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真空管太阳能热水器 一 真空管太阳集热管二 真空管太阳集热器三 真空管太阳热水器 一 真空管太阳集热管 主讲人 段朝刚崔智华韩昭 1 发展A 1973年世界上出现石油价格猛涨 能源危机 石油危机 推出平板式太阳能热水器 B 我国1979年开始 近20多年来发展较快 清华大学无线电电子系研制出全玻璃真空管集热器样机 C 分为三个阶段 1 1979年 1985年科研与开发 2 1986年 1992年完成国家 七 五 科技攻关课题 年产3万支至15万支 3 1993年实施国家重点产 学 研 D 2003年 国内有200多家生产集热管厂 生产线 简介a 原理简单 集热管象拉长的保温瓶一样 b 质量要求严格 必须有好的吸热层 吸热层的吸收率要高 热反射率要低 有好的保温防止热量向外对流 传递向外幅射 c 一般要求吸收率90 以上 反射率9 以下 d 材料为高硼硅玻璃 膨胀系数小于3 3 10 7 真空管太阳集热管又可分为几种 全玻璃真空管式改进型全玻璃真空管玻璃 金属真空集热管常用的为全玻璃真空管式 其优点 安全 节能 环保 经济 一 全玻璃真空管太阳能集热管 构造全玻璃真空管的构造由内玻璃管 太阳选择性吸收涂层 真空夹层 罩玻璃管 支承件 弹簧卡子 吸气剂等部分组成 原理 1 内玻璃管用来作为水的流动管道 2 氧化铜 黑镍 黑铬 黑锌 黑铜等太阳选择性吸收涂料 是通过采用真空沉积 溅射技术 电化学处理等工艺均匀地涂在内玻璃管的外表面 用来吸收太阳辐射能 3 将涂有选择性涂层的内玻璃管封入罩玻璃内 然后将内外玻璃管之间抽成线Pa的真空夹层 以减少由于空气对流和传导而引起的热损失 这与热水瓶的原理相似 4 全玻璃真空集热管采用单端开口设计 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 弹簧卡子就是用来将该圆头支承在罩玻璃管的内部端 使得内玻璃管吸收太阳辐射而温度升高时 玻璃圆头形成热膨胀的自由端 从而缓冲了热水器工作时引起真空集热管开口端部的热应力 5 真空管在受热后 原来被吸附在管壁上的微量气体 主要是水蒸气 会释放出来 影响真空度 吸气剂和吸气膜就是用来吸收这些被释放出来的气体 以保持集热管内的高真空 真空管材质要求 线 以下 热稳定性好 热膨胀系数低为3 3 10 6 耐热冲击性好 耐热温差大于200 有较高的机械强度 较好的抗化学腐蚀性能 具有良好的光学性能 透光率 0 89 真空管技术要求 材料采用硼硅玻璃3 3 空晒性能参数y 175m2 kW 当太阳辐照度G 800W m2 环境温度t在8 30 之间 闷晒到水温增加35 所需的太阳能曝辐量 3 8MJ m2 当太阳辐照度G 800W m2 环境温度t在8 30 之间 平均热损失系数 0 9W m2 线Pa 耐热冲击应能承受25 以下冷水和90 以上热水交替反复冲击3遍而不损坏 耐压冲击应能承受0 6Mp的压力 抗冰雹要求应在径向尺寸不大于25mm的冰雹袭击下不损坏 全玻璃真空管集热管制造工艺流程 真空的获得a 低真空的获得 一般采用旋片式机械泵 工作的原理是基于变容作用 用油来保持运动部件之间的密封 靠机械的办法 使某一密封空间的容积周期性地增大 抽气 缩小 排气 从而达到连续抽气和排气的目的 工作的范围为760 5 10 4托 b 高真空的获得 一般采用油蒸气扩散泵 工作的原理是泵油经电炉加热后 产生的油蒸气沿着泵芯导流管传输到上部各级喷嘴 蒸气流在喷嘴帽处改变方向 由于喷嘴处的咽喉缝截面积很小 于是油蒸气高速蒸气从喷嘴喷出 形成了定向运动的射流 若气体分子扩散到油蒸气射流区域 与油蒸气分子发生碰撞 便得到了与油蒸气相同的运动方向和速度 由于油蒸气流密度远大于被抽气体密度 只要使油蒸气流和泵壁之间保持相当角度 则气体分子大部分将被带到喷嘴下方 这样 气体分子被油气流逐级向下推送 压缩 最后由前级泵抽出系统 而油蒸气碰到冷泵壁后 被冷凝成液体 顺泵壁流回油锅继续循环使用 工作的范围为10 7 10 