CN101290168A - 线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置的多种材料选择和构造，在合理调整玻璃管线膨胀系数和配置铁镍可伐合金材料后，通过热熔方法实现直接熔封接；铁镍合金可伐件与玻璃外管采用新的环状结构设计实现间接熔接；设置在集热管内的卸载装置和改进的连接方法，有助于提高线聚焦太阳能真空集热管的稳定性和可靠性；多种结构组合更有利于使用现有太阳能真空集热管生产技术和设备加工制造。采用本发明制作的线聚焦太阳能真空集热管，广泛适用于槽式太阳能热发电、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等太阳能中高温集热装置。

Description

线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置
技术领域
本发明涉及一种用于槽式线聚焦金属流道太阳能真空集热管的封接结构和卸载装置，属太阳能热利用技术领域。
背景技术
线聚焦太阳能集热管是太阳能热发电、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等太阳能热利用系统中的主要集热元件。线聚焦太阳能集热元件由于受工质温度高和金属内管热膨胀、玻璃金属封接技术的制约，对设计结构和制造工艺提出相对较高的要求。经改进的具有内、外卸载功能的金属流道太阳能真空集热管ZL200420091975.1，ZL200620113317.7专利，重点解决了金属内管热膨胀对结构影响的问题，经生产证明，整管结构简单，适于工业化生产，该线聚焦太阳能真空集热管已在太阳能空调制冷装置中应用。
目前，国内有关金属直通管的专利技术很多，主要区别在结构差异上，技术方案有趋向一致的倾向，有的专利则试图采用粘结方式避开封接和卸载结构以及加工的难题，对材料性能的研究和加工技术的研究与国外有明显差距。线聚焦太阳能真空集热管是涉及多学科的高科技产品，其材料涉及很多行业，材料的性能指标更受国内技术发展水平和现状的制约，因此，在选择合理构造的同时，应尽可能选择国内成熟的材料和性能指标，或对原有的材料提出新的要求，才能真正实现线聚焦太阳能集热管的工程化和产业化。
本人在实例制作和使用中发现，集热管的封接结构和卸载装置在材料选择上非常关键，为进一步提高稳定性和可靠性，在工程化和产业化上有新的突破，尽可能缩短与国外同类产品的差距，必须在上述专利基础上对线聚焦太阳能真空集热管的封接结构和卸载装置及材料进行合理配置。经改进的封接结构和卸载装置及配置的材料适用于其它各种内置金属流道太阳能真空集热管和热管式太阳能真空集热管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置的稳定性和可靠性，提供一种能适合线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置的多种材料选择和构造。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
经改进的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置由玻璃外管、金属内管、金属端盖、铁镍可伐合金件、卸载波纹管、玻璃封接料、管接件、焊接工艺环、金属隔热工艺环组成，其特征在于：卸载装置波纹管设置在线聚焦太阳能真空集热管的玻璃外管内；铁镍可伐合金件冲压成型为头部带球型凸体或带凹槽的管状件，铁镍可伐合金件与玻璃外管通过热熔方法直接熔接；铁镍合金可伐件的环形端口与金属端盖外沿氩弧焊接，金属端盖与卸载波纹管氩弧焊接，卸载波纹管另一端和管接件氩弧焊接，管接件和金属内管氩弧焊接，金属内管外表面真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。
另一技术方案是通过玻璃封接料间接将铁镍可伐合金件与玻璃外管熔封接，或通过金属铅、铝压封接；其他元件构造和连接方式同上。
