流体换位混合插件单元和流体换位混合插件及吸热管

本发明涉及太阳能强化传热技术领域。具体地说是一种用于强化传热的流体换位混合插件单元和流体换位混合插件及吸热管。

背景技术：

太阳能作为一种可再生能源，它的开发和利用对于节约常规能源、保护自然环境、缓解气候变化等方面都有着非常重要的意义。在太阳能的高热利用领域，聚光技术有着广泛的应用，因为它可以将太阳光线汇聚到一个较小的范围，有效提升太阳辐射的能流密度。目前，常见的聚光技术包括抛物槽式集热器、线性菲尼尔集热器、碟式和塔式集热器。其中，抛物槽式集热器因其技术成熟度高、性能稳定等特点，得到了最为广泛地应用。

抛物槽式集热器主要由反射镜面、真空集热管和支架组成。真空集热管作为接收器是集热器的核心部件，它的性能和状态对整个抛物槽式集热系统有着重大影响。传统的真空集热管主要由不锈钢吸热管与玻璃套管组成。不锈钢吸热管外壁面镀有选择性涂层，该涂层可提高真空集热管对太阳光谱的吸收率、减少发射率。玻璃套管与吸热管之间的环形区域是抽真空的，用来减少不锈钢吸热管的对流散热。金属内管与玻璃外管封接处，使用波纹管连接，用以匹配不同种材料间的热膨胀。

然而，由抛物槽式集热器的光学特性所致，光线经槽式镜面反射后，只能聚焦到接收器下表面(靠近镜面的一侧)，而远离镜面一侧的接收器上表面只能接受到未经聚集的光线。这导致工质流通管壁面周向温度分布不均匀，产生较大的热应力。这种局部高温还会对金属管外壁面的选择性涂层造成破坏，缩短接收器的使用寿命。另外，在金属管的周向温差较高的情况下，接收器的玻璃外管甚至会破裂。已有关于接收器热性能的研究表明，金属管壁面的温度越高，接收器的热损失就越大。

为了解决上述问题，在强化传热领域，人们通过增强管内工质的湍流程度来加大工质的对流换热系数，从而减小金属管壁面周向温度的差值、降低接收器的高温热损失。目前，多种几何形状的插件被安装到了工质流通管内部，如纽带、波纹带、环形插件以及星形插件等。这些插件对工质流通管全局进行了强化传热，然而工质流通管上表面能流密度较低，且上表面的强化传热对提升整体热效率的意义不大，同时它还不可避免的增加了管内工质流动的阻力。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于强化传热的流体换位混合插件单元和流体换位混合插件及吸热管，在充分考虑集热管内工质的传热及流动特性的基础上，解决金属管壁面周向温度分布不均、接收器高温热损失较大等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

流体换位混合插件单元，包括第一流体换位曲面板和第二流体换位曲面板，所述第一流体换位曲面板与所述第二流体换位曲面板固定安装在一起且二者镜像对称；所述第二流体换位曲面板和所述第一流体换位曲面板均具有两个流体导向换位板面，其中一个所述流体导向换位板面为下层流体上导向面、另一个所述流体导向换位板面为上层流体下导向面。

上述流体换位混合插件单元，所述第一流体换位曲面板具有一个分水导向板、一个聚水导向板和一个连接过渡板，所述第一流体换位曲面板和所述第二流体换位曲面板通过所述连接过渡板固定连接在一起，所述分水导向板与所述连接过渡板之间形成不对称u形豁口，所述分水导向板为长条形，所述聚水导向板具有一个远离所述分水导向板和所述连接过渡板的纵向边，所述分水导向板具有一个远离所述聚水导向板和所述连接过渡板的横向边，自所述横向边至所述纵向边：所述分水导向板的板面和所述聚水导向板的板面均逐渐扭转且二者之间平滑过渡，自所述连接过渡板至所述纵向边：所述连接过渡板的板面与所述聚水导向板的板面形成连续弧形面；从所述纵向边至所述横向边的方向上看：所述聚水导向板的板面和所述分水导向板的板面均逆时针扭转；所述第一流体换位曲面板与所述第二流体换位曲面板相对的板面为所述上层流体下导向面，所述第一流体换位曲面板与所述第二流体换位曲面板相背的板面为所述下层流体上导向面。

