CN101949604A - 高温玻璃金属真空集热管 - Google Patents

Abstract

一种玻璃金属真空集热管，包括金属内管(1)、玻璃外管(9)、封头(3)、封头固定盘(6)和密封连接装置，其中金属内管(1)穿套在玻璃外管(9)的内部，并且两端延伸超过玻璃外管(9)的长度，其两端具有封头(3)，封头固定盘(6)连接在封头(3)和玻璃外管(9)之间，各接口由密封连接装置密封，由金属内管(1)、玻璃外管(9)、封头(3)和封头固定盘(6)围合形成一个密闭空间，其内抽成真空。该玻璃金属真空集热管具有适于高温差的结构，可抵抗变形，延长使用寿命，提高集热效率。

Description

高温玻璃金属真空集热管

技术领域

本发明涉及一种供热技术中的集热装置，尤其是一种真空集热管。本发明属于太阳能利用技术领域。

背景技术

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础，随着经济的持续高速增长，化石能源的资源有限性和开发利用带来的环境问题越来越成为经济和社会的可持续发展的制约因素。加快可再生能源的开发利用是解决能源和环境问题的重要途径和措施。太阳能是清洁无污染且永不枯竭的能源，其越来越受到全社会的重视，是发展最快的可再生能源之一，也是各国竞相发展的重点。

目前，公知的有效吸收太阳热能的装置是太阳能真空集热管，因此太阳能真空集热管是太阳能热利用的核心元器件。随着科研人员的持续努力，现在已经开发出多种太阳能真空集热管。

一种全玻璃真空太阳能集热管由一端开口，另一端封闭的内外玻璃套管组合而成。在内外玻璃套管之间是真空夹层。选择性吸收膜层镀在真空管的内层玻璃外表面上。其工作原理是依靠玻璃真空管本身朝阳面与背光面间的温差形成自然对流驱动力，使水在玻璃管内流动。该类型的全玻璃真空太阳能集热管存在以下问题：换热效率低，由于玻璃管长径比很大，故使得自然对流的流动阻力较大，管内水与玻璃管壁间的换热系数较低。使用安全性差，因为有真空绝热层及内层玻璃上的选择性吸收膜层，故全玻璃真空管的内层玻璃管能达到很高的温度。有可能在使用中全玻璃真空管会有“热爆”和“冷爆”现象发生。这对大面积太阳能热水工程的危害尤为严重。采用价格昂贵的特种硅硼玻璃，由于玻璃上镀有高吸收率，低发射率的选择性吸收膜层，玻璃的工作温度会很高。为使管子能在高温下长期工作，就要求制作玻璃管的玻璃热膨胀系数低。这样就要采用价格昂贵，产量有限的硅硼玻璃3.3。

后来出现一种金属太阳能真空集热管，其主要由玻璃内、外管及插入玻璃内管中的圆形或椭圆形金属管构成，其玻璃内、外管之间为封闭的真空夹层，金属管与玻璃内管之间以橡胶封口，金属管外表面涂有选择性吸热膜，当太阳光照射在金属管的吸热膜上，将光能转化为热能从而达到将水加热的目的。但这种集热管在使用过程中存在下述问题：采光面积减小，热效率低，集热管采用圆形或椭圆形，当太阳光辐射在集热管上，排列组合在一起的集热管互相遮挡，使集热管会出现阳光照射不到的死角，从而减小了集热面积，造成热效率降低；使用安全性差，在严冬季节，由于金属管内的存水结冰，造成了体积膨胀，而上述几何形状的金属管耐压性较差，一旦破裂，太阳能热水器就无法使用。

