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浅谈全玻璃真空管的发展

    1984年,清华大学殷志强教授发明了铝氮铝选择性吸收涂层,并以该技术为核心研发了双层同轴全玻璃真空太阳集热管(以下简称“集热管”)及其太阳能热水系统,实现了技术向产品的转化,逐渐形成了太阳能热水器产业,开创了中国太阳能热利用行业。至2011年,我国太阳能热利用行业年销售面积达到5700万㎡,直接销售额达到936亿元,集热管使用量达到4亿支以上。预计2015年,太阳能热利用行业年销售面积将达到1.2亿㎡,集热管使用量将达到8.0亿支。30年来,集热管的技术发展也取得了骄人的成绩,为我国太阳能热利用产业发展作出了突出的贡献。本文将从结构与运行原理方面对集热管的发展进行简要论述。 


    1集热管基本原理

    如图1所示,为双层同轴全玻璃真空太阳集热管构造和吸热原理图。集热管如同一个拉长的暖水瓶胆,由两根同心圆玻璃管组成,罩玻璃管、内管之间抽成真空,太阳选择性吸收涂层沉积在内管的外表面构成吸热体,将太阳光能转换为热能,加热内玻璃管内的传热流体。 集热管采用单端开口的设计,通过一端内、外管环形熔封起来,其内管另一端是密闭半球形圆头,带有吸气剂的弹簧卡子,将吸热体玻璃管圆头支撑在罩玻璃管的排气内端部。当吸热体吸收太阳辐射而温度升高时,吸热体玻璃管圆头形成热膨胀的自由端,缓冲了工作时引起真空集热管开口端部的热应力。该集热管历经30余年,目前仍为主流集热管产品基本结构,但在结构和运行原理上已有突飞猛进的发展。

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图1 集热管原理图



   2双层同轴集热管     

    早期的集热管为双层同轴集热管,规格尺寸为¢47mm×1200mm。随着市场的成熟和发展,逐渐开始出现规格为¢47mm×1500mm,¢47mm×1800mm集热管,通过增加集热管长度来提高太阳能热水器的热性能。随之出现了直径上增大,如出现¢58mm×1600mm,¢58mm×1800mm,¢58mm×1900mm,¢58mm×2100mm等规格集热管。部分集热管生产厂家也推出了¢70mm以上规格的集热管。这样,可通过增长集热管的长度和增大集热管的直径来提高热水器性能,降低热水器成本。为进一步提高双层同轴集热管性能和特征,部分厂家先后推出梅花管、螺纹管、波纹管、偏心管、缩口管等特征集热管。目前,市场上主流集热管仍是型号为
¢58mm×1800mm的普通双层同轴集热管。(见图2)

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2 各种两套管图


    3三层同轴集热管

    随着集热管直径和长度的增加,带来的问题是集热管内的容水量大幅度增加,单支普通¢58mm×1800mm型集热管管内容水量达到2.63L。以可用水量为150L的热水器为例,标准配置16支¢58mm×1800mm,则管内共有42L水无法使用,占热水器总容水量的21.87%。因此为提高热水器可用水量,减少集热管管内不可用水量,清华阳光能源开发有限公司(以下简称“清华阳光”)开发出三层同轴集热管,也称之为管中管(见图3)。  

  

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3  三层同轴集热管



    如图3所示。该结构集热管是在双层同轴集热管内熔封了一个内衬管,以减少集热管内管的容水量,从而降低热水系统不可用水量,提高热水系统的热性能。经过测试,通过采用管中管,太阳能热水器热性能可以提高10%以上。部分厂家则采用在双层同轴集热管内装卡一个可活动内衬管,达到管中管减少容水量的功能。实现集热管从管中有水向管中少水的方向发展。

由于夹层距离小,如果水质差,结垢严重会积满夹层,从而使真空管失效,所以三层同轴集热管对水质的要求特别高

     4金属翅片换热集热管

    无论是双层同轴、或是三层同轴集热管,均存在管中有水的问题,这导致当一根集热管破碎时,热水系统中的水就会通过破碎的集热管流出,造成系统瘫痪。由于管中有水,在北方寒冷的冬季也容易出现冻管的问题。因此,在双层同轴集热管的基础上开发出不同结构的无水运行模式集热管(见图4)。

