Вакуумированный приемник солнечного излучения Советский патент 1992 года по МПК F24J2/04 

Изобретение относится к гелиоэнергети- ке и может быть использовано в солнечных коллекторах с параболоцилиндрическими концентраторами для модульных солнечных электростанций.

Известен солнечный теплообменник, содержащий парогенерирующую трубу, трубу для подачи питательной воды значительно меньшего диаметра, расположенную

внутри парогенерирующей трубы и прозрачную стеклянную оболочку, окружающую парогенерирующую трубу. Кольцевой канал между внутренней поверхностью стеклянной оболочки и наружной поверхностью парогенерирующей трубы вакуумиро- ван. Один из концов теплообменника снабжен трубой для отвода пара. Труба подачи питательной воды начинается от противоположного конца теплообменника и проходит по всей парогенерирующей трубы. Прокачиваемая через подающую трубу питательная вода разбрызгивается через маленькие отверстия в ее стенке на горячую внутреннюю поверхность парогенерирующей трубы, где превращается в пар.

Недостатком данного устройства является следующее.

При попадании капель жидкости на го- рячую поверхность пэрогенерирующей трубы возникает явление, когда капли, частично испаряясь, оттесняются потоком пара от парогенерирующей поверхности. Это приводит к росту времени испарения капель, росту температуры стенки и возникновению кризиса орошения, сопровождающемуся сильными локальными перегревами и пульсациями температуры стенки.

Последнее обуславливает значитель- ные термические и усталостные напряжения в материале парогенерирующей трубы, особенно в условиях переменной солнечной инсоляции.

Известен солнечный тепловой коллек- тор, содержащий поглотитель, выполненный в виде трубы с внутренними спиральными выступами с коаксиально размещенным в ней трубчатым нагревателем с наружными спиральными выступами. Труба и нагреватель образуют кольцевой канал, в котором установлена спиральная лента из эластичного материала. Периодическими колебаниями давления нагреваемого воздуха вызывают соответствующие сокращения эластичной ленты, что приводит к перемешиванию нагреваемого воздуха в радиальном и осевом направлениях.

Недостатки данного устройства следующие. Во-первых, пульсационный режим работы устройства из-за периодических колебаний давления воздуха, что отрицательно сказывается на теплообменных характеристиках работы устройства и может привести к ухудшению теплообмена при достаточно высоких тепловых потоках, сопровождающемуся сильными локальными перегревами и пульсациями температуры стенки.

Во-вторых, при применении в качестве теплоносителя несжимаемых жидкостей (например, воды), колебания давления приведут к сильным пульсациям расхода тёпло- носителя и возможно даже его опрокидыванию. Такой режим работы также способствует ухудшению теплообмена вследствие возникновения застойных зон. Кроме того, резко увеличивается гидравлическое сопротивление и соответственно

мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя.

Целью изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии приемником солнечного излучения за счет обеспечения беспульса- ционного, бескризисного режима работы при использовании приемника для парообразования.

Указанная цель достигается тем, что в приемнике солнечного излучения, содержащем установленные коаксиально внутреннюювытесчительнуютрубу, промежуточную поглощающую и наружную прозрачную трубу, патрубки подвода и отвода теплоносителя, сообщенные с зазором между вытеснительной и поглощающей трубами и спиральные канавки, выполненные на внутренней поверхности поглощающей трубы и внешней поверхности вытеснительной трубы, вытеснительная труба заглушена с обоих торцов, спиральные канавки поглощающей и вытеснительной трубы размещены напротив друг друга, выполнены с одинаковым шагом закрутки, ширина канавок равна расстоянию между ними.

На фиг. 1 изображен приемник солнечного излучения, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение.

Приемник солнечного излучения содержит поглощающую трубу 1 с селективным покрытием 2 на наружной поверхности, окруженную хоаксиально прозрачной трубой 3. Труба 3 крепится на трубе 1 с помощью сильфонов 4, предназначенных для компенсации разности температурных расширений трубы 3 и трубы 1. Кольцевое пространство, образованное трубами 1 и 3 сильфонами 4 взкуумировано до давления мм рт.ст.

Внутри трубы 1 коаксиально размещена вытеснительная труба 5, заглушенная с обоих торцов пробками 6 конической формы. С одного торца труба 1 плавно переходит в патрубок подвода питательной воды 7, а с другой - в патрубок отвода пара 8. Труба 5 закреплена внутри трубы 1 с помощью перемычек 9. На внутренней поверхности трубы 1 методом электрохимической обработки нанесены многозаходные спиральные канавки 10, а на наружной поверхности трубы 5 - многозаходные спиральные канавки 11. При этом количество заходов канавок 10 равно количеству заходов канавок 11, шаг закрутки (т.е. длина, на которой канавки совершает оборот вокруг оси трубы на 360°) канавок 10 равен шагу закрутки канавок 11. Закрутка канавок 10 и 11 имеет одинаковое направление (левое или правое), расстояние ежду соседними канавками в окружном направлении равно ширине канавок, а труба 5 ориентирована вокруг своей оси таким образом, что канавки 11 расположены напротив канавок 10.

