槽式真空集热管高温除气研究
2013-09-13李强雷东强李建斌陶希明陈磊
■ 李强 雷东强 李建斌 陶希明 陈磊
(1.皇明太阳能股份有限公司;2.中国科学院电工研究所)
一 引言
槽式太阳能热发电技术是当前最经济的大规模商业化太阳能发电技术[1],而槽式真空集热管(以下简称真空集热管,HCE)是其关键部件之一。真空集热管将太阳能转变为热能,它的热性能和可靠性决定整个槽式热发电系统的热效率和成本。
影响真空集热管热性能的一个重要因素就是金属吸热管与玻璃管之间真空夹层的真空品质。根据国内外学者对真空集热管的热性能进行的研究表明[2~4],真空集热管的热损随金属吸热管与玻璃管之间的真空压强的升高而急剧增加,而真空集热管的热损增加会严重降低槽式太阳能热发电的光热转换效率。从龚广杰等[5]对真空集热管端部热损失的研究中可以得知,真空集热管端部的热损失仅占整个真空集热管热损失的一小部分,而绝大部分热损失来自真空集热管的玻璃管散失的热量。玻璃管散失的热量主要来源于金属吸热管对玻璃管的热辐射以及金属吸热管与玻璃管之间残余气体的热对流。因此,真空夹层中残余气体的含量对真空集热管的热性能具有至关重要的作用。为了减少真空集热管中的残余气体量,使其有一个高真空,避免存在残余气体的热对流,在制作真空集热管时采取的方案是对真空集热管抽真空除气工艺和在真空集热管内放置吸气剂。其中,抽真空除气工艺不仅是决定真空集热管热性能和考验真空集热管前期工艺质量的关键工艺,也是后期真空集热管能够维持在高真空下工作的关键一步。因此,如何更好地优化真空集热管的抽真空除气工艺,获得高品质真空的真空集热管,使真空集热管的整体性能更进一步,是目前迫切要解决的问题。有关除气方面的研究主要是针对金属而展开的相关工作[6,7],如清华大学的王健等[8]对不锈钢的放气情况进行了实验分析。通过实验发现,不锈钢材料的主要放气成分为水蒸气、N2、CO、H2、CO2,从趋势推断随着温度升高,不锈钢的放气可能更多。该实验虽然测试了不锈钢材料的出气成分,但没有研究真空集热管在某一温度下的放气速率或放气量的变化规律。
本文采用不同的工艺对真空集热管样品管进行除气,通过试验得出真空集热管的放气速率和放气量与时间、温度的关系。为以后更好地优化真空集热管的抽真空制作工艺,提高真空集热管热性能提供试验依据。
二 试验方法
1 试验样品及试验装置
图1为试验样品管,内部无吸气剂。金属吸热管为长620mm(真空部分长度)、外直径70mm的镀膜钢管;玻璃管为长470mm、外直径120mm的硼硅玻璃;真空夹层的体积约为0.0036m3;在玻璃管上接出一排气管和一真空规管。
图1 真空集热管——试验样品管
图2为试验台示意图,主要包括真空机组、真空室、加热炉、复合真空计。复合真空计通过真空规管1、2分别获得试验样品管内压强(Pg)和真空室内的压强(Pb),并由电脑采集压强、温度数据。
图2 试验装置示意图
2 真空集热管的放气速率及放气量
材料放气的原因是材料内部溶解的气体的扩散解溶和表面吸附气体的脱附。解溶放气过程是由扩散过程所确定,玻璃和金属表面层的放气,大体都属于这种情况。真空集热管材料的放气速率q(t)可由式(1)得出:
式中,q(t)为放气速率,(Pa·m3)/s;C为尾管流导,m3/s;V为样管容积,m3;Pg为实验样管内压强,Pa;Pb为真空室内压强,Pa;t为时间,s。
材料的放气量为材料的放气速率在某一时间段内的积分,根据式(2)可计算真空集热管材料在某一段时间内的放气量Q为:
式中,Q为真空管材料在t1~t2时间段内的放气量,Pa·m3。
三 结果与分析
表1为四组除气工艺(A、B、C、D),其中A组和B组主要是研究不同保温时间对放气性能的影响,C组和D组主要是研究高温下样管的放气性能与分段加热时的差异。考虑到本实验所用的硼硅玻璃所能承受的最高操作温度为500℃,而温度达到460℃时,硼硅玻璃内部结构会发生改变并存在分解放气现象,因此选择460℃作为除气实验的最高温度。
图3为真空集热管内压强与时间、温度变化关系曲线图。为了使测试结果准确,四组除气工艺均从真空集热管内压强达到5×10−2Pa时开始采集数据,压强达到 8.5×10−3Pa时开始加热。
