熱管式真空集熱管的研究進展

北京金陽科創(chuàng)太陽能技術(shù)有限公司 ■ 葛洪川 蔣富林 孫偉

0 引言

在太陽能光熱應(yīng)用領(lǐng)域，特別是低溫洗浴熱水的應(yīng)用中，全玻璃真空集熱管產(chǎn)品得到了很大的普及，但在應(yīng)用中也遇到了熱水系統(tǒng)可靠性低、北方寒冷地區(qū)冬季幾乎不能使用的問題。市場迫切要求光熱產(chǎn)品升級換代，以提供可靠的熱水系統(tǒng)集熱元件和徹底解決寒冷冬季的使用問題。同時，市場需要光熱的中溫(100 ℃以上)應(yīng)用，以滿足太陽能空調(diào)采暖和工業(yè)用熱的需求。

近年來，金屬吸熱體真空管的技術(shù)與產(chǎn)品有了突破性的改進，為太陽能光熱技術(shù)的提升、產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供了可能[1]。熱管式真空集熱管生產(chǎn)工藝中的金屬與玻璃的真空密封技術(shù)通過幾十年來的完善日趨成熟，并且對其多方面的應(yīng)用研究也取得重大進展，這包括適合熱水工程使用的防過熱可控溫真空管、適合100℃以上使用的非聚光免跟蹤中溫真空集熱管、適合與建筑結(jié)合的水平熱管真空管。

1 防過熱可控溫真空集熱管

1.1 熱水系統(tǒng)應(yīng)用時的過熱問題

太陽能真空管的加熱不受控已成為太陽能熱利用裝置制造和系統(tǒng)設(shè)計時考慮的首要問題，由于真空管集熱器的空曬溫度過高(可超過300 ℃)，使得系統(tǒng)設(shè)計時需考慮多方面的影響：

1)溫度過高需要選用耐高溫的材料，使成本提高；如選用聚氨酯發(fā)泡保溫，會導(dǎo)致炭化失效。

2)溫度過高造成系統(tǒng)內(nèi)部的壓力過高，需提高系統(tǒng)承壓能力，使成本增加。在承壓時水溫可達130 ℃，導(dǎo)致膠圈老化。

3)高溫高壓會造成系統(tǒng)壽命短、可靠性降低、維護費用提高等。整機系統(tǒng)過熱使搪瓷水箱內(nèi)膽壽命縮短，管道不能使用鋁塑管是承壓系統(tǒng)未能推廣的原因。

4)真空管長期處于高溫狀態(tài)使其壽命大幅降低，同時真空管系統(tǒng)可靠性降低。

因此，必須解決真空管的過熱問題，才能使真空管及其系統(tǒng)安全可靠、耐用、免維護，降低成本進而得到廣泛應(yīng)用。同時，防過熱也是太陽能光熱裝置與建筑結(jié)合必須解決的問題。

1.2 真空管防過熱的方法

為了解決過熱問題，各國研究者在幾十年的實踐中提出過各種方案，經(jīng)歸結(jié)主要有以下幾種：

1)在傳熱部件熱管上想辦法：可通過合理控制工質(zhì)灌充量，使過溫時產(chǎn)生干涸效應(yīng)，減少傳熱；或者加設(shè)溫控裝置，制作控溫?zé)峁?，使熱管在設(shè)定溫度停止工作。

控溫?zé)峁苤饕椒ǚ譃閮煞N：一是阻止傳熱通道——到設(shè)定溫度時，阻斷蒸發(fā)段與冷凝段的通道。這種方法由于蒸發(fā)段與冷凝段不連通，熱管內(nèi)壓力處于不平衡狀態(tài)，封堵元件極易受損。二是阻止工質(zhì)回流——到設(shè)定溫度時，工質(zhì)存留在熱管的冷凝段內(nèi)，使蒸發(fā)段處于干燒狀態(tài)，熱管停止工作。這種方法由于蒸發(fā)段與冷凝段連通，熱管內(nèi)壓力處于平衡狀態(tài)，封堵元件壽命長，但應(yīng)用時控溫重復(fù)性差。

