专利名称：同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能蒸汽发生装置，尤其涉及一种同轴套管式汽液分流两相热
虹吸管太阳能蒸汽发生装置。
背景技术：
国外利用太阳能产生中高温蒸汽大多是使用直接蒸汽发生(DSG， directosteam generation)技术，该技术是太阳能聚光器的接收器内产生的高温高压的蒸汽被直接利用 来发电，系统中依靠一个泵实现对接收器内工质的补充以及系统工质的循环。但是该系统 存在以下问题(1)由于蒸发段从入口到出口管内工质的温度相差很大，使蒸发管发生扭曲 变形，这对系统长时间可靠运行是一个严峻的考验；(2)同时管道内结垢也是一个非常难 以解决的问题；(3)系统循环必须要有一个泵来驱动，由于工质温度较高，对泵的要求也非 常高；(4)系统中采用的直通式集热管由于工艺所限，价格高昂；(5)为了防止产生的蒸汽 的温度过高而不能满足要求，还得使用反馈装置和控制装置，这样的系统结构非常复杂。综 上所述，该技术的成本居高不下，成了太阳能中高温技术推广的重要障碍。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种太阳能利用效率高、不易结 垢、简单可以长期高效运行、便于推广的同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发 生装置。 同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置包括水桶、冷凝器、控制
阀、塔架、水泵、单向阀、锅筒、第一法兰、四杆机构、金属软管、玻璃聚光镜、蒸发器、集热管
支撑杆、集热管固定架、四杆机构固定支架、镜面固定支架、自动跟踪及液压驱动系统、转
轴，塔架上端设有锅筒，锅筒通过第一法兰和金属软管与蒸发器相连接，锅筒通过单向阀，
经控制阀与冷凝器相连接，水桶内设有冷凝器，水泵与锅筒相连接，在蒸发器相对应处设有
太阳能聚光器，太阳能聚光器包括自动跟踪及液压驱动系统、转轴、镜面固定支架、玻璃聚
光镜、集热管支撑杆，转轴与镜面固定支架相连接，自动跟踪及液压驱动装置通过转轴驱动
镜面固定支架绕转轴转动，镜面固定支架上贴有玻璃聚光镜聚焦太阳光到蒸发器，蒸发器
通过集热管支撑杆和集热管固定架与镜面固定支架相连接固定在玻璃聚光镜上方；所述的
蒸发器包括两个第一法兰、十二对第二法兰、蒸汽总管、回水总管、六集热管，六集热管一端
通过六对第二法兰、蒸汽总管、第一法兰和金属软管与锅筒内的金属盘管的一端相连接，六
集热管的另一端通过另六对第二法兰、回水总管、另第一法兰和金属盘管与锅筒内的金属
盘管的另一端相连接，其中蒸汽总管、回水总管和集热管轴心的连线夹角为30度。 所述的四杆机构包括金属软管、铰链、金属软管固定件、第一连杆、第二连杆，第一
连杆一端通过铰链与四杆机构固定支架相连接，另一端通过铰链与第二连杆的一端连接，
第二连杆的另一端通过铰链与镜面固定支架连接，金属软管通过金属软管固定件固定在第
一连杆和第二连杆上。[0006] 所述的集热管包括两第二法兰、绝热密封件、套管内管、带吸热涂层的套管外管、 真空玻璃管、蒸汽出口管，套管内管的一端与第二法兰相连接，套管内管的另一端与带吸热 涂层的套管外管相通，带吸热涂层的套管外管套在套管内管的外面，带吸热涂层的套管外 管与套管内管接触的一端与蒸汽出口管的一端相连接，蒸汽出口管的另一端与另一第二法 兰连接，真空玻璃管套在带吸热涂层的套管外管外面，真空玻璃管开口端塞有绝热密封件。 本实用新型把同轴套管集热管、汽液分流两相热虹吸管与抛物槽聚焦集热器结合 起来，利用同轴套管集热管吸收抛物槽式聚焦集热器收集的太阳能，并利用传热性能优良 的汽液分流两相热虹吸管把抛物槽聚焦集热器收集到的太阳能传递给锅筒内的水，产生中 高温蒸汽。接收器内产生的蒸汽并不直接用于工业用途，而是在一个回路型重力热管里循 环运动，蒸汽在冷凝段与锅筒内的水换热，将其加热成中高温蒸汽，这部分的蒸汽才用于工 业用途。由于汽液分流两相热虹吸管自然循环，无需外界动力，没有运转部件，极少维修。同 时，热管内壁不会产生水垢，冷凝器设在循环水箱内，外部循环水也只会使热管外壁结垢， 易于清除，就保证了装置可以长期高效运行，整个系统简单可靠，加上它的蒸发器和冷凝器 可以远离，同时同轴套管集热管与传统的U型集热管相比具有有效流动截面大，流动阻力 小的特性，这就使得系统能够更加顺利的运行，另外与国际常用的直通集热管相比具有结 构和工艺简单、成本较低的特点，这就为太阳能装置大型化产业化提供了可能。
