CN102840702A - 一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构 - Google Patents

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Abstract

一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构，该结构特别适用于槽式光热高温集热管。该结构重要特征在于：金属端盖（2）上连接金属遮蔽罩（8），遮蔽罩（8）处于金属管（1）和外膨胀节（3）之间，较好地隔绝金属管（1）内的介质热量向外传输，遮蔽罩（8）主要目的为了遮蔽玻璃-金属封接部位，降低封接部位的温度，起到热震保护作用。封接部位包括可伐合金圈（4）、包覆在可伐合金圈（4）上的过渡玻璃（5），与过渡玻璃相连的玻璃管（6），最终有利于实现对封接部位的保护，提高封接气密性，延长集热管寿命。

Description

一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构
技术领域
一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构，特别适用于槽式光热高温集热管。该结构通过内遮蔽罩的作用，使玻璃-金属封接部位具有更好的封接强度，高气密性，特别适用高温集热管的玻璃-金属封接端头的玻璃-金属封接部位的热震冲击保护。
背景技术
太阳能光热发电是利用弧形反射镜将太阳能进行光学聚焦，对集热管内的介质进行加热，然后通过热交换产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机发电，是一个光热功转化过程。槽试光热发电的集热系统是整个发电系统的关键核心部件。在过去的30多年时间里，美国和以色列等国分别探讨了塔式集热、蝶式集热、槽式集热等形式的集热方法，通过实践对比，槽式集热技术成为一种相对成熟的集热方式。
槽式集热技术是将高温集热管置于一个抛物反射镜的焦点位置上，光能通过抛物反射镜的全反射聚集在高温真空集热管上，使光能转化为热能，将集热管内的介质加热到450℃以上（又称高温集热管），要比普通太阳能真空集热管（又称低温集热管）的温度（100℃以下）高出350℃以上，因此槽式光热集热属于高温集热技术。
高温集热管是由玻璃外管和镀膜不锈钢内管所组成的，在端部使用膨胀节将玻璃管和金属连接在一起，将玻璃管与不锈钢管之间的气体抽出，使两者之间形成真空，这样高温集热管具有很好的绝热作用，可以实现热量最大程度地收集，又可以防止热量的散失。
槽式集热系统是典型的光学聚焦型集热方式，其高温状态和使用环境对玻璃-金属封接提出了极为苛刻的要求，其核心要求在于：1）抗热震冲击能力，以保证封接端头在热冲击作用下（高低温冲击、气候急剧变化的热冲击）不能破损和不漏气；2）机械强度高，以保证在热冲击、装置变形、重力等作用下不破损和不漏气。
集热管端头结构和封接形式是保持高温集热管真空气密性的关键所在，是槽式光热电站稳定运行的基本保障条件。
目前，高温集热管基本结构形式主要分为内膨胀节型和外膨胀节型两类，内膨胀节型集热管以德国Schott公司产品为代表，其结构描述见中国专利为CN1495394A，而外膨胀节型集热管是原以色列的Solel公司产品为代表。内膨胀节型集热管结构新颖，但是结构过于复杂，实施难度较大；外膨胀节型集热管结构简单，但是封接部位的可靠性相对较差，主要原因在于：当集热管正常运行时，金属管（1）内的介质温度甚至达到450℃以上，即便玻璃管和金属管之间形成真空状态，玻璃管（6）表面温度也将达到90-120℃，而玻璃-金属封接部位温度更高，甚至达到150-180℃，高于玻璃管（6）表面温度30-60℃，其热量来源主要在于金属管（1）辐射热量，还有沿金属端盖（2）和膨胀节（3）热传导来的热量。封接部位的较高温度的危害将导致漏气率提高，甚至达到1.3×10-12Pa·m3/s。因此，降低玻璃-金属封接部位温度成为解决外膨胀节型高温集热管可靠性和长效性的关键。
发明内容
本发明通过大量结构设计和研究发现：为了提高外膨胀节型高温集热管的玻璃-金属封接部位的的抗热震冲击能力，必须降低玻璃-金属封接部位在运行中温度，本发明通过采用内遮蔽罩方式，有效地降低金属管对该部位的辐射传热。
一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构，金属管1外依次有金属端盖2、外膨胀节3、可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6；可伐合金圈4一端连接过渡玻璃5，然后在过渡玻璃5表面上连接玻璃管6；遮蔽罩8连接在金属端盖2上，处于金属管1、与外膨胀节3和可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6之间连接部位之间；遮蔽罩8的主体形状为圆筒结构，靠近可伐合金圈4和过渡玻璃5封接部位为与圆筒同直径且同轴的圆环，可伐合金圈4和过渡玻璃5封接部位以下简称为玻璃-金属封接部，圆环与圆筒之间进行衔接。
遮蔽罩8连接在金属端盖2上，使其置于金属管1和外膨胀节3及封接部位即可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6的连接部位之间。可以有效遮蔽来自金属管1的高温热量辐射，减少热量到达在玻璃-金属封接部位上。
进一步，其特征在于：遮蔽罩的圆环距离玻璃管5-15mm，遮蔽罩8长度方向超出玻璃-金属封接部位20-50mm。
进一步，所述遮蔽罩8的材质为金属或无机材料。
进一步，所述金属材料为金属铝、镀锌板或不锈钢，无机材料为玻璃、陶瓷或PVC。
进一步，所述遮蔽罩8，靠近金属管1一侧涂镀反射性膜层。
进一步，可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6三者平均线膨胀系数彼此数值相差最大≤0.6×10-6/℃，且玻璃管6膨胀系数≥过渡玻璃5膨胀系数≥可伐合金圈4膨胀系数。
通过本发明的技术实施，封接部位温度降低到95-135℃，相比原来的温度降低了40-45℃，漏气率小于0.6×10-12Pa·m3/s。
附图说明
图1 带有内遮蔽罩的玻璃-金属封接端头结构示意图和基本尺寸关系
序号
1-金属管
2-端盖
3-膨胀节
4-可伐合金圈
5-过渡玻璃
6-玻璃管
7-1、7-2、7-3 -焊接部位
8- 遮蔽罩
具体实施方式
遮蔽罩8连接在金属端盖8上，使其置于金属管1和外膨胀节3及封接部位（即可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6的连接部位）之间。可以有效遮蔽来自金属管1的高温热量辐射，减少热量到达在玻璃-金属封接部位上。
遮蔽罩结构形式类似于礼帽型结构，即遮蔽罩主体为一圆筒，靠近玻璃-金属封接部位为圆环与圆筒之间进行衔接，好似礼帽造型。遮蔽罩的圆环一端位于玻璃-金属封接部位一侧，距离玻璃管内侧5-15mm，确保与玻璃管内侧不相接触，避免发生传导传热方式发生，在遮蔽罩的长度方向上超出玻璃-金属封接部位20-50mm（见图1），确保遮蔽罩能够完全覆盖或遮蔽玻璃-金属封接部位，该遮蔽罩的结构可以有效防止来自金属管高温沿径向和轴向进行热量辐射。
在遮蔽罩靠近金属管一侧（遮蔽罩8圆筒内侧部分）即可涂镀高反射性膜层，可实现热量强反射能力。材质选择为金属或无机材料，金属材料包括但不限于金属铝板、镀锌板、不锈钢板。无机材料包括但不限于：玻璃、陶瓷、PVC等。
为了近一步提高封接部位的强度，本发明主张采用匹配封接。封接部位包括可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6所组成。其特征在于：以可伐合金圈4为基础，首先与可伐合金圈4一端连接过渡玻璃5，然后在过渡玻璃5表面上连接玻璃管6。三者平均线膨胀系数要求相近，彼此数值相差最大≤0.6×10-6/℃，其特征在于：玻璃管6膨胀系数≥过渡玻璃5膨胀系数≥可伐合金圈膨胀系数。
可伐合金圈4采用市售的可伐合金片冲压或可伐合金管辊压而成，化学组成为（wt%）：Ni 28-30,Co 16-18, C≤0.05,余量为Fe。在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.7-5.3）×10-6/℃，可伐合金圈厚度范围0.5-1.5mm，长度20-50mm，直径114-130mm。
过渡玻璃5在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.8-5.2）×10-6/℃，与可伐合金之间的润湿性好，封接强度高，气密性好，玻璃转变点≤510℃，化学组成（wt%）特点：B2O3 14.5-24, Al2O3 1-3, Na2O+K2O+Li2O 6-8, 碱土金属氧化物≤5.0，SiO2  66-70，Fe2O3 ≤200PPm。
玻璃管6在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.9-5.5）×10-6/℃，厚度范围1.5-3.5mm，与过渡玻璃较好熔封，强度好，转变点≤550℃，化学稳定性好，耐水、耐酸、耐碱均为1级，弹性模量≥68MPa，热震稳定性≥200℃，化学组成（wt%）特点：B2O3 6.0-10.5, Al2O33-8, Na2O+K2O+Li2O 5-8, ZrO2 0.01-1.0，碱土金属氧化物≤3.0，SiO2  68-75，Fe2O3 ≤150PPm，玻璃中Fe2O3是玻璃制造过程原料或其它环节所带入的，不是人为引入的，在制造过程中必须严格控制Fe2O3含量，可以确保太阳光谱透过率更高。
通过本发明的技术实施，封接部位温度降低到95-135℃，相比原来的温度降低了40-45℃，漏气率小于0.6×10-12Pa·m3/s。

