CN201852331U

CN201852331U - 线聚焦太阳能强化集热管

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Publication number: CN201852331U
Application number: CN2009202759891U
Authority: CN
Inventors: 张建城
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2019-12-23

Abstract

一种线聚焦太阳能强化集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃截管、铁镍可伐环、消气环、耐高温热吸收涂层、排气管、玻璃封接料以及由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组合的卸载组件组成，因该集热管的金属内管采用了多种特殊结构设计和优化制作方法，使其具备了强化热吸收功能，在提高热吸收效率的基础上，有利于降低槽式中高温太阳能热利用聚光装置投资成本。该集热管特别适合槽式太阳能热发电装置使用。属太阳能热利用技术领域。

Description

线聚焦太阳能强化集热管

技术领域

本实用新型涉及一种用于槽式太阳能中高温热利用装置的线聚焦真空集热管，因该集热管的金属内管采用了多种特殊结构设计和优化制作方法，使其具备了强化热吸收功能，在提高热吸收效率的基础上，有利于降低槽式太阳能热利用聚光装置投资成本。该集热管特别适合槽式太阳能热发电装置使用。属太阳能热利用技术领域。

背景技术

线聚焦太阳能集热管是槽式热利用装置中的主要集热元件，也是槽式太阳能热发电装置中的核心部件。目前，能够为槽式太阳能热发电装置生产制造这种太阳能集热管的企业有Solel、Schot t和Archimede公司，但是，这些企业的产品所使用的金属内管均为直管结构设计，在实际应用中存在明显技术缺陷，特别是传热工质在流经金属内管时容易形成稳流层，在半球光热吸收和转换时，管壁温差可达80度，因此阻碍着热吸收效率进一步提高。发明人在中国专利03218208.2中公开的以金属波节内管、扭纹内管和波纹管为主要特征的内置金属流道太阳能真空集热管，和专利200420091975.1、200620158355.4以及专利200720143975.5中，为槽式线聚焦装置提供了可选择的具有强化换热功能的太阳能真空集热管，明显提高了集热管的光热吸收和工质热转换效率，其原理就在于金属内管在轴向结构上形成的环形波节或螺旋波节结构，在导热油等传热工质流经金属内管时破坏了稳流层，变层流热吸收为涡流热吸收。为了进一步适应目前国际太阳能聚热发电(CSP)领域正在研究的，主要以替代导热油而使用的熔盐和直接用水做传热工质的DSG(direct steam generation)两种技术，发挥强化集热管在替代导热油中的优势，就必须以提高集热管机械强度、热吸收效率和降低热损失为目标，在金属内管结构和制作方法上进行优化。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是以提高线聚焦太阳能强化集热管机械强度、热吸收效率和降低热损失为目标，为适应新一代替代工质对集热管结构和制造方法进行的改进。

本实用新型采用了以下技术方案：

一种线聚焦太阳能强化集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃截管、铁镍可伐环、消气环、耐高温热吸收涂层、排气管、玻璃封接料以及由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组合的卸载组件组成，其特征在于：

所述金属内管为金属环形波节管、或金属螺旋管、或金属苞体波节管的强化换热管，或带有2-20波的波纹管与波节管一体的自卸载波节管；壁厚在0.3-13mm；选用耐受450℃高温的不锈钢无缝钢管，或耐受450℃以上高温的锅炉用合金无缝钢管，或不锈钢焊接管；承压在2-30兆帕。

所述玻璃外管选择线膨胀系数在20℃-500℃时为(40-65)×10^-7k^-1的中性硼硅玻璃，当温度在20℃-300℃之间时线膨胀系数为(40-50)×10^-7k^-1；玻璃外管壁厚在1.8-5mm；透光率大于90％，涂覆并烧结硅凝胶后大于95％；或线膨胀系数为33×10^-7/℃的高硼硅玻璃。

所述玻璃截管为封接卸载组件和玻璃外管的工艺过渡管，玻璃截管根据所需长度对玻璃外管进行切割，长度为30-60mm；其中一端制作玻璃法兰，或外法兰，或内法兰；玻璃法兰端与铁镍可伐环熔封接，另一端与玻璃外管熔封接。

所述铁镍可伐环的线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃之间，主要选择4J29或4J44可伐合金，成凸型外环或凸型内环，壁厚0.3-2mm，以0.7mm为主；其中一端焊接金属端盖，另一端与玻璃截管直接熔封接；或通过低熔玻璃粉与玻璃截管间接熔封接；或通过金属铅、或金属铝热压封接至玻璃截管法兰平面处。

所述卸载组件由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组成，并设置在线聚焦太阳能强化集热管两端。