10托的极限真空 目前真空管的镀膜工艺有两种 渐变镀膜工艺和干涉镀膜工艺 过去常用的 晒乐 真空管就是采用渐变镀膜工艺 为真空管式太阳能热水器的推广和普及奠定了坚实的基础 皇明太阳能推出的干涉镀膜工艺是真空管的镀膜技术得到进一步的发展 吸收率更高 散热率更低 真空管镀膜技术 吸气剂 2 成分 1 类型 3 蒸散 蒸散型吸气剂 非蒸散型吸气剂 钡铝镍 钡钛 起蒸6S 总蒸12S 4 作用 a 在短时间内提高管内的真空度 有利于缩短排气时间 b 吸除封离后管内剩余气体及器件在工作时处于高温状态下各部件所放出的气体 c 吸除器件启动和反常工作时的突发性放气 以保证器件内良好的真空状态 延长使用寿命 提高器件可靠性 二 改进型全玻璃真空管 全玻璃真空管集热器在运行过程中 由于管内装水 若有一只管损坏 整个系统就要停止工作 为解决这个问题 可以在全玻璃真空管的基础上 采用两种方法进行改进 一种是将带有金属片的热管插入真空集热管中 使金属紧紧靠近在内玻璃管的表面 另一种是将带有金属片的U型插入真空集热管中 也使金属片紧紧靠在玻璃管的内表面 带金属片的全玻璃真空管集热管 这两种改进型的全玻璃真空管集热管在运行时由于管内没有水 不会因管破裂而影响系统的运行 提高了系统的可靠性 可以用于家用太阳能热水器或太阳能热水系统 虽然改进 但仍有不足在普通的全玻璃真空管内放置金属热管 其特点为 真空管内无水 玻璃管吸收到太阳热通过超导的金属热管传给水 但是 由于玻璃管与金属热管之间的传热热阻太大 使玻璃管上的吸热涂层老是处于高温工况下 同时抵消了由于真空管内无水而带来的热效率的提高 目前我国太阳能集热产品中 占绝对主导地位的全玻璃真空管集热器 在与建筑物的结合方面却存在一系列问题 运行安全问题 玻璃管直接与被加热流体接触 由于玻璃易碎易裂 极易造成系统瘫痪 密封可靠问题 玻璃管与金属容器的密封只能靠硅胶圈 其寿命及密封可靠性不能满足建筑行业需要 结垢清理问题 由于玻璃管是盲管形式 流体在玻璃管中的加热温度又恰恰在钙 镁离子易于氧化析出的范围 水垢沉积清理问题很难解决 承压运行问题 硅胶密封及玻璃的脆性都决定了系统不能承压运行 限制了承压式热水器及大型系统的应用 集热器寿命问题 玻璃管的绝热性能依赖真空夹层 真空度的保持年限无法达到建筑行业要求 以上这些问题 决定了全玻璃真空管很难建材化 也就是说 为了实现 太阳能与建筑一体化 我们必须开发研制不同于玻璃流道集热器的新型太阳能集热器 来全部或部分解决上述问题 这就是金属流道集热器概念的提出 三 玻璃 金属真空集热管 金属流道集热器 玻璃 金属真空集热管 就是被加热流体只接触金属管道或容器 不接触玻璃 从而具备了不易泄露 密封可靠 可承压 运行安全 寿命可满足建筑行业要求等特点的太阳能集热设备 金属流道集热器 玻璃 金属真空集热管 的种类主要有金属板芯平板集热器 热管 真空管集热器 U型管 真空管集热器 金属内胆的闷晒式集热器四大类 其中闷晒式集热器由于结构笨重 热水保温问题不易解决 目前应用较少 热管式线 玻璃 金属热管式真空集热管基本构造热管式真空管集热管是吸热体真空集热管的一种 它由热管 金属吸热板 玻璃管 金属封盖 弹簧支架 蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分组成 其中热管又包括蒸发段和冷凝段两部分 工作原理及优点 热管是一种高效导热元件 安装在全玻璃真空管中 热管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触的金属翅片 将玻璃管转换的太阳能热量传导给热管蒸发段 热管再利用内部真空状态下工质的蒸发吸热和放热冷凝 将这一热量传导到被加热流体中 这样既实现了玻璃管不直接接触被加热流体 解决了全玻璃真空管集热器的一系列缺点 又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少 加热工质温度高的优点 热管 真空管集热器的缺点 热管 真空管集热器的缺点是热量转换带来一定的热效率降低 同时有双真空结构所带来的结构复杂及造价高问题 