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太阳能玻璃热管的防爆原理

晨怡热管 王恒月 黄永定 2009-3-10 22:54:56

    用于太阳能的全玻璃真空管如图一A所示,已经被广泛采用作为太阳能集热器的集热元件。真空管由于管内有水而带来一些缺陷,主要是易冻坏、结水垢、热效率低。为了进一步改进,采用玻璃热管,如图一B所示。这种采用玻璃热管的全玻璃真空管,克服了真空管的缺陷,保留了真空管的优点——高效吸热,超导传热。我们认为,采用玻璃热管的全玻璃真空管是现在普通真空管的巨大改进。

玻璃热管的传热原理

    太阳光照射到真空管的内管外壁,被外壁涂层选择性吸热后,把热量传给热管液态工质(热管蒸发段),使液态工质汽化向上流动,在热管的冷凝段被水冷却后,汽相变为液相,放出热量。同时,液体由于重力作用回到热管的蒸发段。这样反复循环,把吸收到的太阳能的热量就传给了水。

    在热管的蒸发段,热管工质要由液相变为气相,一般是通过液体的沸腾,在液体内部产生气泡,变为气相。但是,经过仔细分析,由于太阳能的太阳强度I 比较低,I一般小于1100瓦/m2,而换算到蒸发段后的热流密度q最大为I/π。我们认为,要使液体沸腾,一定要有足够的热流密度。一般低温工质如氨、丙烷的沸腾的热流密度为300瓦/m2以上,而中温工质如水、丙酮、甲醇等的沸腾的热流密度为1500瓦/m2以上。因此,用于太阳能的玻璃热管的热管工质没有达到沸腾。液相变为汽相的另一种方法就是表面汽化。因为玻璃管的吸热涂层是选择性的,表面温度都比较高,而且整个蒸发段的表面积也大,只要从冷凝段的回流液体流到蒸发段,由于蒸发段的表面温度高而很快液化变为气相,气相向上流到冷凝段,被水冷却后,气相变为液相,放出热量。同时液体由于重力作用会流到热管蒸发段,这样反复循环,把吸收的太阳能的热量就传给了水。

 玻璃热管的防爆

    由于太阳能玻璃热管的防爆很重要,因为有些时候,水箱中无水,玻璃热管处于空晒状态,此时必须采取防爆措施。为此,我们已经申请了发明专利:防爆太阳能全玻璃真空集热管(专利申请号:200410012193.9)。
    玻璃热管的防爆一般有两种办法。一种是选择合适的热管工质。我们知道,玻璃管的承压为6巴,真空管的闷晒温度为300℃,既要保证低温时热管能启动,即工质在30~40℃时,其饱和压力大于0.05巴,又要保证在极端工况时,玻璃热管能防止爆裂,即在300℃,工质的压力低于6巴。首先选择高温工质,如联苯液,在300℃时,P=2.43巴,保证在玻璃热管的承压范围内,但是它的启动温度为150℃,在通常情况下,它是无法启动的;其次选择低温工质,如水,低温启动没有问题,但到空晒温度300℃,其压力达到89巴,是玻璃热管无法承受的。因此,这种办法行不通。

    另一种是由两相变为单相的办法。众所周知,热管工作时,其气液两相是共存的,我们以水作为热管工质为例。当气液两相共存时,水的饱和压力与饱和温度的关系近似为正比P11.4。由此可见,随着温度升高,压力会急剧升高。我们从热力学中知道,单相气体的饱和压力P与饱和温度T的关系为正比P。

    以水为例:

    气液两相共存时:T=120℃  P=2巴
                   T=300℃  P=89巴
    单相气体时:T=120℃  P=2巴
               T=300℃  P=2.9巴

    以上数据说明,若热管中工质全部变为气相时,即便温度升高,其压力的升高程度亦可大幅度降低,根据此原理,我们可以选择一定的充装量来达到。
                                                             
   图一全玻璃真空管                     图二全玻璃真空管
     

    图二A表示普通热管的充装量:A-A为原始充装量,B-B为工作后的实际高度,如果工作温度再提高,则C-C为实际高度。根据此原理,我们一开始选择是瘦小的充装量,如图二B的A-A,当工作温度升到临界温度Tk时,如空晒状态,则工作液面降到C-C,即全部变为气相,此时热管停止工作。随着工作温度再进一步升高,压力慢慢上升,而起到安全防爆的作用。

   玻璃热管工质的充装量

   《太阳能》(2004年No5)刊登杨友平、王修芝的文章“热管工质量的探究”,其结论为:“为了达到最佳充装量,我们通过查阅相关资料和反复试验,得出这样一个结论:认为热管内蒸发段工质量占整个管芯内体积的1/4~1/3较为理想。”我们的玻璃热管的充装量为0.001V~0.005V,是该文章所说充装量的1/100。数万支的玻璃热管已经证明,这样特小的充装量,也能保证热管的正常传热,这也是不可思议的地方。因为在理论上讲,过少的充装量会使蒸发段内干涸,玻璃管的温度会急剧升高。同时,由于时湿时干,将会出现干涸振荡,引起壁温的波动。

    热管工质充装量的多少应与热流量的大小有关。热流量大的地方,工质的充装量也就要多些。对于用于太阳能的玻璃热管,因为太阳能的热流密度很低,故工质的充装量也应该尽量少些。同时,过多的充装量会减少热管的蒸发面。

  

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