热管式真空管集热器

二、热管式真空管集热器

热管式真空管集热器是玻璃—金属真空集热器的一种主要形式，1986年由北京太阳能研究所率先开始研发，如今国内已有多家企业涉足该项技术。

（1）热管式真空管的基本结构

热管式真空管由热管、金属吸热板（表面镀有选择性吸收涂层）、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、消气剂等组成，如图2-25所示。

图2-25　热管式真空集热管结构示意图

1.热管冷凝段　2.金属封盖　3.热管蒸发段　4.玻璃管　5.金属吸热板　6.消气剂7.弹簧支架

在热管式真空管工作时，金属吸热板吸收太阳辐射能并将其转化为热能，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内的工质。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。热管不断重复的气—液相变循环过程，快速高效地将太阳热能源不断输出。

①热管是利用汽化潜热高效传递热能的传热元件，传热速度可达80～100cm/s。在热管式真空管中使用的热管一般都是重力热管，也称热虹吸管。重力热管的特点是管内没有吸液芯，工质冷凝后依靠自身重力回流至蒸发段。

太阳能领域使用的热管一般为铜—水热管，即以铜为基材，工质为水。国外也有使用有机物质作为热管工质的，但必须满足工质与热管材料的相容性。

热管式真空集热管具有许多优点，如真空管内没有水，因而抗冻性很强，即使在﹣40℃的环境温度也不会冻坏，有些厂家的产品可以耐﹣50℃以下的低温；热管的热容量小，因而起动速度极快；热管有“热二极管效应”，即方向性，热量只能从下部传递到上部而不能逆向传递，从而减少了系统热损失。当然，由于热管的液态工质是依靠自身的重力回流到蒸发段，所以在安装时要求与地面保持一定的倾角。为了使热管式真空管集热器能够满足与建筑结合的要求，目前，已有企业开发生产了可以水平安装的水平热管。以水平热管为核心部件的热管式真空管集热器可以水平安装于建筑屋顶或南立面墙，并且可以和建筑构件结合下一体，既高效利用了太阳能又不影响建筑的整体外观效果，推动了太阳能与建筑结合的进程。

②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的集热板一般为无氧铜吸热板或铜—铝复合吸热板，表面沉积选择性吸收涂层。吸热板与热管采用超声焊接或激光焊接结合，或者嵌套工艺结合，确保热量快速传导。

③玻璃一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；另一种是热压封，也称固态封接，它是利用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压工况下将金属封盖和玻璃管封接在一起。

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、封接可靠等优点，所以目前国内玻璃一金属封接大都采用热压封技术，热压封使用的焊料主要有铅、铝等。

④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。蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面，像镜面一样，主要是起提高初始真空度的作用；非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，主要作用是吸收管内各部件释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。

目前国内生产的热管式真空管的外形尺寸，以玻璃管直径100mm居多，近年来也有直径65mm、70mm、120mm等若干种规格问世，长度也有1800mm、2000mm、2200mm等多种。

（2）热管式真空管集热器的基本结构

如图2-26所示，由真空集热管、导热块（或导热套管）、联集管、保温材料、保温盒、尾托架等部分组成。

热管式真空管集热器工作时，每只热管通过反复的气—液相变循环过程将热量传递给导热块或导热套管，从而加热联集管内的系统循环工质，使集热系统工质的温度逐步上升，直至达到使用要求。

值得一提的是，热管式真空管与联集管的连接是属于“干性连接”，即联集管内的传热工质与集热管冷凝段之间是不直接接触的，所以集热器联集管没有漏水隐患，可以承受较高的运行压力。同样，个别集热管破损也不会影响整个集热器的运行，因而特别适用于大、中型太阳热水工程。