一种太阳能真空集热管，包括玻璃外管和金属集热管，玻璃外管和金属集热管之间的空间为真空层，金属集热管上具有翅片，且金属集热管及其翅片的表面涂有太阳能吸收涂层，玻璃外管的两端具有金属保护盖帽，金属集热管的两翼端口穿过金属保护盖帽，金属集热管的两翼端口为介质进、出口，金属集热管的两端套装有橡胶密封端盖，且橡胶密封端盖的外圈与玻璃外管的内壁紧密配合。其中，玻璃外管和金属集热管之间抽成真空并依靠橡胶密封端盖可靠密封，金属集热管及其翅片表面的涂层吸收太阳能，由于金属集热管能承受较大压力，所以金属集热管内水等液体介质可承压流动，金属集热管与水等介质的传热过程是对流换热加传导换热，而且真空保温最大限度地降低了热损失，因而对于全玻璃真空管而言，集热效率大大提高。同时由于介质在管内流动，不易产生水垢和存积杂质，使用寿命大为提高。但是，这种真空集热管两端的橡胶密封端盖与玻璃外管配合紧密，以维持真空，但在集热管温差的反复作用下，金属管和玻璃管的热膨胀系数存在固有差别，两管之间形成相对位移差，橡胶密封端盖的耐候性较差，也容易发生破裂，造成密封不严，导致真空失效，集热效率显著降低。

为了克服现有的太阳能真空管集热管的不足，本发明的目的是提供一种不同于现有太阳能真空集热管的太阳能真空集热管，该太阳能真空集热管不仅能克服实际使用中因集热管破碎而造成泄漏的问题，也适宜制作大直径的太阳能真空集热管，同时还能提高真空集热管的使用稳定性，延长使用寿命，达到低碳环保的要求。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有的太阳能真空集热管的因破碎而造成泄漏、受结构限制不适宜做成大直径等不足之处，提出一种适于做成大直径的太阳能真空集热管，并具有真空效果好、较稳定的使用寿命等优点，从而提高太阳能集热系统的规模适应性。

根据本发明，提供一种玻璃金属真空集热管，包括金属内管、玻璃外管、封头、封头固定盘和密封连接装置，其中金属内管穿套在玻璃外管的内部，并且两端延伸超过玻璃外管的长度，其两端具有封头，封头固定盘连接在封头和玻璃外管之间，各接口由密封连接装置密封，由金属内管、玻璃外管、封头和封头固定盘围合形成一个密闭空间。

根据本发明，密封连接装置包括密封法兰和偏心锁紧圈，偏心锁紧圈用来密封封头和金属内管之间的连接，密封法兰用来密封封头与封头固定盘之间的连接。

根据本发明，玻璃外管为3.3高硼硅玻璃，在玻璃外管的内壁上布设有消气剂。

根据本发明，进一步地，在玻璃金属真空集热管两端的封头固定盘之间设置有预应力丝。

根据本发明，金属内管采用310s不锈钢制成，其外壁涂覆有选择吸收涂层，该吸收涂层对于0.3-3微米波段的太阳辐射具有很高的吸收率。

根据本发明，封头固定盘的材料选择玻璃、微晶玻璃、陶瓷、金属等材料。

根据本发明，封头固定盘中有一个供玻璃管插入的环形小槽，并涂有耐高温密封胶，密封胶固化后具有弹性。

根据本发明，封头包括大径端部、弧形段和小径端部，其中大径端部向外侧垂直延伸出用于与封头固定盘密封连接的翼缘。

根据本发明，玻璃外管的两侧均连接着防护罩。

根据本发明，封头采用锡磷、青铜等金属制造。

 

本发明的玻璃金属真空集热管与现有的真空集热管相比，具有如下有益效果：

（1）制作工艺简单，具有适于高温差的结构，可抵抗变形，保持真空效果，由此提高集热效率；

（2）能够减少集热管的玻璃管的变形，增加了尺度适应性；

（3）可用于大直径的太阳能真空集热管的生产安装。

本发明的玻璃金属真空集热管在国内尚没有先例，其投入使用能够节约使用成本，可极大促进太阳能集热管的产业化和规模化，并可促进环保。

 

附图说明

图1为本发明的玻璃金属真空集热管的横向剖面图；

图2为本发明的玻璃金属真空集热管的封头的剖面图；

图3为本发明的玻璃金属真空集热管的密封法兰的剖面图；

图4为本发明的玻璃金属真空集热管的偏心锁紧圈的剖面图；

图5为本发明的玻璃金属真空集热管的封头固定盘的剖面图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地详细说明。

