CN113483494A - 一种塔式光热的吸热管及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可再生能源发电技术领域，具体地涉及一种塔式光热的吸热管及方法。本发明的吸热管包括吸热涂层、换热管和金属泡沫层；吸热涂层附着在换热管的外壁表面；金属泡沫层连接在换热管内壁上。金属泡沫层是通过电镀沉积或粉末冶金制备而成的开孔式结构，此结构有效的扰动了熔融盐等液体工质在金属泡沫层内的流动状态，破坏流体边界层，提高了金属泡沫层内流体的温度梯度。金属泡沫层与纯流体区域的耦合作用下，金属泡沫层内外出现高渗透率梯度，提高了纯流体区域内液体工质的湍动度，强化了金属泡沫层内的辐射、导热与强制对流传热的耦合换热效果；通过提高吸热器传热效率及光热转换效率，解决了吸热管管壁因持续高温被烧穿的问题。

Description

一种塔式光热的吸热管及方法
技术领域
本发明属于油井生产技术领域，具体地涉及一种塔式光热的吸热管及方法。
背景技术
塔式太阳能热发电是一种通过镜场将太阳光反射至吸热器上，通过吸热器将吸热介质加热至500°C以上，再由蒸发换热***将热能传递给水工质，生成过热蒸汽进入汽轮机组做功发电，其中聚光集热***是塔式太阳能热发电站中负责光热转换的关键子***。目前,国家首批太阳能热发电示范项目的推进工作遇到最大的瓶颈是聚光集热***造价成本高昂，占塔式太阳能热发电站建造成本的50%左右，导致塔式太阳能热发电度电成本高达1元/kWh。因此，亟需通过对吸热器进行优化设计，提高吸热器集热性能，降低镜场和储热***建造成本，提高电站发电效率。
以圆管表面为太阳辐射吸热面的换热器为外露管式吸热器，是由一排吸热管环形布置，吸热管部分外表面吸收镜场反射的太阳光，将辐射能转化为热能，传递给管内吸热介质。现有的外露管式吸热器对镜场反射聚焦精度要求高，需要准确预测并实时跟踪太阳辐射情况，但仍然存在吸热器局部聚光能量过高，造成吸热器热应力过大，甚至吸热管烧穿泄露，存在运行安全隐患；同时，目前吸热器采用圆管为基础换热单元，存在吸热介质与圆管换热性能较低的问题。
发明内容
本发明提供了一种塔式光热的吸热管及方法，目的在于提供一种均匀化吸热器表面温度分度的同时，能够提升聚光集热效率的新型塔式光热吸热管。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种塔式光热的吸热管，包括吸热涂层、换热管和金属泡沫层；所述的吸热涂层附着在换热管的外壁表面；所述金属泡沫层连接在换热管的内壁上，金属泡沫层内形成管内纯流体区域。
所述的换热管是镍基不锈钢圆形管。
所述的吸热涂层采用的是高温吸热体涂层材料，所述高温吸热体涂层材料在600°C下太阳能吸收率为0.95～0.99、发射率不大于0.35 。
所述的金属泡沫层内设置有用于流通水或熔盐液体介质的多个孔。
所述的金属泡沫层内的孔隙率在0.85～0.95之间，孔密度在5～100 PPI之间。
所述的金属泡沫层在换热管内的径向截面为半环形，金属泡沫层的厚度为换热管内直径的0.1～0.4倍。
所述的金属泡沫层在换热管内的径向截面为环形，金属泡沫层的厚度为换热管内直径的0.1～0.4倍。
一种塔式光热的吸热管的制备方法，包括如下步骤，
步骤一：制备金属泡沫层；
步骤二：在换热管外表面喷附一层吸热涂层；
步骤三：将步骤一制备好的金属泡沫层装配在换热管内表面。
所述的步骤一中金属泡沫层的制备方法是：由液态铜金属电镀沉积在有机泡沫体外，通过400°C以上高温挥发、200°C以下冷却形成的开孔固体铜泡沫或在固态纳米镍基不锈钢粉末中按照4%的体积比掺杂金属型碳纳米管，挂浆在有机泡沫体内，在真空氢气炉中加热至400～450°C高温挥发有机泡沫，加热至1100～1200°C烧结成形，200°C以下低温冷却形成长方体固体镍基不锈钢开孔泡沫，再通过外部线切割、内部限位深孔开钻制备为环形或内外线切割制备为半环形。
所述的金属泡沫层与换热管是通过800°C以上高温真空钎焊而连成一体；焊剂采用耐温达1000 °C以上的镍基钎料，金属泡沫层与换热管间的镍基钎料厚度低于40μm。
有益效果：
