[发明专利]一种基于微缩放通道太阳能快速预热升温装置及方法

说明书

为了解决市场出售的普通平板型太阳能集热装置对海水加热升温速率慢、出口温度低、不能满足热电联产海水淡化系统对水快速加热升温的连续生产要求、及太阳能的低温热源与热电联产的高温热源不能协同匹配等问题，本发明提供了一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置，采用微缩放通道，使海水形成缩放液膜流动；由于海水液膜通过缩放周期性流动，增强了流体湍流强度，减薄液膜传热边界层，缩小速度场与温度场梯度矢量夹角，相比于普通平板型太阳能集热装置中的圆管传热，对流传热系数大幅提升；再通过对缩放流道关键参数扩张段长度、缩放段长度及肋高尺寸进行优化，发挥更佳的传热性能，进一步提高加热升温速率。

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化领域，具体涉及一种基于微缩放通道太阳能海水淡化快速预热升温装置及方法。

背景技术

目前，大规模的海水淡化系统主要采用热电联产的方式，成本较高，且石化能源日益短缺成为了制约其进一步发展的主要障碍。太阳能作为可再生能源，取之不尽、用之不竭，开发利用太阳能对节能减排、环境保护和减缓气候变化意义重大。目前，利用太阳能进行海水淡化主要有两种方式，一种是太阳能光热利用，利用热能使海水发生相变得到淡水；另一种是太阳能光电利用，转为电能后驱动海水渗析。利用太阳能进行海水淡化在能源利用上有清洁环保和低成本优势，发展前景诱人，但单靠太阳能加热要达到多级蒸发的高温热水基本条件100℃难度较大，一般的太阳能集热器不能达到此高温。如果在不使用高成本的凹槽弧面聚光加热系统的情况下研发出新型高效的太阳能集热装置向海水淡化系统提供70～90℃的低温热水，之后再依靠热电联产的高温余热继续加热，达到多级蒸发需要的高温条件(100℃)，然后再作多级蒸发和海水淡化，这可使太阳能的低温热源与热电联产的高温热源协同配合，在热源能级的合理利用方面做到最佳，实现海水淡化低成本、减少化石能源消耗和保护环境。

目前市场上销售的太阳能集热器产品中，水加热升温速率非常慢，从30℃的低温加热到 70～90℃的中温需要1～2小时，时间较长，不能满足热电联产海水淡化系统对海水快速加热升温的连续生产要求，难以匹配生产。为使太阳能与热电联产海水淡化能够更好的协调匹配，还需研发一种可快速使海水升温的太阳能集热器装置。

目前市场出售的普通平板型太阳能集热器装置主要以管板式为主，其结构如图1所示。当太阳能辐射到平板集热器的玻璃盖板后，部分能量被涂有涂层的吸热板吸收后转化为热能 Q₀。被转化的热能传递给圆形光滑管通道内的流体，光滑管通道直径通常为8mm及以上，流体温度升高后流出集热器，被工质吸收的热量称为有效能Q₁，集热器玻璃盖板和保温层以对流和辐射的形式向周围环境散热，散热损失包含玻璃盖板顶部热损失Q₂和四周边缘热损失 Q₃。能量传递过程循环往复直至稳定。

对集热器内海水流动与传热进行微观分析，对于稳态不可压二维层流流动，其能量守恒方程为：

式中，ρ、c_p和λ分别是海水的密度、定比压热容、导热系数；u和v分别是海水的速度；T是海水的温度。与含内热源的一维导热微分方程相比，式(1～1)左端对流项可比作内热源项后，再对边界层进行积分，其矢量形式为：

式中，δ_t和q_w分别为热边界层的厚度及壁面的热流密度。

通过无因次化后可得：

其中被积因子可表示为：

式中，β为速度矢量与温度梯度矢量间的夹角。

由式1-3可知，强化传热可以通过缩小流道直径、增加流速等来提高流体流动雷诺数Re；改变流体比热容、黏性等提高流体普朗特数Pr；改变速度温度场协同提高无因次积分值等途径来实现。