[科普中國(guó)]-真空管集熱器

簡(jiǎn)介

真空管太陽集熱器是在平板型太陽集熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型太陽能集熱裝置2。構(gòu)成這種集熱器的核心部件是真空管,它主要由內(nèi)部的吸熱體和外層的玻璃管所組成。吸熱體表面通過各種方式沉積有光譜選擇性吸收涂層。由于吸熱體與玻璃管之間的夾層保持高真空度,可有效地抑制真空管內(nèi)空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流熱損失;再由于選擇性吸收涂層具有低的紅外發(fā)射率,可明顯地降低吸熱板的輻射熱損失。這些都使真空管集熱器可以最大限度地利用太陽能,即使在高工作溫度和低環(huán)境溫度的條件下仍具有優(yōu)良的熱性能。

按吸熱體的材料分類,有玻璃吸熱體真空管(或稱全玻璃真空管)和金屬吸熱體真空管(或稱玻璃—金屬真空管)兩大類。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀全玻璃真空管在國(guó)外發(fā)展得較早。1979年我國(guó)引進(jìn)樣品后,清華大學(xué)首先研制出我國(guó)的全玻璃真空管,并且逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前,全國(guó)已有40—50家企業(yè)能夠生產(chǎn)全玻璃真空管,這對(duì)于我國(guó)太陽能行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。金屬吸熱體真空管是國(guó)際上隨后發(fā)展起來的新一代真空管,它又可劃分為多種形式。熱管式真空管就是其中一種,北京太陽能研究所自1986年起開始開發(fā)。盡管金屬吸熱體真空管有各種不同的形式,但無論哪種形式,由于吸熱體采用金屬材料,而且真空管之間也都用金屬件連接,所以用這些真空管組成的集熱器具有以下共同的優(yōu)點(diǎn):

(1)工作溫度高。最高運(yùn)行溫度超過100℃ ,有的型式甚至可高達(dá)300—400℃ ,使之成為太陽能中、高溫利用必不可少的集熱部件。

(2)承壓能力大。真空管及其系統(tǒng)都能承受自來水或循環(huán)泵的壓力,多數(shù)集熱器還可用于產(chǎn)生106Pa以上的熱水甚至高壓蒸汽。

(3)耐熱沖擊性能好。即使用戶偶然誤操作,對(duì)空曬的集熱器系統(tǒng)立即注入冷水,真空管也不會(huì)因此而炸裂。

正由于金屬吸熱體真空管具有其它真空管無可比擬的諸多優(yōu)點(diǎn),世界各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研制出各種形式的真空管,如熱管式、同心套管式、U型管式、儲(chǔ)熱式、直通式、內(nèi)聚光式等等,以滿足不同場(chǎng)合的需求,擴(kuò)大了太陽能的應(yīng)用范圍,成為當(dāng)今世界真空管集熱器發(fā)展的重要方向。

真空管集熱器的傳熱分析真空管太陽能集熱器可以吸收太陽能輻射熱量中的兩種能量：一種是太陽能直接輻射熱量；另一種是太陽能散射輻射熱量3。

首先太陽光照射到真空管的外壁面上，熱量一部分被真空管壁吸收，一部分被反射到天空中，剩下一部分繼續(xù)照射到真空管內(nèi)壁面上J真空管內(nèi)壁表面涂有吸熱材料，該材料具有高吸收率低發(fā)射率的特點(diǎn)，最大限度的吸收太陽熱量。陽光中的太陽輻射熱量通過直接輻射與散射輻射加熱柱形真空管內(nèi)壁集熱板，柱形集熱板的溫度升高后，熱量向兩側(cè)擴(kuò)散，一側(cè)通過輻射損失與對(duì)流損失向管壁擴(kuò)散；另一側(cè)通過輻射加熱與對(duì)流加熱的方式向不銹鋼承壓內(nèi)膽擴(kuò)散。承壓內(nèi)膽受到加熱后管壁溫度升高，然后以對(duì)流的形式加熱大管內(nèi)的介質(zhì)。

