CN103408220A - 一种槽式光热利用高温集热管端头封接结构 - Google Patents

Abstract

一种槽式光热利用高温集热管端头封接结构，其特征在于先通过火焰熔封方式将GD480S玻璃包封在可伐合金端部形成玻珠；然后再通过火焰熔封方式将GD520H玻璃包覆在GD480S玻璃表面；所述的GD480S玻璃，化学组成百分比为wt%：SiO₂68‐70，B₂O₃15‐17，Al₂O₃3‐5，Li₂O+Na₂O+K₂O7.5‐8.5，BaO+ZnO1‐3；所述的GD520H玻璃，化学组成百分比为wt%：SiO₂72‐74，B₂O₃8‐12，Al₂O₃5‐7，Li₂O+Na₂O+K₂O6‐8，BaO+ZnO3‐5。本结构与传统的“竹节型结构”相比，可降低封接面数量，增加透光率，减小封接应力，提高封接强度，减少高温集热管端头破损与漏气事故发生，有效地提高光热转换效率。

Description

一种槽式光热利用高温集热管端头封接结构

技术领域

本发明主要应用在太阳能槽式光热利用领域，具体地说是高温集热管端头处的可伐合金与硼硅酸玻璃的封接结构。

背景技术

高温集热管是槽式光热利用的核心器件，高温集热管质量的好坏将决定光热转换效率和光热利用产业的盈亏状况，高温集热管质量又取决于集热管封接端头的玻璃与金属封接强度和可靠性。

目前，国外仅有德国肖特公司研制出了能够与可伐合金匹配封接的直接连接玻璃材料，然后通过熔封技术将玻璃与可伐合金之间直接进行封接，但是该玻璃材料是与可伐合金进行直接连接的，尽管相对原有的非匹配封接结构（可伐合金与3.3玻璃直接封接，可发合金膨胀系数一般为（4.8-5.0）×10^-6/℃，而3.3玻璃膨胀系数一般为（3.2-3.4）×10^-6/℃，两者膨胀系数相差10%以上，称为非匹配封接，会导致封接界面产生较大的机械应力，是破损和漏气的主要风险点）有了较大改善和提高，最大限度地减少了玻璃材料使用，仅使用一种玻璃，但是该结构存在着可伐合金与玻璃界面结合强度不足的问题，主要原因在于该玻璃材料很难兼具封接润湿性和机械强度特性，由于该玻璃材料缺失与可伐合金的封接润湿特性，导致了两者之间的的界面封接强度不足。国内尚没有科研机构和企业研发出这种与可伐合金进行匹配封接的玻璃材料，我国主要通过一种“竹节型结构”来实现高温集热管端头处的玻璃和金属（包括可伐合金或不锈钢等）的不匹配封接，其典型结构是通过可伐合金圈、DM-308玻璃、DW-211、H26玻璃、九五料玻璃、3.3玻璃依次相连，各材料的膨胀系数分别为：（4.8-5.0）×10^-6/℃、（4.8-4.9）×10^-6/℃、（4.5-4.6）×10^-6/℃、（4.0-5.1）×10^-6/℃、（3.7-3.9）×10^-6/℃、（3.2-3.4）×10^-6/℃，每节玻璃材料的长度为10-50mm，外观上看起来很像竹子的“竹节”形态，因此简称“竹节型结构”，这种结构封接存在着很多缺点：1）封接面数量过多，并且彼此之间为非匹配封接（即彼此膨胀系数相差5%以上），因此在封接界面处产生较大结构应力，导致高温集热管漏气几率增大。2）并且封接部位受火焰的还原气氛影响导致玻璃表面的玻璃成分还原而呈现黑色或棕色，降低玻璃的透光率和外观效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高可靠性高稳定性槽式光热利用高温集热管端头封接结构。

本发明的槽式光热利用高温集热管端头封接结构，其特征在于：包括可伐合金，GD480S玻璃，GD520H玻璃，先通过火焰熔封方式将GD480S玻璃包封在可伐合金端部形成玻珠；然后再通过火焰熔封方式，将GD520H玻璃包覆在GD480S玻璃表面，该结构外形特征很像葱头，因此本发明结构简称“葱头型结构”；

所述的GD480S玻璃，化学组成质量百分比为wt%：SiO₂68-70，B₂O₃15-17，Al₂O₃3-5，Li₂O+Na₂O+K₂O7.5-8.5，BaO+ZnO1-3；

所述的GD520H玻璃，化学组成质量百分比为wt%：SiO₂72-74，B₂O₃8-12，Al₂O₃5-7，Li₂O+Na₂O+K₂O6-8，BaO+ZnO3-5。

