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淺談全玻璃真空管的發(fā)展

時(shí)間：2023年05月13日點(diǎn)擊次數(shù)：次

1984年，清華大學(xué)殷志強(qiáng)教授發(fā)明了鋁氮鋁選擇性吸收涂層，并以該技術(shù)為核心研發(fā)了雙層同軸全玻璃真空太陽(yáng)集熱管（以下簡(jiǎn)稱“集熱管”）及其太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，逐漸形成了太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)，開創(chuàng)了中國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)。至2011年，我國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)年銷售面積達(dá)到5700萬(wàn)㎡，直接銷售額達(dá)到936億元，集熱管使用量達(dá)到4億支以上。預(yù)計(jì)2015年，太陽(yáng)能熱利用行業(yè)年銷售面積將達(dá)到1.2億㎡，集熱管使用量將達(dá)到8.0億支。30年來(lái)，集熱管的技術(shù)發(fā)展也取得了驕人的成績(jī)，為我國(guó)太陽(yáng)能熱利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了突出的貢獻(xiàn)。本文將從結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理方面對(duì)集熱管的發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

1集熱管基本原理

如圖1所示，為雙層同軸全玻璃真空太陽(yáng)集熱管構(gòu)造和吸熱原理圖。集熱管如同一個(gè)拉長(zhǎng)的暖水瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成，罩玻璃管、內(nèi)管之間抽成真空，太陽(yáng)選擇性吸收涂層沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。集熱管采用單端開口的設(shè)計(jì)，通過一端內(nèi)、外管環(huán)形熔封起來(lái)，其內(nèi)管另一端是密閉半球形圓頭，帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管圓頭支撐在罩玻璃管的排氣內(nèi)端部。當(dāng)吸熱體吸收太陽(yáng)輻射而溫度升高時(shí)，吸熱體玻璃管圓頭形成熱膨脹的自由端，緩沖了工作時(shí)引起真空集熱管開口端部的熱應(yīng)力。該集熱管歷經(jīng)30余年，目前仍為主流集熱管產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)，但在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理上已有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

圖1 集熱管原理圖

2雙層同軸集熱管

早期的集熱管為雙層同軸集熱管，規(guī)格尺寸為￠47mm×1200mm。隨著市場(chǎng)的成熟和發(fā)展，逐漸開始出現(xiàn)規(guī)格為￠47mm×1500mm，￠47mm×1800mm集熱管，通過增加集熱管長(zhǎng)度來(lái)提高太陽(yáng)能熱水器的熱性能。隨之出現(xiàn)了直徑上增大，如出現(xiàn)￠58mm×1600mm，￠58mm×1800mm，￠58mm×1900mm，￠58mm×2100mm等規(guī)格集熱管。部分集熱管生產(chǎn)廠家也推出了￠70mm以上規(guī)格的集熱管。這樣，可通過增長(zhǎng)集熱管的長(zhǎng)度和增大集熱管的直徑來(lái)提高熱水器性能，降低熱水器成本。為進(jìn)一步提高雙層同軸集熱管性能和特征，部分廠家先后推出梅花管、螺紋管、波紋管、偏心管、縮口管等特征集熱管。目前，市場(chǎng)上主流集熱管仍是型號(hào)為
￠58mm×1800mm的普通雙層同軸集熱管。（見圖2）

圖2 各種兩套管圖

3三層同軸集熱管

隨著集熱管直徑和長(zhǎng)度的增加，帶來(lái)的問題是集熱管內(nèi)的容水量大幅度增加，單支普通￠58mm×1800mm型集熱管管內(nèi)容水量達(dá)到2.63L。以可用水量為150L的熱水器為例，標(biāo)準(zhǔn)配置16支￠58mm×1800mm，則管內(nèi)共有42L水無(wú)法使用，占熱水器總?cè)菟康?1.87%。因此為提高熱水器可用水量，減少集熱管管內(nèi)不可用水量，清華陽(yáng)光能源開發(fā)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“清華陽(yáng)光”）開發(fā)出三層同軸集熱管，也稱之為管中管（見圖3）。