（1）本发明中金属泡沫层由固态纳米镍基不锈钢粉末掺杂微量金属型碳纳米管，通过真空高温炉烧结在有机泡沫体外，通过高温挥发、低温冷却形成固体镍基不锈钢泡沫。掺杂金属型碳纳米管的镍基不锈钢泡沫具有导热系数高、三维结构稳定、强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强等优势。金属泡沫层为开孔式结构，可以流通水、熔融盐等液体介质，金属泡沫凭借其比表面积高、导热系数大、三维通孔结构等特点，有效的扰动了熔融盐等液体工质在金属泡沫层内的流动状态，显著破坏流体边界层，进而提高金属泡沫层内流体的温度梯度。
（2）本发明的金属泡沫层与管内纯流体区域的耦合作用下，一方面可以在金属泡沫层内通过辐射、导热与强制对流传热机制，强化流体与金属泡沫骨架的换热效果；另一方面可以通过金属泡沫层内外的高渗透率梯度，提高纯流体区域液体工质的湍动度，提高该区域流体的传热效率。
（3）本发明通过金属泡沫层实现了吸热管管壁温度分布均匀化，降低了吸热管表面平均温度，显著降低了吸热器在吸热塔（150 m以上）高空环境下的散热量，提高了吸热管光热转换效率。
（4）本发明与较光滑圆管的吸热管相比，实现了吸热管管壁热能的快速传递与管壁温度迅速降低，避免了极端聚光情况下，吸热管管壁因持续高温被烧穿的现象发生。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例进行详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明填充半环形金属泡沫层的径向剖视图；
图2是本发明填充环形金属泡沫层的径向剖视图；
图3是本发明填充环形金属泡沫层吸热管与光滑吸热管管内直径传热特性关系；
图中：1-吸热涂层；2-换热管；3-金属泡沫层；4-管内纯流体区域；
T管壁为吸热管内壁温度，单位°C；
T流体为吸热管内吸热介质温度，单位°C；
q管壁为吸热管内壁热流密度，单位W/m2。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下通过本发明的较佳实施例进行详细说明。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
参照图1和图2所示的一种塔式光热的吸热管，包括吸热涂层1、换热管2和金属泡沫层3；所述的吸热涂层1附着在换热管2的外壁表面；所述金属泡沫层3连接在换热管2的内壁上，金属泡沫层3内形成管内纯流体区域4。
在具体应用时，吸热涂层1附着在换热管2的外壁表面，有效增强了换热管2的吸热效果，金属泡沫层3连接在换热管2的内壁上，通过金属泡沫层3内外的高渗透率梯度，提高纯流体区域4内液体工质的湍动度，提高了该区域流体的传热效率。通过金属泡沫层3实现了换热管2管壁温度分布的均匀化。金属泡沫层3降低了吸热管表面平均温度，显著降低了吸热管在吸热塔（150 m以上）高空环境下的散热量，提高了吸热器光热转换效率。
从图3中可以明显发现，布置环形金属泡沫层后，与光滑吸热管相比，管壁与流体的温差在近管壁侧显著增大，传热性能提升，更为有效的将管壁热量快速传递到吸热流体中。
实施例二：
参照图1和图2所示的一种塔式光热的吸热管，在实施例一的基础上，所述的换热管2是镍基不锈钢圆形管。
进一步的，所述的吸热涂层1采用的是高温吸热体涂层材料，所述高温吸热体涂层材料在600°C下太阳能吸收率为0.95～0.99、发射率不大于0.35 。
在实际使用时，采用本技术方案的吸热涂层1，能够选择性的吸收太阳能辐射，可以有效增大镍基不锈钢圆形换热管2的太阳能吸收率，减小高温镍基不锈钢圆形换热管2向环境的辐射热损失。
本实施例中的高温吸热体涂层材料可以是现有技术的黑铬涂层材料。
实施例三：
参照图1和图2所示的一种塔式光热的吸热管，在实施例一的基础上，所述的金属泡沫层3内设置有用于流通水或熔盐液体介质的多个孔。
在实际使用时，金属泡沫层3采用这种开孔式结构，可以流通水、熔融盐等液体介质，凭借其比表面积高、导热系数大、三维通孔结构等特点的金属泡沫层，有效的扰动了熔融盐等液体工质在金属泡沫层内的流动状态，显著破坏流体边界层，进而提高金属泡沫层内流体的温度梯度。