2)改變吸熱體表面的發(fā)射率，吸熱體分為圓柱吸熱體(全玻璃真空管)和平面條帶吸熱體(熱管式真空管)。高溫時加大熱損，減小系統(tǒng)得熱量，如得熱量與系統(tǒng)(裝置)熱損相當(dāng)，可使系統(tǒng)(裝置)停止升溫。

3)定量加充氣體，使高溫時對流熱損增大，避免真空管過熱。

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的太陽能集熱系統(tǒng)過熱保護方案都存在一定的問題，有的技術(shù)不夠成熟，有的使成本增高，在經(jīng)濟上不合理。因此，對于翅片式熱管真空集熱管的高溫過熱問題，文獻[2]提出一種控制太陽能真空管空曬溫度的方法，該方法是通過改變太陽能真空管吸熱體背部表面的發(fā)射率，來控制太陽能熱管真空管的空曬溫度。

此方法中，在確定吸熱體正面太陽光譜選擇性吸收涂層性能的情況下，可通過實驗找到與設(shè)定空曬溫度對應(yīng)的吸熱體背面的設(shè)定發(fā)射率值，然后通過改變吸熱體背面的表面狀態(tài)，使吸熱體背面的發(fā)射率值大于或等于設(shè)定發(fā)射率值，從而控制空曬溫度。

1.3 實驗和結(jié)論

通過對熱管真空管翅片背面做粗糙處理的方法，使其能增加集熱管在過熱條件下的熱損失，有效控制真空集熱管的空曬溫度，從而延長太陽能集熱系統(tǒng)的使用壽命，并降低制造成本。

文獻[3]分別以翅片背面未做處理的一根標準集熱管(管1)和翅片背面做過不同程度粗糙處理的兩根集熱管(管2、3)為研究對象，建立了一維穩(wěn)態(tài)熱損失模型，介紹了熱性能實驗的方法、器材、實驗臺，并分析了測試結(jié)果和模型計算結(jié)果。圖1給出了實驗及模型計算熱損失數(shù)據(jù)。

圖1 實驗及模型計算熱損失數(shù)據(jù)

通過對粗糙處理過的集熱管和標準管的對比發(fā)現(xiàn)，翅片背面的粗糙度對集熱管的熱損失有較大影響，這種影響在低溫時并不明顯，溫度越高影響越大。例如，當(dāng)銅管溫度均為100 ℃時，對比管1，管2 增加了18.75%的熱損失，管3 增加了46.25%的熱損失；而當(dāng)銅管溫度均為200 ℃時，對比管1 ，管2 增加了45.36%的熱損失，管3 增加了109.29%的熱損失[3]。

通過對做過不同粗糙處理的集熱管對比發(fā)現(xiàn)，隨著粗糙度的增大，集熱管的熱損失也增大。例如，從計算所得發(fā)射率0.142＞0.085，即管3的翅片背面粗糙度大于管2 的翅片背面粗糙度，因此在相同溫度時管3 的熱損失明顯大于管2，并且增大程度隨著溫度的升高而增加。

因此，這種對翅片背面進行粗糙處理的方法可用于高溫時控溫，從而防止集熱系統(tǒng)過熱而影響集熱器的使用壽命。在實際應(yīng)用中，為了防止系統(tǒng)過熱，可根據(jù)實際的太陽能輻射情況加工翅片背面粗糙度不同的太陽能集熱器[3]。

文獻[4]采用兩臺熱管式真空管承壓熱水器，分別安裝標準的熱管式真空管(熱水管2)和經(jīng)過處理的熱管式真空管(熱水器1)，并進行升溫對比實驗。

圖2 兩臺對比實驗熱水器水溫變化情況

結(jié)果顯示水溫低于80 ℃時，溫升速度基本相同；高于80 ℃后，經(jīng)過處理的真空管熱水器的溫升速度明顯低于未經(jīng)處理的真空管熱水器。

以上研究和實驗說明，通過改變熱管式真空管吸熱板背面的表面發(fā)射率可控制真空管在高溫段的性能。同時，改變吸熱板背部表面的發(fā)射率除了采用改變粗糙度的方法外，還可通過機械或化學(xué)處理方法實現(xiàn)，包括改變真空管吸熱板背部表面的粗糙度和增加表面的氧化程度，以及采用真空鍍膜的方法，將該表面的發(fā)射率增加到設(shè)定值。為了更準確和有效地控制熱管真空管的裝置過熱，還需進一步研究，找出每種應(yīng)用裝置的過熱溫度出現(xiàn)與真空管吸熱板性能的對應(yīng)關(guān)系，從而避免過熱的出現(xiàn)。

