CN105806883A - 一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统及方法。该系统包括：加热总成、加热控制及监测系统、真空系统、数据采集系统及上位机控制系统，其中，该加热总成置于一铜管内，该铜管一端焊接铜质CF法兰，另一端封口；集热管的两端分别焊接CF法兰，一端的CF法兰与所述铜管的铜质CF法兰固定连接，另一端的CF法兰通过真空管道连接真空系统；所述铜管的外壁上安装有温度监测热偶；该温度监测热偶及加热总成与加热及监测系统连接，进而通过数据采集系统连接至上位机控制系统。本发明利用真空加热方式测试槽式高温集热管热损，可以延长设备测试时限，提高测试结果的精度以及一致性。

Description

一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统及方法。
背景技术
太阳能热发电技术是新能源应用领域的重要分支，其中槽式热发电在国外部分地区已经有较长时间、较大规模应用。槽式热发电技术是利用槽式聚光镜汇聚太阳光于焦平面处，在焦平面处安装的集热管(根据电厂要求以及日照条件等分为高温真空集热管及中温管等)收集热量并传热给集热管内流动的热工质(导热油，熔盐，水蒸气等)，加热后的热工质经过管路后和低温工质进行换热，进而通过一系列机械过程推动发电机发电。
我国进入高温热发电领域时间不长，在早期同德国、美国、西班牙等光热技术先进国家存在较大技术差距，近些年在槽式热发电核心设备(如高温真空集热管，反射镜，储热系统等)的制造以及应用领域取得较快进展，涌现出一批优秀的核心设备提供商。正是由于我国在槽式热发电核心设备的高速发展以及广阔前景对于集热管的研发、改进提出了更高的要求，相应的对于掌握集热管性能的测试技术和设备也提出了更高精度、更高一致性的要求。
集热管的性能直接影响光热电厂的运行效率，集热管热损是评价集热管性能的核心指标。如何准确的测试得到集热管热损一直是制造方和研发方的重要课题，且由于市场逐渐开放和多样化，测试结果的一致性也逐渐引起注意。由于各国的实际情况，国际上目前较权威的测试机构有德国宇航局(DLR)和美国可再生能源实验室(NREL)。DLR采用圆形加热器作为加热器，且外套铜管作均温用途。NREL采用分立式的加热器作为加热器，同样外套铜管做均温测试。这种方式虽然简便，但是有一些缺点必须注意：由于实验要求需要对集热管做长时间重复测试，加热器经过长时间使用后铜管表面极容易氧化生成黑色松软的多层薄膜状氧化物，由于热量是从铜管传递到空气，空气传热到集热管内壁，这些氧化物对于均匀传热有极大影响；且由于热偶安装方式以及电路安装方式，氧化物极难清理；对于无法控制环境湿度的测试机构更易生成氧化物。其二，长时间使用后加热器内部损耗增大，会导致测试数据偏差，测试结果失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，用以检测高温集热管的核心参数-热损数值，且具有高精度、高一致性的特性。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述系统测试真空加热式槽式高温集热管热损值的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，包括：加热总成、加热控制及监测系统、真空系统、数据采集系统及上位机控制系统，其中，
该加热总成置于一铜管内，该铜管一端焊接铜质CF法兰，另一端封口；
集热管的两端分别焊接CF法兰，一端的CF法兰与所述铜管的铜质CF法兰固定连接，另一端的CF法兰通过真空管道连接真空系统；
所述铜管的外壁上安装有温度监测热偶；该温度监测热偶及加热总成与加热及监测系统连接，进而通过数据采集系统连接至上位机控制系统。
其中，所述加热总成包括通过绝缘连接件和多孔连接支架固定的多管式铠装加热器和铠装热偶。所述多管式铠装加热器包括主加热器和两个辅加热器，每个加热器的热偶端部位置对准相应加热器的中心位置。
所述加热控制及监测系统由电力变送仪、温控仪、温度巡检仪、带漏电保护的断路器构成。
所述真空系统包括通过管路连接在集热管一端的分子泵和机械泵，管路上设有复合真空计和挡板阀。
