專利名稱：基于固液氣三相流的吸熱腔及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能熱利用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于固液氣三相流的吸熱腔及其方法。
背景技術(shù)：
太陽能作為一種清潔的可再生能源備受關(guān)注，全球太陽能輻射總量約I. 7X IO17W,其中我國約占1% (1.8X1015W，相當(dāng)于1.9萬億噸標(biāo)煤/年)。太陽能集熱器能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為熱能，傳統(tǒng)的集熱器采用二次換熱的方式傳遞熱量，由吸熱板或真空管壁先吸熱，然后將熱量傳遞給水等流動(dòng)工質(zhì)，為單相吸熱，集熱器的集熱效率低。三相流吸熱腔作為太陽能利用中的一種新型的集熱設(shè)備，屬于體吸收式集熱器。體吸收式集熱器中，太陽光直接由 吸熱腔內(nèi)的液相工質(zhì)與固相顆粒吸收，空氣通入引起擾動(dòng)，強(qiáng)化傳熱儲(chǔ)熱，從而提高太陽能的吸收，液相溫度上升至200 550°C?？諝馔ㄟ^液相工質(zhì)時(shí)，從有機(jī)工質(zhì)中帶走部分熱量，實(shí)現(xiàn)空氣的溫升，加熱后的空氣可用在外部換熱器一次換熱預(yù)熱換熱工質(zhì)。預(yù)熱后工質(zhì)與浸沒于三相流吸熱腔中的內(nèi)部換熱器進(jìn)行二次換熱，所得熱量可應(yīng)用于預(yù)熱燃燒系統(tǒng)、高溫烘烤、太陽能制冷、有機(jī)朗肯循環(huán)加熱器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱源，實(shí)現(xiàn)發(fā)電等用途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有太陽能熱利用中的不足，解決太陽能利用中熱量損失大、利用效率低的問題，提供一種基于固液氣三相流的吸熱腔及其方法。基于固液氣三相流的吸熱腔包括兩個(gè)氣泵、兩個(gè)外部換熱器、兩個(gè)內(nèi)部換熱器和三相流吸熱腔；三相流吸熱腔包括腔式玻璃蓋板、環(huán)形腔體、隔板、小顆粒、液相工質(zhì)，一氣泵出口與三相流吸熱腔底部中心相連，一氣泵入口經(jīng)一外部換熱器與三相流吸熱腔上部相連，一外部換熱器換熱盤管與一內(nèi)部換熱器換熱盤管相連，另一氣泵出口與三相流吸熱腔底部中心相連，另一氣泵入口經(jīng)另一外部換熱器與三相流吸熱腔上部相連，另一外部換熱器換熱盤管與另一內(nèi)部換熱器換熱盤管相連，三相流吸熱腔底部中心設(shè)有隔板，三相流吸熱腔下部中心設(shè)有環(huán)形腔體，環(huán)形腔體上方設(shè)有腔式玻璃蓋板，腔式玻璃蓋板上端與三相流吸熱腔頂部殼體相連，三相流吸熱腔內(nèi)部填充有小顆粒和液相工質(zhì)的混合工質(zhì)，內(nèi)部換熱器浸沒于混合工質(zhì)中?；诠桃簹馊嗔鞯奈鼰崆黄涮卣髟谟冢鋈嗔魑鼰崆粌?nèi)混合工質(zhì)中的小顆?？梢允羌{米或微米級(jí)顆粒，體積濃度為O.廣3%?