成。根据该优选方案，高温阴极层的热电子发射性能优异且耐高温，易于在高温下发热热电子。低温阳极层的功函数适宜、导热性能好，可以获得更好的热电子发射效应。进一步地，作为优选，在真空间隔层内填充有1～200Pa的铯或钡蒸气。根据该优选方案，铯或钡蒸气能够降低高温阴极层、低温阳极层的功函数，使电子更容易从表面逸出，另外能降低极间的空间电荷势垒，能使电子更容易从阴极输运至阳极。本专利技术还提供了一种热电子增强换热系统，包括温度控制装置以及如前述任一技术方案中所述的热电子增强换热装置。温度控制装置包括电连接的外接电路与电位仪，电位仪与高温阴极层和低温阳极层连接以改变二者之间的偏压。温度控制装置还包括能够测量高温热源层、高温阴极层、低温阳极层以及低温介质温度的温度测量子系统，实时记录其温度变化。根据该优选方案，具有热电子增强换热装置的热电子增强换热系统，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。利用温度测量子系统测量高温热源层、高温阴极层、低温阳极层以及低温介质的温度，实时记录其温度变化，可通过调节换热强度实现温度控制，增强系统工作的热稳定性。利用外接电路及电位仪改变高温阴极层和低温阳极层二者之间的偏压，提高低温阳极层的电势，消除空间电荷损失。本专利技术还提供了一种热电子增强换热方法，使用如前述任一技术方案中所述的热电子增强换热装置，具体包括如下步骤：高温热源层通过吸收聚光太阳辐射、燃料燃烧放热等能量,温度达到较高范围(500℃～1500℃)；高温热源层通过热传导将热量传导至高温阴极层；高温阴极层受热，温度升高，并将热量以两种途径传递出去：高温阴极层的部分电子溢出，同时带走一部分的热量，溢出的热电子经过真空间隔层后到达低温阳极层，将热电子携带的热量传递给低温阳极层；高温阴极层通过热辐射将热量传递给低温阳极层；低温阳极层通过热传导将热量传递给在低温介质通道中流通的低温介质。相比于冷却流体强制对流换热方式，本专利技术提供的热电子增强换热方法，无流动部件设计，无流体泄露安全隐患，安全高效；热电子增强换热装置稳定工作时，可通过热电子发射使热能直接转化为电能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电子增强换热装置，其特征在于，包括管状的热电子换热层以及高温热源层，所述高温热源层套设于所述热电子换热层的外侧，其中，所述热电子换热层包括：/n高温阴极层，靠近所述高温热源层设置，构成为能够在高温下向外发射热电子；/n低温阳极层，远离所述高温热源层设置，构成为能够接收热电子；/n真空间隔层，真空设置于高温阴极层和低温阳极层之间；/n所述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。/n

【技术特征摘要】
1.一种热电子增强换热装置，其特征在于，包括管状的热电子换热层以及高温热源层，所述高温热源层套设于所述热电子换热层的外侧，其中，所述热电子换热层包括：
高温阴极层，靠近所述高温热源层设置，构成为能够在高温下向外发射热电子；
低温阳极层，远离所述高温热源层设置，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；
所述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。


2.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温热源层与所述热电子换热层紧密贴附设置。


3.根据权利要求2所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温阴极层、所述低温阳极层的厚度范围为100～500μm，所述真空间隔层的厚度范围为20μm～100μm。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述热电子换热层具有多个，相邻两个所述热电子换热层之间存在间隙并同样形成为所述低温介质通道。


5.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温阴极层为钡钨阴极、氧化物阴极或者半导体阴极中的一种，所述低温阳极层由高导电低功函数的金属制成。


6.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，在所述真空间隔层中填充有1～200Pa的铯或钡蒸气。


7.一种热电子增...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖刚，王锦涛，王国轩，倪明江，岑可法，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33