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            真空管集热器技术

            发布时间: 2016-07-15 15:58:01   作者:无   来源:

            第一部分:概述

            第二部分:技术原理

            第三部分:国内发展和应用现状

            第四部分:经典案例

            第五部分:参考文献

             
            概述
            真空管太阳能集热器
            1. 种类:
            真空管集热器;三高真空管集热器;真空热管集热器共三种。
            2. 结构:
            分内外管,内管内壁有水银涂层,内管外壁有吸热涂层,内外管之间是真空层;外管是透明的玻璃,内外管均采用高硬度的高硼硅玻璃;一端有进出口,另一端封闭。
            3. 基本原理
            真空集热管的吸热体封闭在高真空的玻璃管内,通过吸热体与罩管之间的真空来抑制对流热损,通过在吸热体上的选择性吸收涂层来增加辐射得热和减小辐射热损失,大大提高了热性能。
            一个U型金属管被封接在单层的玻璃管内,玻璃管内抽真空。金属管上焊有一块涂黑络的吸收热板。流体流过金属管内并把吸热板吸收的太阳能带走。金属与玻璃管之间的热膨胀问题通过仅在玻璃管一端穿入金属管的方法解决。两个同心的玻璃管一端被封接在一起,玻璃之间抽成真空。带有柱型铜肋片的U型管插入内管中,在内玻璃管的外表面渡有选择性涂层。内管吸收的太阳能传给铜肋片并由U型管内的流体带走。
            4. 特点:
            1.平板式太阳能在70年代就已经发明和应用,自从80年代发明真空管太阳能后,在整个业界平板式太阳能就慢慢退出市场现在在我国只占不到5%的份额,太阳能热水器也经历了60年代的焖晒式太阳能,平板式太阳能,真空管式太阳能,真空热管式太阳能的发展历程,现在真空管已经发展到了三高真空管,真空热管真空管。
            2.真空管太阳能工作原理是采用内管的吸热涂层对太阳光吸收,加热内管里的水,在与水箱或连箱进行交换,提高水温。作为一种集热板它在吸热的同时也会进行散热,而热量的传递只有三种方式:辐射,传导,对流。真空管太阳能的三种散热传热方式均很小,内管的水银涂层防止热量辐射;内外管中间的真空层防止热量传导;至于热量的对流散发对真空管太阳能而言,几乎为零。热效率达93.5%比平板太阳能提高50-80%。
            3.真空管太阳能的使用寿命:由于它的材料是高硼硅玻璃,而内外涂层在真空的环境里不受氧化,在不受外力的情况下寿命超20年以上。
            4.各种环境的影响:散热小,保温效果好,抗冻能力强(在南极都有优良表现);真空管对台风的阻力小,抗台风能力强;真空管是圆形的形状受外来冲击力小,抗冰雹能力强。
            5.真空管太阳能管的热效率达93%,系统热效率可达46%。斯诺宝真空管太阳能技术系统热效率可达75%,以致可以直接生产开水。
            6.推广真空管的理由:新技术,高效率。
             
