CN102109235A - 线聚焦太阳能强化集热管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于槽式太阳能中高温热利用装置的线聚焦真空集热管，因该集热管的金属内管采用了多种特殊结构设计和优化制作方法，使其具备了强化热吸收功能，在提高热吸收效率的基础上，有利于降低槽式中高温太阳能热利用聚光装置投资成本。该集热管特别适合槽式太阳能热发电装置使用。属太阳能热利用技术领域。

Description

线聚焦太阳能强化集热管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于槽式太阳能中高温热利用装置的线聚焦强化集热管，该集热管的金属内管采用了多种特殊结构设计和优化制作方法，使其具备了强化热吸收功能，提高了热吸收效率，有利于降低槽式中高温太阳能热利用聚光装置投资成本。该集热管特别适合槽式太阳能热发电装置使用。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槽式热利用装置中的主要集热元件，也是槽式太阳能热发电装置中的核心技术。目前，能够为槽式太阳能热发电装置生产制造这种太阳能集热管的企业有Solel、Schott和公司，但是，这些企业的产品所使用的金属内管均为直管结构设计，在实际应用中存在明显技术缺陷，特别是传热工质在流经金属内管时容易形成稳流层，在半球光热吸收和完成热转换时，管壁温差可达80度以上，因此阻碍着热吸收效率进一步提高。发明人在中国专利03218208.2中公开的以金属波节内管、扭纹内管和波纹管为主要特征的内置金属流道太阳能真空集热管，和专利200420091975.1、200620158355.4以及专利200720143975.5中，为槽式线聚焦装置提供了可选择的具有强化换热功能的太阳能真空集热管，明显提高了集热管的光热吸收和工质热转换效率，其原理就在于金属内管在轴向结构上形成的环形波节或螺旋波节结构，在导热油等传热工质流经金属内管时破坏了稳流层，变层流换热为涡流换热。为进一步适应目前国际太阳能聚热发电(CSP)领域正在研究的，主要以替代导热油为目标而使用的熔盐和直接用水做传热工质的DSG(direct steam generation)两种技术，发挥强化集热管在替代导热油中的优势，就必须以提高集热管机械强度、热吸收效率和降低热损失为目标，在金属内管结构和制作方法上进行优化和改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是以提高线聚焦太阳能强化集热管机械强度、热吸收效率和降低热损失为目标，为适应新一代替代工质对集热管结构和制造方法进行的改进。

本发明采用了以下技术方案：

一种线聚焦太阳能强化集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃截管、铁镍可伐环、消气环、耐高温热吸收涂层、排气管、玻璃封接料以及由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧顺序焊接组合的卸载组件组成，其特征在于：

所述金属内管为金属环形波节管、或金属螺旋管、或金属苞体波节管的强化换热管，或带有2-20波的波纹管与波节管一体的自卸载波节管；壁厚在0.3-13mm；选用耐受450℃高温的不锈钢无缝钢管，或耐受450℃以上高温的锅炉用合金无缝钢管，或不锈钢焊接管；承压在2-30兆帕。

所述玻璃外管为线膨胀系数在(40～65)×10^-7k^-1(20℃～500℃)之间的中性5.0硼硅玻璃，优选线膨胀系数为(40～50)×10^-7k^-1(20℃～300℃)，其中三氧化二硼(B₂O₃)的摩尔含量在8-12％之间；玻璃外管壁厚在1.8-5mm，优选2.2-3mm；透光率大于90％，涂覆并烧结硅凝胶后大于95％。或选择线膨胀系数为33×10^-7/℃的高硼硅玻璃管。

所述玻璃截管为封接卸载组件和玻璃外管的工艺过渡管，玻璃截管根据所需长度对玻璃外管进行切割，长度为30-60mm；其中一端制作玻璃法兰，或外法兰，或内法兰；玻璃法兰端与铁镍可伐环熔封接，另一端与玻璃外管熔封接。

所述铁镍可伐环的线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃之间，优选4J29或4J44可伐合金，经冲压拉伸成凸型外环或凸型内环，壁厚0.3-2mm，优选0.7mm；其中一端焊接金属端盖，另一端与玻璃截管直接熔封接；或通过低熔玻璃粉与玻璃截管间接熔封接；或通过金属铅、或金属铝在临界熔融态瞬间热压封接至玻璃截管法兰平面处，利用金属分子的分散性确保气密性和封接强度。

所述卸载组件由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组成，并设置在线聚焦太阳能强化集热管两端。