所述玻璃外管选择线膨胀系数在(40一60)×10-7/℃之间的中硬、高透光率、抗冲击和具有高耐热性的硼硅玻璃管，透光率大于90％。这是本技术方案实施的关键。当前应用在太阳能真空集热管上的高硼硅玻璃原本是针对化工等领域的特殊要求生产的，也称派莱克斯玻璃，具有耐高温、耐酸碱、抗冲击等突出特点，但由于线膨胀系数为33×10-7/℃，膨胀系数很小，因此在直接熔封接时，选择与之匹配的金属材料就很难，无论采取直接熔封还是间接熔封接，都可能因两者线膨胀系数存在过大差异造成膨胀残余应力反映，而另一方面国内的可伐合金材料或玻璃封接料的选择又很难和高硬硅硼玻璃匹配，因此，降低硅硼玻璃线膨胀系数就成为一种非常现实的选择。很显然，在满足线聚焦太阳能真空集热管技术要求的情况下，这种选择具有合理性，尽管该膨胀系数的硼硅玻璃目前尚没有生产和使用，但适当改变生产配方和工艺，这种玻璃外管在现有技术条件下是很容易实现和做到的。
所述金属端盖是指不锈钢材料制作的金属端盖，金属端盖冲压制作成中心开孔的凹形端盖，壁厚0.4-1mm，分别同集热管两端的卸载波纹管、金属内管焊接。
所述铁镍可伐合金件冲压制作成内园不同的凸型环件或喇叭口型管件，线膨胀系数应与玻璃外管一致，为(40-60)×10-7/℃，这是为了进行直接熔封接所作的技术准备，目前国内这种材料很好选择，例如在热管式太阳能真空集热管中应用较多的4J42、4J45等，线膨胀系数在20-450℃时为(40-75)×10-7/℃，其它如铁镍钴玻封合金4J29、4J44为(46-55)×10-7/℃。铁镍可伐合金件壁厚宜薄，有利消弱应力差，以选择0.3-1mm为宜。
所述铁镍可伐合金环与玻璃外管间接封接的低熔微晶玻璃封接料的线膨胀系数也应与前两者一致。膨胀系数在25～300℃区间为(40-60)×10-7/℃，目前国内已经能够生产膨胀系数在(50-60)×10-7/℃，同时软化和流散温度在≤500℃时就易成玻璃的低熔玻璃封接料，例如305、308等微晶玻璃。由于传统的玻璃金属封接料的成份大多以氧化铅为主，不适合环保要求，因此开发无铅低熔微晶玻璃封接料就成为技术关键。玻璃封接料的膨胀系数越低，软化和流散温度相应越高，而软化和流散温度越高则不易与玻璃外管匹配，有的甚至高于玻璃外管的软化温度，给加工和去应力带来困难，也容易造成漫漏气现象，同时也影响封接强度和真空度，因此选择软化和流散温度在300-800℃之间的无铅低熔微晶玻璃是合理的。
所述卸载装置波纹管实际是小型膨胀节，由于不存在角向扭力，因此轴向刚度就成为选择卸载装置波纹管的重要指标，由于卸载装置波纹管是安装在与玻璃外管封接金属端盖上，其承载轴向推力的能力直接和玻璃金属封接强度相关，因此波纹管轴向刚度过大容易使轴向推力集中在玻璃金属封接处，造成封接点开裂，影响集热管的真空度，过低则稳定性差，因此波纹管单波轴向刚度应根据公称通径的不同，选择在玻璃金属封接强度能够承载的20-100Kg/mm以内，5-20波的补偿轴向刚度应在0.5-20Kg/mm。
所述卸载装置波纹管每个波节至少具有1-2mm的吸收功能，波节数至少在2-20波，波节数过少不能满足金属内管膨胀吸收量，过多则减少有效集热管管长。
所述卸载装置波纹管不同于普通波纹管，由于它工作在真空条件下，因此要求在工况120℃条件下的泄漏率为1.33×10-10Pa.m3/sec。
所述卸载装置波纹管的抗疲劳寿命应大于3万次，应能满足正常工作10年以上的要求。
所述卸载装置波纹管选择的不锈钢材料主要为SUS304、321或SUS316L，波纹管壁厚为0.2-0.3mm，氩气保护焊接管通过成型、打波、退火热处理可满足要求，在焊接管接件后即完成了卸载装置波纹管的制作，也可留出直边段采用标准焊接工艺焊接，如图5、9、10、12所示。
所述卸载装置波纹管公称通径应根据既定的金属内管公称通径选择，应在标准为40、45、50、60、65、80mm中选择；波峰高5-8mm，波距3-12mm。波纹管的波高和通径与轴向刚度指标直接相关，波峰越高轴向刚度越小，因此在选择金属内管管径和波纹管的波高时应兼顾轴向刚度要求。
所述管接件为中心内孔翻边的板状件，内孔与金属内管相匹配，翻边部与金属内管焊接，平面段端部与卸载装置波纹管直接焊接，材质为不锈钢或碳钢。管接件也可制作成一端缩口而另一端扩口的管状件，扩口端部和波纹管端部焊接，另一端套装在金属内管上，在管外与金属内管焊接，这样管接件就可同时起到保护和稳定金属内管和波纹管的作用。如图10、图12所示。
