Shandong Xuneng New Energy Technology Co., Ltd.
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Shandong Xuneng New Energy Technology Co., Ltd.
1984年，清華大學殷志強教授發明了鋁氮鋁選擇性吸收涂層，并以該技術為核心研發了雙層同軸全玻璃真空太陽集熱管（以下簡稱“集熱管”）及其太陽能熱水系統，實現了技術向產品的轉化，逐漸形成了太陽能熱水器產業，開創了中國太陽能熱利用行業。至2011年，我國太陽能熱利用行業年銷售面積達到5700萬㎡，直接銷售額達到936億元，集熱管使用量達到4億支以上。預計2015年，太陽能熱利用行業年銷售面積將達到1.2億㎡，集熱管使用量將達到8.0億支。30年來，集熱管的技術發展也取得了驕人的成績，為我國太陽能熱利用產業發展作出了突出的貢獻。本文將從結構與運行原理方面對集熱管的發展進行簡要論述。
1集熱管基本原理
如圖1所示，為雙層同軸全玻璃真空太陽集熱管構造和吸熱原理圖。集熱管如同一個拉長的暖水瓶膽，由兩根同心圓玻璃管組成，罩玻璃管、內管之間抽成真空，太陽選擇性吸收涂層沉積在內管的外表面構成吸熱體，將太陽光能轉換為熱能，加熱內玻璃管內的傳熱流體。 集熱管采用單端開口的設計，通過一端內、外管環形熔封起來，其內管另一端是密閉半球形圓頭，帶有吸氣劑的彈簧卡子，將吸熱體玻璃管圓頭支撐在罩玻璃管的排氣內端部。當吸熱體吸收太陽輻射而溫度升高時，吸熱體玻璃管圓頭形成熱膨脹的自由端，緩沖了工作時引起真空集熱管開口端部的熱應力。該集熱管歷經30余年，目前仍為主流集熱管產品基本結構，但在結構和運行原理上已有突飛猛進的發展。
2雙層同軸集熱管
早期的集熱管為雙層同軸集熱管，規格尺寸為￠47mm×1200mm。隨著市場的成熟和發展，逐漸開始出現規格為￠47mm×1500mm，￠47mm×1800mm集熱管，通過增加集熱管長度來提高太陽能熱水器的熱性能。隨之出現了直徑上增大，如出現￠58mm×1600mm，￠58mm×1800mm，￠58mm×1900mm，￠58mm×2100mm等規格集熱管。部分集熱管生產廠家也推出了￠70mm以上規格的集熱管。這樣，可通過增長集熱管的長度和增大集熱管的直徑來提高熱水器性能，降低熱水器成本。為進一步提高雙層同軸集熱管性能和特征，部分廠家先后推出梅花管、螺紋管、波紋管、偏心管、縮口管等特征集熱管。目前，市場上主流集熱管仍是型號為
￠58mm×1800mm的普通雙層同軸集熱管。（見圖2）
3三層同軸集熱管
隨著集熱管直徑和長度的增加，帶來的問題是集熱管內的容水量大幅度增加，單支普通￠58mm×1800mm型集熱管管內容水量達到2.63L。以可用水量為150L的熱水器為例，標準配置16支￠58mm×1800mm，則管內共有42L水無法使用，占熱水器總容水量的21.87%。因此為提高熱水器可用水量，減少集熱管管內不可用水量，清華陽光能源開發有限公司（以下簡稱“清華陽光”）開發出三層同軸集熱管，也稱之為管中管（見圖3）。
如圖3所示。該結構集熱管是在雙層同軸集熱管內熔封了一個內襯管，以減少集熱管內管的容水量，從而降低熱水系統不可用水量，提高熱水系統的熱性能。經過測試，通過采用管中管，太陽能熱水器熱性能可以提高10%以上。部分廠家則采用在雙層同軸集熱管內裝卡一個可活動內襯管，達到管中管減少容水量的功能。實現集熱管從管中有水向管中少水的方向發展。
由于夾層距離小，如果水質差，結垢嚴重會積滿夾層，從而使真空管失效，所以三層同軸集熱管對水質的要求特別高
4金屬翅片換熱集熱管
無論是雙層同軸、或是三層同軸集熱管，均存在管中有水的問題，這導致當一根集熱管破碎時，熱水系統中的水就會通過破碎的集熱管流出，造成系統癱瘓。由于管中有水，在北方寒冷的冬季也容易出現凍管的問題。因此，在雙層同軸集熱管的基礎上開發出不同結構的無水運行模式集熱管（見圖4）。
U型管：雙層同軸集熱管管內設置U型銅管和換熱鋁翼，U型銅管內走防凍液。通過防凍液循環將通過鋁翼傳遞過來的太陽能輸送到儲熱水箱內。
金屬熱管鋁翼式：雙層同軸集熱管管內設計鋁翼和金屬熱管，金屬熱管將通過鋁翼傳遞過來的太陽能輸送到金屬熱管冷凝端，進一步輸送到儲熱水箱內。
金屬玻璃封接集熱管：該集熱管是將吸熱翅片焊接到金屬熱管上，金屬熱管通過管口金屬與罩玻璃管實現壓封密封，金屬熱管和翅片均在罩玻璃管的真空腔內。金屬熱管將通過翅片傳遞過來的太陽能輸送到金屬熱管冷凝端，進一步輸送到儲熱水箱內。