如图1所示，一种玻璃金属真空集热管，包括金属内管1、玻璃外管9、封头3、封头固定盘6和密封连接装置。金属内管全长在1m-3m之间。其中金属内管1穿套在玻璃外管9的内部，并且两端延伸超过玻璃外管9的长度，其两端具有封头3，封头固定盘6连接在封头3和玻璃外管9之间，各接口由密封连接装置密封，由金属内管1、玻璃外管9、封头3和封头固定盘6围合形成一个密闭空间，其内抽成真空，以基本杜绝金属内管1和玻璃外管9之间的对流换热。密封连接装置包括密封法兰5和偏心锁紧圈2，偏心锁紧圈2用来密封封头3和金属内管1之间的连接，密封法兰5用来密封封头3与封头固定盘6之间的连接。为了提高并保持真空效果，在玻璃外管9的内壁上布设有消气剂8。进一步地，在玻璃金属真空集热管两端的封头固定盘6之间设置有预应力丝10。

对玻璃外管的要求是，玻璃管对于0.3-3微米的太阳辐射应该有很高的透过率，很低的吸收率和反射率，另外还要具有良好的耐机械冲击能力，退火良好，内应力小，不易碎裂，这种玻璃例如可以采用3.3高硼硅玻璃。金属内管的外壁涂覆有选择吸收涂层，该吸收涂层对于0.3-3微米波段的太阳辐射具有很高的吸收率，而对于表面温度在600摄氏度以下的物体发射出来的电磁辐射则具有很低的发射率。金属管还具有防腐蚀能力，可防止管内工作的高温介质对其产生腐蚀，影响使用安全。进一步地，对于某些工作介质，比如水蒸气，还要具有耐高温高压的能力。这样的金属管，例如可采用310s不锈钢制成。 

玻璃外管9和封头固定盘6的一侧相连。封头固定盘的制造材料可以选择玻璃、微晶玻璃、陶瓷、金属等耐高温材料。封头固定盘中有一个环形小槽52，供玻璃管插入，并可形成紧密配合。环形小槽52在插入玻璃外管9之前预涂上耐高温密封胶，密封胶呈膏状，环形小槽52涂有密封胶后，插入玻璃外管9，使胶在环形小槽52内密布于玻璃外管9的横截面与封头固定盘6之间，并沿玻璃外管9的内外侧向外略微挤出一点点，形成密封。密封胶固化后具有一定弹性，一方面可填补封头固定盘6与玻璃外管9的截面之间的微小缝隙，另一方面可起到软垫作用，避免玻璃外管9与封头固定盘6的接触部位产生应力集中而碎裂。

封头固定盘6的另一侧与封头3连接。封头3的形式如图2所示，包括大径端部、弧形段和小径端部，其中大径端部向外侧垂直延伸出用于与封头固定盘6密封连接的翼缘，以保证封头3与封头固定盘6接触紧密。如图3所示，封头3与封头固定盘6的连接采用密封法兰5。密封法兰5周缘均匀布设有多个螺栓孔12，还设有多个预应力丝孔14。在用密封法兰5密封之前，同样在封头3与封头固定盘6接触面之间、密封法兰5与封头3的接触面之间均涂上一遍耐高温密封胶。

封头3的另一侧通过偏心锁紧圈2与金属内管1连接紧密。锁紧之前同样在各个接触面上涂一遍耐高温密封胶。如图4所示，金属内管1外壁围绕着封头3的小径端部，偏心锁紧圈2的金属环13环绕在封头3的小径端部外围，通过螺栓张力紧固金属环13，以形成金属内管1与封头3之间的密封。