所述金属端盖为不锈钢板材冲压而成的中心开孔的凹形圆盖，壁厚0.3-2mm；内圆焊接卸载波纹管，外圆焊接铁镍可伐环。

所述卸载波纹管为不锈钢薄壁焊接管经塑性涨波成型或打波挤塑成型，波纹数至少在2-20波，两端留有焊接直边端，其中一端焊接金属端盖，另一端焊接管接件。

所述管接件为不锈钢焊接管制作，一端缩口另一端扩口，扩口端与卸载波纹管焊接，缩口端与金属内管焊接。

所述消气环是蒸散型钡铝镍合金材料和不锈钢支架一体的合金环，焊接在金属内管上。

所述耐高温热吸收涂层为陶瓷耐高温选择性热吸收涂层，采用真空溅射或磁控溅射的方法在金属内管表面制取。

所述排气管为中性5.0硼硅玻璃管，材质和线膨胀系数与玻璃外管一致，熔接在玻璃截管上。排气管连接真空排气机，真空度达(3-5)×10^-3帕后熔封排气管口。

所述玻璃封接料为有铅或无铅低熔玻璃粉，封接温度在300-800℃，线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃，将玻璃封接料均匀涂覆在玻璃截管和铁镍可伐环之间，在设定的封接气氛环境中熔封接玻璃截管和铁镍可伐环。

玻璃金属封接也可采用金属铅、铝过渡热压封接，但要求玻璃法兰封接面必须平整。

上述自卸载波节管选用光洁度较好的不锈钢带经制管机氩弧焊接成不锈钢圆管，通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm。自卸载波节管一端打波成标准的波纹管，波节数为2-20波，波高为3-12mm。根据工质特性和流速调整波纹管制波机制波高度和波距长度，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接。在组装集热管时采用预应力方法拉伸自卸载波节管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。其适用范围是工质温度小于300℃，内压力小于2兆帕，腐蚀性较小的导热油、乙二醇、防冻液等液体或气体工质。

所述苞体波节即在金属内管表面有规则交叉分布的圆形或椭圆形鼓包；苞体波节波高和波长根据工质流体性质和流速确定，高度为1-3mm；长度以等距波节为主。

由以上所述看出，本实用新型的核心在于中性5.0玻璃的选择和金属内管的加工制作，由于波节管表面凹凸的外形，可以使流体在管内形成较强的湍流，从而大大提高换热系数，经分析对比得知，波节管比金属直管的平均努塞尔数提高了2-3倍，因此强化了集热管的换热功能。

附图说明

图1是本实用新型外法兰间接熔封接环形波节管示意图

图2是本实用新型内法兰间接熔封接金属螺旋管示意图

图3是本实用新型铅、铝热压封接内卸载波节管示意图

图4是本实用新型直接熔封接金属苞体波节管示意图

其中

金属内管1、玻璃外管2、玻璃截管3、铁镍可伐环4、金属端盖5、管接件6、消气环7、外卸波纹管8、耐高温热吸收涂层9、排气管10、消气环支架11、玻璃封接料12

具体实施方式

实施例一：

内胀法制取环形波节或螺旋波节金属内管，其制作方法是：

1)按塑形变量长度和集热管所需长度截取无缝钢管，金属管内径在25-80mm；壁厚在0.3-3mm。

2)在膜腔内采用油压胀型法、或聚胺脂胀块制取法、或高温气压胀型法制作环形波节或螺旋波节，波节高度根据工质特性和流速确定，优选1-3mm。

3)波节长度以集热管内径为标准分为短距波节，即波节长度小于集热管内径，等距波节即波节长度等于集热管内径，或长距波节即波节长度大于集热管内径，其中优选等距波节结构，经矫直后保证轴向弯曲度小于3％。

4)对成型的波节管进行表面抛光，如采用的是高亮度不锈钢无缝管则可以减除该步骤。

5)通过氦质谱检漏，确保无缝钢管的气密性。

6)把金属内管放置在500℃真空环境中进行高温除气，不锈钢可设定在400℃；除气室内可加氮气或其他气体保护，防止金属内管表面过渡氧化。

7)真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。如图1、2所示。

实施例二：

外塑法的制作环形波节或螺旋波节的方法是，采用外延机械滚压或旋压等外塑法在无缝钢管外壁上制作环形波节或螺旋波节，其他方法同前。

实施例三：

自卸载波节金属内管的制作方法是：

1)具有自卸载功能的波节管其适用范围是工质温度小于300℃，内压力小于2兆帕，腐蚀性较小的导热油、乙二醇、防冻液等液体或气体工质。

2)选用光洁度较好的不锈钢带材经制管机组氩弧焊接成不锈钢圆管，金属内管通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm。

