Shandong Xuneng New Energy Technology Co., Ltd.
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(guò)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。
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(guò)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(guò)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)
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(wèn)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)。
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(guò)測(cè)試,通過(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)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)。
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(guò)防凍液循環(huán)將通過(guò)鋁翼傳遞過(guò)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(guò)鋁翼傳遞過(guò)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(guò)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(guò)翅片傳遞過(guò)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(guò)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(wèn)題。但由于采用了過(guò)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(wèn)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(wèn)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?;诖耍?/span>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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)題是在使用過(guò)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(wèn)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(wèn)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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