热管式真空太阳能集热管(简称热管式真空管或热管真空管),是金属吸热体太阳能真空集热管的一种,热管真空管具备了全玻璃真空管良好的集热和保温性能,以及平板式集热器金属的良好导热性能和机械强度,并且它以热管作为核心传热原件,具有别的类型的太阳能集热产品无法替代的优势。热管真空管产品在太阳能光热领域的应有已经有20多年的历史,因其生产技术方面的要求较高,生产工艺复杂,并且以铜和铝为主要材料,成本高于玻璃真空管产品,一直以来市场应用相对较少,目前,太阳能集热产品应用场景范围逐步扩大,市场对太阳能对太阳能集热产品的要求慢慢的升高,热管真空管太阳能产品已逐渐被用户认可。
热管真空管主要由热管(包括冷凝段和蒸发段)、表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板、玻璃真空管以及消气剂、弹簧支架等附件组成,其基本结构如图1所示。
热管真空管上使用的热管是紫铜重力热管(也称为热虹吸管,特点是管内没有吸液芯),热管内部充注有专用热管工质,经排气处理后封闭为真空状态,。热管以焊接在其上的金属封盖为界分为冷凝段和蒸发段两部分,金属封盖和玻璃管封接经排气处理后形成真空管,热管蒸发段和焊接其上的金属吸热板封装在真空管内。热管蒸发段用来吸收吸热板采集到的太阳能热量并传递到冷凝段,冷凝段再将太阳能热量传递给被加热的工质。
金属吸热板是热管式真空管的核心部件,其性能直接决定热管式真空管的热性能。目前市场上的热管式真空管所采用的集热板一般为无氧铜吸热板或铜—铝复合吸热板,吸热板表面采用磁控溅射工艺形成高吸收率、低发射率的选择性吸收涂层。吸热板与热管通过超声焊接或激光焊接结合在一起或嵌套在一起,确保热量快速传导。
将膨胀系数差别很大的金属盖和玻璃管封接在一起是热管式真空管产品的一个关键技术。玻璃—金属封接技术大体可分为两种:一种是熔封,也称为火封,它是借助一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料,利用火焰将玻璃熔化后封接在一起;另一种是热压封,也称为固态封接,它是利用一种塑性较好的金属作为焊料,在加热加压的条件下将金属封盖和玻璃管封接在一起。因为热压封技术具有封接温度低、封接速度快、封接材料匹配要求低等优点,所以目前国内玻璃—金属封接大都采用热压封技术,热压封使用的焊料有铅、铝等。
为了使真空集热管长期保持良好的真空性能,热管式真空集热管内一般应同时放置蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂两种。蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面上,像镜面一样,最大的作用是提高真空集热管的初始真空度;非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂,最大的作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体,保持真空集热管的长期真空度。
在热管式真空管接受阳光照射时,表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板吸收太阳辐射能并将其转化为热能,传导给与吸热板焊接在一起的热管,使热管蒸发段内的少量工质迅速汽化,被汽化的工质上升到温度相比来说较低的热管冷凝段,释放出蒸发潜热使冷凝段快速升温,从而将热量传递给集热系统工质。热管工质放出汽化潜热后,迅速冷凝成液体,在重力作用下流回热管蒸发段。因热管内部为真空状态,所以工质在其中流速非常快,使热管的传热速度可达80-100厘米/秒,通过热管内不断重复的汽—液相变循环过程,快速高效的将太阳热能源源不断的输出。
目前常用的热管真空管产品按其所采用热管的不同主要有普通重力式热管真空管和水平式热管真空管两种,普通重力式热管真空管的热管直径较小(一般为8mm),需要有一定的倾角(一般15)才能够顺利工作,水平式热管真空管的热管直径相对较大(12mm),热管工质充注量较多,可以在水平状态下工作,对安装角度的局限性较小。
目前国内生产的热管式真空管的外观尺寸,以玻璃管直径100mm居多,近来也有玻璃管直径65mm,70mm、120mm等若干种规格问世,长度也有1800mm、2000mm、2200mm等多种
热管真空管的传热速度快是由两方面因素决定的,一是热管真空管的吸热板和热管的材质均采用紫铜等导热性能好的材料,通过超声焊接工艺紧密焊接在一起,传热热阻较小。二是热管真空管的核心传热原件热管本身就具有非常高的传热速度。
和全玻璃真空管等集吸热、传热、储热或输送被加热工质等功能于一身的其它集热管产品相比,热管真空管在工作时仅起到吸热和传热的作用,被加热工质不进入真空管内,其热容小