图1是同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置结构示意图； 图2是本实用新型的四杆机构管路系统结构示意图； 图3(a)是本实用新型的锅筒结构主视图； 图3(b)是本实用新型的锅筒结构左视图； 图3(C)是本实用新型的锅筒结构俯视图； 图4是本实用新型的同轴套管式汽液分流两相热虹吸管的蒸发段管路结构示意 图； 图5是本实用新型的同轴套管式汽液分流两相热虹吸管的蒸发段管路结构左视 图； 图6(a)是本实用新型的同轴套管式集热管的结构主视图； 图6(b)是本实用新型的同轴套管式集热管的结构左视图； 图中水桶1、冷凝器2、控制阀3、塔架4、水泵5、单向阀6、锅筒7、第一法兰8、四 杆机构9、金属软管10、玻璃聚光镜11、蒸发器12、集热管支撑杆13、集热管固定架14、四杆 机构固定支架15、镜面固定支架16、自动跟踪及液压驱动系统17、转轴18、铰链19、金属软 管固定件20、第一连杆21、第二连杆22、排污阀23、压力变送器24、电磁阀25、流量计26、安 全阀27、气液分离器28、金属盘管29、液位计30、锅筒支架31、第二法兰32、蒸汽总管33、回 水总管34、集热管35、连接板36、调节固定螺栓37、绝热密封件38、套管内管39、带吸热涂 层的套管外管40、真空玻璃管41。
具体实施方式如图1所示，同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置包括水桶1、冷凝器2、控制阀3、塔架4、水泵5、单向阀6、锅筒7、第一法兰8、四杆机构9、金属软管10、 玻璃聚光镜11、蒸发器12、集热管支撑杆13、集热管固定架14、四杆机构固定支架15、镜面 固定支架16、自动跟踪及液压驱动系统17、转轴18，塔架4上端设有锅筒7，锅筒7通过第 一法兰8和金属软管10与蒸发器12相连接，锅筒7通过单向阀6，经控制阀3与冷凝器2 相连接，水桶1内设有冷凝器2，水泵5与锅筒7相连接，在蒸发器12相对应处设有太阳能 聚光器。太阳能聚光器包括自动跟踪及液压驱动系统17、转轴18、镜面固定支架16、玻璃 聚光镜11、集热管支撑杆13，转轴18与镜面固定支架16相连接，自动跟踪及液压驱动装置 17通过转轴18驱动镜面固定支架16绕转轴18转动，镜面固定支架16上贴有玻璃聚光镜 11聚焦太阳光到蒸发器12，蒸发器12通过集热管支撑杆13和集热管固定架14与镜面固 定支架16相连接固定在玻璃聚光镜11上方。 如图2所示，四杆机构包括金属软管10、铰链19、金属软管固定件20、第一连杆 21、第二连杆22，第一连杆21 —端通过铰链19与四杆机构固定支架15相连接，另一端通过 铰链19与第二连杆22的一端连接，第二连杆22的另一端通过铰链19与镜面固定支架16 连接，金属软管10通过金属软管固定件20固定在第一连杆21和第二连杆22上。 如图3所示，锅筒包括第一法兰8、排污阀23、压力变送器24、电磁阀25、流量计 26、安全阀27、气液分离器28、金属盘管29、液位计30、锅筒支架31。 如图4所示，蒸发器包括两个第一法兰8、十二对第二法兰32、蒸汽总管33、回水总 管34、六集热管35，六集热管35 —端通过六对第二法兰32、蒸汽总管33、第一法兰8和金 属软管10与锅筒7内的金属盘管29的一端相连接，六集热管35的另一端通过另六对第二 法兰32、回水总管34、另第一法兰8和金属盘管29与锅筒7内的金属盘管29的另一端相 连接，其中蒸汽总管33、回水总管34和集热管35轴心的连线夹角为30度。 如图5所示，集热管包括两第二法兰32、绝热密封件38、套管内管39、带吸热涂层 的套管外管40、真空玻璃管41、蒸汽出口管42，套管内管39的一端与第二法兰32相连接， 套管内管39的另一端与带吸热涂层的套管外管40相通，带吸热涂层的套管外管40套在套 管内管39的外面，带吸热涂层的套管外管40与套管内管39接触的一端与蒸汽出口管42 的一端相连接，蒸汽出口管42的另一端与另一第二法兰32连接，真空玻璃管41套在带吸 热涂层的套管外管40外面，真空玻璃管41开口端塞有绝热密封件38。 