所述金属端盖为不锈钢板材冲压而成的中心开孔的凹形圆盖，壁厚0.3-2mm，优选0.7mm；内圆焊接卸载波纹管，外圆焊接铁镍可伐环。

所述卸载波纹管为不锈钢薄壁焊接管经塑性涨波成型或打波挤塑成型，波纹数至少在2-20波，两端留有焊接直边端，其中一端焊接金属端盖，另一端焊接管接件。

所述管接件为不锈钢焊接管制作，一端缩口另一端扩口，扩口端与卸载波纹管焊接，缩口端与金属内管焊接。

所述消气环是蒸散型钡铝镍合金材料和不锈钢支架一体的合金环，焊接在金属内管上。

所述耐高温热吸收涂层为陶瓷耐高温选择性热吸收涂层，采用真空溅射或磁控溅射的方法在金属内管表面制取。

所述排气管为中性5.0硼硅玻璃管，材质和线膨胀系数与玻璃外管一致，熔接在玻璃截管上。排气管连接真空排气机，真空度达(3-5)×10^-3帕后熔封排气管口。

所述玻璃封接料为有铅或无铅低熔玻璃粉，封接温度在300-800℃，线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃，将玻璃封接料均匀涂覆在玻璃截管和铁镍可伐环之间，在设定的封接气氛环境中熔封接玻璃截管和铁镍可伐环。

玻璃金属封接也可采用金属铅、铝过渡热压封接，但要求玻璃法兰封接面必须平整。

由以上看出，本发明的核心在于中性5.0玻璃的选择和金属内管的加工制作，由于波节管表面凹凸的外形，可以使流体在管内形成较强的湍流，从而大大提高换热系数，经分析对比得知，波节管比金属直管的平均努塞尔数提高了2-3倍，因此具有非常显著的强化换热功能。线聚焦太阳能强化集热管可以根据金属内管的不同结构采取四种制作方法，第一种为内胀法，其制作步骤是：

1)按塑形变量长度和集热管所需长度截取无缝钢管，内径在25-80mm；壁厚在0.3-3mm。

2)在膜腔内采用油压胀型法、或聚胺脂胀块制取法、或高温气压胀型法制作环形波节或螺旋波节，波节高度根据工质特性和流速确定，优选1-3mm。波节长度以集热管内径为标准分为短距波节，即波节长度小于集热管内径，等距波节即波节长度等于集热管内径，或长距波节即波节长度大于集热管内径，其中优选等距波节结构，经矫直后保证轴向弯曲度小于3％。

3)

4)对成型的波节管进行表面抛光、清洗，如采用高亮度不锈钢无缝管则可以减除该步骤。

5)通过氦质谱检漏，确保无缝钢管的气密性。

6)把金属内管放置在500℃真空环境中进行高温除气，不锈钢可设定在400℃；除气室内可加氮气或其他气体保护，防止金属内管表面过渡氧化。

7)真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。

第二种为外塑法，其关键制作步骤是采用外延机械滚压或旋压方法在无缝钢管外壁上压制环形波节或螺旋波节，其他步骤同前。

第三种是针对自卸载波节管的制作方法：

1)选用光洁度较好的不锈钢带材经制管机组氩弧焊接成不锈钢圆管，金属内管通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm。

2)不锈钢金属圆管进入波纹管制波机首先制作卸载段，即在金属内管一端打波成形为标准的波纹管，波节数为2-20波。

3)根据工质特性和流速调整波纹管制波机制波高度和波距长度，然后连续打波成具有自卸载功能的波节金属内管，波高为3-12mm。根据工质特性和流速调整波纹管制波机打波高度和波距长度，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接。

4)由于自卸载波节管不需要单独设置卸载波纹管，因此在组装集热管时必须采用预应力方法拉伸金属内管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。其他制作方法同前。

具有自卸载功能的波节管适用于工质温度小于300℃，内压力小于2兆帕，腐蚀性较小的导热油、乙二醇、防冻液等液体或气体工质。

第四种是苞体波节金属管制作方法，其步骤是：

1)采用油压或气压法在金属内管上经塑性变形制取苞体波节，所述苞体波节即在金属内管表面形成的圆形、长方圆或椭圆形鼓包，优选椭圆形苞体波节。

2)苞体波节在金属内管表面成规则交叉分布，优选三面体交叉分布结构。

3)根据工质流体性质和流速确定苞体顶部高度和苞体长度，高度为1-3mm；长度优选等距波节，也可选长距波节。

由于本发明线聚焦太阳能强化集热管采用了异形结构的金属内管以及中性5.0硼硅玻璃外管，玻璃与铁镍可伐合金气密性封接采用直接或间接熔封接，或采用金属铅、或金属铝热压封接，因此克服了传统集热管热吸收效率低的缺陷，提高了集热管的使用可靠性。

