CN111457770A - 热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集热换热技术领域，公开了一种热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法。本热电子增强换热装置包括热电子换热层以及高温热源层，其中，热电子换热层由外到内依次包括高温阴极层、真空间隔层以及低温阳极层，低温阳极层的内部空间形成为低温介质通道。高温阴极层在高温下溢出热电子，热电子将高温阴极层的部分热量带走后传递给低温阳极层，升温后的低温阳极层与低温介质通道内流通的低温介质进行换热。本发明提供的热电子增强换热装置，结构简单紧凑，无需另外设置低温介质循环系统，安全度高，可靠性好。另外，利用热电子换热和辐射换热双重叠加的换热方式，有效提高热交换效率，满足高温环境下的换热需求。

Description

热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法

技术领域

本发明涉及高温高热流换热技术领域，特别涉及一种基于热电子发射技术的热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法。

背景技术

高温高热流换热广泛存在于太阳能光热发电集热储热、核电、燃气轮机叶片冷却、电子元器件散热等高温热功转换和高温工业工程中。在温度超过500℃的高温工况下，目前常用的换热方式主要是冷却工质强制对流换热的方式，例如液态金属钠换热用于太阳能集热器换热、风扇强制空气对流用于电子元器件换热及燃气轮机叶片冷却等。

以太阳能光热系统中集热器的高温换热过程为例：如图1所示，塔式太阳能发电装置的组成部分包括镜场1、吸热子系统2、蓄热子系统3、蒸汽发生器子系统4、发电子系统5、冷却塔6等。其中塔顶吸热子系统2将通过镜场1反射的聚光太阳辐射并转化为热能，并将热能传递给流经吸热器的储热蓄热介质(通常为熔融盐、固体颗粒、气体等)，使之变为高温介质；高温介质在通过蒸汽发生器子系统3时将蒸汽发生器中的水加热转化为高压过热蒸汽，并传递给发电子系统5中的汽轮机；汽轮机被高压过热蒸汽驱动工作继而产生电能。其中，最为关键的一步在于如何高效的将塔顶吸热子系统2吸收的热量传递给储热蓄热介质，传递过程中热损耗越低，传递出的热能越高，发电量越大。

聚光太阳照射下的吸热器温度通常可以达到500℃以上。吸热器于储热蓄热介质之间，通常采用液态金属钠换热，需要单独设置液态金属钠的循环传输通道，结构复杂，且若出现泄露易造成较大的安全事故；另外，储热蓄热介质通常具有较低的导热率，其传热过程依赖于缓慢的热扩散，这严重限制了从接收器向储热低温介质的热传递，储热蓄热介质传热慢会直接导致蓄热子系统3充能速度慢，吸热子系统2附近积聚热量过多会存在吸热器表面过热的问题。实际条件下，当吸热器表面温度达到700℃时，接收器熔盐管道中心熔盐温度约为500℃，存在较大温差。因此，吸热子系统迫切需要一个效率高的换热方式，能够快速完成蓄热过程，从而可以更好地利用有限的可用太阳光照时间来增加系统内的存储能量，同时，增强换热过程能起到精简熔盐管路、提高熔盐温度上限的作用，对后续的熔盐罐储热过程也有利。

与太阳能光热系统中的高温换热类似，燃气轮机叶片冷却、电子元器件工作过程中也会出现局部温度过高，冷却工质无法有效及时完成高热流换热的问题。

发明内容

本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种基于热电子发射的增强换热装置。本发明的热电子增强换热装置，其结构简单，安全度高；其换热效果好，利用热电子发射换热和辐射/传导换热双重叠加的换热方式，提高了热交换效率；可通过调节换热强度实现温度控制，降低热流密度突变引起的局部高温，增强了系统工作的热稳定性。

具体来说，本发明提供了一种基于热电子发射的热电子增强增强换热装置，包括管状的热电子换热层以及高温热源层，高温热源层设置于热电子换热层的外侧壁。其中，热电子换热层包括：

