CN202382460U - 一种直通式太阳能集热管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种直通式太阳能集热管，属于太阳能领域，所述直通式太阳能集热管包括玻璃外管、金属内管、端盖、波纹管、可伐合金环、遮光环及吸气剂装置，所述波纹管的一端通过所述端盖与所述金属内管连接，所述波纹管的另一端通过所述连接件与所述可伐合金环连接，所述连接件上固定有所述遮光环和所述吸气剂装置，所述金属内管外表面镀有太阳选择性吸收涂层，所述玻璃外管与金属内管之间形成真空环形空间，所述金属内管为双金属复合管，所述玻璃外管材料为中性硼硅玻璃，所述玻璃外管与所述可伐合金环是直接熔封在一起的。本实用新型能够显著降低金属内管轴向和周向壁温梯度和热应力，降低封接制作难度，能够提高集热管的可靠性和使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型属于太阳能光热利用技术领域，特别涉及一种应用于槽式太阳能热发电系统的直通式太阳能集热管。
背景技术
槽式太阳能热发电是一种太阳能热利用技术，其利用可跟踪太阳的槽型抛物面反射镜，将入射光反射聚焦在集热管上，金属内管表面涂覆的选择性吸收膜吸收太阳光加热管内导热油工质，进而通过热交换产生高温高压蒸气，推动汽轮机发电。直通式太阳能集热管是槽式太阳能热发电系统中最为核心的部件，直通式太阳能集热管性能的好坏，直接的影响槽式太阳能热发电的效率。
现有技术一
中国发明专利CN 101975480A中公开了一种太阳能集热管，包括玻璃外管、设置在所述玻璃外管内的金属内管及波纹管，其中，金属内管的外表面镀有太阳选择性吸收涂层，波纹管的一端通过端盖与金属内管连接，波纹管的另一端通过连接件与封接金属环连接，吸气剂装置在环向上分布在封接金属环与金属内管形成的第二环形空间内，连接件上固定有遮光环。
该种结构太阳能集热管在实际生产中存在下述不足：由于目前太阳能热利用中一般都采用高硼硅Pyrex玻璃，而它的热膨胀系数为3.3×10-6K-1，与现有金属的热膨胀系数相差较大，难以实现匹配封接，故此多采用薄壁非匹配封接或多段过渡玻璃逐渐降低膨胀系数的方法进行封接，上述两种方法不仅工艺复杂，加工成本高，并且封接应力大，造成集热管在电站实际运行发生破裂。据统计，美国9座槽式太阳能热发电站中，30-40％的集热管发生了损坏，主要原因就是玻璃与金属封接问题。
另外，这种太阳能吸热管一般长为4060mm，导热油工作温度要求在300-400℃，集热管的使用寿命一般要求达到20年，但由于集热管中金属内管工作时始终是单侧受热，且抛物面反光镜反射聚焦的辐射热流强度高和分布极不均匀，金属内管周向温度最高480℃，最低只有380℃，参见文献“Three-dimensional numerical study of heat transfer characteristicsin the receiver tube of parabolic trough solar collector”(InternationalCommunications in Heat and Mass Transfer，37卷，第7期，782-787页)，造成集热管的金属内管在周向和轴向方向上产生较大的温度梯度和热应力，使集热管的金属内管发生大挠度变形，甚至发生金属内管与玻璃外管接触造成玻璃外管破裂的问题。随着系统长时间运行，集热管的金属内管发生难以恢复的变形甚至应力破坏，而金属内管变形也会造成反射聚光难以聚焦到金属内管上，对集热管吸热效率和寿命造成不利影响。
现有技术二
中国专利CN 101363664A公开了一种采用单侧增加多纵向涡强化换热的聚焦槽式太阳能吸热器，即在金属内管中增加了凹凸的不连续纵向涡发生器，用来强化传热，降低金属内管的温度梯度方法。但该方法在4米长金属内管内增加纵向涡加工难度大，并且会增加管内工质的流动阻力。
