全自動太陽能重力熱管真空灌裝系統(tǒng)的設(shè)計

■ 張忠華 張建群 張波 安志良 劉群

（1.北京外國語大學信息技術(shù)中心；2.首鋼工學院計算機系；3.?？祫?chuàng)業(yè)(北京)科技有限公司）

一 引言

熱管自1964年發(fā)明問世以來，近有50年的歷史，但其作為一種傳熱技術(shù)的應(yīng)用目前還處于研究階段。由于熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力，與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。因此，熱管技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空、軍工、石油、化工、太陽能、冶金等諸多領(lǐng)域。

由于以全玻璃真空管式太陽能熱水器為代表的傳統(tǒng)太陽能熱水器具有安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點，但存在體積較龐大、玻璃管易碎、管中易集結(jié)水垢、不能承壓運行等諸多不足。所以，近年來太陽能熱管熱水器開始流行。太陽能熱管熱水器主要是指太陽能重力熱管熱水器，太陽能重力熱管對于太陽能熱水器的各項品質(zhì)有著很好的改善和提高，太陽能重力熱管熱水器的利用率正在逐年提高。在太陽能重力熱管熱水器的制造過程中，其熱管真空灌注技術(shù)是關(guān)鍵，而目前主要是采用手動灌注技術(shù)，但手動式太陽能重力真空灌注技術(shù)的生產(chǎn)效率較低、工質(zhì)灌注精度不夠高、熱管的壽命和熱利用效果有待進一步提高。本文設(shè)計了一種全自動熱管真空灌注系統(tǒng)來改善這些不足，它對太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

二 重力熱管工作原理

重力熱管工作原理圖如圖1所示，在密閉的管內(nèi)先抽成真空，在此狀態(tài)下充入適量的工質(zhì)液體，在熱管的下端加熱，工質(zhì)液體吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下上升到熱管的上端，并向外界釋放熱量凝結(jié)成液體，冷凝液在重力的作用下沿熱管內(nèi)壁返回受熱段并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復連續(xù)不斷地將熱量由一端傳向另一端。其主要特點為：熱管的熱導系數(shù)是普通金屬的100倍以上，傳熱效率極高；同時，熱管的結(jié)構(gòu)簡單，并具有單向?qū)岬奶攸c。

太陽能重力熱管熱水器正是利用重力熱管的原理使得熱水器的熱利用率等各項性能得到較大的改善。

三 全自動系統(tǒng)的技術(shù)難點和本設(shè)計可達到的指標

1 技術(shù)難點

設(shè)計全自動太陽能重力熱管真空灌注系統(tǒng)的主要技術(shù)難點是在高真空環(huán)境下，將工質(zhì)液精確注入熱管內(nèi)并將管口封嚴，其過程要求全自動、灌液精度高、生產(chǎn)效率高。

2 達到的指標

經(jīng)過巧妙構(gòu)思、反復試驗，我們設(shè)計出獨創(chuàng)的高真空、帶千分尺精確定量的集成灌注系統(tǒng)，該系統(tǒng)集計量、抽真空、預灌、灌液、吹殘液等多功能于一體，其灌液精度為±0.2mL。該全自動系統(tǒng)使設(shè)備操作變得更加簡單、方便和可靠，生產(chǎn)效率得到很大提高。

該設(shè)計選用無油分子泵系統(tǒng)，真空度可達到8×10-4Pa，采用該設(shè)計生產(chǎn)的熱水器重力熱管，可達到用戶予定指標，熱管底部尾管40mm插入70℃水中3s，2m長的熱管頂端溫度達到60℃，傳熱效率高，熱均溫性好。

四 提高太陽能重力熱管灌注精度的設(shè)計

根據(jù)近幾年來對熱管液體工質(zhì)灌裝的調(diào)研，目前熱管工質(zhì)主要采用沸騰法和針管注射法，這兩種灌裝方式的精度都較低，而且重復性較差，基本精度只能達到±1mL。

我們經(jīng)過多次設(shè)計、改進，將灌液過程中的預灌、計量、灌液動作設(shè)計成一個高精度組合閥門，利用該組合閥來實現(xiàn)預抽真空、預灌液、灌液量精確調(diào)節(jié)、灌液、灌液后高壓吹殘液等功能，該組合閥具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖2所示。由于采用千分尺原理，因此，每旋轉(zhuǎn)一圈，預灌區(qū)容積變化1mL，而每圈有50個刻度，如此可精確控制到每轉(zhuǎn)動一個刻度，預灌區(qū)容積變化0.02mL，考慮到其他加工精度的影響，灌液精度可控制在±0.2mL，與傳統(tǒng)方式相比精度提高了5倍。