高温阴极层，靠近高温热源层设置，构成为能够在高温下向外发射热电子；

低温阳极层，远离高温热源层设置，构成为能够接收热电子；

真空间隔层，真空设置于高温阴极层和低温阳极层之间；

低温阳极层的内部空间形成为供低温介质流通的低温介质通道。

相较于现有技术而言，本发明提供的热电子增强换热装置，利用热电子换热和辐射/传导换热双重叠加的换热方式，能够使低温介质通道侧壁一直保持较高温状态，导热效果优异，有效提高热交换效率。例如当低温介质为熔盐时，可以增强储热熔盐换热，精简熔盐管路，优化储热系统结构。另外，本发明的低温介质通道还可实现传输液体低温介质、固体颗粒状低温介质和气体低温介质，应用范围广，适应性强。本发明提供的热电子增强换热装置还具有结构简单，无需另外设置低温介质循环系统，安全度高，制造成本低的优势。

进一步地，作为优选，高温热源层与热电子换热层紧密贴附设置。

根据该优选方案，高温热源层能够将热量有效传递给紧密贴附设置的热电子换热层，降低二者进行热传导时的热损失。

另外，作为优选，高温阴极层、低温阳极层的厚度范围为100～500μm，真空间隔层的厚度范围为20μm～100μm。

根据该优选方案，高温阴极层和低温阳极层之间的间隙较小，能够减小热电子运动时的空间电荷损失。

进一步地，作为优选，热电子换热层具有多个，相邻两个热电子换热层之间存在间隙并同样形成为供低温介质流通的低温介质通道。

根据该优选方案，相邻热电子换热层之间以及最内层的低温阳极层的内部空间形成为层叠的一个个低温介质通道，能够降低低温介质在每一层低温介质通道内的温度梯度，减小每层靠内、外低温介质之间的温差，进一步增强换热效果。

另外，作为优选，高温阴极层为钡钨阴极、氧化物阴极或者半导体阴极中的一种，低温阳极层为高导电低功函数的金属制成。

根据该优选方案，高温阴极层的热电子发射性能优异且耐高温，易于在高温下发热热电子。低温阳极层的功函数适宜、导热性能好，可以获得更好的热电子发射效应。

进一步地，作为优选，在真空间隔层内填充有1～200Pa的铯或钡蒸气。

根据该优选方案，铯或钡蒸气能够降低高温阴极层、低温阳极层的功函数，使电子更容易从表面逸出，另外能降低极间的空间电荷势垒，能使电子更容易从阴极输运至阳极。

本发明还提供了一种热电子增强换热系统，包括温度控制装置以及如前述任一技术方案中所述的热电子增强换热装置。

温度控制装置包括电连接的外接电路与电位仪，电位仪与高温阴极层和低温阳极层连接以改变二者之间的偏压。温度控制装置还包括能够测量高温热源层、高温阴极层、低温阳极层以及低温介质温度的温度测量子系统，实时记录其温度变化。

根据该优选方案，具有热电子增强换热装置的热电子增强换热系统，换热效果好，利用热电子发射换热和辐射/传导换热双重叠加的换热方式，提高了热交换效率。利用温度测量子系统测量高温热源层、高温阴极层、低温阳极层以及低温介质的温度，实时记录其温度变化，可通过调节换热强度实现温度控制，增强系统工作的热稳定性。利用外接电路及电位仪改变高温阴极层和低温阳极层二者之间的偏压，提高低温阳极层的电势，消除空间电荷损失。

本发明还提供了一种热电子增强换热方法，使用如前述任一技术方案中所述的热电子增强换热装置，具体包括如下步骤：

高温热源层通过吸收聚光太阳辐射、燃料燃烧放热等能量,温度达到较高范围(500℃～1500℃)；

高温热源层通过热传导将热量传导至高温阴极层；

高温阴极层受热，温度升高，并将热量以两种途径传递出去：

高温阴极层的部分电子溢出，同时带走一部分的热量，溢出的热电子经过真空间隔层后到达低温阳极层，将热电子携带的热量传递给低温阳极层；

高温阴极层通过热辐射将热量传递给低温阳极层；

低温阳极层通过热传导将热量传递给在低温介质通道中流通的低温介质。

相比于冷却流体强制对流换热方式，本发明提供的热电子增强换热方法，无流动部件设计，无流体泄露安全隐患，安全高效；热电子增强换热装置稳定工作时，可通过热电子发射使热能直接转化为电能，能量利用效率高。本热电子增强换热方法，利用热电子换热和辐射换热双重叠加的换热方式，能够使低温介质通道侧壁一直保持较高温状态，导热效果优异，有效提高热交换效率。