；诠桃簹馊嗔鞯奈鼰岱椒ㄊ钱?dāng)三相流吸熱腔在太陽輻射下工作時(shí)，一氣泵提供空氣循環(huán)動(dòng)力，冷空氣由三相流吸熱腔底部中心進(jìn)入三相流吸熱腔，三相流吸熱腔內(nèi)液相工質(zhì)及小顆粒的混合工質(zhì)吸收太陽輻射，溫度上升至200 550°C，在空氣的擾動(dòng)下經(jīng)由三相流吸熱腔下部中心的環(huán)形腔體和腔式玻璃蓋板間的夾層向兩側(cè)流動(dòng)，氣泵通入的空氣引起擾動(dòng)，提高了小顆粒與液相工質(zhì)之間的換熱，加強(qiáng)液相工質(zhì)上下液層的混合，強(qiáng)化液相工質(zhì)內(nèi)的對(duì)流換熱，使得三相流吸熱腔內(nèi)的液相工質(zhì)及小顆粒的混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的體吸收，流動(dòng)到兩側(cè)的熱混合工質(zhì)因空氣擾動(dòng)的減小，小顆粒緩慢沉降，液相工質(zhì)及小顆粒的混合工質(zhì)經(jīng)由環(huán)形腔體下部與三相流吸熱腔腔體間的夾層回流至三相流吸熱腔底部中心。三相流吸熱腔兩側(cè)腔體中的液相工質(zhì)的混合工質(zhì)與一內(nèi)部換熱器換熱實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞或利用；一氣泵通入的空氣通過小顆粒和液相工質(zhì)的液固相懸浮液時(shí)，帶走懸浮液部分熱量，空氣產(chǎn)生一定溫升，經(jīng)過一外部換熱器換熱進(jìn)行一次換熱，并冷凝回收空氣帶出的少量氣態(tài)液相工質(zhì)，另一氣泵循環(huán)回路工作方法同上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
I)該三相流吸熱腔屬于太陽能直接吸收式集熱器中，微米級(jí)或納米級(jí)顆粒的添加改善了流體的輻射吸收特性，工作流體直接吸收太陽能，而不是傳統(tǒng)集熱器的二次換熱，這減小了傳熱過程中的熱阻，有利于減少熱損失，提高熱效率。2)利用液相可實(shí)現(xiàn)太陽能的直接吸收，提高了介質(zhì)蓄熱能力，實(shí)現(xiàn)高溫使用的 同時(shí)能量輸出相對(duì)穩(wěn)定。3)在液相介質(zhì)中添加固體顆粒，顯著的提高了循環(huán)工質(zhì)的傳熱性能，從而提高吸熱腔的熱效率。4)通過氣相空氣通過懸浮液的形式，引入擾動(dòng)，強(qiáng)化了液相對(duì)流換熱，由靜態(tài)傳熱介質(zhì)對(duì)太陽能的表面吸收轉(zhuǎn)化為吸熱腔的體吸收，顯著提高了吸熱腔的吸熱能力，同時(shí)防止固相顆粒的沉淀，使固相對(duì)太陽能輻射吸收效果明顯，最終液相介質(zhì)溫度上升到更高值，實(shí)現(xiàn)更大量的太陽能的吸收。5)結(jié)構(gòu)空腔的設(shè)置和氣泵入口位置的布置可以有效的實(shí)現(xiàn)冷熱工質(zhì)間的循環(huán)，熱工質(zhì)由于氣流作用向兩側(cè)流動(dòng)，進(jìn)入兩側(cè)較大液槽范圍后由于擾動(dòng)減弱，顆粒向下沉降；冷工質(zhì)由于上空負(fù)壓自發(fā)通過下部流道攜帶顆粒向中心流動(dòng)，完成了主要熱收集區(qū)域的工質(zhì)循環(huán)，避免了高溫液泵的使用。6)由于太陽能聚光熱利用系統(tǒng)中聚光后光斑能量密度不均勻造成的集熱器中心部分接收能流密度較高、集熱器中心溫度較高的問題，通過氣相擾動(dòng)和帶孔隔板對(duì)液相工質(zhì)的流動(dòng)引導(dǎo)能夠得到有效改善。


圖I為基于固液氣二相流的吸熱腔總體結(jié)構(gòu)不意 圖中，腔式玻璃蓋板I、外部換熱器2、內(nèi)部換熱器3、環(huán)形腔體4、隔板5、氣泵6、小顆粒7、三相流吸熱腔8、液相工質(zhì)9、光路10。