上述流体换位混合插件单元，所述分水导向板、所述聚水导向板和所述连接过渡板一体成型。

上述流体换位混合插件单元，所述第一流体换位曲面板的所述连接过渡板与所述第二流体换位曲面板的所述连接过渡板之间的夹角α为60-70°。

用于强化传热的新型流体换位混合插件，包括作为分水结构的第一流体换位混合插件单元和作为聚水结构的第二流体换位混合插件单元，所述第一流体换位混合插件单元和所述第二流体换位混合插件单元为上述流体换位混合插件单元；所述第二流体换位混合插件单元相对所述第一流体换位混合插件单元转动180°且二者之间通过所述纵向边固定连接在一起；所述第一流体换位混合插件单元与所述第二流体换位混合插件单元连接处表面的曲率相同；所述第一流体换位混合插件单元的中心处和所述第二流体换位混合插件单元的中心处均有一个半圆形开孔；所述第一流体换位混合插件单元与所述第二流体换位混合插件单元连接在一起时，二者围成的中心处形成一个圆形开孔。

上述用于强化传热的新型流体换位混合插件，所述第一流体换位曲面板和所述第二流体换位曲面板的所述分水导向板与所述聚水导向板之间的扭曲角度均为90°；所述第一流体换位曲面板和所述第二流体换位曲面板连接处外侧的扭转边线在同一圆上；所述外侧的扭转边线形成的圆与所述第一流体换位混合插件单元中心处的半圆形开孔形成的圆为同心圆。

上述用于强化传热的新型流体换位混合插件，所述第一流体换位混合插件单元的迎水侧是所述下层流体上导向面；所述第二流体换位混合插件单元的迎水侧是所述上层流体下导向面。

吸热管，包括工质流通管和上述新型流体换位混合插件；所述第一流体换位混合插件单元外侧的扭转边线与所述第二流体换位混合插件单元外侧的扭转边线均采用点焊的方式固定安装在所述工质流通管的内表面上；所述第一流体换位曲面板的所述分水导向板和所述第二流体换位曲面板的所述分水导向板将所述工质流通管内部分为上下两个半圆环。

上述吸热管，所述新型流体换位混合插件将所述工质流通管分成第一外侧流道、第二外侧流道和内侧流道；所述第一外侧流道和所述第二外侧流道均由所述第一流体换位混合插件单元的迎水面、所述第二流体换位混合插件单元的背水面以及所述工质流通管的内壁面构成；所述内侧流道由所述第一流体换位混合插件单元的背水面与所述第二流体换位混合插件单元的迎水面构成。

上述吸热管，所述新型流体换位混合插件在所述工质流通管内相间安装，相邻的两个所述新型流体换位混合插件的安装方式相同或相间的两个所述新型流体换位混合插件的安装方式相同；所述工质流通管外面套有玻璃套管，所述工质流通管与所述玻璃套管之间形成环形真空区域。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)本发明设计的新型流体换位混合插件以点焊的方式安装到抛物槽式集热器接收器的内部时，可使工质流通管内部上层低温流体与下层高温流体的流动位置发生互换。由于导热流体与热壁面温差增大，对流传热系数也随之增加，流体可以更快地带走工质流通管壁面的热量，使得工质流通管壁面周向温度分布的均匀性提高。随着管内工质的流动，冷热流体会发生混合、使管内工质的温度分布趋向均匀，从而有效降低接收器的高温热损失。

(2)本发明充分考虑了集热管内工质的传热及流动特性，充分发挥第一流体换位混合插件单元和第二流体换位混合插件单元二者分水导向板的导流作用，并通过在新型流体换位混合插件中间设置圆形开孔，来降低吸热管内工质的流动阻力。该圆形开孔在不影响上下流体换位的前提下，可将管内工质流经插件前后的压强控制在一个较小的变化范围内，从而有效避免了流体换位混合过程中管内工质流动阻力的增加。

