一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能腔式吸热器壁面热流密度均匀化利用领域，具体涉及一种太阳 能吸热器壁面热流密度均匀化装置及方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能吸热器作为塔式太阳能热发电系统中实现太阳辐射能转化为热能的核心 部件，其性能的好坏直接影响到整个发电系统的效率和经济性。由于换热面积大、热损失 小，腔式吸热器得到了广泛的应用。腔式吸热器通常只有一个开口，并且为单侧采光，所有 的定日镜都将太阳能聚焦到开口处，使开口平面上阳光能流密度呈现中心高四周低的高度 非均匀分布，并且极大地影响了吸热器内部吸热表面上热流密度和温度的分布，使其同样 呈现高度非均匀的分布特性，因温度梯度产生的管道热应力会严重影响吸热器运行的安全 可靠性。再加上太阳能吸热器非连续的工作性质，导致管道热应力频繁的加载和卸载，极易 产生机械疲劳应力，严重影响吸热管的使用寿命。同时腔式吸热器蒸发受热面出口工质状 态会随热流密度的变化而变化，有时为过热蒸汽，有时为汽-水混合物，有时是未饱和水，同 时热流分布不均匀还会引起吸热管排回流及停滞，造成节流孔板失效不能有效调节流量分 配进而导致管道过热烧蚀，这都使得吸热器工作极不稳定，对吸热器的安全运行提出严峻 挑战。文献《Effect of one-target focus type on hydrodynamic characteristics of tower solar cavity receiver.Adv Mech Eng,2014,2014:615942》中有公开上述内容。
[0003] 目前有两种方式来实现壁面热流密度均匀化，一种方式是通过改变吸热管内传热 工质的流动形式，例如在高热流密度区增大工质的流量，或者把沸腾管布置到高热流密度 区，通过较高的换热系数来降低壁温，使吸热表面温度分布得更加均匀；另一种方式是从定 日镜场的角度出发，通过调整聚焦策略，例如采用多点聚焦或模糊聚焦的方式等，来降低开 口平面上阳光能流密度分布的不均匀性，从而达到降低吸热表面热流密度分布不均匀性的 目的。由于热应力的产生机制可知，均匀化吸热器壁面热流密度均匀化分布是降低吸热管 热应力的的有效手段之一，文献《腔式太阳能吸热器的分析》中有公开上述内容(王富强、永 帅、谈和平，腔式太阳能吸热器的分析[J]，工程热物理学报，2011，32(5)，843-847)，上述方 法都是比较间接，没有从吸热器本身出发去解决热流密度非均匀分布问题，而且具有操作 比较复杂、维护费用高和维护周期长等缺点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，以解决现有 塔式太阳能吸热器壁面热流密度场的分布不均匀问题，以及吸热器吸热管道面在运行过程 中的热应力高，由于热应力而导致吸热管道面失效和破裂的问题，本发明可以在降低对流 热损失的情况下又能使得吸热器壁面热流密度均匀化，提高整个太阳能吸热器的光热转化 效率。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，包括吸热器，吸热器的壁面内侧设 有沸腾管，吸热器的太阳光进口处设有石英玻璃窗体，吸热器的内部填充有气溶胶，吸热器 的一侧设有气溶胶进口，另一侧设有气溶胶出口，吸热器的侧壁上还连接有用于保持吸热 器内部压力平衡的压力平衡单元。
[0007] 进一步地，气溶胶进口连接有气溶胶进料管道，气溶胶进料管道上设有进料阀，气 溶胶出口连接有气溶胶出料管道，气溶胶出料管道上设有出料阀；气溶胶出口和出料阀之 间设有用于收集气溶胶的收集Y型过滤器。
[0008] 进一步地，吸热器顶部的壁面内侧设有波纹管。
[0009] 进一步地，所述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器的侧壁上设有进气排 气口，压力平衡管道的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机，离心风机和进气 排气口之间依次设有安全阀、压力表以及用于防止气溶胶泄露的防漏Y型过滤器，安全阀和 压力表之间设有第一进气阀，离心风机和安全阀之间设有第二进气阀。
[0010] 进一步地，吸热器内部填充的气溶胶的颗粒数密度为1 X 107-1 X l〇16/m3,颗粒粒 径为0.08-50μπι。
[0011] -种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤一:在吸热器的太阳光进口处安装石英玻璃窗体；
[0013] 步骤二：向吸热器中填充气溶胶，通过气溶胶中的颗粒相吸收、辐射或散射太阳光 进口处的不均匀太阳能，然后均匀的辐射或反射给吸热器其它的壁面，进而实现壁面热流 密度均匀化。
[0014] 进一步地，吸热器的壁面内侧设有沸腾管，吸热器顶部的壁面内侧还设有波纹管， 吸热器的一侧设有气溶胶进口，另一侧设有气溶胶出口，吸热器的侧壁上还连接有用于保 持吸热器内部压力平衡的压力平衡单元，气溶胶进口连接有气溶胶进料管道，气溶胶进料 管道上设有进料阀，气溶胶出口连接有气溶胶出料管道，气溶胶出料管道上设有出料阀;气 溶胶出口和出料阀之间设有用于收集气溶胶的收集Υ型过滤器。
[0015] 进一步地，所述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器的侧壁上设有进气排 气口，压力平衡管道的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机，离心风机和进气 排气口之间依次设有安全阀、压力表以及用于防止气溶胶泄露的防漏Υ型过滤器，安全阀和 压力表之间设有第一进气阀，离心风机和安全阀之间设有第二进气阀。