具體實(shí)施例方式如附圖I所示，基于固液氣三相流的吸熱腔包括兩個(gè)氣泵6、兩個(gè)外部換熱器
2、兩個(gè)內(nèi)部換熱器3和三相流吸熱腔8 ;三相流吸熱腔8包括腔式玻璃蓋板I、環(huán)形腔體4、隔板5、小顆粒7、液相工質(zhì)9，一氣泵6出口與三相流吸熱腔8底部中心相連，一氣泵6入口經(jīng)一外部換熱器2與三相流吸熱腔8上部相連，一外部換熱器2換熱盤管與一內(nèi)部換熱器3換熱盤管相連，另一氣泵6出口與三相流吸熱腔8底部中心相連，另一氣泵6入口經(jīng)另一外部換熱器2與三相流吸熱腔8上部相連，另一外部換熱器2換熱盤管與另一內(nèi)部換熱器3換熱盤管相連，三相流吸熱腔8底部中心設(shè)有隔板5，三相流吸熱腔8下部中心設(shè)有環(huán)形腔體4，環(huán)形腔體4上方設(shè)有腔式玻璃蓋板I，腔式玻璃蓋板I上端與三相流吸熱腔8頂部殼體相連，三相流吸熱腔8內(nèi)部填充有小顆粒7和液相工質(zhì)9的混合工質(zhì)，內(nèi)部換熱器3浸沒于混合工質(zhì)中。所述三相流吸熱腔8內(nèi)混合工質(zhì)中的小顆粒6可以是納米或微米級(jí)顆粒，體積濃度為O. I 3%?；诠桃簹馊嗔鞯奈鼰岱椒ㄊ钱?dāng)三相流吸熱腔8在太陽輻射下工作時(shí)，一氣泵6提供空氣循環(huán)動(dòng)力，冷空氣由三相流吸熱腔8底部中心進(jìn)入三相流吸熱腔8，三相流吸熱腔8內(nèi)液相工質(zhì)9及小顆粒7的混合工質(zhì)吸收太陽輻射，溫度上升至200 550°C，在空氣的擾動(dòng)下經(jīng)由三相流吸熱腔8下部中心的環(huán)形腔體4和腔式玻璃蓋板I間的夾層向兩側(cè)流動(dòng)，氣泵6通入的空氣引起擾動(dòng)，提高了小顆粒7與液相工質(zhì)9之間的換熱，加強(qiáng)液相工質(zhì)9上下液層的混合，強(qiáng)化液相工質(zhì)9內(nèi)的對(duì)流換熱，使得三相流吸熱腔8內(nèi)的液相工質(zhì)9及小顆粒7的混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的體吸收，流動(dòng)到兩側(cè)的熱混合工質(zhì)因空氣擾動(dòng)的減小，小顆粒7緩慢沉降，液相工質(zhì)9及小顆粒7的混合工質(zhì)經(jīng)由環(huán)形腔體4下部與三相流吸 熱腔8腔體間的夾層回流至三相流吸熱腔8底部中心。三相流吸熱腔8兩側(cè)腔體中的液相工質(zhì)9的混合工質(zhì)與一內(nèi)部換熱器3換熱實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞或利用；一氣泵6通入的空氣通過小顆粒7和液相工質(zhì)9的液固相懸浮液時(shí)，帶走懸浮液部分熱量，空氣產(chǎn)生一定溫升，經(jīng)過一外部換熱器2換熱進(jìn)行一次換熱，并冷凝回收空氣帶出的少量氣態(tài)液相工質(zhì)9，另一氣泵6循環(huán)回路工作方法同上。本發(fā)明是利用固液氣三相在吸熱傳熱方面的特性，設(shè)計(jì)三相流吸熱腔，目的在于提高太陽能熱轉(zhuǎn)化過程中的效率，提高太陽能利用率。該三相流吸熱腔屬于太陽能直接吸收式集熱器，工作流體直接吸收太陽能，而不是傳統(tǒng)集熱器的二次換熱，這減小了傳熱過程中的熱阻，有利于減少熱損失，提聞熱效率。