(3)传热工质流经作为分水结构的第一流体换位混合插件单元时，下层高温工质会被均匀分为两部分。这两部分高温工质被第一流体换位混合插件单元的分水导向板导入两边的外侧流道内，第二流体换位混合插件单元的分水导向板则将两边外侧流道内的高温工质抬高，使高温工质由下层流动变为上层流动。与此同时，传热工质中的上层低温工质主要通过作为聚水结构的第二流体换位混合插件单元的迎水面汇聚到内侧流道中，经过第二流体换位混合插件单元的分水导向板将内侧流道中的低温工质压低，使得低温工质由上层流动变为下层流动。这使得工质流通管的高温下表面与低温工质直接接触，增加了对流换热中固体壁面与流体表面间的温度差值，从而起到强化传热的目的。

(4)为减少工质流通管与周围环境之间的对流热损失，玻璃套管与工质流通管之间的环形区域抽真空。在真实的槽式聚光镜厂中，真空集热管的串联长度可超过30m。因此，本发明采用每隔一段距离安装一个新型流体换位混合插件的方法，以强化长距离真空集热管的传热性能。两个新型流体换位混合插件相隔的距离根据壁面能流密度和工质流速来确定，壁面能流密度和工质流速较大时，可以适当减小新型流体换位混合插件之间的距离，反之则可以适当增大两个新型流体换位混合插件之间的距离。

(5)多个新型流体换位混合插件的安装有多种方案。多个新型流体换位混合插件以点焊的形式安装在工质流通管内部。分水结构均安装在工质流通管高温内表面上，聚水结构均安装在工质流通管低温内表面上，即分水结构主要作用于下层工质，聚水结构主要作用于上层工质；当然，在同一条工质流通管内部也可以既存在分水结构均安装在工质流通管高温内表面上，聚水结构均安装在工质流通管低温内表面上的新型流体换位混合插件，同时也存在分水结构均安装在工质流通管低温内表面上，聚水结构均安装在工质流通管高温内表面上的新型流体换位混合插件。也就是说，分水结构与聚水结构均既可以作用于上层工质，也可以作用于下层工质。

附图说明

图1本发明中流体换位混合插件单元结构示意图；

图2本发明中流体换位混合插件单元俯视图；

图3本发明中流体换位混合插件单元侧视图；

图4本发明中流体换位混合插件单元横向剖面图；

图5本发明中新型流体换位混合插件结构示意图；

图6本发明中新型流体换位混合插件俯视图；

图7本发明中新型流体换位混合插件正视图；

图8本发明中新型流体换位混合插件右视图；

图9本发明中吸热管结构示意图；

图10本发明中吸热管结构侧视图；

图11本发明中吸热管结构左视图；

图12本发明中吸热管结构右视图；

图13本发明中安装流体换位混合插件后吸热管内流道示意图；

图14本发明中安装流体换位混合插件后吸热管内流道示意图；

图15本发明实施例1中多个新型流体换位混合插件的安装方案示意图；

图16本发明实施例2中多个新型流体换位混合插件的安装方案示意图；

图17本发明实施3和对比例1中不同流速下工质流通管的传热系数；

图18本发明实施3和对比例1中不同流速下工质流通管内壁面的努塞尔数。

图中附图标记表示为：1-第一流体换位混合插件单元；2-第二流体换位混合插件单元；3-第一流体换位曲面板；4-第二流体换位曲面板；5-工质流通管；6-第一外侧流道；7-第二外侧流道；8-内侧流道；9-玻璃套管；10-下层流体上导向面；11-上层流体下导向面；12-分水导向板；13-聚水导向板；14-连接过渡板；15-不对称u形豁口；16-纵向边；17-横向边。