附图说明

图1是本发明外法兰间接熔封接环形波节管示意图

图2是本发明内法兰间接熔封接金属螺旋管示意图

图3是本发明铅、铝热压封接自卸载波节管示意图

图4是本发明直接熔封接金属苞体波节管示意图

其中：金属内管1、玻璃外管2、玻璃截管3、铁镍可伐环4、金属端盖5、管接件6、消气环7、外卸波纹管8、耐高温热吸收涂层9、排气管10

具体实施方式

实施例一：

内胀法制取环形波节或螺旋波节金属内管，其制作方法是：

1)按塑形变量长度和集热管所需长度截取无缝钢管，金属管内径在25-80mm；壁厚在0.3-3mm。

2)在膜腔内采用油压胀型法、或聚胺脂胀块制取法、或高温气压胀型法制作环形波节或螺旋波节，波节高度根据工质特性和流速确定，优选1-3mm。

3)波节长度以集热管内径为标准分为短距波节，即波节长度小于集热管内径，等距波节即波节长度等于集热管内径，或长距波节即波节长度大于集热管内径，其中优选等距波节结构，经矫直后保证轴向弯曲度小于3％。

4)对成型的波节管进行表面抛光，如采用的是高亮度不锈钢无缝管则可以减除该步骤。

5)通过氦质谱检漏，确保无缝钢管的气密性。

6)把金属内管放置在500℃真空环境中进行高温除气，不锈钢可设定在400℃；除气室内可加氮气或其他气体保护，防止金属内管表面过渡氧化。

7)真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。如图1、2所示。

实旋例二：

外塑法的制作环形波节或螺旋波节的方法是，采用外延机械滚压或旋压等外塑法在无缝钢管外壁上制作环形波节或螺旋波节，其他方法同前。

实施例三：

自卸载波节金属内管的制作方法是：

1)具有自卸载功能的波节管其适用范围是工质温度小于300℃，内压力小于2兆帕，腐蚀性较小的导热油、乙二醇、防冻液等液体或气体工质。

2)选用光洁度较好的不锈钢带材经制管机组氩弧焊接成不锈钢圆管，金属内管通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm。

3)不锈钢金属圆管进入波纹管制波机首先制作卸载段，即在金属内管一端打波成形为标准的波纹管，波节数为2-20波。

4)根据工质特性和流速调整波纹管制波机打波高度和波距长度，然后连续打波成具有自卸载功能的波节金属内管，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接。

5)由于自卸载波节管不需要单独设置卸载波纹管，因此在组装集热管时必须采用预应力方法拉伸金属内管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。其他制作方法同前。如图3所示。

实施例四：

苞体波节金属内管制作方法是：

1)采用油压或气压法在金属内管上经塑性变形制取苞体，所述苞体波节即在金属内管表面形成的圆形、长方圆或椭圆形鼓包，优选椭圆形或近似长方圆形苞体；

2)苞体在金属内管表面成规则交叉分布，优选三面体交叉分布结构；

3)根据工质流体性质和流速确定苞体波节高度和苞体长度，高度为1-3mm；长度优选等距波节，也可选长距波节。如图4所示。

Claims (5)

1.一种线聚焦太阳能强化集热管由金属内管、玻璃外管、玻璃截管、铁镍可伐环、消气环、耐高温热吸收涂层、排气管、玻璃封接料以及由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧焊接组合的卸载组件组成，其特征在于：

1)所述金属内管为金属环形波节管、或金属螺旋管、或金属苞体波节管的强化换热管，或带有2-20波的波纹管与波节管一体的自卸载波节管；壁厚在0.3-13mm；选用耐受450℃高温的不锈钢无缝钢管，或耐受450℃以上高温的锅炉用合金无缝钢管，或不锈钢焊接管；承压在2-30兆帕；

2)所述玻璃外管为线膨胀系数在(40～65)×10^-7k^-1(20℃～500℃)之间的中性5.0硼硅玻璃，优选线膨胀系数为(40～50)×10^-7k^-1(20℃～300℃)，其中三氧化二硼(B₂O₃)的摩尔含量在8-12％之间；玻璃外管壁厚在1.8-5mm，优选2.2-3mm；透光率大于90％，涂覆并烧结硅凝胶后大于95％；或线膨胀系数为33×10^-7/℃的高硼硅玻璃；

3)所述玻璃截管为封接卸载组件和玻璃外管的工艺过渡管，是根据所需长度对玻璃外管进行切割，长度为30-60mm；其中一端制作玻璃法兰，或外法兰，或内法兰，与铁镍可伐环熔封接或热压封接；另一端与玻璃外管熔封接；