吸熱腔中固相為微米或納米級(jí)顆粒，利用固體顆粒對(duì)太陽輻射吸收能力強(qiáng)的特性，加強(qiáng)吸熱腔對(duì)太陽能的吸收；吸熱腔中氣相為從入口處持續(xù)通過的空氣，空氣的通入引入擾動(dòng)，強(qiáng)化對(duì)流化熱使其以體吸收形式減小熱阻，同時(shí)避免顆粒沉淀，并借助空氣所提供的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)冷熱混合工質(zhì)的循環(huán)避免了高溫液泵的使用。本發(fā)明中使用的固相小顆粒7為粒徑為120 μ m規(guī)格的黑色SiC顆粒，液相工質(zhì)9為斯卡蘭耐高溫320導(dǎo)熱油，在三相流吸熱腔8中裝入2. 025kg導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油中加入
O.265kgSiC顆粒，空氣以6. OmVh的流量由氣泵6通入三相流吸熱腔8。本發(fā)明三相流吸熱腔8中液相工質(zhì)9可采用三組分熔鹽，熔鹽中主要組分硝酸鉀，亞硝酸鈉，硝酸鈉分別占53%，40%, 7%，熔鹽中加入75nm規(guī)格的Al2O3作為固相小顆粒7，由氣泵6通入空氣，以此形成三相流吸熱腔。本發(fā)明三相流吸熱腔8中固相小顆粒7也可以是納米級(jí)顆粒，加入IOOnm規(guī)格的CuO顆粒作為固相小顆粒，美孚傳熱油605導(dǎo)熱油作為液相工質(zhì)9。往三相流吸熱腔8中通入空氣，以此形成基于固液氣三相流的吸熱腔。其對(duì)太陽能進(jìn)行直接吸收，利用三相流優(yōu)勢(shì)，提高對(duì)太陽能的輻射吸收能力，獲得的高溫?zé)崃孔鳛樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)熱源，實(shí)現(xiàn)發(fā)電等用途。
權(quán)利要求
1.一種基于固液氣三相流的吸熱腔，其特征是包括兩個(gè)氣泵(6)、兩個(gè)外部換熱器(2)、兩個(gè)內(nèi)部換熱器(3)和三相流吸熱腔(8);三相流吸熱腔(8)包括腔式玻璃蓋板(I)、環(huán)形腔體(4)、隔板(5)、小顆粒(7)、液相工質(zhì)(9)，一氣泵(6)出口與三相流吸熱腔(8)底部中心相連，一氣泵(6)入口經(jīng)一外部換熱器(2)與三相流吸熱腔(8)上部相連，一外部換熱器(2)換熱盤管與一內(nèi)部換熱器(3)換熱盤管相連，另一氣泵(6)出口與三相流吸熱腔(8) 底部中心相連，另一氣泵(6)入口經(jīng)另一外部換熱器(2)與三相流吸熱腔(8)上部相連，另一外部換熱器(2 )換熱盤管與另一內(nèi)部換熱器(3 )換熱盤管相連，三相流吸熱腔(8 )底部中心設(shè)有隔板(5)，三相流吸熱腔(8)下部中心設(shè)有環(huán)形腔體(4)，環(huán)形腔體(4)上方設(shè)有腔式玻璃蓋板(1)，腔式玻璃蓋板(I)上端與三相流吸熱腔(8)頂部殼體相連，三相流吸熱腔(8) 內(nèi)部填充有小顆粒(7)和液相工質(zhì)(9)的混合工質(zhì)，內(nèi)部換熱器(3)浸沒于混合工質(zhì)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于固液氣三相流的吸熱腔，其特征在于，所述三相流吸熱腔(8)內(nèi)混合工質(zhì)中的小顆粒(6)是納米或微米級(jí)顆粒，體積濃度 為O.廣3%。