另外，作为优选，在高温阴极层和低温阳极层之间施加偏压，改变两者之间的电势差。

根据该优选方案，施加偏压以提高低温阳极层电势，可消除空间电荷损失，提高高温阴极层的热电子溢出效率。

另外，作为优选，所施加的偏压的决定要素至少包括高温热源层的表面温度、低温介质、高温阴极层或者低温阳极层的温度。

根据该优选方案，根据高温热源温层度、低温介质、高温阴极层或者低温阳极层的温度等具体参数调整各层阴阳极之间电压，调节精准有效。可根据实际需要，通过调节电压控制各层之间的传热情况，实现相反方向导热系数不同的“传热二极管”效果。

附图说明

图1是现有技术中塔式太阳能发电装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式一中热电子增强换热装置的结构示意图；

图3是本发明实施方式一中热电子增强换热装置的局部放大图；

图4是本发明实施方式一中热电子增强换热装置的俯视图；

图5是本发明实施方式一中热电子增强换热系统的结构示意图；

图6是本发明实施方式二中热电子增强换热装置的结构示意图；

图7是本发明实施方式二中热电子增强换热装置的俯视图；

图8是本发明实施方式三中热电子增强换热装置的结构示意图；

图9是本发明实施方式三中热电子增强换热装置的俯视图；

附图标记说明：

1、热电子换热层；11、高温阴极层；12、真空间隔层；13、低温阳极层；2、高温热源层；3、低温介质通道；4、外接电路；5、电位仪；6、温度测量子系统。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了热电子增强换热装置的结构以及热电子增强换热方法的步骤图等。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施方式一

本发明的第一实施方式提供了热电子增强换热装置，参见图2、图3和图4所示，包括热电子换热层1以及高温热源层2，高温热源层2套设于热电子换热层1的外侧。热电子换热层1分为三层，由外到内依次为高温阴极层11、真空间隔层12以及低温阳极层13，低温阳极层13的内部空间形成为供低温介质流通的低温介质通道3，高温阴极层11能够在高温下向外发射热电子，低温阳极层13则接收该热电子，低温介质在低温介质通道3内与低温阳极层13进行换热。

与之对应的，本实施方式还提供了一种热电子增强换热系统，参见图5所示，包括温度控制装置以及如前述的热电子增强换热装置，温度控制装置包括外接电路4、电位仪5以及温度测量子系统6。电位仪5与外接电路4电连接，并与高温阴极层11和低温阳极层13连接以改变二者之间的偏压。温度测量子系统6则与高温热源层2、高温阴极层11、低温阳极层13以及低温介质通道3连接，用以实时测量温度。

温度测量子系统6可以是热电偶，温度传感器或者其他测温仪器。

与之对应的，本实施方式还提供了一种热电子增强换热方法，使用如前述的热电子增强换热装置，具体包括如下步骤：

高温热源层2吸收例如聚光太阳光照射能量，温度升高至500℃以上；

高温热源层2通过热传导将热量传导至高温阴极层11；

高温阴极层11受热，温度升高，并将热量以两种途径传递给低温阳极层13：

热电子换热，高温阴极层11的部分电子溢出，同时带走一部分的热量，溢出的热电子经过真空间隔层12后到达低温阳极层13，将热电子携带的热量传递给低温阳极层13；

辐射换热，高温阴极层11通过热辐射将热量传递给低温阳极层13；

低温阳极层13通过热传导将将热量传递给在低温介质通道3中流通的低温介质。

具体的，在工作时，位于外侧的高温热源层2先接收聚光太阳光照射、燃料燃烧、电子元器件工作放热等形式的能量，再经过热传导将热量传递给高温阴极层11，高温阴极层11接收热量后升温。高温阴极层11受热，内部电子的动能增大，当动能增大到可以克服逸出功时，热电子(以下，高温的带有部分高温阴极层11热量的电子简称为热电子)溢出，同时带走了一部分高温阴极层11的热量，热电子发射需在真空条件下进行，溢出的热电子经过真空间隔层12到达低温阳极层13，将溢出的热电子携带的热量传导到低温阳极层13；另外，高温阴极层11升温后与低温阳极层13之间产生温差，可通过辐射换热实现高温阴极层11热量向低温阳极层13的传导。低温阳极层13将热量传递给低温介质通道3内流通的低温介质。