当然结构复杂本身也极易导致装置的可靠性和寿命问题 目前无论国外还是国内太阳能行业所用热管 都还有很大改进空间 如能在制作及检验技术上更进一步 热管 真空管集热器将是一种非常有前途的集热器形式 热管 真空管集热器有封装式和插入式两种 前者的问题是造价高和真空度降低快 后者的问题是转换效率低 2 U型管 真空管集热管 U型管 真空管集热器是在全玻璃真空管中插入弯成U型的金属管 在U型金属管和全玻璃真空管之间 同样有与二者均紧密接触的金属翅片 担负二者之间的热传导工作 被加热流体在金属管中流过 吸收全玻璃真空管收集的太阳能热量而被加热 从而构成U型管 真空管太阳能集热器 U型管 真空管集热管的特点 U型管 真空管集热管和热管 真空管集热管一样 既实现了玻璃管不直接接触被加热流体 又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少 加热工质温度高的特点 同时还避免了热管 真空管集热器双真空结构带来的一系列问题 同时由于被加热流体是在玻璃管中被加热 热量转换得更直接 整体效率也高于热管 真空管集热器 它采用防冻工质用蒸馏水调配 能在零下50度不上冻 很好地解决了上冻炸管的问题 适合我国大部分地区使用 推广性很强 是目前比较成熟的产品 二 真空管太阳集热器 主讲人 杨婧田园 在实际使用中 往往要把多支真空集热管通过一定的连接方式与联集管组成集热器模块 采取自然循环或强制循环的方式取出热量 真空管型太阳能热管集热器主要包括集热部分 传热部分 换热部分和边框尾架部分 集热部分主要包括真空管 翅片 加强集热能力 又叫铝翼 及防止真空管口散热的隔热塞 翅片 翅片置于真空管内管腔中的 主要作用是加强管腔内的热量向热管的传导 一般是铝合金材质 值得注意的是翅片与热管配合的圆槽精度要高 而且要做成收口的 否则热管容易从圆槽脱出 隔热塞 隔热塞就象暖瓶塞 防止真空管内的热量散失 其上留有很小的排气孔 以防止管内空气高温膨胀压强增加胀破真空管 其制作材质有软木 木屑压制 硅胶 硅胶与不锈钢组合等 传热部分 传热部分一般是指重力热管 其基本特性是 1 很高的导热性 2 优良的等温性 3 热流密度可变性 4 热流方向的可逆性 5 恒温特性 可控热管 6 环境的适应性 联集管结构 换热部分主要是指集热器的联集管 它包括流道 保温层 也叫隔热体 外壳 端盖 流道由干管和套管组成 热管的大头插入套管进行换热 而且插装前应在热管的大头涂装导热硅脂 以增加热传导效果 热量通过导热硅脂膜传到套管内壁再传到外壁 从而加热干管腔内的流动介质 流道的阻力特性及介质的运动特性是太阳能集热器设计的重要依据 套管与热管的配合精度要非常高 试验表明 相同型号的太阳能集热器涂装导热硅脂的瞬时效率要比没涂装的提高约1 联集管型材选择 联集管的外壳多采用铝型材 它可根据设计者的思想设计成各种造型 但除了考虑保温层的均匀性外 还要注意型材的最大对角线mm 否则铝型材厂家挤制型材将比较困难 铝型材的表面处理主要有氧化 电泳 喷塑 烤漆等几种方法 端盖制作型材也多种多样 有尼龙塑料 铸铝 金属板冲压等 保温层 保温层在国内有用聚氨脂的也有用玻璃棉模块的 在国外多数用后者 聚氨脂泡沫塑料是用聚醚与多异氰酸脂为主要原料 再加入阻燃剂 稳泡剂和发泡剂等 经混合搅拌 化学反应而成的一种微孔发泡体 其导热系数一般在0 016W m 0 055W m 使用温度在 100 100 C 试验表明聚氨脂发泡密度在40kg m3时 闭孔率高达97 保温性能最好 尾架 边框尾架部分包括太阳能集热器的边框 拉杆 托架和护托 主要起连接 加固和调节的作用 需要说明的是太阳能集热器的护托不同于普通紧凑式太阳能热水器的护托 一定要设计成可调式的 因为太阳能集热器对真空管的窜动量要求较严 必须用可调式护托调节 一般窜动量应在3mm 5mm之间 目前市面上全玻璃真空管太阳集热器主要有三大系列产品 分别是 普通型全玻璃真空管太阳集热器 热管式
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