金属泡沫层3与管内纯流体区域4的耦合作用下，一方面可以在金属泡沫层内通过辐射、导热与强制对流传热机制，强化流体与金属泡沫骨架的换热效果；另一方面可以通过金属泡沫层内外的高渗透率梯度，提高纯流体区域液体工质的湍动度，提高了该区域流体的传热效率。
多个孔是由液态铜金属电镀沉积在有机泡沫体外后，通过400°C以上高温有机泡沫体挥发，再在200°C以下冷却形成的开孔，或在固态纳米镍基不锈钢粉末中按照4%的体积比掺杂金属型碳纳米管，挂浆在有机泡沫体内，在真空氢气炉中加热至400～450°C高温挥发有机泡沫，加热至1100～1200°C烧结成形，200°C以下低温冷却形成的开孔。
实施例四：
参照图1和图2所示的一种塔式光热的吸热管，在实施例一或实施例三的基础上，所述的金属泡沫层3内的孔隙率在0.85～0.95之间，孔密度在5～100 PPI之间。
在实际使用时，孔隙率小于0.85或孔密度大于100PPI的金属泡沫会导致渗透率过低，金属泡沫层3仅能提高管内的导热效果，但增大了流体边界层厚度，大幅度提高液体工质的流动阻力。因此，在实施例一或实施例三中，根据吸热管设计额定吸热量，采用最优孔隙率与孔密度参数的金属泡沫层3，可以实现相同泵功下的吸热管换热能力最强。
PPI 为单位英寸长度上孔胞的个数，可需选择如5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90等值。孔隙率可选择0.85、0.9或0.95等值。
实施例五：
参照图1和图2所示的一种塔式光热的吸热管，在实施例一或实施例四的基础上，所述的金属泡沫层3在换热管2内的径向截面为半环形，金属泡沫层3的厚度为换热管2内直径的0.1～0.4倍。
进一步的，所述的金属泡沫层3在换热管2内的径向截面为环形，金属泡沫层3的厚度为换热管2内直径的0.1～0.4倍。
在实际使用时，金属泡沫层3采用径向截面为半环形或环形，可以根据使用地的实际情况的进行选择。针对200MW以下吸热功率、中心标高在150m～200m的吸热器，采用半环形技术方案，最大程度的提高吸热管吸热功率。针对200MW以上吸热功率、中心标高在200m以上的吸热器，采用半环形技术方案，最大程度降低吸热介质的泵功，提高集热***运行效率。
本技术方案的采用，通过金属泡沫层3实现了换热管2管壁温度分布均匀化，降低了吸热管表面平均温度，显著降低了吸热管在吸热塔（150 m以上）高空环境下的散热量，提高了吸热管光热转换效率。
在具体应用时，金属泡沫层3的厚度可以为换热管2内直径的0.1、0.2、0.3或0.4倍。
当金属泡沫层3采用径向截面为半环形时，其金属泡沫层3应该布设在聚光侧。
实施例六：
一种塔式光热的吸热管的制备方法，包括如下步骤，
步骤一：制备金属泡沫层3；
步骤二：在换热管2外表面喷附一层吸热涂层1；
步骤三：将步骤一制备好的金属泡沫层3装配在换热管2内表面。
进一步的，所述的步骤一中金属泡沫层3的制备方法是：由液态铜金属电镀沉积在有机泡沫体外，通过400°C以上高温挥发、200°C以下冷却形成的开孔固体铜泡沫或在固态纳米镍基不锈钢粉末中按照4%的体积比掺杂金属型碳纳米管，挂浆在有机泡沫体内，在真空氢气炉中加热至400～450°C高温挥发有机泡沫，加热至1100～1200°C烧结成形，200°C以下低温冷却形成长方体固体镍基不锈钢开孔泡沫，再通过外部线切割、内部限位深孔开钻制备为环形或内外线切割制备为半环形。
进一步的，所述的金属泡沫层3与换热管2是通过800°C以上高温真空钎焊而连成一体；焊剂采用耐温达1000 °C以上的镍基钎料，金属泡沫层3与换热管2间镍基钎料厚度低于40μm。
在实际使用时，金属泡沫层3采用开孔式结构，可以流通水、熔融盐等液体介质，金属泡沫层3凭借其比表面积高、导热系数大、三维通孔结构等特点，有效的扰动了熔融盐等液体工质在金属泡沫层内的流动状态，显著破坏流体边界层，进而提高金属泡沫层内流体的温度梯度。
金属泡沫层3与管内纯流体区域4的耦合作用下，一方面可以在金属泡沫层内通过辐射、导热与强制对流传热机制，强化流体与金属泡沫骨架的换热效果；另一方面可以通过金属泡沫层内外的高渗透率梯度，提高纯流体区域液体工质的湍动度，提高该区域流体的传热效率。
