槽式真空集熱管高溫除氣研究

■ 李強 雷東強 李建斌 陶希明 陳磊

(1.皇明太陽能股份有限公司；2.中國科學院電工研究所)

一 引言

槽式太陽能熱發電技術是當前最經濟的大規模商業化太陽能發電技術[1]，而槽式真空集熱管(以下簡稱真空集熱管，HCE)是其關鍵部件之一。真空集熱管將太陽能轉變為熱能，它的熱性能和可靠性決定整個槽式熱發電系統的熱效率和成本。

影響真空集熱管熱性能的一個重要因素就是金屬吸熱管與玻璃管之間真空夾層的真空品質。根據國內外學者對真空集熱管的熱性能進行的研究表明[2～4]，真空集熱管的熱損隨金屬吸熱管與玻璃管之間的真空壓強的升高而急劇增加，而真空集熱管的熱損增加會嚴重降低槽式太陽能熱發電的光熱轉換效率。從龔廣杰等[5]對真空集熱管端部熱損失的研究中可以得知，真空集熱管端部的熱損失僅占整個真空集熱管熱損失的一小部分，而絕大部分熱損失來自真空集熱管的玻璃管散失的熱量。玻璃管散失的熱量主要來源于金屬吸熱管對玻璃管的熱輻射以及金屬吸熱管與玻璃管之間殘余氣體的熱對流。因此，真空夾層中殘余氣體的含量對真空集熱管的熱性能具有至關重要的作用。為了減少真空集熱管中的殘余氣體量，使其有一個高真空，避免存在殘余氣體的熱對流，在制作真空集熱管時采取的方案是對真空集熱管抽真空除氣工藝和在真空集熱管內放置吸氣劑。其中，抽真空除氣工藝不僅是決定真空集熱管熱性能和考驗真空集熱管前期工藝質量的關鍵工藝，也是后期真空集熱管能夠維持在高真空下工作的關鍵一步。因此，如何更好地優化真空集熱管的抽真空除氣工藝，獲得高品質真空的真空集熱管，使真空集熱管的整體性能更進一步，是目前迫切要解決的問題。有關除氣方面的研究主要是針對金屬而展開的相關工作[6,7]，如清華大學的王健等[8]對不銹鋼的放氣情況進行了實驗分析。通過實驗發現，不銹鋼材料的主要放氣成分為水蒸氣、N2、CO、H2、CO2，從趨勢推斷隨著溫度升高，不銹鋼的放氣可能更多。該實驗雖然測試了不銹鋼材料的出氣成分，但沒有研究真空集熱管在某一溫度下的放氣速率或放氣量的變化規律。

本文采用不同的工藝對真空集熱管樣品管進行除氣，通過試驗得出真空集熱管的放氣速率和放氣量與時間、溫度的關系。為以后更好地優化真空集熱管的抽真空制作工藝，提高真空集熱管熱性能提供試驗依據。

二 試驗方法

1 試驗樣品及試驗裝置

圖1為試驗樣品管，內部無吸氣劑。金屬吸熱管為長620mm(真空部分長度)、外直徑70mm的鍍膜鋼管；玻璃管為長470mm、外直徑120mm的硼硅玻璃；真空夾層的體積約為0.0036m3；在玻璃管上接出一排氣管和一真空規管。

圖1 真空集熱管——試驗樣品管

圖2為試驗臺示意圖，主要包括真空機組、真空室、加熱爐、復合真空計。復合真空計通過真空規管1、2分別獲得試驗樣品管內壓強(Pg)和真空室內的壓強(Pb)，并由電腦采集壓強、溫度數據。

圖2 試驗裝置示意圖

2 真空集熱管的放氣速率及放氣量

材料放氣的原因是材料內部溶解的氣體的擴散解溶和表面吸附氣體的脫附。解溶放氣過程是由擴散過程所確定，玻璃和金屬表面層的放氣，大體都屬于這種情況。真空集熱管材料的放氣速率q(t)可由式(1)得出：

式中，q(t)為放氣速率，(Pa·m3)/s；C為尾管流導，m3/s；V為樣管容積，m3；Pg為實驗樣管內壓強，Pa；Pb為真空室內壓強，Pa；t為時間，s。

材料的放氣量為材料的放氣速率在某一時間段內的積分，根據式(2)可計算真空集熱管材料在某一段時間內的放氣量Q為：

式中，Q為真空管材料在t1～t2時間段內的放氣量，Pa·m3。

三 結果與分析

表1為四組除氣工藝(A、B、C、D)，其中A組和B組主要是研究不同保溫時間對放氣性能的影響，C組和D組主要是研究高溫下樣管的放氣性能與分段加熱時的差異。考慮到本實驗所用的硼硅玻璃所能承受的最高操作溫度為500℃，而溫度達到460℃時，硼硅玻璃內部結構會發生改變并存在分解放氣現象，因此選擇460℃作為除氣實驗的最高溫度。

圖3為真空集熱管內壓強與時間、溫度變化關系曲線圖。為了使測試結果準確，四組除氣工藝均從真空集熱管內壓強達到5×10?2Pa時開始采集數據，壓強達到 8.5×10?3Pa時開始加熱。

