專利名稱：線聚焦太陽能強化集熱管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于槽式太陽能中高溫熱利用裝置的線聚焦真空集熱管，因 該集熱管的金屬內(nèi)管采用了多種特殊結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化制作方法，使其具備了強化熱吸收功 能，在提高熱吸收效率的基礎上，有利于降低槽式太陽能熱利用聚光裝置投資成本。該集熱 管特別適合槽式太陽能熱發(fā)電裝置使用。屬太陽能熱利用技術領域。
背景技術：
線聚焦太陽能集熱管是槽式熱利用裝置中的主要集熱元件，也是槽式太陽能熱發(fā) 電裝置中的核心部件。目前，能夠為槽式太陽能熱發(fā)電裝置生產(chǎn)制造這種太陽能集熱管的 企業(yè)有Solel jchot t和Archimede公司，但是，這些企業(yè)的產(chǎn)品所使用的金屬內(nèi)管均為直 管結(jié)構(gòu)設計，在實際應用中存在明顯技術缺陷，特別是傳熱工質(zhì)在流經(jīng)金屬內(nèi)管時容易形 成穩(wěn)流層，在半球光熱吸收和轉(zhuǎn)換時，管壁溫差可達80度，因此阻礙著熱吸收效率進一步 提高。發(fā)明人在中國專利03218208. 2中公開的以金屬波節(jié)內(nèi)管、扭紋內(nèi)管和波紋管為主要 特征的內(nèi)置金屬流道太陽能真空集熱管，和專利200420091975. 1,200620158355. 4以及專 利200720143975. 5中，為槽式線聚焦裝置提供了可選擇的具有強化換熱功能的太陽能真 空集熱管，明顯提高了集熱管的光熱吸收和工質(zhì)熱轉(zhuǎn)換效率，其原理就在于金屬內(nèi)管在軸 向結(jié)構(gòu)上形成的環(huán)形波節(jié)或螺旋波節(jié)結(jié)構(gòu)，在導熱油等傳熱工質(zhì)流經(jīng)金屬內(nèi)管時破壞了穩(wěn) 流層，變層流熱吸收為渦流熱吸收。為了進一步適應目前國際太陽能聚熱發(fā)電(CSP)領域 正在研究的，主要以替代導熱油而使用的熔鹽和直接用水做傳熱工質(zhì)的DSG(direCt steam generation)兩種技術，發(fā)揮強化集熱管在替代導熱油中的優(yōu)勢，就必須以提高集熱管機械 強度、熱吸收效率和降低熱損失為目標，在金屬內(nèi)管結(jié)構(gòu)和制作方法上進行優(yōu)化。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是以提高線聚焦太陽能強化集熱管機械強度、熱 吸收效率和降低熱損失為目標，為適應新一代替代工質(zhì)對集熱管結(jié)構(gòu)和制造方法進行的改進。本實用新型采用了以下技術方案一種線聚焦太陽能強化集熱管由金屬內(nèi)管、玻璃外管、玻璃截管、鐵鎳可伐環(huán)、消 氣環(huán)、耐高溫熱吸收涂層、排氣管、玻璃封接料以及由金屬端蓋、卸載波紋管、管接件經(jīng)氬弧 焊接組合的卸載組件組成，其特征在于所述金屬內(nèi)管為金屬環(huán)形波節(jié)管、或金屬螺旋管、或金屬苞體波節(jié)管的強化換熱 管，或帶有2-20波的波紋管與波節(jié)管一體的自卸載波節(jié)管；壁厚在0. 3-13mm ；選用耐受 4500C高溫的不銹鋼無縫鋼管，或耐受450°C以上高溫的鍋爐用合金無縫鋼管，或不銹鋼焊 接管；承壓在2-30兆帕。所述玻璃外管選擇線膨脹系數(shù)在20°C -500°C時為(40-65) X ΙΟΙ—1的中性硼 硅玻璃，當溫度在20°C -300°C之間時線膨脹系數(shù)為(40-50) X KTlT1 ；玻璃外管壁厚在1. 8-5mm ；透光率大于90 %，涂覆并燒結(jié)硅凝膠后大于95 % ；或線膨脹系數(shù)為33 X 10—7°C的 高硼硅玻璃。