CN105510068A - 一种高温真空集热管真空寿命的检测设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温真空集热管真空寿命检测领域，具体涉及一种高温真空集热管真空寿命的检测设备和方法。所述检测设备由电路控制系统、温度控制系统及真空度检测系统组成；电路控制系统包括导电夹，电源装置和铜板；导电夹直接夹在金属吸热管两端部，使用铜板将真空集热管与电源装置连接，形成串联电路；温度控制系统包括温度控制器和温度传感器；温度传感器置于金属吸热管内壁，并与温度控制器相连接；温度控制器与电源装置相连；真空度检测系统包括真空电离规和电离真空计；真空电离规焊接在外玻璃管外表面，并通过接线柱与电离真空计连接。

Description

一种高温真空集热管真空寿命的检测设备和方法

技术领域

本发明属于高温真空集热管真空寿命检测领域，具体涉及一种高温真空集热管真空寿命的检测设备和方法。

背景技术

太阳能高温真空集热管为太阳能热发电系统的核心部件，其热性能直接决定了整个集热系统的热转换效率。为保证良好的隔热效果及降低传热损失，须将集热管的金属吸热管与外玻璃管间的环形空间抽成真空，称为真空夹层。高温集热管在高温工作时，集热管内的各个部件将会放气；同时，由于平衡浓度差的作用，金属吸热管内部流过的导热介质在高温下分解产生的气体亦会穿过不锈钢管管壁而进入真空夹层；两者均会导致集热管内真空夹层的真空度降低，热损升高。高温真空集热管在管内真空度高于0.1Pa时，热损值将提高4倍。高温真空集热管的真空寿命直接影响其使用寿命，因此必须对集热管管内真空度变化进行检测，以评估其真空寿命。

目前研究的高温集热管真空度的测试方法主要为测试集热管在高温(250℃～400℃)下的放气速率，并据此推断其管内真空度的具体变化情况。该测试方法存在的主要问题为缺乏对真空集热管内真空度的检测，模拟真空度变化曲线与实际曲线存在一定差异。同时，传统的稳态测试平台在使用铜管加热从而对集热管进行加热时，存在加热速度过慢，且集热管管内轴向温度不均匀等情况，导致金属管温度不均匀，各部分放气速率存在差异，影响管内真空度的测试精度。

因此本发明开发出一种采用电加热方式快速加热，同时可采集集热管管内真空度的方法，用以预测集热管真空寿命。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种高温真空集热管真空寿命的检测设备和方法，具体技术方案如下：

一种高温真空集热管真空寿命的检测设备，所述真空集热管包括金属吸热管7和外玻璃管6，所述检测设备由电路控制系统、温度控制系统及真空度检测系统组成；

电路控制系统包括导电夹5，电源装置和铜板1；导电夹5直接夹在金属吸热管7两端部，使用铜板1将真空集热管与电源装置连接，形成串联电路；

温度控制系统包括温度控制器和温度传感器4；温度传感器4置于金属吸热管7内壁，并与温度控制器相连接；温度控制器与电源装置相连；

真空度检测系统包括真空电离规2和电离真空计；真空电离规2焊接在外玻璃管6外表面，并通过接线柱3与电离真空计连接。

进一步地，所述温度传感器4为杆式陶瓷热电偶，所述温度控制器为AI温度变送器。

进一步地，所述串联电路中的真空集热管为一个或一个以上。

进一步地，所述电源装置包括电流互感器，变压器和可控硅。

利用如上所述的检测设备进行高温真空集热管真空寿命检测的方法，包括以下步骤：

a.将导电夹5直接夹在金属吸热管7两端部，使用铜板1将真空集热管与电源装置连接，形成串联电路；

b.将温度传感器4与温度控制器相连接，并将温度传感器4置于金属吸热管内壁中部；温度控制器与电源装置相连，监测金属吸热管7内壁温度并控制输入电流；

c.真空电离规2焊接在外玻璃管6外表面，并通过接线柱3与电离真空计连接，以检测真空集热管内真空度数值；

d.设定最高加热温度，开启电源装置对真空集热管进行加热，根据金属吸热管7外壁温度的上升速率调整电源装置的输入电流，当金属吸热管7外壁温度达到最高加热温度时，保温一段时间后将集热管冷却至室温，真空集热管完成一次升温、保温和降温过程，视为一次热循环；在整个热循环过程中，温度传感器4记录真空集热管的温度，真空度检测系统记录真空集热管内的真空度；

e.不断重复此热循环并不间断地记录真空集热管温度及真空度数据，热循环总次数为n；

f.根据真空度y和热循环次数x得到两者之间的关系式；真空集热管在工作条件下可认为一天进行一次热循环，在该集热管使用寿命为25年的要求下，使用寿命期间内的循环次数为9000次；将9000代入得到的关系式中，得出真空度数值y₁；

g.当y₁大于0.1Pa，则该集热管不满足使用寿命的要求；当y₁不大于0.1Pa时，则该集热管满足使用寿命的要求。

步骤d中，每隔60s记录一次温度和真空度数值。设定的最高加热温度为400℃，升温速率为4℃/min，保温时间为30min，降温时间为700min。步骤e中，热循环总次数n＝400。