与现有技术方案相比，本发明的有益效果是利用相对较少的玻璃材料实现了高温集热管端头封接结构，是通过可伐合金与玻璃径向依次连接来而实现的，且彼此之间的膨胀系数相近，属于匹配封接。另外本发明通过GD480S克服和避免由于GD520H与可伐合金直接连接，所导致的界面润湿性不足，结合强度低等问题，GD480S和GD520H玻璃虽然在膨胀系数与可合金的膨胀系数是相近的，但是两者性能存在较大差异，GD480S起到连接作用和与可伐合金的润湿性，而GD520H起到高机械强度、高化学稳定性、高抗曝晒性，作为光热接收玻璃材料。另外本发明所述高温集热管端头封接结构的GD480S玻璃是包覆可伐合金,这样可伐合金两侧均为玻璃包覆，使封接强度更好，降低漏气事故发生几率，提高气密性。本发明的“葱头型结构”形式，比传统的“竹节型结构”在热震试验方面的取得了显著优势，当热震温差为230℃时，在每次热震冲击后进行漏气质谱检测，本发明结构形式在抗受86次热震冲击后，才达到漏气率不合格，而传统的竹节型结构仅能耐受24次热震冲击后就漏气率不合格了，充分说明本发明的高温集热管端头封接结构的端头的高可靠性。

表1 GD480S和GD520H化学组成  单位：wt%

本发明所使用的GD480S玻璃2性能参数为：平均线热膨胀系数为（4.7-5.0）×10^-6/℃；退火温度小于520℃；与可伐合金润湿角小于18°。GD520H玻璃3性能参数为：平均线热膨胀系数为（5.0-5.5）×10^-6/℃；退火温度小于560℃；与可伐合金润湿角小于20°；弹性模量达68GPa；耐水级别达到1级。

附图说明

图1本发明的高温集热管端头封接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

首先，根据将发明内容所述的GD480S和GD520H进行熔化与制备成相应规格的玻璃管，其次采用市售4J29可伐合金。其规格与玻璃相匹配适用即可。

对4J29可伐合金圈进行处理工艺如下：

1）首先将可伐合金1进行去油，酸洗，烘干处理；GD480S玻璃2和GD520H玻璃3经过清洗，酒精烘干备用。

2）将可伐合金1在烧氢炉内进行烧氢处理，烧氢温度为1000℃，保温50min。

本发明的集热管端头封接结构的端头结构实施工艺为：

1）将可伐合金1夹持在玻璃车床上烧至暗红色，即对可伐合金1的预氧化，氧化温度为800-950℃，氧化层厚度为0.03mg-0.07mg/cm²;

2）利用火焰将GD480S玻璃2与可伐合金1连接，火焰温度控制在900℃-1300℃，玻璃包覆长度达4mm-7mm，且双面包覆于可伐合金1表面之上，厚度小于1mm；

3）利用火焰将GD520H玻璃3与GD480S玻璃2进行火焰熔封，火焰温度控制在1000℃-1450℃，GD520H玻璃3包覆在GD480S玻璃2表面长度达3mm-6mm；

4）将可伐合金1、GD480S玻璃2、GD520H玻璃3依次径向连接组合在一起的端头进行退火处理，消除应力。

本发明的高温集热管端头封接结构，其包括可伐合金圈1与GD480S玻璃2和GD520H玻璃3，先通过火焰熔封方式将GD480S玻璃2双面包封在可伐合金圈1端部形成玻珠，火焰封接温度在900℃-1300℃，包封的玻珠长度在4mm-7mm；然后通过火焰熔封方式，将GD520H玻璃3双面包覆在GD480S玻璃2表面，包覆长度在3mm-6mm，火焰熔封温度在1000℃-1450℃，最后将封接好后的高温集热管端头进行退火。本发明的高温集热管端头封接结构保证了槽式光热利用高温集热管具有较小的封接应力，较高的封接强度，较高的气密性，从而满足光热利用可靠性和长寿命要求，减少因封接端头结构失效采取维修所耽误的光热利用，因此，本发明的高温集热管端头封接结构提高了光热利用转换效率。其中所提述的GD520H玻璃3和GD480S玻璃2是自主研发的玻璃材料，GD480S玻璃2具有良好封接润湿性和界面结合强度，GD520H玻璃3具有较好的机械强度和化学稳定性。所述玻璃的其化学组成如表1所示，可满足可伐与玻璃封接的润湿性，力学性能、热学性能、化学稳定性和透光性等性能。

Claims (1)

1.一种槽式光热利用高温集热管端头封接结构，其特征在于：包括可伐合金，GD480S玻璃，GD520H玻璃，首先通过火焰熔封方式将GD480S玻璃包封在可伐合金端部形成玻珠；然后通过火焰熔封方式，将GD520H玻璃包覆在GD480S玻璃表面；

所述的GD480S玻璃，化学组成质量百分比为wt%：SiO₂68-70，B₂O₃15-17，Al₂O₃3-5，Li₂O+Na₂O+K₂O7.5-8.5，BaO+ZnO1-3；

所述的GD520H玻璃，化学组成质量百分比为wt%：SiO₂72-74，B₂O₃8-12，Al₂O₃5-7，Li₂O+Na₂O+K₂O6-8，BaO+ZnO3-5。

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