圖3 三層同軸集熱管

如圖3所示。該結(jié)構(gòu)集熱管是在雙層同軸集熱管內(nèi)熔封了一個(gè)內(nèi)襯管，以減少集熱管內(nèi)管的容水量，從而降低熱水系統(tǒng)不可用水量，提高熱水系統(tǒng)的熱性能。經(jīng)過測(cè)試，通過采用管中管，太陽(yáng)能熱水器熱性能可以提高10%以上。部分廠家則采用在雙層同軸集熱管內(nèi)裝卡一個(gè)可活動(dòng)內(nèi)襯管，達(dá)到管中管減少容水量的功能。實(shí)現(xiàn)集熱管從管中有水向管中少水的方向發(fā)展。

由于夾層距離小，如果水質(zhì)差，結(jié)垢嚴(yán)重會(huì)積滿夾層，從而使真空管失效，所以三層同軸集熱管對(duì)水質(zhì)的要求特別高

4金屬翅片換熱集熱管

無(wú)論是雙層同軸、或是三層同軸集熱管，均存在管中有水的問題，這導(dǎo)致當(dāng)一根集熱管破碎時(shí)，熱水系統(tǒng)中的水就會(huì)通過破碎的集熱管流出，造成系統(tǒng)癱瘓。由于管中有水，在北方寒冷的冬季也容易出現(xiàn)凍管的問題。因此，在雙層同軸集熱管的基礎(chǔ)上開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的無(wú)水運(yùn)行模式集熱管（見圖4）。

圖4 金屬翅片換熱集熱管

U型管：雙層同軸集熱管管內(nèi)設(shè)置U型銅管和換熱鋁翼，U型銅管內(nèi)走防凍液。通過防凍液循環(huán)將通過鋁翼傳遞過來(lái)的太陽(yáng)能輸送到儲(chǔ)熱水箱內(nèi)。

金屬熱管鋁翼式：雙層同軸集熱管管內(nèi)設(shè)計(jì)鋁翼和金屬熱管，金屬熱管將通過鋁翼傳遞過來(lái)的太陽(yáng)能輸送到金屬熱管冷凝端，進(jìn)一步輸送到儲(chǔ)熱水箱內(nèi)。

金屬玻璃封接集熱管：該集熱管是將吸熱翅片焊接到金屬熱管上，金屬熱管通過管口金屬與罩玻璃管實(shí)現(xiàn)壓封密封，金屬熱管和翅片均在罩玻璃管的真空腔內(nèi)。金屬熱管將通過翅片傳遞過來(lái)的太陽(yáng)能輸送到金屬熱管冷凝端，進(jìn)一步輸送到儲(chǔ)熱水箱內(nèi)。

上述三種結(jié)構(gòu)集熱管通過金屬熱管（或銅管）、換熱翅片將太陽(yáng)能輸送出來(lái)，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)無(wú)水化，解決了普通集熱管存在冬季易凍，管破漏水、管中結(jié)垢、無(wú)法直接承壓運(yùn)行等諸多問題。但由于采用了過多金屬材料和成本較高的金屬熱管，造成集熱管和熱水器成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及化。因此，采用低成本的鋁熱管代替銅熱管，大幅度降低集熱管成本將是這類集熱管的發(fā)展方向。

5無(wú)水相變玻璃熱管

由于雙層（三層）同軸集熱管因管中有水而存在諸多問題，采用金屬翅片換熱方式雖然解決了普通集熱管的諸多問題，但卻因成本高昂而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。因此，推出高品質(zhì)、低成本、大眾化的集熱管產(chǎn)品是集熱管發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是未來(lái)幾年集熱管市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。基于此，旭能公司歷經(jīng)3年，開發(fā)出高性能、安全可靠的無(wú)水相變換熱玻璃熱管（見圖5）。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將熱管內(nèi)抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱的），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩端中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的加熱端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段，蒸汽遇冷凝結(jié)成液體，液體靠多孔材料的毛細(xì)力或重力的作用流回到蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。