所述玻璃截管為封接卸載組件和玻璃外管的工藝過渡管，玻璃截管根據(jù)所需長度 對玻璃外管進行切割，長度為30-60mm ；其中一端制作玻璃法蘭，或外法蘭，或內(nèi)法蘭；玻璃 法蘭端與鐵鎳可伐環(huán)熔封接，另一端與玻璃外管熔封接。所述鐵鎳可伐環(huán)的線膨脹系數(shù)在(40-65) X 10_7°C之間，主要選擇4^9或釕44可 伐合金，成凸型外環(huán)或凸型內(nèi)環(huán)，壁厚0. 3-2mm,以0. 7mm為主；其中一端焊接金屬端蓋，另 一端與玻璃截管直接熔封接；或通過低熔玻璃粉與玻璃截管間接熔封接；或通過金屬鉛、 或金屬鋁熱壓封接至玻璃截管法蘭平面處。所述卸載組件由金屬端蓋、卸載波紋管、管接件經(jīng)氬弧焊接組成，并設置在線聚焦 太陽能強化集熱管兩端。所述金屬端蓋為不銹鋼板材沖壓而成的中心開孔的凹形圓蓋，壁厚0.3-2mm;內(nèi) 圓焊接卸載波紋管，外圓焊接鐵鎳可伐環(huán)。所述卸載波紋管為不銹鋼薄壁焊接管經(jīng)塑性漲波成型或打波擠塑成型，波紋數(shù)至 少在2-20波，兩端留有焊接直邊端，其中一端焊接金屬端蓋，另一端焊接管接件。所述管接件為不銹鋼焊接管制作，一端縮口另一端擴口，擴口端與卸載波紋管焊 接，縮口端與金屬內(nèi)管焊接。所述消氣環(huán)是蒸散型鋇鋁鎳合金材料和不銹鋼支架一體的合金環(huán)，焊接在金屬內(nèi)管上。所述耐高溫熱吸收涂層為陶瓷耐高溫選擇性熱吸收涂層，采用真空濺射或磁控濺 射的方法在金屬內(nèi)管表面制取。所述排氣管為中性5. 0硼硅玻璃管，材質(zhì)和線膨脹系數(shù)與玻璃外管一致，熔接在 玻璃截管上。排氣管連接真空排氣機，真空度達(3- ΧΙΟ—3帕后熔封排氣管口。所述玻璃封接料為有鉛或無鉛低熔玻璃粉，封接溫度在300-800°C，線膨脹系數(shù)在 (40-65) X IO-V0C，將玻璃封接料均勻涂覆在玻璃截管和鐵鎳可伐環(huán)之間，在設定的封接氣 氛環(huán)境中熔封接玻璃截管和鐵鎳可伐環(huán)。玻璃金屬封接也可采用金屬鉛、鋁過渡熱壓封接，但要求玻璃法蘭封接面必須平 整。上述自卸載波節(jié)管選用光潔度較好的不銹鋼帶經(jīng)制管機氬弧焊接成不銹鋼圓管， 通徑為25-65mm，壁厚為0.3-0. 5mm。自卸載波節(jié)管一端打波成標準的波紋管，波節(jié)數(shù)為 2-20波，波高為3-12mm。根據(jù)工質(zhì)特性和流速調(diào)整波紋管制波機制波高度和波距長度，波 高l_6mm，波距10-65mm ；兩邊預留直邊端與管接件焊接。在組裝集熱管時采用預應力方法 拉伸自卸載波節(jié)管，拉伸長度大于8mm，然后將兩端的管接件和金屬端蓋焊接。其適用范圍 是工質(zhì)溫度小于300°C，內(nèi)壓力小于2兆帕，腐蝕性較小的導熱油、乙二醇、防凍液等液體或 氣體工質(zhì)。所述苞體波節(jié)即在金屬內(nèi)管表面有規(guī)則交叉分布的圓形或橢圓形鼓包；苞體波節(jié) 波高和波長根據(jù)工質(zhì)流體性質(zhì)和流速確定，高度為l_3mm ；長度以等距波節(jié)為主。由以上所述看出，本實用新型的核心在于中性5.0玻璃的選擇和金屬內(nèi)管的加工 制作，由于波節(jié)管表面凹凸的外形，可以使流體在管內(nèi)形成較強的湍流，從而大大提高換熱系數(shù)，經(jīng)分析對比得知，波節(jié)管比金屬直管的平均努塞爾數(shù)提高了 2-3倍，因此強化了集熱 管的換熱功能。

圖1是本實用新型外法蘭間接熔封接環(huán)形波節(jié)管示意圖圖2是本實用新型內(nèi)法蘭間接熔封接金屬螺旋管示意圖圖3是本實用新型鉛、鋁熱壓封接內(nèi)卸載波節(jié)管示意圖圖4是本實用新型直接熔封接金屬苞體波節(jié)管示意圖其中金屬內(nèi)管1、玻璃外管2、玻璃截管3、鐵鎳可伐環(huán)4、金屬端蓋5、管接件6、消氣環(huán) 7、外卸波紋管8、耐高溫熱吸收涂層9、排氣管10、消氣環(huán)支架11、玻璃封接料1具體實施方式