上述三種結構集熱管通過金屬熱管（或銅管）、換熱翅片將太陽能輸送出來，實現管內無水化，解決了普通集熱管存在冬季易凍，管破漏水、管中結垢、無法直接承壓運行等諸多問題。但由于采用了過多金屬材料和成本較高的金屬熱管，造成集熱管和熱水器成本高，無法實現普及化。因此，采用低成本的鋁熱管代替銅熱管，大幅度降低集熱管成本將是這類集熱管的發展方向。
5無水相變玻璃熱管
由于雙層（三層）同軸集熱管因管中有水而存在諸多問題，采用金屬翅片換熱方式雖然解決了普通集熱管的諸多問題，但卻因成本高昂而無法實現大規模應用。因此，推出高品質、低成本、大眾化的集熱管產品是集熱管發展的必然趨勢，也是未來幾年集熱管市場的主流產品?；诖?，旭能公司歷經3年，開發出高性能、安全可靠的無水相變換熱玻璃熱管（見圖5）。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將熱管內抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段（加熱的），另一端為冷凝段（冷卻段），根據應用需要在兩端中間可布置絕熱段。當熱管的加熱端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段，蒸汽遇冷凝結成液體，液體靠多孔材料的毛細力或重力的作用流回到蒸發段。如此循環不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。
圖5 玻璃熱管及雙極熱管
熱管是靠自身內部工作液體相變傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性：
5.1.很高的導熱性。熱管內部主要靠工作液體的氣、液相變傳熱、熱阻很小，具有很高的導熱性。
5.2.優良的等溫性。熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態的，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發階段流向冷凝階段所產生的壓降很小，溫降亦很小，因而熱管具有優良的等溫性。
5.3.熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。
5.4.熱二極管與熱開關性能。熱管可做成熱二極管或熱開關，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。
無水相變換熱玻璃熱管是在雙層同軸集熱管基礎上，在集熱管的開口端封接一段冷凝端，集熱管內管和冷凝端形成的密封腔體抽成真空，灌注工質，從而將熱管原理和技術巧妙地結合起來，實現了集熱管的無水相變換熱特征，徹底解決了雙層同軸集熱管因管中有水存在的管中結垢、冬季易凍、管破漏水等諸多問題，同時也規避了金屬鋁翼換熱結構集熱管成本高的問題。實現了集熱管防垢、防凍、防炸、防漏、無水相變換熱的優異特征。采用玻璃熱管集熱管熱水系統，熱性能優于普通集熱管熱性能，其得熱量可提高12%以上，比國標提高30%以上。熱損系數也僅為國標的62.5%，熱性能明顯。確保無水相變玻璃熱管高效、穩定、可靠的生產、應用，必須依賴于自動化的生產設備。為此，旭能公司先后開發了玻璃熱管自動封口機、玻璃熱管自動灌注機等玻璃熱管專用自動化生產設備，建設了年產50萬支的玻璃熱管自動化生產線。為無水相變玻璃熱管的規?；?、產業化應用提供了保障。
玻璃熱管的推出，實現了集熱管由第一代的有水管、經歷第二代的少水管，最終實現了無水相變換熱集熱管，實現了集熱管技術的跨越，引導著集熱管的發展方向，并最終形成集熱管產業的主流產品。
由于玻璃熱管的特性，該型在低溫區熱效率比較高，但是在高溫區由于冷凝端和水的溫差變小，導熱效率降低。
6直熱式雙通管
雙通管指的是兩端連通的真空管，流體可以通過整支真空管，把熱量帶走。其優勢是換熱效率高，可以走多種介質，非常適用于在烘干和采暖領域。行業內對直熱式雙通管的研究由來已久，直到近幾年才出現了效果比較穩定的雙通管。
生產雙通管最大的問題是在使用過程中內外管溫度差異很大，導致內管膨脹遠大于外管，從而引起真空管破裂。行業內之前存在雙通管，但有其弊端。我公司近期研發的專利產品直熱式雙通管很好的解決了目前存在的問題，在實現大風量地同時，很好的環節了內管膨脹的問題。其內管直徑最細處不低于16mm，完全滿足大家的使用需求。
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