一种弧形结构吸热单元及紧凑式太阳能吸热器

本发明涉及太阳能吸热器，具体是一种弧形结构吸热单元及紧凑式太阳能吸热器。

背景技术：

1、紧凑式太阳能吸热器以细通道作为基本的换热单元，具有较好的承压性能，是最具发展潜力的s-co2（超临界co2）吸热器形式之一。然而，与传统熔盐相比，s-co2的换热性能仍然较差。同时，s-co2较大的变物性会造成局部换热恶化。因此，吸热器在高密度太阳能流条件下会产生局部高温和应力集中，这是诱发吸热器应力失效的主要原因之一。因此，强化通道内s-co2换热性能，提高对高密度能流的有效消纳是降低应力失效风险的有效手段。曲率结构作为一种有效的强化换热手段被广泛应用于换热设备中。文献《appl.therm.eng,2024,240: 122202》中将曲率结构的蛇形管应用于管式吸热器，利用周期变曲率结构诱导s-co2内部产生强烈的二次流，可以显著强化s-co2换热性能。然而，当受热侧出现在曲率内侧时候，该结构会产生更大的结构约束，进而产生更大的热应力。

2、此外，吸热器能流不匹配是诱发吸热器应力失效的另一主要原因。文献《solenergy,2021,223:72-86.》中指出：当吸热器外部热通量分布与吸热器内工质流量分布形状不匹配时，会使吸热器内产生较大的温度梯度，进而产生显著热应力。同时发现，通过调整进出口位置可以有效提高管式吸热器的能流匹配特性，进而降低因能流不匹配而引起应力失效的风险。然而，能流不匹配在紧凑式太阳能吸热器中并未得到关注，提高紧凑式太阳能吸热器的能流匹配特性是紧凑式太阳能吸热器安全运行的重要保障。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种弧形结构吸热单元及紧凑式太阳能吸热器。

2、本发明解决吸热单元技术问题的技术方案是，提供一种弧形结构吸热单元，其特征在于，该吸热单元包括集箱介质入口、集箱介质出口、入口集箱、出口集箱、热侧曲率壁板、非热侧曲率壁板和弧形介质通道；

3、热侧曲率壁板和非热侧曲率壁板均由两个径向截面为弧形的弧形板并排连接构成，且两个弧形板的凸面位于同一侧；热侧曲率壁板和非热侧曲率壁板固定连接，且热侧曲率壁板的凹面与非热侧曲率壁板的凸面配合；热侧曲率壁板和非热侧曲率壁板之间沿切向方向设置有两列弧形介质通道，每列弧形介质通道对应一个弧形板；非热侧曲率壁板上开设有两列分流口和两列汇流口，每个弧形板上对应一列分流口和一列汇流口；两列汇流口相邻；每个弧形介质通道的两端分别与各自的一个分流口和一个汇流口连通；一个出口集箱固定于非热侧曲率壁板上，位于两列汇流口处且与两列汇流口连通；两个入口集箱固定于非热侧曲率壁板上，分别位于各自的一列分流口处且与各自的一列分流口连通；每个入口集箱上设置有一个集箱介质入口且与入口集箱连通，每个出口集箱上设置有一个集箱介质出口且与出口集箱连通。

4、本发明解决紧凑式太阳能吸热器技术问题的技术方案是，提供一种紧凑式太阳能吸热器，包括吸热器主体、支架、吸热器总入口和吸热器总出口；吸热器主体固定设置于支架上；其特征在于，吸热器主体由若干个吸热模块按照行列设置；每个吸热模块由一个歧管介质入口、一个歧管介质出口、一个入口歧管、一个出口歧管和n个并联连接的吸热单元组成；

5、一个入口歧管固定于n个吸热单元的非热侧曲率壁板上，位于n个吸热单元的集箱介质入口处且与n个吸热单元的集箱介质入口连通；入口歧管上设置有一个歧管介质入口；歧管介质入口的两端分别与入口歧管和吸热器总入口连通；

6、一个出口歧管固定于n个吸热单元的非热侧曲率壁板上，位于n个吸热单元的集箱介质出口处且与n个吸热单元的集箱介质出口连通；出口歧管上设置有一个歧管介质出口；歧管介质出口的两端分别与出口歧管和吸热器总出口连通。

7、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

8、（1）本发明对紧凑式太阳能吸热器的核心吸热单元进行了创造性的改造，将原有的直通道替换为弧形曲线扫掠而成的曲率结构，形成了具有弧形结构的介质通道。该曲率结构利用离心力引导流体流向热侧壁板，增强了s-co2的二次流动效应，从而提高了吸热器的换热性能，增强对太阳能流的有效吸收。