5)所述铁镍可伐环的线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃之间，优选4J29或4J44可伐合金，经冲压拉伸成凸型外环或凸型内环，壁厚0.3-2mm，优选0.7mm；其中一端焊接金属端盖，另一端与玻璃截管直接熔封接；或通过低熔玻璃粉与玻璃截管间接熔封接；或通过金属铅，或金属铝在临界熔融态瞬间热压至玻璃截管法兰平面封接处；

6)所述卸载组件由金属端盖、卸载波纹管、管接件经氩弧依次焊接组成，并设置在线聚焦太阳能强化集热管两端；

7)所述金属端盖为不锈钢板材冲压而成的中心开孔的凹形圆盖，壁厚0.3-2mm，优选0.7mm；内圆焊接卸载波纹管，外圆焊接铁镍可伐合金环；

8)所述卸载波纹管为不锈钢薄壁焊接管经塑性涨波成型或打波挤塑成型，成形波纹数至少在2-20波，两端留有焊接直边端，其中一端焊接金属端盖，另一端焊接管接件；

9)所述管接件为不锈钢薄壁焊接管制作，一端缩口另一端扩口，扩口端与卸载波纹管焊接，缩口端与金属内管焊接；

10)所述消气环是蒸散型钡铝镍合金材料和不锈钢支架一体的合金环，焊接在金属内管上；

11)所述耐高温热吸收涂层为陶瓷耐高温选择性热吸收涂层，采用真空溅射或磁控溅射方法在金属内管表面制取；

12)所述排气管为中性5.0硼硅玻璃管，材质和线膨胀系数与玻璃外管一致，熔接在玻璃截管上；排气管连接真空排气机，真空度达(3-5)×10^-3帕后熔封排气管口；

13)所述玻璃封接料为有铅或无铅低熔玻璃粉，封接温度在300-800℃，线膨胀系数在(40-65)×10^-7/℃，将玻璃封接料均匀涂覆在玻璃截管和铁镍可伐环之间，在设定的封接气氛环境中熔封接玻璃截管和铁镍可伐环。

2.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，其环形波节或螺旋波节金属内管的制作步骤是：

1)按塑形变量长度和集热管所需长度截取无缝钢管，金属内管内径在25-80mm；壁厚在0.3-3mm；

2)在膜腔内采用油压胀型法、或聚胺脂胀块制取法、或高温气压胀型法制作环形波节或螺旋波节，波节高度根据工质特性和流速确定，优选1-3mm；

3)波节长度以集热管内径为标准分为短距波节，即波节长度小于集热管内径，等距波节即波节长度等于集热管内径，或长距波节即波节长度大于集热管内径，其中优选等距波节结构，经矫直后保证轴向弯曲度小于3％；

4)通过氦质谱检漏，确保无缝钢管的气密性；

5)把金属内管放置在500℃真空环境中进行高温除气，不锈钢管可设定在400℃；除气室内可加氮气或其他气体保护，防止金属内管表面过渡氧化；

6)对成型的波节管进行表面抛光，如采用的是高亮度不锈钢无缝管则可以减除该步骤；

7)真空溅射耐高温选择性热吸收涂层。

3.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，采用外塑法制作波节金属内管的步骤是：采用外延机械滚压或旋压等外塑法在无缝钢管表面上压制环形波节或螺旋波节。

4.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，其自卸载波节金属内管的制作步骤是：

1)选用光洁度较好的不锈钢带材经制管机氩弧焊接成不锈钢圆管，金属内管通径为25-65mm，壁厚为0.3-0.5mm；

2)不锈钢金属圆管进入波纹管制波机首先制作卸载段，即在金属内管一端打波成形为标准的波纹管，波节数为2-20波；

3)根据工质特性和流速调整波纹管制波机打波高度和波距长度，然后连续打波成具有自卸载功能的波节金属内管，波高1-6mm，波距10-65mm；两边预留直边端与管接件焊接；

4)在组装集热管时采用预应力方法拉伸金属内管，拉伸长度大于8mm，然后将两端的管接件和金属端盖焊接。

5.根据权利要求1所述的线聚焦太阳能强化集热管，其苞体波节金属内管的制作步骤是：

1)采用油压或气压法在金属内管上经塑性变形制取苞体，所述苞体即在金属内管表面形成的圆形、长方圆或椭圆形鼓包，优选椭圆形或近似长方圆形苞体；

2)苞体在金属内管表面成规则交叉分布，优选三面体交叉分布结构；

3)根据工质流体性质和流速确定苞体波节高度和苞体长度，高度为1-3mm；长度优选等距波节，也可选长距波节。

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