图4为四组除气工艺对应的真空集热管放气速率与时间、温度的变化关系曲线图。A组和B组除气工艺的不同之处仅在于保温时间不同,但从图中可以明显发现在200℃、300℃、400℃和460℃的除气阶段,A组除气工艺的放气速率高于B组的放气速率,分析原因主要是由于A组的保温时间不够长,前一个除气过程中真空集热管材料内的气体没有充分逸出,导致下一个除气过程放气速率相对变大。这与表2中A组、B组在各温度段的放气量数据相对应。同样,我们可以发现在C组中,400℃时的放气速率要比A组和B组的大。四组除气工艺中,在460℃这一除气阶段,D组的放气速率最大,而且高于其他各组各温度段,主要是由于:(1)放气速率与温度成正比,温度越高放气速率越大;(2)D组这一阶段有大量的气体从真空集热管材料中溶出。
表1 除气工艺
图3 真空集热管压强与时间、温度变化关系曲线
图4 真空集热管放气速率与时间、温度变化关系曲线图
表2给出了四组除气工艺中真空集热管放气总量以及在各个温度段的放气量。从A组与B组的数据可以看出,各个温度段的放气量并不相同,在300℃和400℃这两个除气阶段放气量最多。随保温时间的增加,保温阶段放出的气体量并没有明显的增加,这说明气体从真空集热管材料逸出需要一定的能量,只有到达一定的温度,气体才能脱离材料表面或从材料内逃逸出来。而460℃除气阶段的放气量不大,可能是因为此时的温度未能提供使材料更深层的气体分子摆脱束缚力的能量。这一点可以从D组排气工艺在460℃下保温24h,但是放气总量并未比其余三组高出许多得到说明。从C组和D组可以发现一个共同的特点,升温阶段的放气量要大于保温阶段的放气量,分析其原因是升温阶段跨越的温度段较大,从而导致放气量相对同组的保温阶段较多。但又由于升温时间较短,气体未能及时排出,进而使得保温阶段的放气量相对于A、B两组增加。从表中数据我们可以得出试验样品管的平均放气总量为3.07 Pa·m3,即真空集热管的放气量为4.95( Pa·m3)/m。
对于真空集热管,在低温和常温下的出气主要是脱附过程;在高温状态下的出气,主要是解溶出气过程,出气速率是时间的指数函数。经过对B、C、D三组放气速率在恒温下的拟合,得出放气速率在恒温下的变化规律符合函数为:
表2 真空集热管放气量
各温度段拟合参数如表3所示。
通过式(3)及相应的拟合参数可以得出,在初始阶段,放气速率数值较大,衰减也较快,得出的放气量也较大;一段时间后,放气速率变化较小,基本维持一定值,且数值非常小,放气量也很少。因此,在制定除气工艺时,可以根据此特性,选择合适的保温时间,提高产品的除气效率。
由于玻璃体内含有大量的气体,主要是H2O及少量的CO2、O2和SO2。这些气体是在玻璃熔炼和热加工期间溶解进去的,玻璃体内的OH−主要靠替位式扩散向表面迁移,扩散速率很低而且需要很高的扩散激活能,这部分气体一般需要在400℃以上才能释放出来[9],因此,在制定除气工艺时,应综合考虑产品的生产效率及能耗,选择合适的排气温度和保温时间,提高产品的除气效率。
表3 放气速率拟合参数
根据本实验研究,真空集热管的放气速率与温度成正比,推荐除气温度在400℃以上,但是需低于硼硅玻璃化学放气温度。保温时间小于2h ,即可获得较好的高温排气效果,过高的温度和过长的保温时间反而对真空集热管产品产生不利影响,并且浪费能源,降低产品生产效率。
四 结语
通过对真空集热管试验样品管在四组除气工艺的下的试验,可以得出:
(1)真空集热管的放气量约为4.95 (Pa·m3)/m,且在每个温度段的放气量不同,其中在300~400℃范围内放气量最大。因此在除气工艺设置时此温度段应着重考虑,相对于其他温度段应适当增加此阶段的除气保温时间。
(2)放气速率与加热温度成正比,温度越高,放气越快,除气所需的时间越短。460℃时,放气速率最快,但并不建议在此温度下长时间除气。因为460℃不仅接近硼硅玻璃内部结构发生变化的温度,也是真空集热管的太阳选择性吸收 膜层的严峻考验温度,并且460℃下的除气效果可由其他除气工艺替代。
(3)在恒温条件下,放气速率与时间呈指数函数。经过试验及理论计算可知,在保温2h后,放气速率已经很小,而且变化也非常小,综合考虑生产效率及能耗,建议除气温度超过400℃时,保温时间不超过2h。
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