所述金属内管的公称通径应根据工质流量和线聚焦装置的聚光比选择，通径在25-60mm之间，壁厚在0.3-3mm之间，公称压力在0.6-25MPa之间，能满足系统技术和安全承压要求。由于在选择金属内管时很大程度要考虑传热性能，因此在管壁壁厚、工质流量和承载压力之间要妥善平衡。
所述金属内管为轴向成波浪状的波节管，已经广泛应用在管式换热器中，由于波节管自身有少量吸收功能，高温膨胀产生的轴向推力较之金属直管小，又由于双曲金属表面改变了光热吸收机理，因此是最佳选择。波节管的波峰高2-5mm，波距10-30mm。波节大对流体扰动大，因而形成的阻力也大。
由以上所述可见，线聚焦太阳能真空集热管的封接结构和卸载装置是紧密相关的一个整体，必须统筹兼顾。
该发明可为各种金属直通流道太阳能真空集热管使用，以该封接结构和卸载装置制作的金属流道太阳能真空集热管，可广泛应用于集团供热、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化、一般工业供热等利用线聚焦装置的太阳能工业用热设备中。
附图说明
图1、图5是本发明直接熔封接结构示意图
图2、图11是本发明卸载装置管接件示意图
图3、图4、图7、图8是本发明铁镍可伐件结构示意图
图6、图9、图10、图12是本发明间接封接结构示意图其中：1玻璃外管、2金属内管、3金属端盖、4铁镍可伐合金件、5卸载波纹管、6玻璃封接料、7管接件、8焊接工艺环、9金属隔热工艺环
具体实施方式
实施例一：直接熔封方式
选择线膨胀系数一致的铁镍可伐合金和玻璃外管，首先将铁镍可伐合金件4冲压成型为头部成球型或带凹槽的管状件，经雾化处理后放置在夹具或模腔中，玻璃外管1端部套装在暴露的可伐合金件4球型管状部，在玻璃车床或旋转工作台上用火焰烧熔玻璃，也可采用在模腔中静态熔封的方法，待铁镍可伐合金4和玻璃外管1充分熔接后，按玻璃操作规程热处理，经退火、去应力后作为组件备用。金属端盖3冲压制作成中心凹形的开孔端盖，卸载装置波纹管4两端焊接管接件7，金属端盖3和连接卸载装置波纹管5的管接件7以及金属隔热工艺环9氩弧焊接，连接卸载装置波纹管5的管接件7另一端和金属内管2焊接，在装配整管时，将带卸载装置的金属内管2和铁镍可伐合金件4氩弧焊接，装配完毕之后经排气保证内真空。如图1、5所示。
实施例二：间接熔封方式
选择线膨胀系数一致的铁镍可伐合金4、低熔微晶玻璃封接料6和玻璃外管1，铁镍可伐合金件4冲压制作成内园不同的凸型环件，玻璃管外1端部加工成略大于铁镍可伐合金件4的同形态玻璃法兰，低熔微晶玻璃封接料6经调和后均匀涂敷在雾化后的铁镍可伐合金件4和玻璃外管1的封接面上，开口向上放置在高温炉内熔接，充分熔接后按玻璃操作规程热处理经退火、去应力后作为组件备用。金属端盖3冲压制作成中心凹形的开孔端盖，卸载装置波纹管4两端焊接管接件7，金属端盖3和连接卸载装置波纹管5的管接件7以及金属隔热工艺环9氩弧焊接，连接卸载装置波纹管5的管接件7另一端和金属内管2焊接，在装配整管时，将带卸载装置的金属内管2和铁镍可伐合金件4氩弧焊接，装配完毕之后经排气保证内真空。如图6、图12所示。
实施例三：
采用内玻璃法兰加工方式，首先切割玻璃外管1，在玻璃外管1端部加工开口向内的喇叭口法兰内封接面，铁镍可伐合金件4加工成同形态的一端扩口成喇叭口的管状件，在雾化后的铁镍可伐合金件4与玻璃法兰接触面中间分别放置玻璃封接料6，在静态高温环境中熔接。由于铁镍可伐合金件4装置在玻璃外管1法兰内，因此能够承载来自金属内管热膨胀形成的更大的轴向应力，更有利于稳定卸载结构。其它同前。如图9所示。
实施例四：
管接件7与金属内管2的焊接点延长制作成一端缩口另一端扩口的金属管，插装在卸载装置波纹管5内焊接，由于卸载装置波纹管5的壁很薄，因此常规的波纹管焊接工艺要求必须是端部焊接，因此需要加装焊接工艺环8，焊接工艺环8紧贴在卸载波纹管5外壁，管接件7端部扩口端与卸载波纹管5及焊接工艺环8焊接，管接件7缩口端与金属内管2焊接，卸载波纹管5另一端同样和金属端盖3、金属隔热工艺环9焊接，金属端盖3和铁镍可伐合金件4焊接。由于波纹管5在伸缩运动时是和管接件一同套装在金属内管2上，两管之间的间隙又尽可能小，这样就保证了金属内管2的稳定性。铁镍可伐合金件4和玻璃外管1的封接方式可选择前述任何一种。如图11、图12所示。