Поскольку труба 5 не участвует в про- цессе теплообмена, то для обеспечения кон- центрации кольцевого зазора между трубами 1 и 5 материал и толщина стенки трубы 5 подбирается таким образом, чтобы вес трубы 5 с учетом канавок и инертного газа, заполняющего ее внутренний обьем, был равен Архимедовой силе, действующей на трубу в потоке теплоносителя.

Устройство работает следующим образом.

Сконцентрированное солнечное излучение сквозь прозрачную трубу 3 попадает на часть наружной поверхности поглощающей трубы 1 с селективным покрытием 2, где превращается в тепло и теплопроводностью передается к внутренней поверхности трубы 1.

Теплоноситель (например, вода) по патрубку 7. обтекая пробку 6, подается в коль- цевой зазор, образованный трубами 1 и 5. Двигаясь по кольцевому зазору, теплоносителя нагревается, воспринимая тепло от трубы 1, закипает и превращается в пар, который отводится через патрубок 8, т.е. приемник солнечного излучения работает в режиме прямоточного парогенератора с вынужденной циркуляцией теплоносителя. Такой режим работы позволяет получать на выходе приемника пэр с массовым паросо- держанием вплоть до единицы, а также осуществлять перегрев пара.

Спиральные канавки 10 и 11 оказывают следующее воздействие на поток. Во-пер- вых, весь поток закручивается в кольцевом зазоре относительно оси приемника, т.е. скорость потока приобретает радиальную составляющую. Во-вторых, в канавках 10 и 11 возникают вихри Тейлора-Гертлера, на- правленные в противоположные стороны, что обуславливает возникновение вихревых течений в пространстве между расположенными напротив друг друга канавками 10 и 11.

Сложное закрученное движение теплоносителя приводит к тому, что, во-первых, выравнивается распределение температуры стенки трубы 1 по периметру, за счет чего уменьшаются температурные напряжения в материале стенки трубы. Во-вторых, интенсифицируется теплообмен от стенки трубы к однофазной жидкости, что ведет к уменьшению температуры стенки трубы 1 при постоянном тепловом потоке на экономайзерном участке приемника - прямоточного парогенератора. В-третьих, значительно возрастает величина критического теплового потока, соответствующего кризису теплообмена 1 рода при кипении, что предотвращает возможность его возникновения и, следовательно, локального перегрева стенки трубы. В-четвертых, увеличивается, вплоть до единицы, граничное массовое паросодержание, при котором наступает режим ухудшенного теплообмена при кипении, стабилизируется область перехода к этому режиму, сокращается сама зона ухудшенного теплообмена.

Формула изобретения Вакуумированный приемник солнечного излучения, содержащий коаксиально установленные внутреннюю вытеснительную трубу, промежуточную поглощающую трубу и наружную прозрачную трубу, патрубки подвода и отвода теплоносителя, сообщенные с зазором между вытеснительной и поглощающей трубами, при этом на внутренней поверхности поглощающей трубы и на внешней поверхности вытеснительной трубы выполнены спиральные канавки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования солнечной энергии за счет обеспечения бес- пульсационного, бескризисного режима работы при использовании приемника для парообразования, вытеснительная труба заглушена с обоих торцов, спиральные канавки поглощающей и вытеснительной трубы размещены напротив друг друга, выполнены с одинаковым шагом закрутки, ширина канавок равна расстоянию между ними.

Использование: изобретение позволяет повысить эффективность работы приемника солнечного излучения, предназначенного для использования в солнечных коллекторах с параболоцилиндрическими концентраторами модульных солнечных электростанций. Сущность изобретения: сконцентрированное солнечное излучение попадает на часть наружной поверхности поглощающей трубы (Т) 1 с селективным покрытием 2 через окружающую ее коаксиаль- но прозрачную Т 3, где оно превращается в тепло, которое теплопроводностью передается через стенку Т 1 к теплоносителю. Т 3 крепится на Т 1 с помощью сильфоное 4, компенсирующих температурные расширения Т 1 и 3. Внутри Т1 коаксиально размещена вытеснительная Т 5, заглушенная с обоих торцов пробками 6 конической формы. С одного торца Т 1 плавно переходит в патрубок 7 подвода питательной воды, а с другой - в отводной патрубок (П) 8 пара Теплоноситель по П 7, обтекая пробку 6, подается Б кольцевой зазор между трубами, где закипает и превращается в пар, выходящий через П 8. Расположенные на внутренней поверхности Т 1 и наружной поверхности Т 5 многозаходные спиральные канавки (К) 10 и 11 приводят к закручиванию потока в кольцевом зазоре и образованию вихревых течений в канавках, что интенсифицирует теплообмен, резко снижает возможность образования кризиса кипения и температурные напряжения в стенке Т1. Количество заходов К10 и 11, шаг их закрутки и направления одинаковы. Расстояние между соседними К в окружном на- правлении равно ширине К, а Т 5 ориентирована вокруг своей оси таким образом, что К 10 и 11 расположены напротив друг друга. 2 ил. Я со ел ю

W

Ф//У