圖5 玻璃熱管及雙極熱管

熱管是靠自身內(nèi)部工作液體相變傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性：

5.1.很高的導(dǎo)熱性。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的氣、液相變傳熱、熱阻很小，具有很高的導(dǎo)熱性。

5.2.優(yōu)良的等溫性。熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)的，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)階段流向冷凝階段所產(chǎn)生的壓降很小，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。

5.3.熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

5.4.熱二極管與熱開關(guān)性能。熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。

無(wú)水相變換熱玻璃熱管是在雙層同軸集熱管基礎(chǔ)上，在集熱管的開口端封接一段冷凝端，集熱管內(nèi)管和冷凝端形成的密封腔體抽成真空，灌注工質(zhì)，從而將熱管原理和技術(shù)巧妙地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了集熱管的無(wú)水相變換熱特征，徹底解決了雙層同軸集熱管因管中有水存在的管中結(jié)垢、冬季易凍、管破漏水等諸多問題，同時(shí)也規(guī)避了金屬鋁翼?yè)Q熱結(jié)構(gòu)集熱管成本高的問題。實(shí)現(xiàn)了集熱管防垢、防凍、防炸、防漏、無(wú)水相變換熱的優(yōu)異特征。采用玻璃熱管集熱管熱水系統(tǒng)，熱性能優(yōu)于普通集熱管熱性能，其得熱量可提高12%以上，比國(guó)標(biāo)提高30%以上。熱損系數(shù)也僅為國(guó)標(biāo)的62.5%，熱性能明顯。確保無(wú)水相變玻璃熱管高效、穩(wěn)定、可靠的生產(chǎn)、應(yīng)用，必須依賴于自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備。為此，旭能公司先后開發(fā)了玻璃熱管自動(dòng)封口機(jī)、玻璃熱管自動(dòng)灌注機(jī)等玻璃熱管專用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，建設(shè)了年產(chǎn)50萬(wàn)支的玻璃熱管自動(dòng)化生產(chǎn)線。為無(wú)水相變玻璃熱管的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了保障。

玻璃熱管的推出，實(shí)現(xiàn)了集熱管由第一代的有水管、經(jīng)歷第二代的少水管，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)水相變換熱集熱管，實(shí)現(xiàn)了集熱管技術(shù)的跨越，引導(dǎo)著集熱管的發(fā)展方向，并最終形成集熱管產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品。

由于玻璃熱管的特性，該型在低溫區(qū)熱效率比較高，但是在高溫區(qū)由于冷凝端和水的溫差變小，導(dǎo)熱效率降低。

6直熱式雙通管

雙通管指的是兩端連通的真空管，流體可以通過整支真空管，把熱量帶走。其優(yōu)勢(shì)是換熱效率高，可以走多種介質(zhì)，非常適用于在烘干和采暖領(lǐng)域。行業(yè)內(nèi)對(duì)直熱式雙通管的研究由來(lái)已久，直到近幾年才出現(xiàn)了效果比較穩(wěn)定的雙通管。

生產(chǎn)雙通管最大的問題是在使用過程中內(nèi)外管溫度差異很大，導(dǎo)致內(nèi)管膨脹遠(yuǎn)大于外管，從而引起真空管破裂。行業(yè)內(nèi)之前存在雙通管，但有其弊端。我公司近期研發(fā)的專利產(chǎn)品直熱式雙通管很好的解決了目前存在的問題，在實(shí)現(xiàn)大風(fēng)量地同時(shí)，很好的環(huán)節(jié)了內(nèi)管膨脹的問題。其內(nèi)管直徑最細(xì)處不低于16mm，完全滿足大家的使用需求。

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