通过金属泡沫层3实现了吸热管管壁温度分布均匀化，降低了吸热管表面平均温度，显著降低了吸热器在吸热塔（150 m以上）高空环境下的散热量，提高了吸热管光热转换效率。
本发明与较光滑圆管的吸热管相比，实现了吸热管管壁热能的快速传递与管壁温度迅速降低，避免了极端聚光情况下，吸热管管壁因持续高温被烧穿的现象发生。
金属泡沫层3与换热管2间钎料厚度低于40μm，大幅度降低了传统焊接加工方法形成的钎料厚度，一方面减少了金属泡沫层3底层通孔的钎料堵塞率，提高了液体工质换热面积；另一方面显著减小了金属泡沫层3与换热管2间的接触热阻，提高了吸热管换热能力。
镍基钎料为现有技术，本实施例中的镍基钎料采用的是镍基钎料Ni612，在实际应用时，可根据实际需要进行镍基钎料的选择。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种塔式光热的吸热管，其特征在于：包括吸热涂层（1）、换热管（2）和金属泡沫层（3）；所述的吸热涂层（1）附着在换热管（2）的外壁表面；所述金属泡沫层（3）连接在换热管（2）的内壁上，金属泡沫层（3）内形成管内纯流体区域（4）。
2.如权利要求1所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的换热管（2）是镍基不锈钢圆形管。
3.如权利要求1所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的吸热涂层（1）采用的是高温吸热体涂层材料，所述高温吸热体涂层材料在600°C下太阳能吸收率为0.95～0.99、发射率不大于0.35 。
4.如权利要求1所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的金属泡沫层（3）内设置有用于流通水或熔盐液体介质的多个孔。
5.如权利要求1所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的金属泡沫层（3）内的孔隙率在0.85～0.95之间，孔密度在5～100 PPI之间。
6.如权利要求1或4或5所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的金属泡沫层（3）在换热管（2）内的径向截面为半环形，金属泡沫层（3）的厚度为换热管（2）内直径的0.1～0.4倍。
7.如权利要求1或4或5所述的一种塔式光热的吸热管，其特征在于：所述的金属泡沫层（3）在换热管（2）内的径向截面为环形，金属泡沫层（3）的厚度为换热管（2）内直径的0.1～0.4倍。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种塔式光热的吸热管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：制备金属泡沫层（3）；
步骤二：在换热管（2）外表面喷附一层吸热涂层（1）；
步骤三：将步骤一制备好的金属泡沫层（3）装配在换热管（2）内表面。
9.如权利要求8所述的一种塔式光热的吸热管的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中金属泡沫层（3）的制备方法是：由液态铜金属电镀沉积在有机泡沫体外，通过400°C以上高温挥发、200°C以下冷却形成的开孔固体铜泡沫或在固态纳米镍基不锈钢粉末中按照4%的体积比掺杂金属型碳纳米管，挂浆在有机泡沫体内，在真空氢气炉中加热至400～450°C高温挥发有机泡沫，加热至1100～1200°C烧结成形，200°C以下低温冷却形成长方体固体镍基不锈钢开孔泡沫，再通过外部线切割、内部限位深孔开钻制备为环形或内外线切割制备为半环形。
10.如权利要求8所述的一种塔式光热的吸热管的制备方法，其特征在于：所述的金属泡沫层（3）与换热管（2）是通过800°C以上高温真空钎焊而连成一体；焊剂采用耐温达1000°C以上的镍基钎料，金属泡沫层（3）与换热管（2）间的镍基钎料厚度低于40μm。
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