具体实施方式

实施例1

如图1-3所示，流体换位混合插件单元，包括第一流体换位曲面板3和第二流体换位曲面板4，所述第一流体换位曲面板3与所述第二流体换位曲面板4固定安装在一起且二者镜像对称；所述第二流体换位曲面板4和所述第一流体换位曲面板3均具有两个流体导向换位板面，其中一个所述流体导向换位板面为下层流体上导向面10、另一个所述流体导向换位板面为上层流体下导向面11。图4为本实施例中流体换位混合插件单元横向剖面图。第一流体换位曲面板3具有一个分水导向板12、一个聚水导向板13和一个连接过渡板14，所述第一流体换位曲面板3和所述第二流体换位曲面板4通过所述连接过渡板14固定连接在一起，所述分水导向板12与所述连接过渡板14之间形成不对称u形豁口15，所述分水导向板12为长条形，所述聚水导向板13具有一个远离所述分水导向板12和所述连接过渡板14的纵向边16，所述分水导向板12具有一个远离所述聚水导向板13和所述连接过渡板14的横向边17，自所述横向边17至所述纵向边16：所述分水导向板12的板面和所述聚水导向板13的板面均逐渐扭转且二者之间平滑过渡，自所述连接过渡板14至所述纵向边16：所述连接过渡板14的板面与所述聚水导向板13的板面形成连续弧形面；从所述纵向边16至所述横向边17的方向上看：所述聚水导向板13的板面和所述分水导向板12的板面均逆时针扭转；所述第一流体换位曲面板3与所述第二流体换位曲面板4相对的板面为所述上层流体下导向面11，所述第一流体换位曲面板3与所述第二流体换位曲面板4相背的板面为所述下层流体上导向面10；所述分水导向板12、所述聚水导向板13和所述连接过渡板14一体成型。

如图5为本实施例中新型流体换位混合插件结构示意图，从图6-8中可以看出，所述第一流体换位混合插件单元1与第二流体换位混合插件单元2连接处表面的曲率相同；所述第一流体换位混合插件单元1和第二流体换位混合插件单元2的中心处有一个半圆形开孔；所述第一流体换位混合插件单元1与第二流体换位混合插件单元2连接在一起时，中心形成一个完整的圆形开孔。所述第一流体换位混合插件单元1由对称分布的第一流体换位曲面板3与第二流体换位曲面板4构成；所述第一流体换位曲面板3和第二流体换位曲面板4的分水导向板12与所述聚水导向板13之间的扭曲角度均为90°；所述第一流体换位曲面板3的所述连接过渡板14与所述第二流体换位曲面板4的所述连接过渡板14之间的夹角α为66°；所述外侧的扭转边线形成的圆与第一流体换位混合插件单元1中心处的半圆形开孔同心。所第一流体换位混合插件单元1的迎水侧是所述下层流体上导向面10；所述第二流体换位混合插件单元2的迎水侧是所述上层流体下导向面11。

图9为本发明中吸热管结构示意图。所述第一流体换位曲面板3与第二流体换位曲面板4的细长前端将工质流通管5内部分为上下两个半圆环；从图10-12可知，所述新型流体换位混合插件将工质流通管5分成第一外侧流道6、第二外侧流道7、内侧流道8；所述第一外侧流道6和第二外侧流道7是由第一流体换位混合插件单元1的迎水面、第二流体换位混合插件单元2的背水面以及工质流通管5的内壁面构成；所述内侧流道8是第一流体换位混合插件单元1的背水面与第二流体换位混合插件单元2的迎水面构成的。

如图15所示，选取10米长的真空集热管，该真空集热管由工质流通管5与玻璃套管9组成，玻璃套管9与工质流通管5之间的环形区域抽真空。在工质流通管5的内部以点焊的方式安装4个新型流体换位混合插件。每2个新型流体换位混合插件相隔2米(l＝2m)，4个新型流体换位混合插件的分水结构第一流体换位混合插件单元1均安装在工质流通管5的高温内表面上，聚水结构第二流体换位混合插件单元2均安装在工质流通管5的低温内表面上。