本发明的工作原理为利用集热管管内各部件在不同温度下放气速率不同的现象，模拟集热管实际工作条件，通过对集热管循环加热，测试集热管在不同温度和加热循环次数条件下的真空度，以评估集热管的真空寿命。

本发明通过电路控制系统对集热管进行循环加热，由温度传感器检测集热管内金属吸热管外壁温度，反馈至温度控制系统，该系统记录吸热管外壁的实时温度并将其与设定温度比较以控制电源装置的输入电流。

本发明的有益效果为：

采用电加热的方法对真空集热管内部金属吸热管直接加热，由于集热管处于串联电路中，保证了金属吸热管内部各处电流相等，即保证了其轴向温度的一致性，降低了轴向温差，有效地避免了集热管轴向放气速率不均匀的情况发生。使用铜板将若干个集热管串联，可同时对多根集热管进行加热循环操作，提高了测试效率。同时，控制铜板的规格可提高加热循环过程中的安全系数，避免局部过热导致电路烧断的情况发生。

电路控制系统和温度控制系统可设定循环加热程序，可对集热管进行长期反复的加热操作和温度数据的记录，真空度测试系统可不间断检测记录集热管管内的真空度数据，整套设备可保证获得长期连续对集热管进行加热循环时的管内真空度数据，对研究集热管真空寿命提供良好的数据基础。

附图说明

图1为真空集热管测试设备连接示意图。

图2为真空集热管测试时热电偶及电离规安放位置示意图。

图3为实施例1得到的真空集热管的真空度-循环次数曲线图。

图4为实施例2得到的真空集热管的真空度-循环次数曲线图。

图中各标号的具体含义为：1-铜板，2-真空电离规，3-接线柱，4-温度传感器，5-导电夹，6-外玻璃管，7-金属吸热管。

具体实施方式

实施例1

1.将初始真空度为10^-3Pa的真空集热管置于测试平台，集热管400℃下初始真空度为0.0041Pa。使用不锈钢导电夹分别夹在两根真空集热管的金属吸热管两端部，使用铜板将真空集热管与电源装置相连，形成串联电路。

2.将温度控制器与温度传感器相连接，温度传感器为杆式陶瓷热电偶，将其置于金属吸热管内壁，具体位置为金属吸热管中部，同时将温度控制器与电源装置相连。

3.将焊接在集热管外玻璃管外表面的真空电离规通过接线柱与电离真空计相连接。

4.设定最高加热温度为400℃，开启电源装置对集热管进行加热，同时每隔60s记录一次集热管的管内温度及真空度数值，根据金属吸热管外壁温度的上升速率调整电源装置的输入电流，加热速率约维持在4℃/min，125min后集热管温度达到400℃，在该温度下保温30min后冷却至室温，降温时间持续700min，至此视作完成一次热循环。

5.不断重复此热循环并不间断地记录集热管温度及真空度数据，经过400次热循环后，集热管在400℃下真空为0.0086Pa。

6.将所测试集热管的400℃时的管内真空度与循环次数相结合可得到关系式为： $y=0.111-0.035\[\exp (-\frac{x}{9607.4})+\exp (-\frac{x}{9605.9})+\exp (-\frac{x}{9702.4})\]$ (其中y为管内真空度，单位为Pa，x为循环次数)，拟合度为0.979，关系曲线如图3所示。

7.真空集热管在工作条件下可认为一天进行一次热循环。在该集热管使用寿命为25年的要求下，使用寿命期间内的循环次数为约9000次。根据上述关系式可以得到，经过9000次热循环后真空度约为0.074Pa，未达到集热管真空失效判据0.1Pa的真空度标准，即该集热管满足使用寿命的要求。

实施例2

1.将初始真空度为10^-2Pa的真空集热管置于测试平台，集热管400℃下初始真空度为0.020Pa。使用不锈钢导电夹分别夹在两根真空集热管的金属吸热管两端部，使用铜板将真空集热管与电源装置相连，构成串联电路。