全玻璃真空管太陽能集熱器組成與原理全玻璃真空管太陽集熱器是在平板型太陽集熱器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型太陽能集熱裝置4。全玻璃真空管太陽集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管,它采用了真空技術(shù),消除了氣體的對(duì)流與傳導(dǎo)熱損,并應(yīng)用選擇性吸收涂層,使真空集熱管的輻射熱損降到最低,這樣真空管太陽集熱器可以在中高溫下運(yùn)行,也能在寒冷地區(qū)的冬季及低日照與天氣多變地區(qū)運(yùn)行,擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。它像一個(gè)拉長(zhǎng)變細(xì)的暖水瓶膽,由兩根同軸圓玻璃管組成,內(nèi)、罩玻璃管間抽成真空,太陽選擇性吸收表面(涂層)沉積在內(nèi)管的外表面構(gòu)成吸熱體,將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的傳熱流體。全玻璃真空太陽集熱管通常采用單端開口的形式,在一端將內(nèi)、罩玻璃管環(huán)形熔封在一起。真空集熱器內(nèi)裝有吸氣劑。

優(yōu)點(diǎn)這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)是:

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、可靠性強(qiáng);

(2)集熱效率高,保溫性能好;

(3)可以在中高溫下運(yùn)行,也能在寒冷地區(qū)的冬季運(yùn)行;

(4)使用壽命長(zhǎng),一年四季都可使用。

缺點(diǎn)缺點(diǎn):

(1)管內(nèi)存水過多,管內(nèi)水溫上升緩慢,而且對(duì)于真空管南北放置的熱水裝置,管中的熱水無法全部取出,致使系統(tǒng)熱水利用率降低;

(2)不能承壓,易在玻璃管內(nèi)結(jié)垢,管子易炸裂。

熱管真空管式太陽能集熱器組成與原理80年代以來,國(guó)內(nèi)外越來越重視熱管式真空管集熱器的研究,它是一種新型的太陽能集熱裝置5。太陽輻射穿過真空管玻璃外殼,投射在金屬吸熱板上,吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì)汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后,通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì),而自身又凝結(jié)成液體,依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán),使集熱管內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。與此同時(shí),被加熱的吸熱板和集熱管則不可避免地經(jīng)由各種途徑向周圍環(huán)境散失一部分熱量。由于運(yùn)用了真空技術(shù),大幅度降低了集熱器的熱損失,因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運(yùn)行條件下仍具有良好的熱性能,同時(shí)運(yùn)用了熱管技術(shù),被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管,因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較,熱管式真空集熱器除了工作溫度高,承壓能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn),還有其顯著特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)這種集熱器的優(yōu)點(diǎn):

(1)耐冰凍:熱管由特殊的材料和工藝保證,即使在冬季長(zhǎng)時(shí)間無晴天及夜間的嚴(yán)寒條件下,真空管也不會(huì)凍裂;

(2)啟動(dòng)快:熱管的熱容量很小,受熱后立即啟動(dòng),因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量,而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱;

(3)保溫好:熱管具有單向傳熱的特點(diǎn),即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴?而夜間被加熱水的熱量不會(huì)沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境;

(4)安裝維修方便:安裝方便,操作簡(jiǎn)單,易于固定,運(yùn)行可靠;

(5)特別適用集中供熱及全玻璃真空集熱管產(chǎn)品不適用的高寒地區(qū)。

缺點(diǎn)(1)生產(chǎn)成本高;

(2)技術(shù)要求高。

真空管分類熱管式真空管熱管式真空管主要由熱管、吸熱板、玻璃管等幾部分組成。太陽光穿過玻璃管投射在吸熱板上,吸熱板吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)換為熱能,加熱熱管內(nèi)的工質(zhì),使其汽化并將熱量傳送到熱管的頂端,加熱傳熱介質(zhì)(通常是水),同時(shí)使工質(zhì)凝結(jié),流回?zé)峁艿南露?加熱端),如此不斷循環(huán)。安裝時(shí),真空管與地面應(yīng)有10°以上的傾角6。

熱管式真空管除了具有工作溫度高、承壓能力大和耐熱沖擊性能好等金屬吸熱體真空管共同的優(yōu)點(diǎn)外,還有其顯著的特點(diǎn):

(1)耐冰凍熱管由特殊的材料和工藝保證,即使在冬季長(zhǎng)時(shí)間無晴天及夜間的嚴(yán)寒條件下,真空管也不會(huì)凍裂。

(2)啟動(dòng)快熱管的熱容量很小,受熱后立即啟動(dòng),因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量,而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。

(3)保溫好熱管具有單向傳熱的特點(diǎn),即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴?而夜間被加熱水的熱量不會(huì)沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。這一特性稱為熱管的“熱二極管效應(yīng)”。