简言之，本实施方式提供的热电子增强换热装置、换热系统以及换热方法，具有结构简单，无需另外设置低温介质循环系统，无流动部件设计，无流体泄露安全隐患，安全度高，制造成本低。另外，利用热电子换热和辐射换热双重叠加的换热方式，能够使低温介质通道3侧壁一直保持较高温状态，导热效果优异，有效提高热交换效率。另外，本发明的低温介质通道3还可实现传输液体低温介质、固体颗粒状低温介质和气体低温介质，应用范围广，适应性强。

本实施方式提供的热电子增强换热系统，利用温度测量子系统6测量高温热源层2、高温阴极层11、低温阳极层13以及低温介质的温度，实时记录其温度变化，可通过调节换热强度实现温度控制，增强系统工作的热稳定性。利用外接电路4及电位仪5改变高温阴极层11和低温阳极层13二者之间的偏压，提高低温阳极层13的电势，消除空间电荷损失。通过改变高温阴极层11和低温阳极层13之间工作电压以改变换热强度，从而对高温热源层2温度突变(例如太阳实际辐射强度突变造成的吸热器温度不均匀)进行调节，稳定热电子增强换热装置的换热。

换热强度通过控制系统调节，适用于太阳能光热系统集热储热、燃气轮机叶片冷却、电子元器件高温散热、电池高温工作等条件下的热管理系统的优化设计。

基于电位仪5，热电子增强换热方法也即包括如下步骤：在高温阴极层11和低温阳极层13之间施加偏压，改变低温阳极层13的电势。然后，当热电子发射达到饱和时，可以利用外接电路4，将到达低温阳极层13并换热后的电子接回到高温阴极层11。如此，利用电位仪5提高低温阳极层13的电势，能够消除空间电荷损失。另外，当太阳实际辐射强度突变造成的温度不均匀时，还可以通过改变阴阳极之间工作电压来进行调节，以改变换热强度，稳定换热。

特别地，所施加的偏压的决定要素至少包括高温热源层2的表面温度、低温介质、高温阴极层11或者低温阳极层13的温度。根据高温热源层2的表面温度、低温介质、高温阴极层11或者低温阳极层13的温度等具体参数调整各层阴阳极之间电压，调节精准有效。当高温热源层2的温度与低温介质的温度突变而产生较大温差时，应当增大高温阴极层11和低温阳极层13之间的偏压，增强热电子发射的换热效果。

高温热源层2与热电子换热层1紧密贴附设置，从而有效地进行热传导，将高温热源层2的热量传递给紧密贴附的温度较低的热电子换热层1，降低二者进行热传导时的热损失。

高温阴极层11与低温阳极层13的厚度范围为100～500μm，真空间隔层12的厚度范围为20μm～100μm。高温阴极层11和低温阳极层13之间的间隙较小，能够减小热电子运动时的空间电荷损失。根据实际条件制作μm级间距，真空间隔层12的厚度的最优可达20μm以内，实际加工条件下，可以放宽至100μm；若间距较大，可以通过施加更大偏压的方式减少由于间距造成的损失。

高温阴极层11为半导体阴极(金刚石、砷化镓或者氮化镓等)中的一种，低温阳极层13为高导电低功函数的金属(钼/镍等)制成。半导体阴极层11的热电子发射性能优异且耐高温，并且能够吸收聚光太阳照射中量子能量较高部分的光子能量，易于在高温下发热热电子。钼、镍等金属材料制成的低温阳极层13的功函数适宜、导热性能好，可以获得更好的热电子发射效应。

具体的，在本实施方式中，高温热源层2为太阳能光热电站接受太阳聚光照射的吸热器，能够透过太阳光，窗口材料为石英。高温阴极层11的材料为砷化镓，低温阳极层13的材料为金属钼。高温阴极层11与低温阳极层13的厚度为50μm、真空间隔层12的宽度为10μm。

本实施方案种热电子增强换热装置为圆柱形结构，筒状的高温热源层2内壁紧贴设有热电子换热层1，热电子换热层1内壁为低温介质通道3。低温介质通道3内，低温的低温介质从入口进入低温介质通道3，经过高温热源层2及热电子换热层1加热后流出。