因此，在不增加流动阻力的情况下，降低集热管破损率，降低金属内管在轴向和周向温度梯度，提高集热管使用寿命和效率是当前集热管设计中的迫切要求。
实用新型内容
本实用新型目的是针对上述现有技术的不足，提供一种能够显著降低金属内管壁温梯度及热应力、降低封接难度、提高集热管可靠性和使用寿命的直通式太阳能集热管。
为了实现上述目的本实用新型采取的技术方案是：
一种直通式太阳能集热管，包括玻璃外管、金属内管、端盖、波纹管、可伐合金环、遮光环及吸气剂装置，所述金属内管设置在所述玻璃外管的内部，所述端盖套接在所述金属内管上，所述波纹管、所述可伐合金环、所述遮光环及所述吸气剂装置设于所述玻璃外管与所述金属内管之间，所述波纹管的一端通过所述端盖与所述金属内管连接，所述波纹管的另一端通过所述连接件与所述可伐合金环连接，所述连接件上固定有所述遮光环和所述吸气剂装置，所述吸气剂装置在环向上分布在所述可伐合金环与所述遮光环之间，所述金属内管外表面镀有太阳选择性吸收涂层，所述玻璃外管与金属内管之间形成真空环形空间，所述金属内管为双金属复合管，所述玻璃外管材料为中性硼硅玻璃，所述玻璃外管与所述可伐合金环是直接熔封在一起的。
具体地，所述金属内管包括不锈钢层与铜层，或者包括不锈钢层与铝层。
更具体地，所述金属内管中的不锈钢层为外层，壁厚至少为1mm。
具体地，所述玻璃外管的膨胀系数与所述可伐合金环的膨胀系数相差在10％以内。
具体地，所述可伐合金环插入所述玻璃外管的管壁内，所述可伐合金环与所述玻璃外管的相互熔合长度至少为3mm。
具体地，所述遮光环的表面具有反射率高的涂层，且所述遮光环在轴向上至少部分超过所述玻璃外管与所述可伐合金环的熔封处，所述遮光环用于遮挡和反射太阳辐射光线。
进一步地，所述吸气剂装置中的吸气剂表面被目数不小于80目的金属网包裹，用以防止吸气剂粉末散落到所述金属内管或所述玻璃外管上。
进一步地，所述的连接件具有环形阶梯，所述环形阶梯与所述可伐合金环内孔相配合，以限定所述可伐合金环的位置。
本实用新型实施例的有益效果是：相比现有技术，由于本实用新型实施例中的金属内管采用了双金属复合管结构，使得金属内管在单侧受热时，能够迅速将热量传导至整管，显著减少了金属内管温度梯度和不均匀性，降低了金属内管的热应力和发生大挠度的几率，提高了直通式太阳能集热管的寿命和效率，通过将所述玻璃外管与所述可伐合金环是直接熔封在一起，能够有效降低封接难度，提高集热管的可靠性。
附图说明
图1是本实用新型实施例中提供的一种直通式太阳能集热管的局部剖面图。
图中：1玻璃外管，2金属内管，3可伐合金环，4连接件，5波纹管，6端盖，7吸气剂装置，8吸气剂，9吸气剂金属网，10遮光环，11环形阶梯。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本实用新型所述的一种直通式太阳能集热管，包括玻璃外管1、金属内管2、端盖6、波纹管5、可伐合金环3、遮光环10及吸气剂装置7，所述金属内管2设置在所述玻璃外管1的内部，所述端盖6套接在所述金属内管2上，所述波纹管5、所述可伐合金环3、所述遮光环10及所述吸气剂装置7设于所述玻璃外管1与所述金属内管2之间，所述波纹管5的一端通过所述端盖6与所述金属内管2连接，所述波纹管5的另一端通过所述连接件4与所述可伐合金环3连接，所述连接件4上固定有所述遮光环10和所述吸气剂装置7，所述吸气剂装置7在环向上分布在所述可伐合金环3与所述遮光环10之间，所述金属内管2外表面镀有太阳选择性吸收涂层，所述玻璃外管1与金属内管2之间形成真空环形空间，所述金属内管2为双金属复合管，所述玻璃外管1材料为中性硼硅玻璃，所述玻璃外管1与所述可伐合金环3是直接熔封在一起的。