3)不锈钢金属圆管进入波纹管制波机首先制作卸载段，即在金属内管一端打波成形为标准的波纹管，波节数为2-20波。

4)根据工质特性和流速调整波纹管制波机打波高度和波距长度，然后连续打波成具有自卸载功能的波节金属内管，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接。

5)由于自卸载波节管不需要单独设置卸载波纹管，因此在组装集热管时必须采用预应力方法拉伸金属内管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。其他制作方法同前。如图3所示。

实施例四：

苞体波节金属内管制作方法是：

1)采用油压或气压法在金属内管上经塑性变形制取苞体，所述苞体波节即在金属内管表面形成的圆形、长方形或椭圆形鼓包，优选椭圆形苞体波节。

2)苞体在金属内管表面成规则交叉分布，优选三面体交叉分布结构。

3)根据工质流体性质和流速确定苞体顶部高度和苞体长度，高度为1-3mm；长度以等距波节为主，或选择长距波节。如图4所示。

Claims

1.一种线聚焦太阳能强化集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃截管、铁镍可伐环、消气环、耐高温热吸收涂层、排气管、玻璃封接料以及由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组合的卸载组件组成，其特征在于：

1)所述金属内管为金属环形波节管、或金属螺旋管、或金属苞体波节管的强化集热管，或带有2-20波的波纹管与波节管一体的自卸载波节管；壁厚在0.3-13mm；选用耐受450℃高温的不锈钢无缝钢管，或耐受450℃以上高温的锅炉用合金无缝钢管，或不锈钢焊接管；承压在2-30兆帕；

2)所述玻璃外管选择线膨胀系数在20℃-500℃时为(40-65)×10^-7k^-1的中性硼硅玻璃，当温度在20℃-300℃时线膨胀系数为(40-50)×10^-7k^-1；玻璃外管壁厚为1.8-5mm；透光率大于90％，涂覆并烧结硅凝胶后大于95％；或线膨胀系数为33×10^-7/℃的高硼硅玻璃；

3)所述玻璃截管为封接卸载组件和玻璃外管的工艺过渡管，是根据所需长度对玻璃外管进行切割，长度为30-60mm；其中一端制作玻璃法兰，或外法兰，或内法兰，与铁镍可伐环熔封接或压封接；另一端与玻璃外管熔封接；

4)所述铁镍可伐环的线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃之间，选择4J29或4J44可伐合金，成凸型外环或凸型内环，壁厚0.3-2mm；其中一端焊接金属端盖，另一端与玻璃截管直接熔封接；或通过低熔玻璃粉与玻璃截管间接熔封接；或通过金属铅，或金属铝热压封接至玻璃截管法兰平面处；

5)所述卸载组件由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧依次焊接组成，并设置在线聚焦太阳能强化集热管两端；

6)所述金属端盖为不锈钢板材冲压而成的中心开孔的凹形圆盖，壁厚0.3-2mm；内圆焊接卸载波纹管，外圆焊接铁镍可伐合金环；

7)所述卸载波纹管为不锈钢薄壁焊接管经塑性涨波成型或打波挤塑成型，波纹数至少在2-20波，两端留有焊接直边端，其中一端焊接金属端盖，另一端焊接管接件；

8)所述管接件为不锈钢薄壁焊接管制作，一端缩口另一端扩口，扩口端与卸载波纹管焊接，缩口端与金属内管焊接；

9)所述消气环是蒸散型钡铝镍合金材料和不锈钢支架一体的合金环，焊接在金属内管上；

10)所述耐高温热吸收涂层为陶瓷耐高温选择性热吸收涂层；

11)所述排气管为中性5.0硼硅玻璃管，材质和线膨胀系数与玻璃外管一致，熔接在玻璃截管上；

12)所述玻璃封接料为封接温度在300-800℃，线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃的低熔玻璃粉，将其均匀涂覆在玻璃截管和铁镍可伐环之间熔封接玻璃截管和铁镍可伐环。

2.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，其特征在于：上述金属内管为自卸载波节管，通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm；自卸载波节管一端打波成标准的波纹管，波节数为2-20波，波高为3-12mm；波高度和波距长度根据工质特性和流速调整，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接；在组装集热管时采用预应力方法拉伸自卸载波节管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。

3.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，其特征在于：所述金属苞体波节即在金属内管表面有规则交叉分布的圆形或椭圆形鼓包；苞体波节波高和波长根据工质流体性质和流速确定，高度为1-3mm。