本实用新型的工作过程如下 该系统的目的是使用同轴套管集热管作为吸热元件，并使用汽液分流两相热虹吸 管作为传热元件，利用其优良的传热特性，将从集热器收集到的太阳辐射能传递给锅筒内 的水，将其加热成18(TC左右的蒸汽，并且整个系统的太阳能利用效率能够达到40%以上。 整个系统包括太阳能聚光器、汽液分流两相热虹吸管、锅筒、支架。太阳能聚光器 通常由反射器、同轴套管式集热管以及跟踪系统组成。汽液分流两相热虹吸管的冷凝段和 蒸发段必须有一定的高度差。汽液分流两相热虹吸管利用集热管作为蒸发段。汽液分流两 相热虹吸管的冷凝段设计为盘旋而下的螺旋状的盘管放入锅筒中。 本实用新型同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生系统的汽液分流 两相热虹吸管为热管的一种，热管有个共同的特点，那就是通过很小的面积就可以传递大 量的热。本实用新型采用汽液分流两相热虹吸管作为集热器集热和传热元件，利用工质的 蒸发段和冷凝段来传递热量。把蒸发段放在热源如太阳下吸收热量，液相工作液体吸收汽化潜热而蒸发，另一端是冷凝段由冷源进行冷却，如水箱中的水，工作液体放出汽化潜热。 冷凝液依靠自身的重力返回到蒸发段，不需要外加动力而工质自行循环。汽液分流两相热 虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液依靠
自身重力作用返回到蒸发段。热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的，其具有很 好的等温性，轴向温降很小；具有热二极管的性能，只允许热流向一个方向流动，而不允许
向相反的方向流动。同时，在汽液分流两相热虹吸管的蒸发段使用同轴套管式集热管，该集 热管同传统的U型集热管相比具有工质有效流动截面积大，流动阻力小的特点，这样就使 得管路的阻力减少，便于系统顺利运行，与直通管式集热管相比，同轴套管式集热管具有结 构和加工工艺简单，成本低的特点，便于大面积推广。 本实用新型同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生系统主要包括两 个部分，一个是集热器，另一个是汽液分流两相热虹吸管(包括锅筒)。所以传热过程也主 要包括两个过程集热器的传热过程和汽液分流两相热虹吸管的传热过程。 蒸发器5(由同轴套管集热管、真空玻璃管和连接管路组成)吸收太阳能聚光器收 集到的太阳能，同时以辐射和对流的方式向外界散失热量。接收器吸收到热量并通过汽液 分流两相热虹吸管传递给锅筒3内的水，在这个过程中，有一部分热量在热管管路中被散 失到环境中，还有一部分热量通过锅筒向外损失掉了。最后锅筒内的水得到的热量即为系 统热量的净收益，这部分热量除以投射到太阳能聚光器上的总的太阳能就是系统的效率。
接收器的传热过程如下 同轴套管集热管外管外壁涂层接收太阳光辐射转变为热能，一部分通过辐射和对 流换热的方式传递到玻璃管的内壁，再通过热传导到玻璃管外壁，最后以对流换热和辐射 换热的形式散失到环境中。 热管蒸发段吸收的热量通过汽液分流两相热虹吸管内的工质传递给热管的冷凝 段——盘管，盘管再将热量传递给锅筒内的水，将其加热成饱和蒸汽。
汽液分流两相热虹吸管的传热过程如下 同轴套管集热管外管外壁涂层接收太阳光辐射转变为热能，一部分以辐射换热和 对流换热的形式散失到外界环境，另一部分通过热传导到套管外管内壁，传到管内壁的这 部分热量通过沸腾换热传给蒸发段的工质，蒸发段的工质通过流动传热将热量传递到绝热 段工质，绝热段工质的热量的一部分通过导热和对流散失到周围环境中，余下的那部分热 量通过流动传热传递到冷凝段的工质，再通过凝结换热传递到盘管内壁，传递到盘管内壁 的热量通过热传导传递到盘管外壁，再经过沸腾换热传递到锅筒内的工质，锅筒内工质上 所得的热量有一部分经导热和对流换热散失到了环境中。