具体地，所述金属内管2包括不锈钢层与铜层，或者包括不锈钢层层与铝层。即本实施例中，所述金属内管2是采用不锈钢层与铜层复合而成，或者采用不锈钢层与铝层复合而成的双金属复合管。其中，不锈钢优先采用316L、316Ti或321系列耐高温耐腐蚀的不锈钢材料，该不锈钢系列导热系数一般在15W/(mK)左右，导热系数较差，由于金属内管2为单侧受热且不均匀，温度不能及时传热到整管，造成金属内管2在周向和轴向方向上存在较大温度梯度和应力，因此为了降低金属内管2周向和轴向温度梯度，本实用新型中选用铜或铝作为内层金属，由于铜的导热系数在400W/(mK)左右，是不锈钢导热系数的20多倍，铝的导热系数在250W/(mK)左右，是不锈钢导热系数的16倍多，在金属内管2单侧受热时，能够迅速将热量导到整管，显著减少了金属内管2温度梯度和不均匀性，降低金属内管2的热应力和发生大挠度的几率，提高了集热管的寿命和效率。另外，铝还能够起到阻氢的作用，防止导热油高温分解产生的氢气渗透到真空中，从而造成热损增加。
更具体地，所述金属内管2中的不锈钢层为外层，壁厚至少为1mm，这样便于集热管两端波纹管5与金属内管2焊接，并且由于不锈钢机械强度要高于铜或铝，保证整个金属内管2的机械强度和韧性。此外，由于不锈钢材料具有耐高温、耐腐蚀的特性，所述金属内管2中不锈钢层始终为外层，包围着铜层或铝层，内层的铜或铝可以快速的进行热传递，使金属内管2轴向和周向的温度更加均匀，显著降低高温热应力。
具体实施时，为了降低成本和偏于加工制作，本实施例中不锈钢层的厚度一般在1-2.5mm，铜层或铝层的厚度小于2mm。
具体地，所述玻璃外管1的膨胀系数与所述可伐合金环3的膨胀系数相差在10％以内。
本实施例中，所述玻璃外管1的材料为中性硼硅玻璃，该种玻璃透光率高、耐水性好，非常适宜应用在直通式太阳能集热管中，其膨胀系数一般在5.0×10-6/K左右，与可伐合金环3的膨胀系数非常接近，相差在10％以内，经过大量的封接实验证明，其与可伐合金环3可以直接熔封在一起的，封接残余应力较小，耐冷热冲击能力超过160℃。
具体地，为了保证封接强度和气密性，本实施例中，所述可伐合金环3插入所述玻璃外管1的管壁内，所述可伐合金环3与所述玻璃外管1的相互熔合长度至少为3mm。
具体实施时，可伐合金环3与玻璃外管1封接时，可伐合金环3与玻璃外管1相互熔合长度一般在3-8mm之间为佳。
具体地，所述遮光环10的表面具有反射率高的涂层，且所述遮光环10在轴向上至少部分超过所述玻璃外管1与所述可伐合金环3的熔封处，所述遮光环10用于遮挡和反射太阳辐射光线，以防止太阳光照射到封接处造成较大的热应力。
由于吸气剂装置7是维持直通式太阳能集热管的真空性能的关键部件，为了防止出现吸气剂粉末散落到金属内管2或玻璃外管1，进一步地，所述吸气剂装置7中的吸气剂8表面被目数不小于80目的金属网包裹，用以防止吸气剂粉末散落到所述金属内管2或所述玻璃外管1上。其中，吸气剂装置7为现有技术，吸气剂装置7是一种环形结构，具有能够并排放置吸气剂8的凹槽，因此在大量吸气剂8放置到吸气剂装置7的凹槽后，其表面罩上目数不小于80目的吸气剂金属网9，能够解决现有中，集热管实际运行时经常发现吸气剂粉末散落到金属内管2或玻璃外管1上，造成聚光反射被吸气剂粉末阻挡或吸收，玻璃外管1或金属内管2局部温度较高，从而降低集热管的效率的问题。
为了便于定位和焊接，进一步地，所述的连接件4具有环形阶梯11，所述环形阶梯11与所述可伐合金环3内孔相配合，以限定所述可伐合金环3的位置，保证了组装精度和焊接质量，解决了现有技术中，在集热管玻璃外管1与金属内管2组装时，连接件4一端与波纹管5焊接后，连接件4另一端在与可伐合金环3焊接时，由于端面相互平行，经常发生错位或出现间隙而不能很好的定位和固定，造成焊接困难的问题。
下面通过一个具体的实施例来说明本实用新型的结构。
参见图1，本实用新型一实施例所述的直通式太阳能集热管：其中，
玻璃外管1采用中性硼硅玻璃材料，其膨胀系数在5.0×10-6/K左右，其外径120mm，壁厚3mm；
可伐合金环3采用插入玻璃壁内的形式直接与玻璃外管1熔封在一起，两者相互熔合长度为6mm；
设置在所述玻璃外管1内的金属内管2外表面镀有太阳选择性吸收涂层，该金属内管2为不锈钢316L与纯铜材料组合形成的双金属复合管，不锈钢为外层，壁厚为2mm，铜为内层，壁厚1mm；
