全玻璃真空太阳集热管真空度测量及残气分析

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通过在新生产的集热管外壁上接真空计的方
式 ,测得新制集热管夹层真空度为 10 - 3 Pa 量级 ; 集
热管外玻璃管内径 01433m ,内玻璃管外径 01373m ;
集热管长度 1150m。集热管夹层体积 V2 为 :
V2
=
115
×π 4
(014332
-
013732 )
= 517
×10 - 4 m3
注 :新管为出厂 48h 内的集热管 ; 老管为正常工作 12a 的 集热管 。
212 残气分析 开管过程前后四极质谱计扫描得到的谱图如图
4 所示 ,图中曲线剧烈变化部分显示了开管前后各 质量数处分压强的变化情况 。图 5 、图ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ6 为柱状谱 图 ,是开管前后的全谱图 。
对残余气体成份的分析基于质谱学知识 ,残余 气体主峰 、碎片峰强度之间对固定的四极质谱计存 在固定的比例关系即图形系数 。借助于已校准四极 质谱计提供的图形系数和质谱图中各峰的数据 ,可
采用橡胶圈密封的方式将集热管与开管装置相 连 ,并最终连接到四极质谱定量分析系统 。开启调 节前端为硬质合金头 ,用来破坏经表面处理的集热 管外壁 ;支撑调节用保证开管过程中集热管水平位 置稳定 ,防止操作开启调节时集热管水平位置变化 影响接口部位橡胶圈的密封性 ;观察窗用于观察实 验中集热管外壁碎裂情况 ,实验后也可拆除观察窗 , 清除开管装置内的玻璃碎片 。
编
开管前系
说明 长度Πm 统压强
号
ΠPa
开管后系 统压强 ΠPa
管内真空 度ΠPa
01 新管 014 312 ×10 - 4 311 ×10 - 3 5136 ×10 - 2
02 新管 115 510 ×10 - 4 919 ×10 - 4 3119 ×10 - 3
03 老管 112 313 ×10 - 4 715 ×10 - 3 4167 ×10 - 2
主真空室全部由 1Cr18Ni9Ti 不锈钢制成 ,内表 面喷砂处理 ,可高温下长期烘烤 ,以降低表面出气 ; 其直径 Φ = 0125m ,高 H = 013m ,体积约为 01015m3 ; 主真空室下部通过 CF2150 法兰与排气装置相连 ,周 围与顶部有 6 个超高真空 (UHV) 金属法兰 ,以 CF235 国际标准法兰为主 ,并有 CF216 ,CF263 ,CF2100 等国 际标准法兰及专用法兰 , 以便连接多种规格的装 置 。
图 1 集热管开管装置 Fig11 The opener for all2glass evacuated collector tube
收稿日期 : 2005204220 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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太 阳 能 学 报
27 卷
表 2 各质量数的分压强 Talbe 2 The partial pressure of specified mass
足理想气体状态方程 。
质量数 分压强 P1 (开 分压强最高 在集热管中得分
(amu)
管前) ΠPa
值 P2ΠPa
压强 P0ΠPa
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太 阳 能 学 报
27 卷
1 实 验
111 开管装置 集热管因其尺寸和材料的特殊性 ,进行残气分
析时很难将其完全放入真空系统中 ,并不能轻易的 击破外壁 。如何将集热管与真空系统相连接 ,并击 破外壁是实验中面临的两大问题 。设计的开管装置 妥善的解决了上述问题 ,开管装置的结构图如图 1 。
开管装置上设计了旁通装置 。当集热管夹层真 空度太差以至开管后影响四极质谱计及真空计正常 工作时 ,开启微调阀管路 ,使气体缓慢进入四极质谱 定量分析系统 ,保证检测装置正常工作 。 112 四极质谱定量分析系统
四极质谱定量分析系统包括主真空室 、排气系 统 、从大气压到超高真空的进样系统 、四极质谱计 。
将全玻璃真空太阳集热管打破 , 使用 PHI2610 型扫描俄歇电子微探针仪对具有钡蒸散吸气膜的玻 璃碎片样品进行分析 ,如图 5 所示 。结果表明在膜 内仅存在钡及氧 。
2 结果及分析
211 真空度测试与计算
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12 期
董光军等 :全玻璃真空太阳集热管真空度测量及残气分析
系统示意图如图 2 。
图 2 四极质谱定量分析系统 Fig12 Quadrupole mass spectrum quantitative analysis system