实施方式二

本发明的第二实施方式提供了一种热电子增强换热装置，第二实施方式是对第一实施方式的进一步改进，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一实施方式相同，在此不再赘述。

第二实施方式相对于第一实施方式的主要改进之处在于，在本发明的第二实施方式中，结合图6和图7来看，高温热源层2内设有多层热电子换热层1，热电子换热层1与高温热源层2同心设置，最外层热电子换热层1外壁与高温热源层2内壁紧密贴合，相邻的两个热电子换热层1之间为低温介质通道3。

低温介质通道3内，低温的低温介质从入口进入低温介质通道3，经过高温热源层2及热电子换热层1加热后流出，为获得更好换热效果，相邻两层低温介质流动方向相反。

实施方式三

本发明的第三实施方式提供了一种热电子增强换热装置，第三实施方式是对一至二实施方式的进一步改进，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一至二实施方式相同，在此不再赘述。

第三实施方式相对于第一实施方式的主要改进之处在于，在本发明的第三实施方式中，考虑核电站换热、燃气轮机叶片换热等温度超过1000℃的高温工业工程，阴极材料采用耐高温的钡钨阴极、氧化物阴极。结合图8和图9来看，最外层热电子换热层1外壁与高温热源层2内壁紧密贴合，相邻的两个热电子换热层1之间为低温介质通道3。

低温介质通道3内，低温的低温介质(蒸汽等)从入口进入低温介质通道3，经过高温热源层2及热电子换热层1加热后流出。

对于本领域技术人员来说，在本发明技术思想的范围内能够根据需要而对于上述控制方法的各个步骤进行删减或者顺序调整。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种热电子增强换热装置，其特征在于，包括管状的热电子换热层以及高温热源层，所述高温热源层套设于所述热电子换热层的外侧，其中，所述热电子换热层包括：

高温阴极层，靠近所述高温热源层设置，构成为能够在高温下向外发射热电子；

低温阳极层，远离所述高温热源层设置，构成为能够接收热电子；

真空间隔层，真空设置于高温阴极层和低温阳极层之间；

所述低温阳极层的内部空间形成为供低温介质流通的低温介质通道。

2.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温热源层与所述热电子换热层紧密贴附设置。

3.根据权利要求2所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温阴极层、所述低温阳极层的厚度范围为100～500μm，所述真空间隔层的厚度范围为20μm～100μm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述热电子换热层具有多个，相邻两个所述热电子换热层之间存在间隙并同样形成为所述低温介质通道。

5.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，所述高温阴极层为钡钨阴极、氧化物阴极或者半导体阴极中的一种，所述低温阳极层由高导电低功函数的金属制成。

6.根据权利要求1所述的热电子增强换热装置，其特征在于，在所述真空间隔层中填充有1～200Pa的铯或钡蒸气。

7.一种热电子增强换热系统，其特征在于，所述热电子增强换热系统包括温度控制装置以及如权利要求1-6中任一项所述的热电阻增强换热装置，所述温度控制装置包括：

外接电路；

电位仪，与所述外接电路电连接，所述电位仪与所述高温阴极层和所述低温阳极层连接以改变二者之间的偏压；

温度测量子系统，与所述高温热源层、所述高温阴极层、所述低温阳极层以及所述低温介质通道连接，用以实时测量温度。

8.一种热电子增强换热方法，其特征在于，使用如权利要求1-6中任一项所述的热电子增强换热装置，具体包括如下步骤：

高温热源层通过吸收聚光太阳能、燃料燃烧化学能等能量升温；

高温热源层通过热传导将热量传导至高温阴极层；

高温阴极层受热，温度升高，并将热量以两种途径传递出去：

高温阴极层的部分电子溢出，同时带走一部分的热量，溢出的热电子经过真空间隔层后到达低温阳极层，将热电子携带的热量传递给低温阳极层；

高温阴极层通过热辐射将热量传递给低温阳极层；

低温阳极层通过热传导将热量传递给在低温介质通道中流通的低温介质。

9.根据权利要求8所述的热电子增强换热方法，其特征在于，在所述高温阴极层和所述低温阳极层之间施加偏压，改变低温阳极层的电势。

10.根据权利要求9所述的热电子增强换热方法，其特征在于，所施加的偏压的决定要素至少包括高温热源层的表面温度、低温介质、高温阴极层或者低温阳极层的温度。

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