玻璃外管9的两侧均连接着封头固定盘6，以及防护罩7，将密封装置罩在防护罩7，防止老化。如图5所示，封头固定盘套在金属内管1的外缘，内侧有环形小槽52，用于嵌入玻璃外管9，外周缘均匀布设有螺栓孔53和预应力丝孔55，其与密封法兰5的螺栓孔12和预应力丝孔14对应设置，以便连接在一起。在同一根玻璃外管9两侧的封头固定盘6之间对称布置预应力丝10。由于在集热过程中，玻璃金属真空集热管的金属内管1中往往充满有高温流体，而玻璃外管9的温度相对较低，所以金属内管1和玻璃外管9之间存在较大温差。同时，金属内管1和玻璃外管9的热膨胀系数差异很大，因此金属内管1和玻璃外管9两端的端口会产生较明显的相对位移，即金属内管伸长的多，而玻璃外管伸长的少。为了保证这种位移差不致造成玻璃外管9与封头固定盘6脱开，采用预应力丝10施加张紧力来阻止封头固定盘6与玻璃外管9之间产生过大的相对位移差，由此防止管端位置漏气，造成金属内管1和玻璃外管9之间形成的真空失效。预应力丝10穿过预应力丝孔，两端通过压紧螺栓4旋紧固定。

金属内管1和玻璃外管9之间的相对变形可以通过封头的弹性变形来抵消。当金属内管1的管内工作温度升高时，封头3的弧形段可随着金属内管1的相对伸长向外侧摆动，由此低消掉金属内管1和玻璃外管9之间的变形差，而不使金属内管1和玻璃外管9之间产生较大的应力，从而保护玻璃外管9和封头固定盘6的接口、封头3和封头固定盘6之间的接口以及封头3和金属内管1之间的接口等处的密封完好，使得玻璃金属真空集热管内的真空得以保持。同样地，当管内工作温度降低时，封头3的弧形段向相反一侧摆动，恢复原位。

根据工作环境、工作温差的要求，封头3采用延展性好、易于加工、弹性好、能够耐受一定压力、耐腐蚀、抗疲劳的材料，同时热传导性能较差。这样，封头内侧抽真空时能够满足工作要求，又能自如变形。封头3可采用某些金属制造，例如锡磷、青铜等，0.05-2mm厚，均可满足实践要求，达到优良的工作效果。

以上结合附图和实施例对本发明进行了示意性描述，该描述没有限制性，附图所示的也只是一种实施例而已。本领域的技术人员应该理解，在本发明方案的技术启示下，他人也可能作出与本发明相似的或等效的设计。需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变和相似或等效设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种玻璃金属真空集热管，包括金属内管、玻璃外管、封头、封头固定盘和密封连接装置，其中金属内管穿套在玻璃外管的内部，并且两端延伸超过玻璃外管的长度，其两端具有封头，封头固定盘连接在封头和玻璃外管之间，各接口由密封连接装置密封，由金属内管、玻璃外管、封头和封头固定盘围合形成一个密闭空间。

2.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的密封连接装置包括密封法兰和偏心锁紧圈，偏心锁紧圈用来密封封头和金属内管之间的连接，密封法兰用来密封封头与封头固定盘之间的连接。

3.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的玻璃外管为3.3高硼硅玻璃，在玻璃外管的内壁上布设有消气剂。

4.根据权利要求3所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，在玻璃金属真空集热管两端的封头固定盘之间设置有预应力丝。

5.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的金属内管采用310s不锈钢制成，其外壁涂覆有选择吸收涂层，该吸收涂层对于0.3-3微米波段的太阳辐射具有很高的吸收率。

6.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的封头固定盘的材料为玻璃、微晶玻璃、陶瓷、金属等材料。

7.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的封头固定盘中有一个供玻璃管插入的环形小槽，并涂有耐高温密封胶，密封胶固化后具有弹性。

8.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的封头包括大径端部、弧形段和小径端部，其中大径端部向外侧垂直延伸出用于与封头固定盘密封连接的翼缘。

9.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的玻璃外管的两侧均连接着防护罩。

10.根据权利要求1所述的玻璃金属真空集热管，其特征在于，所述的封头采用锡磷、青铜等金属制造。

Images