一种采用以上所述的测试系统测试真空加热式槽式高温集热管热损的方法，包括以下步骤：
(1)设备安装及初始化；安装被测集热管和真空系统，包括安装被测集热管至测试载具，安装加热总成，安装铜管外温度监测热偶，安装加热及监测系统，连接数据采集系统和上位机控制系统，安装真空规和复合真空计，用来监测指示整个测试系统的真空腔在测试中的真空程度。
(2)开启真空系统，维持整个测试系统真空腔(铜管外壁与集热管内壁之间形成的腔体)的真空度，整个测试过程中应保持真空系统持续运作。
(3)设置程序运行时间及温度，开启加热系统；热损测试涉及集热管在不同温度下的测试，由于达到稳态时间较长，所以利用程序控制系统的运行和记录。
(4)开启数据采集系统和上位机控制系统，按照从高温到低温的顺序记录不同测试温度点的温度数据、电力数据、真空数据；从上位机控制系统的组态软件数据库中调取记录数据进行分析计算。
在该方法中，数据记录间隔根据各仪表不同情况而定，为便于变量同步，一般取共同的时间间隔，范围1s-60min。温度数据稳定后确定电力数据选取区间，温度数据稳定标准为在30min内加热器温度漂移小于目标温度±0.8℃。温度的记录以及电力数据的记录均基于真空稳态的条件，在升降温台阶时会有放气峰出现，在数据选取时应避开此时间段，数据记录过程时间范围30min-12hr。
本发明的优点在于：
本发明采用“多组铠装加热总成-空气-铜管-真空-集热管内壁”的加热-传热方式，使得铜管外壁氧化得到根本解决，且由于是真空传热，由于空气流通造成的不确定性也大幅度下降。并且，由于加热总成的规范性、一致性，且由于其易更换特性，最大可能的延长了设备测试时限，极大的提高了测试结果的一致性。
附图说明
图1为本发明测试系统的示意图。
图2a为本发明测试系统中加热总成与集热管之间的连接结构示意图；图2b为测试系统与真空系统连接处的结构示意图。
图3为本发明加热控制系统与数据采集系统的连接逻辑示意图。
图4为采用本发明的测试结果。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明的真空加热式槽式高温集热管热损测试系统包括：加热总成、加热控制及监测系统、真空系统、数据采集系统及上位机控制系统，其中，
如图2a、2b所示，加热总成包括多管式铠装加热器和铠装热偶，其中，多管式铠装加热器包括主加热器7和两个辅加热器5，每个加热器均有各自对应的热偶。例如，可以将中心热偶1的端部对准主加热器7的中心位置，热偶2、3的端部位置分别对准两个辅加热器5的中心位置。多管式铠装加热器和铠装热偶通过绝缘连接件4、6和多孔连接支架8固定。加热总成整体置于铜管10内，该铜管10的一端焊接铜质CF法兰9，另一端封口；集热管的两端分别焊接CF法兰，一端的CF法兰11与铜管10的铜质CF法兰9固定连接，另一端的CF法兰12通过真空管道14连接真空系统；
集热管13由集热管测试载具16支撑。该集热管的两端均设有绝热部件15，确保集热管两端具有良好的绝热效果。
铜管10的外壁上安装有温度监测热偶，该温度监测热偶及加热总成与加热及监测系统连接，进而通过数据采集系统连接至上位机控制系统。
采用本发明的测试系统对集热管热损测试的过程是：
通过真空系统控制测试系统的真空度；通过加热及监测系统控制加热器将集热管内的温度加热并维持在测量温度；通过数据采集系统和上位机控制系统记录不同测试温度点的温度数据、电力数据；通过分析计算在稳态条件时，单位时间内、由单位长度的集热管损耗的电能量即为集热管在该温度下的热损失。
以下详细描述采用本发明进行集热管热损测试的具体操作过程：
(1)测试环境选取及规范，环境温度15-30℃，相对湿度＜80％，环境适当通风。
(2)依照加热控制逻辑图进行控制电路连接(如图3所示)，确保线路无漏电；连接真空系统，确保管路无漏气。
(3)安装集热管和连接法兰等至测试载具，绝热端头为模具制成，上下开合方式。调整两端绝热端头位置，确保集热管两端具有良好绝热。
(4)安装加热总成，加热总成中心的热偶反映主加热器中心温度，两端热偶反映辅加热器温度。安装时将铠装热偶穿过加热总成轴心的绝缘连接件以及多孔连接支架，热偶端部位置对准相应加热器中心位置并进行相应固定。
(5)安装控制电路以及加热电路，安装铜管外玻璃管监测热偶。