同心套管式真空管同心套管式真空管(或稱直流式真空管)的外形跟熱管式真空管較為相似,只是在熱管的位置上用兩根內(nèi)外相套的金屬管代替。工作時(shí),冷水從內(nèi)管進(jìn)入真空管,被吸熱板加熱后,熱水通過外管流出。

水平安裝在屋頂上,通過轉(zhuǎn)動(dòng)真空管而將吸熱板與水平方向的夾角調(diào)整到所需要的數(shù)值,這樣既可簡(jiǎn)化集熱器支架,又可避免集熱器影響建筑外觀。

目前,德國(guó)Prinz公司和北京桑達(dá)公司都生產(chǎn)直流式真空管。兩家都采用玻璃—金屬熱壓封技術(shù),不過Prinz采用電鍍黑鉻涂層,而桑達(dá)采用磁控濺射鋁-氮-氧涂層。另外,桑達(dá)真空管與集管之間的連接比較簡(jiǎn)單、可靠。

U形管式真空管國(guó)外有些文獻(xiàn)將同心套管式真空管和U形管式真空管統(tǒng)稱為直流式真空管,因?yàn)閮烧叩墓ぷ髟硗耆粯?只是前者的冷、熱水從內(nèi)、外管進(jìn)出,而后者的冷、熱水從兩根平行管進(jìn)出(見圖3)。

這種真空管的主要特點(diǎn)除了熱效率高、可水平安裝之外,真空管與集管之間的連接要比同心套管式簡(jiǎn)單。

儲(chǔ)熱式真空管儲(chǔ)熱式真空管主要由吸熱管、玻璃管和內(nèi)插管等部件組成。吸熱管內(nèi)貯存水,外表面有選擇性吸收涂層。白天,太陽輻射能被吸熱管轉(zhuǎn)換成熱能后,直接用于加熱管內(nèi)的水;使用時(shí),冷水通過內(nèi)插管漸漸注入,并將熱水從吸熱管頂出;夜間,由于有真空隔熱,吸熱管內(nèi)的熱水溫降很慢。

儲(chǔ)熱式真空管組成的系統(tǒng)有以下特點(diǎn):

(1)不需要貯水箱真空管本身既是集熱器又是貯水箱,因而儲(chǔ)熱式真空管組成的熱水器也可稱為真空悶曬式熱水器,不需要附加的貯水箱。

(2)使用方便打開自來水龍頭后,熱水可立即放出,所以特別適合于家用熱水器。

直通式真空管這種真空管主要由吸熱管和玻璃管兩部分組成。吸熱管表面有高溫選擇性吸收涂層。傳熱介質(zhì)由吸熱管的一端流入,經(jīng)太陽輻射能加熱后,從另一端流出,故稱為直通式。由于金屬吸熱管和玻璃管之間的兩端都需要封接,因而必須藉助于波紋管過渡,以補(bǔ)償金屬吸熱管的熱脹冷縮。

直通式真空管的主要特點(diǎn)是:

(1)運(yùn)行溫度高可將真空管與聚光反射鏡結(jié)合,組成聚焦型太陽集熱器,能達(dá)到很高的運(yùn)行溫度(300-400℃)。

(2)易于組裝由于傳熱介質(zhì)從兩端分別進(jìn)出,因而便于真空管串聯(lián)連接。

內(nèi)聚光式真空管這種真空管本身就是一種低聚光的聚焦型集熱器,不過聚光反射鏡是在真空管里面,故稱為內(nèi)聚光式真空管。國(guó)外有的文獻(xiàn)將它稱之為復(fù)合鏡式(cuspmirror)真空管。它主要由復(fù)合拋物柱面反射鏡、吸熱體和玻璃管等幾部分組成。吸熱體通常是熱管,也可是同心套管,其表面有高溫選擇性吸收涂層。平行的太陽光無論從什么方向穿過玻璃管,都被復(fù)合拋物柱面鏡反射到位于焦線處的吸熱體上,然后按熱管式真空管或同心套管式真空管的原理運(yùn)行。

內(nèi)聚光式真空管的主要特點(diǎn)是:

(1)運(yùn)行溫度較高復(fù)合拋物柱面鏡的聚光比一般為3—5,運(yùn)行溫度可達(dá)150℃以上。

(2)不需要跟蹤系統(tǒng)這是由復(fù)合拋物柱面鏡的光學(xué)特征所決定的,因而避免了復(fù)雜的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。