从图13-14可看出，当工质流通管道内的工质流经第一个新型流体换位混合插件时，下层高温工质会被均匀分为两部分。这两部分高温工质被第一流体换位混合插件单元1的分水导向板12导入第一外侧流道6与第二外侧流道7内，第二流体换位混合插件单元2的分水导向板12将第一外侧流道6与第二外侧流道7内的高温工质抬高，使高温工质由下层流动变为上层流动。与此同时，传热工质中的上层低温工质通过第二流体换位混合插件单元2的迎水面汇聚到内侧流道8中，经过第二流体换位混合插件单元2的分水导向板12将内侧流道8中的低温工质压低，使得低温工质由上层流动变为下层流动，这就会使得工质流通管5的高温下表面与低温工质直接接触，从而增加对流换热中固体壁面与流体表面间的温度差值，起到强化传热的目的。经第一个新型流体换位混合插件换位后的工质继续流动，遇到第二个、第三个以及第四个新型流体换位混合插件后，重复上述流体换位混合过程，即4个新型流体换位混合插件的第一流体换位混合插件单元1均只作用于下层工质，第二流体换位混合插件单元2均只作用于上层工质。

实施例2

选取与实施例1结构相同的流体换位混合插件单元8个，组装成4个新型流体换位混合插件，将其以点焊的方式安装到工质流通管5中。具体实施方式如图16所示，选取10米长的真空集热管，该真空集热管由工质流通管5与玻璃套管9组成，玻璃套管9与工质流通管5之间的环形区域抽真空。在工质流通管5的内部以点焊的方式安装4个新型流体换位混合插件。每2个新型流体换位混合插件相隔2米(l＝2m)，从左至右，第1和第3个新型流体换位混合插件的第一流体换位混合插件单元1均安装在工质流通管5的高温内表面上，第二流体换位混合插件单元2均安装在工质流通管5的低温内表面上；第2和第4个新型流体换位混合插件的第一流体换位混合插件单元1均安装在工质流通管5的低温内表面上，第二流体换位混合插件单元2均安装在工质流通管5的高温内表面上。

当工质流通管道内的工质流经第一个新型流体换位混合插件时，工质流通管道内的工质流动换位混合的过程与实施例1相同。经第一个新型流体换位混合插件换位后的工质继续流动，遇到第二个新型流体换位混合插件后，上层低温工质会被均匀分为两部分。这两部分低温工质被第一流体换位混合插件单元1的分水导向板12导入第一外侧流道6与第二外侧流道7内，第二流体换位混合插件单元2的分水导向板12将第一外侧流道6与第二外侧流道7内的低温工质压低，使低温工质由上层流动变为下层流动。与此同时，传热工质中的下层高温工质通过第二流体换位混合插件单元2的迎水面汇聚到内侧流道8中，经过第二流体换位混合插件单元2的分水导向板12将内侧流道8中的高温工质抬高，使得高温工质由下层流动变为上层流动，从而达到流体换位混合的目的。当工质继续在管道内流动遇到第3个和第4个新型流体换位混合插件时，则重复上述两种流动方式继续换位混合。

实施例3

选取2米长的真空集热管，在其工质流通管中以点焊的方式安装1个新型流体换位混合插件，新型流体换位混合插件的结构与实施例1相同，安装方式为：第一流体换位混合插件单元1安装在工质流通管5高温内表面上，第二流体换位混合插件单元2安装在工质流通管5的低温内表面上。工质流通管内工质流体换位混合过程与实施例1相同。采用ansys中的fluent模块对该有插件的真空集热管进行仿真模拟，计算不同流速情况下真空集热管的传热性能。

对比例1

选取2米长的真空集热管，不安装本发明所设计的新型流体换位混合插件，采用ansys中的fluent模块对该无插件真空集热管进行仿真模拟，计算不同流速情况下真空集热管的传热性能。

图17、图18分别为不同流速情况下，有插件与无插件时工质流通管的传热系数与努塞尔数。从图17-18中可以看出，有插件时工质流通管的传热系数和努塞尔数均明显高于无插件时的传热系数和努塞尔数。上述结果直接证明了本发明的新型流体换位混合插件可有效提升真空集热管的传热性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。