3.一種使用如權(quán)利要求I所述吸熱腔的基于固液氣三相流的吸熱方法，其特征是當(dāng)三相流吸熱腔(8)在太陽輻射下工作時(shí)，一氣泵(6)提供空氣循環(huán)動(dòng)力，冷空氣由三相流吸熱腔(8)底部中心進(jìn)入三相流吸熱腔(8)，三相流吸熱腔(8)內(nèi)液相工質(zhì)(9)及小顆粒(7) 的混合工質(zhì)吸收太陽輻射，溫度上升至200 550°C，在空氣的擾動(dòng)下經(jīng)由三相流吸熱腔(8)下部中心的環(huán)形腔體(4)和腔式玻璃蓋板(I)間的夾層向兩側(cè)流動(dòng)，氣泵(6)通入的空氣引起擾動(dòng)，提高了小顆粒(7)與液相工質(zhì)(9)之間的換熱，加強(qiáng)液相工質(zhì)(9)上下液層的混合，強(qiáng)化液相工質(zhì)(9)內(nèi)的對(duì)流換熱，使得三相流吸熱腔(8)內(nèi)的液相工質(zhì)(9)及小顆粒(7)的混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的體吸收，流動(dòng)到兩側(cè)的熱混合工質(zhì)因空氣擾動(dòng)的減小，小顆粒(7)緩慢沉降，液相工質(zhì)(9)及小顆粒(7)的混合工質(zhì)經(jīng)由環(huán)形腔體(4)下部與三相流吸熱腔(8)腔體間的夾層回流至三相流吸熱腔(8)底部中心，三相流吸熱腔(8)兩側(cè)腔體中的液相工質(zhì)(9)的混合工質(zhì)與一內(nèi)部換熱器(3)換熱實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞或利用；一氣泵(6)通入的空氣通過小顆粒(7)和液相工質(zhì)(9)的液固相懸浮液時(shí)，帶走懸浮液部分熱量，空氣產(chǎn)生一定溫升，經(jīng)過一外部換熱器(2)換熱進(jìn)行一次換熱，并冷凝回收空氣帶出的少量氣態(tài)液相工質(zhì)(9)，另一氣泵(6)循環(huán)回路工作方法同上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于固液氣三相流的太陽能吸熱腔及其方法。它包括玻璃蓋板，外部交換器，內(nèi)部交換器，結(jié)構(gòu)空腔，隔板，氣泵，小顆粒，液相工質(zhì)，以及三相流吸熱腔；氣泵與三相流吸熱腔相連，三相流吸熱腔包括玻璃蓋板、結(jié)構(gòu)空腔、隔板、小顆粒，及液相工質(zhì)，三相流吸熱腔內(nèi)下部隔板，內(nèi)部填充有小顆粒及液相工質(zhì)的混合工質(zhì)，內(nèi)部換熱器和結(jié)構(gòu)空腔浸沒于混合工質(zhì)內(nèi)。本發(fā)明整合了氣液固三相在熱吸收中的優(yōu)點(diǎn)，利用氣相增強(qiáng)擾動(dòng)加強(qiáng)對(duì)流換熱并實(shí)現(xiàn)固相顆粒在液相基液中的均勻分散，固相導(dǎo)熱、輻射吸收能力強(qiáng)，液相比熱容大等特點(diǎn)，強(qiáng)化吸熱能力，并以體吸收式的結(jié)構(gòu)減少熱阻，減少熱量損失，提高熱效率，為太陽能的高效利用及能量轉(zhuǎn)化提供了支持。
文檔編號(hào)F24J2/05GK102927692SQ20121044324
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者肖剛, 倪明江, 駱仲泱, 高翔, 岑可法, 方夢(mèng)祥, 周勁松, 施正倫, 程樂鳴, 王勤輝, 王樹榮, 余春江 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)