(6)开启真空系统并稳定一小时以上，开启上位机及组态控制软件，设置程序运行时间及温度。
(7)开启加热系统，将集热管内的温度加热并维持在测量温度，然后记录不同测试温度点的温度数据、电力数据、真空数据。在此过程中温度数据稳定后确定电力数据选取区间，温度数据稳定标准为在30min内加热器温度漂移小于目标温度±0.8℃。测试过程由高温到低温的过程数据波动较小，且由于材料放气对于真空加热系统的影响较小，更加有利于均匀传热，因此按照从高温到低温的顺序记录不同测试温度点的温度数据、电力数据、真空数据。
(8)由组态软件数据库中调取记录数据进行分析计算。集热管最终的热损可以表示为在稳态条件下，单位时间内，由单位长度集热管耗散掉的电功率，单位W/m。
参照图4给出其中一次测试的结果，横轴表示加热温度，纵轴表示热损数值，拟合曲线根据传热特性选取a·T+b·T4方式，可以看出拟合曲线和测试点符合较好，参数a和参数b具有和集热管本身相关的物理特性，a是衡量线性传热的热传导特性，b接近于Stephan-Boltzmann常数，用来衡量系统的热辐射特性。

Claims (9)

1.一种真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，其特征在于，包括：加热总成、加热控制及监测系统、真空系统、数据采集系统及上位机控制系统，其中，
该加热总成置于一铜管内，该铜管一端焊接铜质CF法兰，另一端封口；
集热管的两端分别焊接CF法兰，一端的CF法兰与所述铜管的铜质CF法兰固定连接，另一端的CF法兰通过真空管道连接真空系统；
所述铜管的外壁上安装有温度监测热偶；该温度监测热偶及加热总成与加热及监测系统连接，进而通过数据采集系统连接至上位机控制系统。
2.根据权利要求1所述的真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，其特征在于，所述加热总成包括通过绝缘连接件和多孔连接支架固定的多管式铠装加热器和铠装热偶。
3.根据权利要求2所述的真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，其特征在于，所述多管式铠装加热器包括主加热器和两个辅加热器，每个加热器的热偶端部位置对准相应加热器的中心位置。
4.根据权利要求1所述的真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，其特征在于，所述加热控制及监测系统由电力变送仪、温控仪、温度巡检仪、带漏电保护的断路器构成。
5.根据权利要求1所述的真空加热式槽式高温集热管热损测试系统，其特征在于，所述真空系统包括通过管路连接在集热管一端的分子泵和机械泵，管路上设有复合真空计和挡板阀。
6.一种真空加热式槽式高温集热管热损的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据权利要求1的测试系统进行设备安装及初始化；
(2)开启真空系统，维持整个测试系统真空腔的真空度；
(3)设置程序运行时间及温度，开启加热系统；
(4)开启数据采集系统和上位机控制系统，按照从高温到低温的顺序记录不同测试温度点的温度数据、电力数据、真空数据；从上位机控制系统的组态软件数据库中调取记录数据进行分析计算。
7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，数据记录间隔取相同的时间间隔，间隔范围为1s-60min。
8.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述步骤(4)中，温度数据稳定后确定电力数据选取区间，温度数据稳定标准为在30min内加热器温度漂移小于目标温度±0.8℃。
9.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，温度的记录以及电力数据的记录均基于真空稳态的条件，在数据选取时避开升降温时出现放气峰的时间段，数据记录过程时间范围30min-12hr。
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