五 提高太陽能重力熱管導熱效率和使用壽命的設(shè)計

降低熱管灌裝時的真空度是提高熱管導熱效率和延長熱管使用壽命的關(guān)鍵。通過降低熱管灌裝時的真空度，不但可有效提高熱管導熱效率，還可延長其使用壽命。液體工質(zhì)灌裝時如果真空度低，對熱管的壽命及傳熱效果影響較大。真空度低直接影響液體工質(zhì)中的不可凝氣體不能很好排除，若排除不好，不可凝氣體會凝聚在熱管的頂部，形成一段不能產(chǎn)生熱效應(yīng)的死區(qū)，不可凝氣體越多該死區(qū)越長，傳熱效果就越差。

要解決降低熱管灌裝時真空度的問題，一方面要配置抽速足夠的真空泵，更重要的是保證在第一次灌液后在管路上不能留有殘液。因此，本設(shè)計配置的真空泵是2臺1600L/S的分子泵和2臺機械泵，這樣可保證合適的抽速；同時還首創(chuàng)在灌液結(jié)束后用一個特制閥門通入高壓氣體(高純氮氣)，經(jīng)過3～5次的高壓氣體的吹洗，粘接在管路內(nèi)壁上的殘液能全部吹出系統(tǒng)，保證下一次抽真空能順利高效地進行。因此，本設(shè)計可使每次真空度都低于8×10-4Pa。

六 提高太陽能重力熱管生產(chǎn)效率的設(shè)計

1 設(shè)計快速真空密封氣囊

為了提高生產(chǎn)效率，設(shè)計一個快速真空密封氣囊裝置(見圖3)，這樣可方便裝卸熱管，從而能提高效率。

采取圖3所示的裝置，可使熱管頂端密封部位插入氣囊內(nèi)，氣囊內(nèi)部充入3～6個大氣壓的高壓氣體，使氣囊內(nèi)壁受力緊貼熱管起到隔絕大氣與真空系統(tǒng)作用；需要卸熱管時，只需輕按泄壓開關(guān)，高壓氣體自動泄壓，氣囊不受力后熱管自動脫落。

2 設(shè)計全自動熱管真空系統(tǒng)消除殘液

目前熱管灌裝設(shè)備，真空度一般只能達到10-2Pa，有的只能達到10-1Pa甚至幾十Pa，因為未能很好地解決熱管灌液后工質(zhì)殘存在管路內(nèi)表面的問題，抽真空時間很長，要達到10-4Pa的真空度需要10h甚至更多，嚴重制約生產(chǎn)效率。目前很多企業(yè)為了提高效率，必然降低抽真空時間，這會影響熱管的傳熱效率和壽命。設(shè)計全自動重力熱管真空灌裝系統(tǒng)，可解決殘液的影響，真空度達到10-4Pa只需要2h，大大提高了生產(chǎn)效率，是傳統(tǒng)設(shè)備的5倍效率。

七 全自動太陽能重力熱管真空灌裝系統(tǒng)的整機設(shè)計

本設(shè)計為全自動控制模式，即整機采用全自動控制，完全不同于傳統(tǒng)的手工操作。采用PLC控制嚴格控制工藝流程；采用觸摸屏做為用戶輸入輸出界面，這樣可便于工藝參數(shù)的修改和維護。此外，還可實現(xiàn)自動排氣和灌液功能，對工藝參數(shù)的修改可通過人機界面或上位機來實現(xiàn)。整機設(shè)計詳情如圖4所示。

全自動太陽能重力熱管真空灌裝的控制整機的設(shè)計不但可用于太陽能熱水器，還可用于太陽能真空集熱管、太陽能集熱器和各類電器元件的散熱器上重力熱管工質(zhì)的真空灌裝及其密封，它集成了物理、材料、機電和計算機等多領(lǐng)域、多學科先進技術(shù)，解決了手工操作精度差、效率低等制約高效太陽能等與熱管相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一大難題。因此，采用重力熱管技術(shù)的太陽能熱水器等相關(guān)產(chǎn)品的推廣對于推動太陽能等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及國家低碳、節(jié)能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

八 結(jié)束語

由于重力熱管被應(yīng)用在太陽能熱水器上，是一件具有開拓性的創(chuàng)新技術(shù)，直到2010年后，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)和科研機構(gòu)才著手研發(fā)全自動太陽能重力熱管真空灌注技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備，但是目前都處于研究階段，還沒有出現(xiàn)成熟的產(chǎn)品。因此，研究科學的全自動太陽能重力熱管真空灌注系統(tǒng)勢在必行。雖然本設(shè)計目前處于研發(fā)階段，但國內(nèi)太陽能企業(yè)已經(jīng)在嘗試使用本項技術(shù)，如常州市斯普朗特太陽能熱水器有限公司和德州皇明太陽能真空管有限公司正在使用，且使用效果良好。由于該項技術(shù)也可給大型半導體器件提供重力熱管散熱器，株洲時代散熱器有限公司正在考慮使用該項技術(shù)來開發(fā)半導體散熱器。

總之，太陽能重力熱管熱水器的研究與應(yīng)用符合我國集約型經(jīng)濟發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標，是時代的呼喚。

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