113 实验步骤 实验系统实物图如图 3 。
图 3 实验系统 Fig13 Experiment system
单独工作时 ,四极质谱定量分析系统经 4h 烘烤 除气 (200 ℃烘烤除气) ,极限真空达到 10 - 7 Pa 量级 。 接开管装置后 ,受橡胶圈密封性限制 ,系统极限真空 只能达到 10 - 4 Pa 量级 。
图 6 集热管开管后真空系统全谱图 Fig16 Mass spectrum of the vacuum system
after opening the tube
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首先对集热管外表面开管部位进行打磨 ,处理 后开管部位壁厚约为 017mm (原壁厚 215mm) ,然后 将集热管装入开管装置 。整个系统经过 4h 烘烤除 气 ,冷却后开始实验 。旋动支撑调节和开管调节对 集热管进行开管 ,集热管真空夹层中的残余气体通 过开管后的小孔进入四极质谱定量分析系统 。使用 四极质谱计记录系统内压强以及气体成份的变化情 况 ,根据实验数据 ,计算分析集热管真空夹层内的真 空度以及残余气体成份情况 。
(清华大学电子工程系 , 北京 100084)
摘 要 : 全玻璃真空太阳集热管是接收太阳光能并转化为热能的关键部件 。将集热管开管装置与四极质谱定量 分析系统相连接 ,对新生产的 、生产后存放一段时间的以及正常使用 12a 的全玻璃真空太阳集热管进行开管实验分 析 。计算 、分析了集热管中的真空度以及残余气体成份 ,并对残余气体来源进行了分析 。 关键词 : 全玻璃太阳真空集热管 ;真空测量 ;残余气体 中图分类号 : TB611 文献标识码 : A
第 27 卷 第 12 期 2006 年 12 月
文章编号 : 025420096( 2006) 1221235206
太 阳 能 学 报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol127 , No112
Dec. ,2006
全玻璃真空太阳集热管真空度测量及残气分析
董光军 , 朱秀珍 , 周小雯 , 殷志强
40
2140 ×10 - 11 9160 ×10 - 10
5106 ×10 - 9
44
5110 ×10 - 11 3120 ×10 - 9
1170 ×10 - 8
51
1120 ×10 - 11 6110 ×10 - 11
2175 ×10 - 10
53
8140 ×10 - 12 2100 ×10 - 11
0 引 言
全玻璃太阳真空集热管 (以下简称集热管) 自 20 世纪 70 年代中期研制并建成生产线[1] 以来 , 工 艺 、规格不断发展 、完善 , 性能不断提高 , 寿命逐 渐延长 。一般采取集热管外壁接真空计盲管的方式
来测量夹层真空度 , 对于正常使用的集热管不能直 接测量其真空度 , 也无法对夹层内残余气体进行分 析 。研究的目的是建立新型的开管装置 , 寻求适合 的测量手段和方法 , 以便对新生产的集热管甚至已 持续工作十几年的集热管检测夹层真空度并进行残 气分析 。
P1 ×V1 + P2 ×V2 = P3 ×( V1 + V2 ) 计算集热管夹层的真空度 。
实验中对清华阳光公司生产的各种规格及已使
用 12a 的集热管进行了检测计算 ,计算结果如表 1 。
表 1 集热管真空度情况 Table 1 The pressure inside the collector tubes
分析残余气体的成份 ,并半定量计算各成份所占的 比例[2] 。
图 4 指定质量数的谱图 Fig14 The diagrams at specified mass
图 5 集热管开管前真空系统全谱图 Fig15 Mass spectrum of the vacuum system
before opening the tube
22
4110 ×10 - 11 4140 ×10 - 11
5171 ×10 - 11
28
3160 ×10 - 8 4150 ×10 - 8
8144 ×10 - 8
30
6180 ×10 - 11 1190 ×10 - 9
9192 ×10 - 9
32
5190 ×10 - 9 5150 ×10 - 9
3175 ×10 - 9
图 7 蒸散吸气膜的俄歇分析 Fig17 Auger analysis of flashed getter film
不同规格和使用多年的集热管残气成份及所占 比例如表 3 。
结合实验数据及集热管的生产过程 ,可以分析 真空夹层残余气体的来源 。同时实验中为了验证理 论分析 ,对特制的集热管也进行了对比实验 。 213 吸气剂膜的俄歇分析
= 5169
×10 -
6 m3Πs
小孔两侧压强差为 10 - 4 Pa 量级 。 通过小孔抽走的气体量 : Q = C·Δ P