            技术原理
            热管式真空管集热技术
            1. 热管真空管
            太阳能热水器所用的热管一般为重力热管,蒸发段在热管的下部,冷凝段在上部,内部没有吸液芯。平衡时,热管中的液态工质处于饱和状态,工质气体为饱和气体。太阳辐射透过真空管照射在吸热翼片或传热介质上,蒸发段被加热,液态工质接收管壁传输的热量而温度升高。当工质的温度高于饱和温度时,工质被气化,压力也随之增大,气化产生的蒸气向压力较低的冷凝段流动。冷凝段受管外介质冷却,温度不变。当蒸气压力大于饱和压力时,蒸气凝结为液体,放出气化潜热,凝结液依靠自身重力从冷凝段流回蒸发段。利用热管工质循环往复的气液相变,连续不断地把热能传递给水。
            目前,热管真空管有三种结构形式。第一种采用热压封接技术将带有平板翼片的、具有抗冻性能的铜—水热管封装在单层真空管内;第二种将带有圆筒形翼片的热管封装在全玻璃真空管内,通过管内热空气向紧贴内管表面的翼片传热;第三种将热管封装在全玻璃真空管内,真空管内腔和热管外壁之间注入高沸点液态传热介质。
            2. 热管真空管集热器
            与闷晒型、平板型和全玻璃真空管集热器相比,热管真空管集热器具有下列特性。
            ①热管通过与冷凝段刚性连接的导热块(套管)将热量传递给联集管内的水,热管内液态工质与联集管内的水不相通,故抗冻性强,适合高寒地区使用;②启动快,在多云间晴的低辐射天气仍能产生热水;③热管具有单向传热的二极管性能,集热管不工作时与储热水箱绝热,可以防止在夜间和阴天时热量倒流;④可靠性强,即使单根热管损坏,也不会导致整个集热系统失效;⑤承压性能好,抗腐蚀,不易结垢。由于集热元件的限制,热管集热器也存在一定的不足:①单层真空管的连接形式对玻璃—金属的封接技术要求较高;②全玻璃真空管内插入热管,会因能量的多次转换而影响热效率;③热管和真空管为双真空复杂结构,且造价较高。下面以国外某公司生产的热管真空管集热器为例,说明热管真空管集热器各部件的性能要求。
            热管真空管集热器性能参数:热管真空管的外径为47 mm,长度为1 500 mm;集热器总面积为2.25 m2,吸热体面积为2.20 m2;集热器外型尺寸1 760 mm×1 500 mm×130 mm;保温箱截面尺寸130 mm×140 mm;集热器重量55 kg;容水量1.5L;最高温度190℃;空晒温度247℃。
            1) 真空管
            真空管采用符合ISO 3585标准的硼硅玻璃管材料和真空密封技术制成,蒸散型钡吸气剂保持真空夹层内的气体压强低于10-3 Pa,高于国家标准(GB/T 17049)规定的全玻璃真空太阳集热管真空夹层内气体压强p≤5×10-2 Pa的要求。2.2热管热管采用无毒有机物(非丙酮)作为传热介质。铜管内3层抗氧化腐蚀涂层能保证热管的长效性,其使用寿命超过11万h,功率容量为27.2MW/m2。热管启动温度低于35℃。高真空度(4×10-6 Pa)使工质的气化温度降低到25~30℃。曲型翼片比平板翼片的热性能提高了5%。
            2) 联集管
            采用铜磷焊接材料将联集管(φ28 mm)、配管(φ22 mm)和导热套管焊接而成,各铜管壁厚均为1 mm。联集管外侧采用φ50 mm岩棉保温。联集管内最大试验压力1 000 kPa,允许工作压力600kPa。联集管容水量低于1.5 L,即使在低辐射天气也可被迅速加热。
            装配时,先将保护皮帽穿入导热套管根部,冷凝段涂硅脂材料后紧插入套管,外侧用保护皮帽填充绝缘,并用螺钉夹具箍紧,保证与联集套管之间良好的传热效果。
            3) 集热器绝热材料
            采用耐高温、环境友好型岩棉作为保温材料。保温材料预先压块成型,每块长73 cm,20根管的集热器配置成型块4个,30根管的集热器配置成型块6个。
            4) 控制器
            集热器安装了RESOL B1型温度控制器。当集热器水温高于储热罐水温时,或者在寒冷天气对集热器作防冻保护时,控制器可以自动启动循环泵向热水储罐输送热量或逆向循环进行防冻保护。
             
            国内发展和应用现状
            最近,我国还研制成全玻璃热管真空集热管和新型全玻璃直通式真空集 热管。我国自1978年从美国引进全玻璃真空集热管的样管以来,经20多年的努力,我国已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管的产业,用于生产集热管的磁控溅射镀膜机在百台以上,产品质量达世 界先进水平,产量雄居世界首位。我国自80年代中期开始研制热管真空集热管,经过十几年的努力,攻克了热压封等许多技术难关,建立了拥有全部知识产权的热管真空管生产基地,产品质量达到世界先进水平,生产能力居世界首位。 目前,直通式真空集热管生产线正在加紧进行建设,产品即将投放市场。
                    
            经典案例
            案例一
            空军承德招待所和蓟县培训中心均于1994年选用素兰环能技术研究所研制的真空管-热管式集热器。承德招待所建筑面积为4175m2, 最高四层, 共48个客房, 48个卫生间, 蓟县培训中心建筑面积为2396m2,最高三层, 共24个客房, 24个卫生间。以上两个单位由于原有热水锅炉容量不足, 且又无法扩建, 不能满足使用要求, 因此均采用了太阳能热水器全年供应热水的方案。承德招待所选用80m2真空管热管式集热器,10 m2热水箱一个, 供给48个淋浴器和48个洗脸盆使用热水;蓟县培训中心选用55 m2真空管-热管式集热器, 5 m2的热水箱一个, 供给24个淋浴器和24个洗脸盆使用热水。另外, 设计中还打破了水箱设在室外的常规做法, 将补水箱、热水箱设在水箱间内, 与采暖系统的膨胀及消防水箱放在一起。这样做的好处是:1. 避免水箱遭风吹、日晒、雨淋, 有利于水箱保温材料不失效, 从而减少热水箱的热损失和防止补水箱冻坏;2. 水箱间温度比室外高, 热水箱中的热水与水箱间的温差小, 可减少热水箱中热水的散热;3. 减少水箱的腐蚀, 延长水箱的寿命;4. 安装维修方便。同时, 为了适应各种天气的使用, 还在热水箱上增设了功率仅为几千瓦的电加热器, 在水温低时投入使用。承德招待所和蓟县培训中心的太阳能热水器系统由索兰环能技术研究所和北京空军勘察设计院共同负责设计, 由研究所负责安装和调试, 并于1994年冬投入使用。
            案例二
            见“热管真空管集热器在某工程中的应用.pdf”。
             
            参考文献
            [1] 严军,热管真空管集热器及太阳能热水系统[J],可再生能源,2008.10,第26卷,(第5期),68~71
            [2]魏建永.热管真空管集热器在某工程中的应用[J].公用工程设计.51—53.