圖4為四組除氣工藝對應的真空集熱管放氣速率與時間、溫度的變化關系曲線圖。A組和B組除氣工藝的不同之處僅在于保溫時間不同，但從圖中可以明顯發現在200℃、300℃、400℃和460℃的除氣階段，A組除氣工藝的放氣速率高于B組的放氣速率，分析原因主要是由于A組的保溫時間不夠長，前一個除氣過程中真空集熱管材料內的氣體沒有充分逸出，導致下一個除氣過程放氣速率相對變大。這與表2中A組、B組在各溫度段的放氣量數據相對應。同樣，我們可以發現在C組中，400℃時的放氣速率要比A組和B組的大。四組除氣工藝中，在460℃這一除氣階段，D組的放氣速率最大，而且高于其他各組各溫度段，主要是由于：(1)放氣速率與溫度成正比，溫度越高放氣速率越大；(2)D組這一階段有大量的氣體從真空集熱管材料中溶出。

表1 除氣工藝

圖3 真空集熱管壓強與時間、溫度變化關系曲線

圖4 真空集熱管放氣速率與時間、溫度變化關系曲線圖

表2給出了四組除氣工藝中真空集熱管放氣總量以及在各個溫度段的放氣量。從A組與B組的數據可以看出，各個溫度段的放氣量并不相同，在300℃和400℃這兩個除氣階段放氣量最多。隨保溫時間的增加，保溫階段放出的氣體量并沒有明顯的增加，這說明氣體從真空集熱管材料逸出需要一定的能量，只有到達一定的溫度，氣體才能脫離材料表面或從材料內逃逸出來。而460℃除氣階段的放氣量不大，可能是因為此時的溫度未能提供使材料更深層的氣體分子擺脫束縛力的能量。這一點可以從D組排氣工藝在460℃下保溫24h，但是放氣總量并未比其余三組高出許多得到說明。從C組和D組可以發現一個共同的特點，升溫階段的放氣量要大于保溫階段的放氣量，分析其原因是升溫階段跨越的溫度段較大，從而導致放氣量相對同組的保溫階段較多。但又由于升溫時間較短，氣體未能及時排出，進而使得保溫階段的放氣量相對于A、B兩組增加。從表中數據我們可以得出試驗樣品管的平均放氣總量為3.07 Pa·m3，即真空集熱管的放氣量為4.95( Pa·m3)/m。

對于真空集熱管，在低溫和常溫下的出氣主要是脫附過程；在高溫狀態下的出氣，主要是解溶出氣過程，出氣速率是時間的指數函數。經過對B、C、D三組放氣速率在恒溫下的擬合，得出放氣速率在恒溫下的變化規律符合函數為：

表2 真空集熱管放氣量

各溫度段擬合參數如表3所示。

通過式(3)及相應的擬合參數可以得出，在初始階段，放氣速率數值較大，衰減也較快，得出的放氣量也較大；一段時間后，放氣速率變化較小，基本維持一定值，且數值非常小，放氣量也很少。因此，在制定除氣工藝時，可以根據此特性，選擇合適的保溫時間，提高產品的除氣效率。

由于玻璃體內含有大量的氣體，主要是H2O及少量的CO2、O2和SO2。這些氣體是在玻璃熔煉和熱加工期間溶解進去的，玻璃體內的OH?主要靠替位式擴散向表面遷移，擴散速率很低而且需要很高的擴散激活能，這部分氣體一般需要在400℃以上才能釋放出來[9]，因此，在制定除氣工藝時，應綜合考慮產品的生產效率及能耗，選擇合適的排氣溫度和保溫時間，提高產品的除氣效率。

表3 放氣速率擬合參數

根據本實驗研究，真空集熱管的放氣速率與溫度成正比，推薦除氣溫度在400℃以上，但是需低于硼硅玻璃化學放氣溫度。保溫時間小于2h ，即可獲得較好的高溫排氣效果，過高的溫度和過長的保溫時間反而對真空集熱管產品產生不利影響，并且浪費能源，降低產品生產效率。

四 結語

通過對真空集熱管試驗樣品管在四組除氣工藝的下的試驗，可以得出：

(1)真空集熱管的放氣量約為4.95 (Pa·m3)/m，且在每個溫度段的放氣量不同，其中在300～400℃范圍內放氣量最大。因此在除氣工藝設置時此溫度段應著重考慮，相對于其他溫度段應適當增加此階段的除氣保溫時間。

(2)放氣速率與加熱溫度成正比，溫度越高，放氣越快，除氣所需的時間越短。460℃時，放氣速率最快，但并不建議在此溫度下長時間除氣。因為460℃不僅接近硼硅玻璃內部結構發生變化的溫度，也是真空集熱管的太陽選擇性吸收 膜層的嚴峻考驗溫度，并且460℃下的除氣效果可由其他除氣工藝替代。

(3)在恒溫條件下，放氣速率與時間呈指數函數。經過試驗及理論計算可知，在保溫2h后，放氣速率已經很小，而且變化也非常小，綜合考慮生產效率及能耗，建議除氣溫度超過400℃時，保溫時間不超過2h。

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