真空管太阳集热器

三、真空管太阳集热器

平板型集热器的吸热板在吸收太阳辐射能并将其转换成热能后，一方面加热传热工质，一方面不可避免的通过传导、对流、辐射方式向环境散热，为减少以上三种热损方式，有人提出“真空集热器”设想，即将吸热体与透明盖板之间的空间抽成真空，基于这种概念设计的集热器即为真空集热器。用真空管集热器布局组成的热水器工程即为真空管热水工程。

早期的真空集热器是将平板吸热器与透明盖板之间的空间抽成真空。但问题是：平板的透明盖板难以承受外部压力，如2m²平板型真空集热器，外部将有200kg左右外力，需采用足够强度的钢化玻璃；另一方面盒状集热器很难抽真空，连接处气密性不够。因此从受力情况及密封工艺两个角度出发，将太阳能集热器做成圆管状是很科学，并且也是完全可以实现的。按照吸热体的材料种类，真空管集热器可分为全玻璃真空管集热器和金属吸热体真空管集热器。

1.全玻璃真空管集热器

全玻璃真空管集热器由内玻璃管，外玻璃管，选择性吸收涂层，弹簧支架，消气剂组成，如图7-6所示，其形状犹如一只细长的暖水瓶胆。全玻璃真空管采用一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的一端管口进行环状熔封，另一端都封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑，且可自由伸缩，以缓冲热胀冷缩的应力；内玻璃管和内玻璃管之间的夹层抽成高真空。内玻璃管外表面涂有选择性吸收涂层，一般用磁控溅射工艺，要求有高的太阳吸收比，低的发射率。弹簧支架上装有消气剂，在蒸散以后用于吸收真空管内运行时候产生的气体，以保持管内真空度。消气剂一般是将钛—钡消气剂蒸散在抽真空封口一端的外玻璃管内表面上，像镜面一样，能在真空管运行时吸收管内释放出的微量气体，以保持管内真空度，一旦银色镜面消失，则说明真空度遭到破坏。

图7-6　全玻璃真空管集热器结构示意图

1-内玻璃管；2-外玻璃管；3-选择性吸收涂层；4-真空；5-弹簧支架；6-消气剂

尽管全玻璃真空集热管有许多优点，但由于管内装水，在运行过程中若有一只管破损，整个系统就要停止工作。为了弥补这个缺陷，可以采用两种方法进行改进：一为插入带有金属片的热管，金属片紧贴内玻璃管内表面，见图7-7（a）；另一为插入带有金属片的U型管，也使金属片紧贴内玻璃管内表面，见图7-7（b）。这两种改进型的全玻璃真空集热管由于管内无水，不会发生由于一只破损而影响系统的运行，因此提高了可靠性。

图7-7　两种改进型的全玻璃真空集热管

2.热管式真空管集热器

热管式真空管集热器属于金属吸热体真空管集热器中最具代表性的产品。热管式真空管集热管结构则是由热管、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构成，如图7-8所示。

热管有冷凝段和蒸发段，工作时，太阳辐射穿过玻璃管后透射在金属吸热板上，吸热板吸收辐射热转化为热能，并传导给紧密结合在吸热板上的热管，使热管蒸发段内工质迅速气化。工质蒸气上升到热管冷凝段后，在较冷的内表面上凝结，释放出蒸发潜热，将热量传给集热器的传热工质，凝结后的液态工质依靠自身的重力回流到蒸发段，循环往复。

图7-8　热管式真空集热器热管结构示意图

1-热管冷凝段；2-金属封盖；3-玻璃管；4-金属吸热板；5-热管蒸发段；6-弹簧支架；7-离散型消气剂；8-非离散型消气剂

热管是热管式真空管集热器的核心部件，是利用汽化潜热高效传热的强化传热元件，一般使用的热管为重力热管，也称热虹吸管，即冷凝后液体靠自身重力流回，因此结构简单，制造方便，工作可靠，传热性能优良。热管技术的优点有：①集热管内无水，则耐冰冻，-40℃以下可使用；②热管工质热容量小，启动快；③热量传递只能从下至上，称热二极管。一般采用铜—水热管，国外也有用有机物质做热管工质的。

热管式真空管集热器由热管式真空管集热管、导热块、连集管、隔热材料、保温盒、支架、套管等部分组成，如图7-9所示。工作时，每只集热器都将热能传给吸热板中热管，热管中的工质通过汽化、凝结的无数次过程，将热量从冷管冷凝段释放出去。即若干根集热管连续不断加热工质，直至达到使用目的。热管式真空管集热器属于干性连接，特别适合大中型太阳热水工程。

图7-9　热管式真空管集热器结构示意图

1-真空集热管；2-连集管；3-导热块；4-隔热材料；5-保温盒；6-套管；7-支架

3.其他形式金属吸热体真空管集热器

金属吸热体真空管集热器是国际上随后发展起来的新一代真空管集热器，前面介绍的热管式真空管集热器就是其中的一种。尽管金属吸热体真空管集热器各有不同的形式，但是都有一个共性，即吸热体都用金属材料，而且真空接热管之间也采用金属件连接。

金属吸热体真空管集热器的优点：运行温度高，所有集热器运行稳定可到70~120℃，有的集热器可达300~400℃，使之成为高温利用中不可缺少的部件；承压能力高，多数集热器还可以产生10⁶ Pa以上的热水甚至高压蒸汽；耐冲击性好，能承受急剧的冷热变化，即使对空晒的集热器系统突然注入冷水，真空集热管也不会因此炸裂。金属吸热体真空管集热器形式多样，如同心套管式、U形管式、储热式、内聚光式、直通式等，其结构图7-10、图7-11、图7-12等所示。

图7-10　同心套管式真空集热管示意图

1-同心套管；2-吸热板；3-玻璃

图7-11　 U形管式真空集热管示意图

1-U形管；2-吸热板；3-玻璃管

图7-12　储热式真空集热管示意图

1-吸热管；2-内插管；3-玻璃管