Claims (6)

1.一种带有内遮蔽罩的外膨胀节型玻璃-金属封接端头结构，金属管（1）外依次有金属端盖（2）、外膨胀节（3）、可伐合金圈（4）、过渡玻璃（5）、玻璃管（6）；可伐合金圈（4）一端连接过渡玻璃（5），然后在过渡玻璃（5）表面上连接玻璃管（6）；遮蔽罩（8）连接在金属端盖（2）上，处于金属管（1）、与外膨胀节（3）和可伐合金圈（4）、过渡玻璃（5）、玻璃管（6）之间连接部位之间；遮蔽罩（8）的主体形状为圆筒结构，靠近可伐合金圈（4）和过渡玻璃（5）封接部位为与圆筒同直径且同轴的圆环，可伐合金圈（4）和过渡玻璃（5）封接部位以下简称为玻璃-金属封接部，圆环与圆筒之间进行衔接。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：遮蔽罩的圆环距离玻璃管5-15mm，遮蔽罩（8）长度方向超出玻璃-金属封接部位20-50mm。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述遮蔽罩（8）的材质为金属或无机材料。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：所述金属材料为金属铝、镀锌板或不锈钢，无机材料为玻璃、陶瓷或PVC。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述遮蔽罩（8），靠近金属管（1）一侧涂镀反射性膜层。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：可伐合金圈（4）、过渡玻璃（5）、玻璃管（6）三者平均线膨胀系数彼此数值相差最大≤0.6×10-6/℃，且玻璃管（6）膨胀系数≥过渡玻璃（5）膨胀系数≥可伐合金圈（4）膨胀系数。
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