1.4 防過熱可控溫真空管的應(yīng)用

由此防過熱方案生產(chǎn)的熱管真空管造價低、易操作，幾乎可不增加成本。產(chǎn)品已批量應(yīng)用于承壓整機和西藏高輻照地區(qū)的太陽能熱水系統(tǒng)，并取得顯著效果，其可增加熱水系統(tǒng)的安全可靠性，使系統(tǒng)達到高效可靠、耐用和免維護的要求。

圖3 熱管式真空管在熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

2 非聚光免跟蹤中溫真空集熱管

2.1 中溫集熱器的需求

近年來，真空管太陽能集熱器的應(yīng)用領(lǐng)域由太陽能熱水向太陽能供熱采暖和太陽能空調(diào)領(lǐng)域拓展，這就要求真空管太陽能集熱器在工作溫度較高時仍能保持較高的工作效率。

眾所周知，玻璃吸熱體由于其機械強度和耐冷熱沖擊的限制使其無法作為中溫集熱器的吸熱體，只有金屬吸熱體才可作為中溫真空管的吸熱體。

國內(nèi)外許多學(xué)者采取了諸如內(nèi)置CPC和外置CPC來提高真空管太陽能集熱器在高溫工況下的工作效率，這些措施可一定程度上提高真空管太陽能集熱器的熱性能，但工藝相對復(fù)雜，一些工藝僅停留在實驗室階段，目前無法在工程中推廣應(yīng)用。

文獻[5]采用在吸熱體背面設(shè)置遮熱板的方式，有效降低真空管的背部輻射熱損，使真空管具有較好的中溫性能。研究結(jié)果表明，帶遮熱板的真空集熱管在較高溫度工作時性能優(yōu)越。

由于在圓周向增加遮熱板較為困難，文獻[6,7]提出在熱管式平板吸熱體真空集熱管吸熱板背部增加平板式遮熱板的方式減少輻射熱損，工藝相對于在圓周向增加遮熱板更加簡單，易于實現(xiàn)。文獻[8]通過理論分析和對比實驗驗證，確定了帶有遮熱板的平板金屬吸熱體真空管太陽能集熱器的中溫?zé)嵝阅堋?/p>

帶遮熱板的熱管式真空管是在金屬吸熱板的背部加設(shè)鋁制遮熱板，此工藝簡單，成本較低，易于實現(xiàn)。熱管式真空管和帶遮熱板的熱管真空管的截面圖見圖4。

圖4 兩種管型真空管的截面圖

2.2 實驗與結(jié)論

設(shè)計了用于測試中溫集熱器的測試平臺，提出了在吸熱板背部增加遮熱板來減少輻射熱損失，進而提高熱管式真空管集熱器性能的方法，建立了真空管集熱器的傳熱模型。通過對比試驗，確定了帶遮熱板的真空管太陽能集熱器的性能，得到相應(yīng)的瞬時效率曲線。

國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)成功研制開發(fā)了工作溫度在100 ℃以上的中高溫集熱器熱性能測試臺，目前工作溫度能穩(wěn)定在150 ℃(以水為工質(zhì))，目標是180 ℃(以水為工質(zhì))。選用北京金陽科創(chuàng)太陽能技術(shù)有限公司生產(chǎn)的兩種直流式真空管太陽能集熱器作為測試樣品，兩臺集熱器都是采用6支外徑102 mm、管長2000 mm的直流式真空管，集熱器采光面積均為1.20 m2，唯一不同是其中一臺集熱器吸熱體背部安裝了遮熱板。測試狀態(tài)下的實驗裝置和集熱器見圖5。

圖5 中溫太陽能集熱器熱性能測試裝置

圖6為兩種真空管集熱器熱性能測試結(jié)果，可見帶遮熱板的真空管集熱器的熱性能較優(yōu)，尤其是在工作溫度129 ℃時，歸一化溫差為0.13 m2·K/W，集熱器的效率為0.55，遠高于不帶遮熱板的集熱器效率。這是報道過的熱性能最好的真空管集熱器。

