真空管太阳能热水器ppt课件

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。
吸气剂
4.作用： 1.类型 蒸散型吸气剂 非蒸散型吸气剂 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。
环形封口 端退火
罩玻璃管与吸热管开 口端环形熔封
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。
热管式真空管
（1）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。
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。

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。

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。
（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
（2）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：
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。

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。
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。
2.成分
钡铝镍
钡钛
3.蒸散
起蒸 6S
总蒸 12S
（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。
真空管材质要求：
真空管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量 5%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：
①材料采用硼硅玻璃3.3； ②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） ③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） ④平均热损失系数≤0.9W/ m2•℃ ⑤真空度≤5×10-2Pa； ⑥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； ⑦耐压冲击应能承受0.6Mp的压力； ⑧抗冰雹要求应在径向尺寸不大于25mm的冰雹 袭击下不损坏。


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真空，形成真空度为 0.05Pa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 线达400条。
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；
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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 最大对角线不宜超过170mm，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。
全玻璃真空管集热管制造工艺流程
罩玻璃管切齐 内玻璃管切齐 一端烧圆头 一端烧圆头 接排气嘴 退火 退火 清洗烘干 清洗烘干 内玻璃管外表面沉积 太阳选择性吸收涂层
弹簧卡子清洗 烘干 吸气剂
点焊成形 装配点焊 点焊
罩玻璃管、吸热管和 带吸气剂的卡子组装
小碟
装箱
检验
蒸散吸 气剂
封离排 气嘴
真空烘 烤排气

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。
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%。