以上所有封接和卸载结构以及制作工艺，都是建立在对所用材料的精心选择上，在降低玻璃外管硬度和提高线膨胀系数的同时，为制作适合高温工况的线聚焦太阳能真空集热管提供了极大便利，而且所采用的相关材料在国内均可自由选择使用，加工设备和制造技术均可利用现有成熟技术，这就为我们赶超国外先进水平和产业化以及降低成本奠定了基础。

Claims (9)

1.线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置由玻璃外管、金属内管、金属端盖、铁镍可伐合金件、卸载波纹管、玻璃封接料、管接件、焊接工艺环、金属隔热工艺环组成，其特征在于：卸载装置波纹管设置在线聚焦太阳能真空集热管的玻璃外管内；铁镍可伐合金件冲压成型为头部带球型凸体或带凹槽的管状件，铁镍可伐合金件与玻璃外管通过热熔方法直接熔接；铁镍可伐合金件与玻璃外管通过玻璃封接料间接熔封或通过金属铅、铝封接；铁镍合金可伐件的环形端口与金属端盖外沿氩弧焊接，金属端盖与卸载波纹管氩弧焊接，卸载波纹管另一端和管接件氩弧焊接，管接件和金属内管氩弧焊接，管接件端部适当扩口与卸载波纹管及焊接工艺环焊接，管接件另一端经缩口与金属内管焊接，卸载波纹管另一端和金属端盖、金属隔热工艺环焊接。
2.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述玻璃外管是线膨胀系数在(40-60)×10-7/℃之间的中硬、高透光率、抗冲击和具有高耐热性的硼硅玻璃管。
3、跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述金属端盖为中心开孔的不锈钢凹型端盖，壁厚0.5-1mm，分别同集热管两端的卸载波纹管、金属内管、铁镍可伐合金件焊接。
4.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述铁镍可伐合金件经冲压制作成内园不同的凸型环件或喇叭口型管件，线膨胀系数与玻璃外管一致，为(40-60)×10-7/℃，或选择4J29、4J44铁镍钴玻封合金，线膨胀系数为(46-55)×10-7/℃；铁镍可伐合金件壁厚在0.3-1mm之内。
5.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述低熔微晶玻璃封接料软化和流散温度在300-800℃之间，线膨胀系数为(40-60)×10-7/℃的无铅低熔微晶玻璃金属封接料。
6.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述卸载装置波纹管波节数至少在2-20波；波纹管壁厚为0.2-0.3mm；所述卸载装置波纹管在工况120℃的泄漏率为1.33×10-10Pa.m3/sec；所述卸载装置波纹管采用不锈钢SUS304、321或SUS316L材料；所述卸载装置波纹管单波轴向刚度在20-100Kg/mm以内，5-20波的补偿轴向刚度分别为0.5-20Kg/mm。
7.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述金属内管为轴向成波浪状的波节管，波节管的波峰高2-5mm，波距10-30mm；金属内管直径在25-60mm，壁厚在0.3-3mm。
8.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述金属内管外表面真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。
9.跟据权利要求1所述的线聚焦太阳能真空集热管封接结构和卸载装置，其特征在于：所述管接件为中心内孔翻边的板状件，内孔与金属内管相匹配，翻边部与金属内管焊接，平面端部与卸载装置波纹管直接焊接，材质为不锈钢或碳钢；所述管接件制作成一端缩口、另一端扩口的金属管，扩口端与卸载波纹管及焊接工艺环焊接，套装在金属内管上的带卸载波纹管的管接件缩口端在金属端盖外与金属内管焊接；管接件壁厚0.3-1mm。
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