2.将温度控制器与温度传感器相连接，温度传感器为杆式陶瓷热电偶，将其置于金属吸热管内壁，具体位置为金属吸热管中部，同时将温度控制器与电源装置相连。

3.将焊接在集热管外玻璃管外表面的真空电离规通过接线柱与电离真空计相连接。

4.设定最高温度为400℃，开启电源装置对集热管进行加热，同时每隔60s记录一次集热管的管内温度和真空度数值，根据金属吸热管外壁温度的上升速率调整电源装置的输入电流，加热速率约维持在4℃/min，125min后集热管温度达到400℃，在该温度下保温30min后冷却至室温，降温时间持续700min，至此视作完成一次热循环。

5.不断重复此热循环并不间断地记录集热管温度及真空度数据，经过400次热循环后，集热管在400℃下真空为0.034Pa。

6.将所测试集热管的400℃时的管内真空度与循环次数相结合可得到关系式为： $y=0.107-0.042\[\exp (-\frac{x}{2870.1})+\exp (-\frac{x}{2829.3})\]-0.003\exp (-\frac{x}{50.93})$ (其中y为管内真空度，单位为Pa，x为循环次数)，拟合度为0.972，关系曲线如图4所示。

7.真空集热管在工作条件下可认为一天进行一次热循环。在该集热管使用寿命为25年的要求下，使用寿命期间内的循环次数为约9000次。根据上述关系式可以得到，经过9000次热循环后真空度约为0.098Pa，略低于集热管真空失效判据0.1Pa的真空度标准，即可认为该集热管满足使用寿命的要求。

本发明主要是针对高温真空集热管真空寿命检测设备和方法所进行的改进，以上所述仅为本发明较佳实施例而已，非因此即局限本发明的专利范围，故举凡用本发明说明书及图式内容所为的简易变化及等效变换，均应包含于本发明的专利范围内。

Claims (8)

1.一种高温真空集热管真空寿命的检测设备，所述真空集热管包括金属吸热管(7)和外玻璃管(6)，其特征在于，所述检测设备由电路控制系统、温度控制系统及真空度检测系统组成；

电路控制系统包括导电夹(5)，电源装置和铜板(1)；导电夹(5)直接夹在金属吸热管(7)两端部，使用铜板(1)将真空集热管与电源装置连接，形成串联电路；

温度控制系统包括温度控制器和温度传感器(4)；温度传感器(4)置于金属吸热管(7)内壁，并与温度控制器相连接；温度控制器与电源装置相连；

真空度检测系统包括真空电离规(2)和电离真空计；真空电离规(2)焊接在外玻璃管(6)外表面，并通过接线柱(3)与电离真空计连接。

2.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述温度传感器(4)为杆式陶瓷热电偶，所述温度控制器为AI温度变送器。

3.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述串联电路中的真空集热管为一个或一个以上。

4.根据权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述电源装置包括电流互感器，变压器和可控硅。

5.利用权利要求1～4任一项所述的检测设备进行高温真空集热管真空寿命检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将导电夹(5)直接夹在金属吸热管(7)两端部，使用铜板(1)将真空集热管与电源装置连接，形成串联电路；

b.将温度传感器(4)与温度控制器相连接，并将温度传感器(4)置于金属吸热管内壁中部；温度控制器与电源装置相连，监测金属吸热管(7)内壁温度并控制输入电流；

c.真空电离规(2)焊接在外玻璃管(6)外表面，并通过接线柱(3)与电离真空计连接，以检测真空集热管内真空度数值；

d.设定最高加热温度，开启电源装置对真空集热管进行加热，根据金属吸热管(7)外壁温度的上升速率调整电源装置的输入电流，当金属吸热管(7)外壁温度达到最高加热温度时，保温一段时间后将集热管冷却至室温，真空集热管完成一次升温、保温和降温过程，视为一次热循环；在整个热循环过程中，温度传感器(4)记录真空集热管的温度，真空度检测系统记录真空集热管内的真空度；

e.不断重复此热循环并不间断地记录真空集热管温度及真空度数据，热循环总次数为n；

f.根据真空度y和热循环次数x得到两者之间的关系式；真空集热管在工作条件下可认为一天进行一次热循环，在该集热管使用寿命为25年的要求下，使用寿命期间内的循环次数为9000次；将9000代入得到的关系式中，得出真空度数值y₁；

g.当y₁大于0.1Pa，则该集热管不满足使用寿命的要求；当y₁不大于0.1Pa时，则该集热管满足使用寿命的要求。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d中，每隔60s记录一次温度和真空度数值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d中，设定的最高加热温度为400℃，升温速率为4℃/min，保温时间为30min，降温时间为700min。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤e中，热循环总次数n＝400。