权利要求一种同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置，其特征在于包括水桶(1)、冷凝器(2)、控制阀(3)、塔架(4)、水泵(5)、单向阀(6)、锅筒(7)、第一法兰(8)、四杆机构(9)、金属软管(10)、玻璃聚光镜(11)、蒸发器(12)、集热管支撑杆(13)、集热管固定架(14)、四杆机构固定支架(15)、镜面固定支架(16)、自动跟踪及液压驱动系统(17)、转轴(18)，塔架(4)上端设有锅筒(7)，锅筒(7)通过第一法兰(8)和金属软管(10)与蒸发器(12)相连接，锅筒(7)通过单向阀(6)，经控制阀(3)与冷凝器(2)相连接，水桶(1)内设有冷凝器(2)，水泵(5)与锅筒(7)相连接，在蒸发器(12)相对应处设有太阳能聚光器，太阳能聚光器包括自动跟踪及液压驱动系统(17)、转轴(18)、镜面固定支架(16)、玻璃聚光镜(11)、集热管支撑杆(13)，转轴(18)与镜面固定支架(16)相连接，自动跟踪及液压驱动装置(17)通过转轴(18)驱动镜面固定支架(16)绕转轴(18)转动，镜面固定支架(16)上贴有玻璃聚光镜(11)聚焦太阳光到蒸发器(12)，蒸发器(12)通过集热管支撑杆(13)和集热管固定架(14)与镜面固定支架(16)相连接固定在玻璃聚光镜(11)上方；所述的蒸发器(12)包括两个第一法兰(8)、十二对第二法兰(32)、蒸汽总管(33)、回水总管(34)、六集热管(35)，六集热管(35)一端通过六对第二法兰(32)、蒸汽总管(33)、第一法兰(8)和金属软管(10)与锅筒(7)内的金属盘管(29)的一端相连接，六集热管(35)的另一端通过另六对第二法兰(32)、回水总管(34)、另第一法兰(8)和金属盘管(29)与锅筒(7)内的金属盘管(29)的另一端相连接，其中蒸汽总管(33)、回水总管(34)和集热管(35)轴心的连线夹角为30度。
2. 根据权利要求1所述一种同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置， 其特征在于所述的四杆机构(9)包括金属软管(10)、铰链(19)、金属软管固定件(20)、第一 连杆(21)、第二连杆(22)，第一连杆(21) —端通过铰链(19)与四杆机构固定支架(15)相 连接，另一端通过铰链(19)与第二连杆(22)的一端连接，第二连杆(22)的另一端通过铰 链(19)与镜面固定支架(16)连接，金属软管(10)通过金属软管固定件(20)固定在第一 连杆(21)和第二连杆(22)上。
3. 根据权利要求1所述的一种同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装 置，其特征在于所述的集热管(35)包括两第二法兰(32)、绝热密封件(38)、套管内管(39)、 带吸热涂层的套管外管(40)、真空玻璃管(41)、蒸汽出口管(42)，套管内管(39)的一端与 第二法兰(32)相连接，套管内管(39)的另一端与带吸热涂层的套管外管(40)相通，带吸 热涂层的套管外管(40)套在套管内管(39)的外面，带吸热涂层的套管外管(40)与套管内 管(39)接触的一端与蒸汽出口管(42)的一端相连接，蒸汽出口管(42)的另一端与另一 第二法兰(32)连接，真空玻璃管(41)套在带吸热涂层的套管外管(40)外面，真空玻璃管 (41)开口端塞有绝热密封件(38)。
专利摘要本实用新型公开了一种同轴套管式汽液分流两相热虹吸管太阳能蒸汽发生装置。包括塔架、水泵、锅筒、四杆机构、金属软管、玻璃聚光镜、蒸发器、自动跟踪及液压驱动系统等，塔架上端设有锅筒，锅筒通过第一法兰和金属软管与蒸发器相连接构成汽液分流两相热虹吸管，在蒸发器对应处设有太阳能聚光器，太阳能聚光器由自动跟踪以及液压装置系统驱动跟踪太阳。本实用新型利用太阳能聚光器将太阳光聚焦到汽液分流两相热虹吸管的蒸发段高效吸收产生热量，并利用汽液分流两相热虹吸管高效传热的特性将热量传递到锅筒内与锅筒内的水换热，产生中高温饱和蒸汽，系统效率高、不易结垢、简单并且可以长期高效运行，由于采用同轴套管式集热管，降低了系统成本，便于推广。
文档编号F24J2/54GK201462769SQ20092012171
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者俞自涛, 倪煜, 夏巧明, 樊建人, 洪荣华, 王武军, 胡亚才, 茹毅 申请人:浙江大学