[0016] 进一步地，吸热器内部填充的气溶胶的颗粒数密度为1 X 107-1 X 1016/m3,颗粒粒 径为0.08_50μπι，气溶胶中颗粒相为碳粒子。
[0017]进一步地，吸热器为正方体腔体，石英玻璃窗体的厚度为10mm。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0019] 本发明在吸热器的太阳光进口处设有石英玻璃窗体，吸热器的内部填充具有强烈 辐射、吸收和散射颗粒相的气溶胶，通过定日镜场投射到吸热器腔体内的光线在遇到颗粒 相气溶胶时会发生吸收、辐射和散射，颗粒吸收能量后又均匀的辐射到吸热器腔体壁面，仅 需要通过改变气溶胶颗粒粒径、浓度和气溶胶中颗粒相的浓度来调节壁面热流密度的分 布，即可使得壁面热流密度均匀化，腔式吸热器在运行过程中当侧向风速度为9m/s时对流 热损失最大可以达到15%，另外石英玻璃窗体有效的降低了与外界的对流热损失，有效提 高吸热器的光热转化效率，本发明具有结构简单、操作方便、投资及维护费用少等优点。
[0020]进一步地，在气溶胶出口设置收集Y型过滤器，可以有效回收气溶胶。
[0021 ]进一步地，在吸热器顶部的壁面内侧设有波纹管，通过波纹管控制吸热器内部压 力平衡。
[0022] 进一步地，通过设置安全阀、压力表以及用于防止气溶胶泄露的防漏Υ型过滤器， 在吸热器内部压力超过波纹管控制范围时，可以通过安全阀进行泄压，泄压时防漏Υ型过滤 器可以将气溶胶收集起来，防止气溶胶泄露。
[0023] 本发明方法在吸热器的太阳光进口处安装石英玻璃窗体，通过向吸热器中填充气 溶胶，通过气溶胶中的颗粒相吸收或散射太阳光进口处的不均匀太阳能，然后均匀的辐射 或反射给吸热器其它的壁面，进而实现壁面热流密度均匀化，采用蒙特卡洛法编程的二维 计算结果可以看出，在4mX4mX4m的正方体吸热器腔体内填充气溶胶，并对比含有气溶胶 和无介质参与辐射壁面温度分布以及不均匀度，得出含有气溶胶的腔体的左、右侧面温度 在同一位置处略高，正面中心处温度明显较低，远离中心处温度明显升高，左、右侧面温度 不均匀度大致相同，正面温度不均匀度明显下降，腔体内加入气溶胶对正面温度场的均匀 化具有明显的效果，可以达到降低太阳能吸热器吸热管道的热应力的目的，避免了由于热 应力而导致的管道面的失效或破裂事件发生。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明装置的整体结构示意图；
[0025] 图2为本发明的蒙特卡洛计算步骤流程总框图；
[0026] 图3为本发明的单个光束在介质系内辐射传递的蒙特卡洛模拟流程图；
[0027] 图4为本发明的蒙特卡洛计算二维模型简图；
[0028] 图5为本发明加热器开口处阳光热流密度分布图；
[0029]图6为采用本发明方法加入粒径为0.08μπι介质的正面壁面分布；
[0030]图7为采用本发明方法加入粒径为ΙΟμπι介质的正面壁面分布；
[0031]图8为采用本发明方法加入粒径为30μπι介质的正面壁面分布；
[0032]图9为采用本发明方法加入粒径为50μπι介质的正面壁面分布；
[0033]图10为吸热器为正方体的整体结构示意图。
[0034]其中，1、石英玻璃窗体;2、吸热器;3、气溶胶进口；4、气溶胶出口；5、波纹管;6、防 漏Υ型过滤器;7、压力表、8、第一进气阀;9、安全阀；10、第二进气阀；11、离心风机;12、收集Υ 型过滤器;13、出料阀；14、进料阀。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0036] 参见图1，一种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化装置，包括吸热器2,吸热器2的 太阳光进口处设有石英玻璃窗体1，吸热器2除了石英玻璃窗体1以外的壁面内侧均设有沸 腾管，吸热器2顶部的壁面内侧还设有波纹管5，吸热器2的内部填充具有强烈辐射、散射和 吸收特性颗粒相的气溶胶，吸热器2的一侧设有气溶胶进口 3，气溶胶进口 3连接有气溶胶进 料管道，气溶胶进料管道上设有进料阀14;另一侧设有气溶胶出口 4，气溶胶出口 4连接有气 溶胶出料管道，气溶胶出料管道上设有出料阀13,吸热器2的侧壁上还连接有用于保持吸热 器2内部压力平衡的压力平衡单元，所述的压力平衡单元包括压力平衡管道，吸热器2的侧 壁上设有进气排气口，压力平衡管道的一端连接在进气排气口上，另一端连接有离心风机 11，进气排气口和离心风机11之间依次设有用于防止气溶胶泄露的防漏Y型过滤器6、压力 表7、第一进气阀8、安全阀9以及第二进气阀10。
[0037] -种太阳能吸热器壁面热流密度均匀化方法，该方法的实施步骤包括:在直棱柱 形状的太阳能腔式吸热器的太阳光进口处安装具有透过率大于92%并且厚度为10mm的石 英玻璃，可以有效降低与外界的对流热损失，并且保证有良好的气密性，然后通过在吸热器 腔体内添加具有强烈辐射、吸收和散射颗粒相的气溶胶，气溶胶中碳颗粒数密度为1 X 1〇7-1 X 101%3，颗粒粒径为0.08-50μπι，要求颗粒相的散射特征为非相干散射，通过颗粒相来吸 收、辐射或散射来自于镜场的太阳能，进而实现壁面热流密度均匀化。
[0038] 下面对本发明的工作过程做详细描述：
[0039] 本发明在使用时，通过气溶胶进口