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  图4  金属翅片换热集热管



    U型管:双层同轴集热管管内设置U型铜管和换热铝翼,U型铜管内走防冻液。通过防冻液循环将通过铝翼传递过来的太阳能输送到储热水箱内。  

    金属热管铝翼式:双层同轴集热管管内设计铝翼和金属热管,金属热管将通过铝翼传递过来的太阳能输送到金属热管冷凝端,进一步输送到储热水箱内。

    金属玻璃封接集热管:该集热管是将吸热翅片焊接到金属热管上,金属热管通过管口金属与罩玻璃管实现压封密封,金属热管和翅片均在罩玻璃管的真空腔内。金属热管将通过翅片传递过来的太阳能输送到金属热管冷凝端,进一步输送到储热水箱内。

    上述三种结构集热管通过金属热管(或铜管)、换热翅片将太阳能输送出来,实现管内无水化,解决了普通集热管存在冬季易冻,管破漏水、管中结垢、无法直接承压运行等诸多问题。但由于采用了过多金属材料和成本较高的金属热管,造成集热管和热水器成本高,无法实现普及化。因此,采用低成本的铝热管代替铜热管,大幅度降低集热管成本将是这类集热管的发展方向。

    5无水相变玻璃热管

    由于双层(三层)同轴集热管因管中有水而存在诸多问题,采用金属翅片换热方式虽然解决了普通集热管的诸多问题,但却因成本高昂而无法实现大规模应用。因此,推出高品质、低成本、大众化的集热管产品是集热管发展的必然趋势,也是未来几年集热管市场的主流产品。基于此,旭能公司历经3年,开发出高性能、安全可靠的无水相变换热玻璃热管(见图5)。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将热管内抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热的),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两端中间可布置绝热段。当热管的加热端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向冷凝段,蒸汽遇冷凝结成液体,液体靠多孔材料的毛细力或重力的作用流回到蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。

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图5  玻璃热管及双极热管


    热管是靠自身内部工作液体相变传热的传热元件,具有以下基本特性:

    5.1.很高的导热性。热管内部主要靠工作液体的气、液相变传热、热阻很小,具有很高的导热性。

   5.2.优良的等温性。热管内腔的蒸汽是处于饱和状态的,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发阶段流向冷凝阶段所产生的压降很小,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。  

   5.3.热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,或者热管可以较大的传热面积输入热量,而以较小的冷却面积输出热量,这样即可以改变热流密度,解决一些其他方法难以解决的传热难题。

   5.4.热二极管与热开关性能。热管可做成热二极管或热开关,所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。

    无水相变换热玻璃热管是在双层同轴集热管基础上,在集热管的开口端封接一段冷凝端,集热管内管和冷凝端形成的密封腔体抽成真空,灌注工质,从而将热管原理和技术巧妙地结合起来,实现了集热管的无水相变换热特征,彻底解决了双层同轴集热管因管中有水存在的管中结垢、冬季易冻、管破漏水等诸多问题,同时也规避了金属铝翼换热结构集热管成本高的问题。实现了集热管防垢、防冻、防炸、防漏、无水相变换热的优异特征。采用玻璃热管集热管热水系统,热性能优于普通集热管热性能,其得热量可提高12%以上,比国标提高30%以上。热损系数也仅为国标的62.5%,热性能明显。确保无水相变玻璃热管高效、稳定、可靠的生产、应用,必须依赖于自动化的生产设备。为此,旭能公司先后开发了玻璃热管自动封口机、玻璃热管自动灌注机等玻璃热管专用自动化生产设备,建设了年产50万支的玻璃热管自动化生产线。为无水相变玻璃热管的规模化、产业化应用提供了保障。

    玻璃热管的推出,实现了集热管由第一代的有水管、经历第二代的少水管,最终实现了无水相变换热集热管,实现了集热管技术的跨越,引导着集热管的发展方向,并最终形成集热管产业的主流产品。

由于玻璃热管的特性,该型在低温区热效率比较高,但是在高温区由于冷凝端和水的温差变小,导热效率降低。
  
    6直热式双通管

双通管指的是两端连通的真空管,流体可以通过整支真空管,把热量带走。其优势是换热效率高,可以走多种介质,非常适用于在烘干和采暖领域。行业内对直热式双通管的研究由来已久,直到近几年才出现了效果比较稳定的双通管。

生产双通管最大的问题是在使用过程中内外管温度差异很大,导致内管膨胀远大于外管,从而引起真空管破裂。行业内之前存在双通管,但有其弊端。我公司近期研发的专利产品直热式双通管很好的解决了目前存在的问题,在实现大风量地同时,很好的环节了内管膨胀的问题。其内管直径最细处不低于16mm,完全满足大家的使用需求。

 

 



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