9、（2）本发明的紧凑式太阳能吸热器基于模块化设计，具备灵活调节的特点。考虑到吸热器不同位置处的能流分布差异，创新性地通过调整吸热单元的进出口位置，设计不同的介质进出口方案，形成三种典型的流量分布，以适应吸热器的能流分布特征，提高吸热单元的能流匹配性能。此设计不仅提高了吸热器的能流匹配特性，降低了温度梯度，还减少了应力失效的风险，能够延长设备的使用寿命。

10、（3）本发明通过曲率结构设计，强化了热侧板的换热性能，降低壁面温度，从而有效降低了通道内的温度梯度和热应力。同时曲率结构减小了介质通道的结构约束，使得应力分布更加均匀，降低通道的应力失效风险，进一步提高了吸热器的运行安全性。

11、（4）本发明中曲率结构的介质通道设计使得流体从分流口到汇流口的过渡过程更加平缓，有效降低了吸热器的压降，显著减少了泵送功率需求，提升了系统的整体能效。

技术特征：

1.一种弧形结构吸热单元，其特征在于，该吸热单元（5）包括集箱介质入口（501）、集箱介质出口（502）、入口集箱（503）、出口集箱（504）、热侧曲率壁板（505）、非热侧曲率壁板（506）和弧形介质通道（507）；

2.根据权利要求1所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，两列弧形介质通道（507）完全相同。

3.根据权利要求1或2所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，每列弧形介质通道（507）中，若干个弧形介质通道（507）沿轴向方向均匀设置。

4.根据权利要求1所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，热侧曲率壁板（505）的凹面沿切向方向开设有两列相同的通槽，每列通槽对应一个弧形板；每列通槽中，若干个通槽沿轴向方向均匀设置；热侧曲率壁板（505）和非热侧曲率壁板（506）相互配合，形成弧形介质通道（507）。

5.根据权利要求1所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，弧形介质通道（507）的法向截面的形状为矩形、圆形、半圆形、椭圆形和半椭圆形。

6.根据权利要求1所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）的布置位置包括：集箱介质入口（501）位于集箱介质出口（502）的上方，集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）位于同一水平面，集箱介质入口（501）位于集箱介质出口（502）的下方。

7.根据权利要求6所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，当集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）位于同一水平面时，集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）为偏置管结构；另外两种布置位置时，集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）为直管结构。

8.根据权利要求6所述的弧形结构吸热单元，其特征在于，在集箱介质入口（501）位于集箱介质出口（502）的上方的布置位置中，集箱介质入口（501）位于入口集箱（503）的上端，集箱介质出口（502）位于出口集箱（504）的下端；在集箱介质入口（501）和集箱介质出口（502）位于同一水平面的布置位置中，集箱介质入口（501）位于入口集箱（503）的中间，集箱介质出口（502）位于出口集箱（504）的中间；在集箱介质入口（501）位于集箱介质出口（502）的下方的布置位置中，集箱介质入口（501）位于入口集箱（503）的下端，集箱介质出口（502）位于出口集箱（504）的上端。

9.一种紧凑式太阳能吸热器，包括吸热器主体（1）、支架（2）、吸热器总入口（3）和吸热器总出口（4）；吸热器主体（1）固定设置于支架（2）上；其特征在于，吸热器主体（1）由若干个吸热模块按照行列设置；每个吸热模块由一个歧管介质入口（101）、一个歧管介质出口（102）、一个入口歧管（103）、一个出口歧管（104）和n个并联连接的权利要求1-8任一所述的吸热单元（5）组成；

10.根据权利要求（1）所述的紧凑式太阳能吸热器，其特征在于，吸热器主体（1）呈圆筒状。

技术总结本发明公开了一种弧形结构吸热单元及紧凑式太阳能吸热器。吸热单元包括集箱介质入口、集箱介质出口、入口集箱、出口集箱、热侧曲率壁板、非热侧曲率壁板和弧形介质通道。紧凑式太阳能吸热器包括吸热器主体、支架、吸热器总入口和吸热器总出口；吸热器主体固定设置于支架上；吸热器主体由若干个吸热模块按照行列设置；每个吸热模块由一个歧管介质入口、一个歧管介质出口、一个入口歧管、一个出口歧管和n个并联连接的吸热单元组成。本发明将吸热单元原有的直通道替换为曲率结构，形成了具有弧形结构的介质通道。该曲率结构利用离心力引导流体流向热侧壁板，增强了S‑CO<subgt;2</subgt;的二次流动效应，从而提高了吸热器的换热性能。技术研发人员：王坤,刘妍君,张振东,范元鸿,李小龙,杜慧杰,闵春华,饶中浩受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14