射流和对流换热相结合的吸热装置
技术领域
本实用新型属于可再生能源合理利用的领域，特别涉及一种适用于回收太阳能的射流和对流换热相结合的吸热装置。
背景技术
随着当今社会的发展，电能的需求也在急速增长。太阳能因其绿色环保、分布广泛和可持续利用的特点成为极具竞争力的一种可再生能源。由于太阳能分布范围广、绿色无污染等优点，太阳能热发电和太阳能热利用技术被越来越多地运用到生活和生产过程中。
吸热器是太阳能热利用系统的核心部件，通过换热介质实现热量的吸收与传递。碟式气体吸热器中，太阳辐射反射面布置成碟(盘)形，聚光比可以达到600～3000，焦点处温度很高，运行温度达到700～1000℃；塔式吸热器聚光比在300～1500之间，运行温度达500～1200℃，热负荷通常在400kW/m2以上，局部热点可超过1000kW/m2，此数值远远超过百万千瓦超临界燃煤锅炉水冷壁的热负荷(300～400kW/m2)，其安全稳定运行较为困难。
现有吸热器能流密度很高(500kW/m2～1200kW/m2)，而且分布不均匀，高能流密度对吸热器中传热工质的传热系数提出了很高的要求，导致了普通吸热器因冷却不足而发生损坏的问题，缩短其使用寿命。为解决这一系列问题，本实用新型提出了一种射流换热和对流换热相结合的高能流密度吸热器。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的之一在于提出一种射流和对流换热相结合的吸热装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种射流和对流换热相结合的吸热装置，包括对流式换热器和射流式换热器；射流式换热器与对流式换热器串联连接，传热工质先进入射流式换热器进行加热后，再进入对流式换热器进一步加热，达到预定集热温度。
基于上述技术方案可知，本实用新型的射流和对流换热相结合的吸热装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本实用新型提供的这种高能流密度吸热装置采用射流和对流相结合的换热方式，有效避免吸热器由于冷却不足而发生损坏的问题；
2、本实用新型中的高能流密度太阳能换热器具有特殊的传热方式，适用于高能流密度的换热过程，解决了吸热器能流密度高、分布不均匀给传热带来的问题，延长吸热器的使用寿命，提升其换热效果，实现了高能流密度太阳能的合理利用。
附图说明
图1是本实用新型一种射流换热和对流换热相结合的高能流密度吸热装置的结构示意图；
图2是本实用新型一种射流换热和对流换热相结合的高能流密度吸热装置中单个射流式换热器的结构示意图。
上图中附图标记含义如下：
1为射流式换热器；2为对流式换热器；3为喷射管；4为射流管；5为射流换热单元。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型公开了一种射流和对流换热相结合的吸热装置，包括对流式换热器1和射流式换热器2；射流式换热器2与对流式换热器1串联连接，传热工质先进入射流式换热器2进行加热后，再进入对流式换热器1进一步加热，达到预定集热温度。
在本实用新型的一些实施例中，射流式所述射流式吸热器2布置在高能流密度区域；对流式换热器1布置在低能流密度区域；其中，高能流密度区域的能量密度为500至1200kW/m2；低能流密度区域的能量密度为小于500kW/m2。
在本实用新型的一些实施例中，所述射流式换热器2包括若干个射流换热单元5，每个射流换热单元5上均设有喷射管3和射流管4。
在本实用新型的一些实施例中，所述射流换热单元5将吸热工质从喷射管3喷入射流管4，传热工质进行加热后排出到对流式换热器内进行进一步吸热。
在本实用新型的一些实施例中，若干个所述射流换热单元5并联或串联连接。
在本实用新型的一些实施例中，所述喷射管3设置在射流管单元内部。
在本实用新型的一些实施例中，所述传热工质包括气体或液体。
本实用新型还公开了如上所述的吸热装置在太阳能热利用领域的应用。
在一个示例性实施例中，本实用新型的高能流密度气体吸热装置包括：射流式换热器、对流式换热器，传热工质先进入射流换热器进行第一阶段吸热，然后再进入对流式换热器，进行第二阶段吸热。所述的射流式换热器由若干个射流换热单元并联或串联连接而成，换热系数高，适合布置在能流密度较高(500kW/m2～1200kW/m2)的区域；射流换热单元由喷射管和射流管组成，传热工质通过射流管喷射到射流换热单元射流管底端，与高温壁面进行换热，之后从吸热管顶部流出。对流换热器由圆盘形吸热管组成，换热系数较小，适合布置在能流密度较低(小于500kW/m2)的区域。本实用新型中的高能流密度吸热装置为高聚光比太阳能收集提供了安全、可靠的方案。
以下通过具体实施例结合附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本实用新型的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本实施例的一种射流换热和对流换热相结合的高能流密度气体吸热装置主要包括：射流式换热器1、对流式换热器2、喷射管3、射流管4和射流换热单元5。其中，射流换热单元5之间采用并联连接，传热工质并联进入每个射流换热单元5的喷射管3；射流管4的出口处分别与对流式换热器2的进口处进行连接。
射流式换热器1通过太阳能高温集热将喷射管3喷出的超临界CO2工质进行加热，之后将高温工质通过射流管4排出，该射流换热方式，适用于高能流密度的换热过程，及时带走热量使吸热装置不超温；
对流式换热器2使每个射流管4输出的CO2工质进行汇合，通过该吸热器使超临界CO2工质达到设定的集热温度，实现了太阳能合理利用的目的；
喷射管3在射流换热单元5的内部，超临界CO2工质从喷射管喷出，与射流式换热器底端高能流密度的壁面进行换热，使超临界CO2工质被加热的同时，解决了吸热装置能流密度分布不均匀的问题；
射流管4将高温高压的超临界CO2工质从射流式换热器1中输出，到达对流式换热器2中进行换热，有效避免吸热器由于冷却不足而发生损坏的问题，从而使该吸热器适用于高能流密度的换热过程，达到延长使用寿命、提升换热效果的目的。
对本实施例进行模拟计算。选取一个吸热器进行模拟，超临界CO2物性参数通过Matlab软件调用Refprop软件进行获取，假设超临界CO2流体出口压力和进口压力不变，通过Fluent软件进行模拟，模拟过程中系统各参数见表1。
表1吸热器模拟计算参数表
从表1中可以看出，当热流密度为600kW/m2时，吸热器底端与超临界CO2流体换热后，将入口温度773K、压力8MPa、质量流量0.02kg/s的超临界CO2流体的温度提升至843.68K，使温升达到70.68K，其中超临界CO2流体平均温度和吸热器底端壁面平均温度分别为808.34K、1621.5K，超临界CO2流体出入口的比焓分别为1069.5kJ/kg、984.65kJ/kg，比焓值升高84.85kJ/kg，其换热系数为737.86W/(m2·K)。
本实用新型提供的这种高能流密度吸热装置，采用了一种射流换热和对流换热相结合的换热方式，有效避免吸热器由于冷却不足而发生损坏的问题，从而使该吸热器适用于高能流密度的换热过程，延长使用寿命，进一步提升吸热器的换热效果，应用范围广，具有良好的商业前景。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