圖6 兩種真空管型集熱器熱性能測試結(jié)果

通過模型計算得出，帶遮熱板的真空管比不帶遮熱板的真空管吸熱體對玻璃管的凈輻射傳熱熱損降低22.7%，兩者正面輻射熱損相當(dāng)，而背面帶遮熱板比不帶遮熱板的真空管輻射熱損降低57%?？梢娂釉O(shè)鋁制內(nèi)遮熱板的優(yōu)越性。

吸熱板背部加遮熱板的真空管集熱器的中溫集熱效果優(yōu)異，且制作工藝簡單、成本低，是未來太陽能光熱中溫應(yīng)用領(lǐng)域中值得推廣的一款真空管集熱器。

帶遮熱板的真空管集熱器在中溫利用時不用跟蹤器和聚光器，可利用太陽輻射中的散射分量，在大多數(shù)地區(qū)全年的太陽輻射利用率比帶聚光器的中溫利用裝置多約50%，是一種更適合的太陽能光熱中溫利用產(chǎn)品。

遮熱板的應(yīng)用比在玻璃罩管表面制備減反射涂層和提高吸熱體涂層性能更有效且性價比高。

2.3 非聚光免跟蹤中溫真空管的應(yīng)用

由于該中溫段的真空管運行時無需跟蹤，使得中溫集熱系統(tǒng)簡單可靠，已應(yīng)用于澳洲低溫發(fā)電、原油加熱、工業(yè)用熱和冬季采暖等項目。

圖7 北方寒冷地區(qū)冬季采暖項目

3 水平應(yīng)用的熱管真空管

3.1 與建筑結(jié)合的需求

太陽能技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合，要求在建筑設(shè)計階段就要將太陽能集熱器作為建筑的重要組成元素融入到建筑整體中，既不破壞建筑結(jié)構(gòu)和整體形象，又能在不同的使用環(huán)境下高效運行，達到更長的使用壽命。這就要求太陽能集熱器具應(yīng)有高效、耐用、抗凍、安全的特性，并承受一定的運行壓力。要達到與建筑結(jié)合的要求，就要求太陽能集熱器突破安裝位置和角度上的局限，能夠水平安裝，與建筑外觀和諧統(tǒng)一。

在重力熱管式真空管集熱器的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種可水平安裝運行的無芯水平熱管真空管集熱器[9]。真空管集熱器豎立放置會影響建筑的美觀，且夏季得熱量小。

3.2 無芯水平熱管的原理[9]

重力熱管工作時必須有一傾角，否則熱管內(nèi)工質(zhì)無法回流，影響熱管工作性能。如需要熱管水平工作時，一般是采用有芯熱管，利用管芯的毛細作用使熱管內(nèi)的工質(zhì)可順利回流到熱管的蒸發(fā)段。如果在現(xiàn)有使用中的太陽能集熱器熱管內(nèi)加設(shè)毛細芯，將造成制造工藝復(fù)雜和集熱器成本過高。

當(dāng)一液滴滴入液體中，該液滴會自動溶入液體內(nèi)，液面保持平整，不斷地滴入液滴只能使整個液面升高，而不是僅對滴入液滴的地方產(chǎn)生影響?；诖?，發(fā)明了可水平傳熱的無芯水平熱管產(chǎn)品。本無芯水平熱管的蒸發(fā)段在軸向方向沒有高度位差，其中的工作液體為連續(xù)液面，形成液體流通通路，來實現(xiàn)冷凝段液態(tài)工作介質(zhì)的回流，從而實現(xiàn)熱管在該水平段的水平傳熱。

該無芯水平熱管工作時，工作介質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量蒸發(fā)為氣態(tài)，氣態(tài)的工作介質(zhì)通過液面與熱管壁之間的軸向空間形成氣體流通通路到達冷凝段，并在冷凝段放出熱量冷凝為液態(tài)，液態(tài)的工作介質(zhì)流入熱管水平段內(nèi)由液態(tài)工作介質(zhì)形成的液面中，通過該連續(xù)液面形成的液體流通通路使該段被蒸發(fā)的工作介質(zhì)不斷得到補充，如此不斷循環(huán)，實現(xiàn)熱管水平段的水平持續(xù)傳熱，從而保證沒有軸向高度位差的水平蒸發(fā)段的熱管持續(xù)傳熱。