波纹管5的一端通过端盖6与金属内管2焊接，波纹管5的另一端通过连接件4与可伐合金环3焊接，为了便于可伐合金环3与连接件4定位和焊接，在连接件4上加工出环形阶梯11；
连接件4上固定有遮光环10和吸气剂装置7，遮光环10为喇叭口型，其表面具有反射率高的涂层，且在轴向上至少部分超过玻璃外管1与可伐合金环3熔封处，用来防止聚光照射到封接处造成应力；
吸气剂装置7在环向上分布在可伐合金环3与遮光环10之间；
吸气剂装置7是一种环形结构，具有能够并排放置吸气剂8的凹槽，在放置30个吸气剂8到吸气剂装置7的凹槽后，其表面罩上目数200目的吸气剂金属网9；
在集热管组装完成后，通过对玻璃外管1与金属内管2之间形成的环形空间进行高温真空排气，最后形成真空空间，用来减少热损和防止金属内管2表面的膜层发生氧化。
参见图1所示，本实用新型还提供了另一种直通式太阳能集热管，该实施例的结构与上面的实施例一的结构基本相同，不同之处在于：可伐合金环3与玻璃外管1相互熔合长度为3mm；设置在所述玻璃外管1内的金属内管2为不锈钢321与铝材料组合形成的双金属复合管，不锈钢为外层，壁厚为1mm，铝为内层，壁厚2mm；吸气剂装置7具有能够并排放置40个吸气剂8的能力，其表面罩上目数80目的吸气剂金属网9，其余为相同之处，相同之处本例不再赘述。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直通式太阳能集热管，包括玻璃外管、金属内管、端盖、波纹管、可伐合金环、遮光环及吸气剂装置，所述金属内管设置在所述玻璃外管的内部，所述端盖套接在所述金属内管上，所述波纹管、所述可伐合金环、所述遮光环及所述吸气剂装置设于所述玻璃外管与所述金属内管之间，所述波纹管的一端通过所述端盖与所述金属内管连接，所述波纹管的另一端通过所述连接件与所述可伐合金环连接，所述连接件上固定有所述遮光环和所述吸气剂装置，所述吸气剂装置在环向上分布在所述可伐合金环与所述遮光环之间，所述金属内管外表面镀有太阳选择性吸收涂层，所述玻璃外管与金属内管之间形成真空环形空间，其特征在于，所述金属内管为双金属复合管，所述玻璃外管材料为中性硼硅玻璃，所述玻璃外管与所述可伐合金环是直接熔封在一起的。
2.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管包括不锈钢层与铜层，或者包括不锈钢层与铝层。
3.根据权利要求2所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述金属内管中的不锈钢层为外层，壁厚至少为1mm。
4.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述玻璃外管的膨胀系数与所述可伐合金环的膨胀系数相差在10％以内。
5.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述可伐合金环插入所述玻璃外管的管壁内，所述可伐合金环与所述玻璃外管的相互熔合长度至少为3mm。
6.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述遮光环的表面具有反射率高的涂层，且所述遮光环在轴向上至少部分超过所述玻璃外管与所述可伐合金环的熔封处，所述遮光环用于遮挡和反射太阳辐射光线。
7.根据权利要求1所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述吸气剂装置中的吸气剂表面被目数不小于80目的金属网包裹，用以防止吸气剂粉末散落到所述金属内管或所述玻璃外管上。
8.根据权利要求1-7任一项所述的直通式太阳能集热管，其特征在于，所述的连接件具有环形阶梯，所述环形阶梯与所述可伐合金环内孔相配合，以限定所述可伐合金环的位置。
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