工程應(yīng)用中，采用無芯水平熱管的熱管真空管太陽能集熱器產(chǎn)品可水平放置，這樣太陽能集熱器可方便地水平結(jié)合于建筑物上；且其吸熱不再受太陽入射角的影響，從而克服了傳統(tǒng)太陽能真空管在夏天吸熱少的缺陷。

3.3 水平熱管金屬吸熱體真空管

如圖8所示，水平熱管金屬吸熱體真空管繼承了金屬吸熱體真空管的結(jié)構(gòu)，主要由無芯水平熱管、金屬吸熱體和真空玻璃罩管構(gòu)成。

圖8 水平熱管金屬吸熱體真空管

真空玻璃管內(nèi)的金屬吸熱體將吸收的太陽熱能傳導(dǎo)給熱管蒸發(fā)段，再由熱管內(nèi)的工質(zhì)將熱量傳遞到熱管冷凝端。該產(chǎn)品保留了金屬吸熱體熱管真空管產(chǎn)品集熱效率高、傳熱速度快、產(chǎn)熱量大、抗凍能力強等優(yōu)點，可東西向水平放置，安裝靈活方便，使用壽命長，是金屬吸熱體真空管產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品，并且是與建筑結(jié)合應(yīng)用的理想產(chǎn)品。

3.4 水平熱管真空管的應(yīng)用

水平熱管真空管非常適合制作陽臺型太陽能熱水器，已有多種陽臺壁掛熱水器使用。

水平熱管真空管也非常適合大型建筑的太陽能熱水工程項目。水平安裝的熱管真空管集熱器既有美觀視覺效果，又堅固防風(fēng)實用。

圖9 水平熱管真空管集熱器工程

4 結(jié)論與展望

金屬吸熱體熱管真空管的研究和改進取得重大進展，相關(guān)研究提出的解決方案有效解決了應(yīng)用中的部分技術(shù)難題，包括真空管在熱水系統(tǒng)特別是整機使用中的過熱問題，真空管在采暖空調(diào)、工業(yè)用熱和低溫發(fā)電等中溫應(yīng)用中進一步提高集熱器效率的問題，以及真空管集熱器在與建筑設(shè)計結(jié)合一體化中水平使用的問題。

太陽能光熱產(chǎn)品升級換代將更多寄希望于金屬吸熱體熱管真空集熱管。可以展望這些技術(shù)的研究進展將進一步擴展熱管真空集熱管的使用范圍，隨著生產(chǎn)成本的降低，熱管式真空集熱管必將成為光熱應(yīng)用領(lǐng)域的新亮點。

[1]周小波, 蔣富林, 孫偉. 熱管式真空太陽能集熱管及其應(yīng)用[J]. 太陽能, 2011, (16): 52－58.

[2]葛洪川, 蔣富林,孫偉. 控制太陽能真空管空曬溫度的方法[P].中國專利: 201110008552.3, 2011-01-14.

[3]張?，? 鄭宏飛, 熊建銀, 等. 翅片式熱管真空管太陽能集熱器的熱損性能研究[J].太陽能學(xué)報, 2014, 35(5): 773－778.

[4] Zheng Hongfei , Xiong Jianying, Su Yuehong, et al. A Infl uence of the receiver's back surface radiative characteristics on the performance of a heat-pipe evacuated-tube solar collector[J].Applied Energy, 2014, 116：159－166.

[5]閔子健, 葛洪川, 孫偉. 帶內(nèi)遮熱板真空集熱管的研究[J].太陽能學(xué)報, 2007, 28(8): 865－867 .

[6]江希年，高漢三，葛洪川. 真空太陽能集熱管[P].中國專利：200420073199.3, 2004-07-27.

[7]郭晉鋒, 王寧，葛洪川，等. 帶有遮熱板的熱管式真空管[P].中國專利：201220026036.3, 2012-01-19.

[8]張昕宇, 由世俊 , 葛洪川, 等. 帶遮熱板的熱管式真空管集熱器中溫性能的理論與實驗研究[J] .太陽能學(xué)報( 已錄用待發(fā)表).

[9]葛洪川, 周小波. 無芯水平熱管真空管集熱器及其在建筑中的應(yīng)用[J].太陽能, 2007, (10): 24－28.