實施例一內(nèi)脹法制取環(huán)形波節(jié)或螺旋波節(jié)金屬內(nèi)管，其制作方法是1)按塑形變量長度和集熱管所需長度截取無縫鋼管，金屬管內(nèi)徑在25_80mm ；壁 厚在 0. 3-3mm。 2)在膜腔內(nèi)采用油壓脹型法、或聚胺脂脹塊制取法、或高溫氣壓脹型法制作環(huán)形 波節(jié)或螺旋波節(jié)，波節(jié)高度根據(jù)工質(zhì)特性和流速確定，優(yōu)選l_3mm。3)波節(jié)長度以集熱管內(nèi)徑為標準分為短距波節(jié)，即波節(jié)長度小于集熱管內(nèi)徑，等 距波節(jié)即波節(jié)長度等于集熱管內(nèi)徑，或長距波節(jié)即波節(jié)長度大于集熱管內(nèi)徑，其中優(yōu)選等 距波節(jié)結(jié)構(gòu)，經(jīng)矯直后保證軸向彎曲度小于3%。4)對成型的波節(jié)管進行表面拋光，如采用的是高亮度不銹鋼無縫管則可以減除該步驟。5)通過氦質(zhì)譜檢漏，確保無縫鋼管的氣密性。6)把金屬內(nèi)管放置在500°C真空環(huán)境中進行高溫除氣，不銹鋼可設定在400°C ； 除氣室內(nèi)可加氮氣或其他氣體保護，防止金屬內(nèi)管表面過渡氧化。7)真空濺射耐高溫選擇性熱吸收涂層。如圖1、2所示。實施例二 外塑法的制作環(huán)形波節(jié)或螺旋波節(jié)的方法是，采用外延機械滾壓或旋壓等外塑法 在無縫鋼管外壁上制作環(huán)形波節(jié)或螺旋波節(jié)，其他方法同前。實施例三自卸載波節(jié)金屬內(nèi)管的制作方法是1)具有自卸載功能的波節(jié)管其適用范圍是工質(zhì)溫度小于300°C，內(nèi)壓力小于2兆 帕，腐蝕性較小的導熱油、乙二醇、防凍液等液體或氣體工質(zhì)。2)選用光潔度較好的不銹鋼帶材經(jīng)制管機組氬弧焊接成不銹鋼圓管，金屬內(nèi)管通 徑為 25-65mm，壁厚為 0. 3-0. 5mm。3)不銹鋼金屬圓管進入波紋管制波機首先制作卸載段，即在金屬內(nèi)管一端打波成 形為標準的波紋管，波節(jié)數(shù)為2-20波。[0044]4)根據(jù)工質(zhì)特性和流速調(diào)整波紋管制波機打波高度和波距長度，然后連續(xù)打波成 具有自卸載功能的波節(jié)金屬內(nèi)管，波高l_6mm，波距10-65mm ；兩邊預留直邊端與管接件焊接。5)由于自卸載波節(jié)管不需要單獨設置卸載波紋管，因此在組裝集熱管時必須采用 預應力方法拉伸金屬內(nèi)管，拉伸長度大于8mm，然后將兩端的管接件和金屬端蓋焊接。其他 制作方法同前。如圖3所示。實施例四苞體波節(jié)金屬內(nèi)管制作方法是1)采用油壓或氣壓法在金屬內(nèi)管上經(jīng)塑性變形制取苞體，所述苞體波節(jié)即在金屬 內(nèi)管表面形成的圓形、長方形或橢圓形鼓包，優(yōu)選橢圓形苞體波節(jié)。2)苞體在金屬內(nèi)管表面成規(guī)則交叉分布，優(yōu)選三面體交叉分布結(jié)構(gòu)。3)根據(jù)工質(zhì)流體性質(zhì)和流速確定苞體頂部高度和苞體長度，高度為l_3mm ；長度 以等距波節(jié)為主，或選擇長距波節(jié)。如圖4所示。
權利要求1.一種線聚焦太陽能強化集熱管由金屬內(nèi)管、玻璃外管、玻璃截管、鐵鎳可伐環(huán)、消氣 環(huán)、耐高溫熱吸收涂層、排氣管、玻璃封接料以及由金屬端蓋、卸載波紋管、管接件經(jīng)氬弧焊 接組合的卸載組件組成，其特征在于1)所述金屬內(nèi)管為金屬環(huán)形波節(jié)管、或金屬螺旋管、或金屬苞體波節(jié)管的強化集熱管， 或帶有2-20波的波紋管與波節(jié)管一體的自卸載波節(jié)管；壁厚在0. 3-13mm ；選用耐受450°C 高溫的不銹鋼無縫鋼管，或耐受450°C以上高溫的鍋爐用合金無縫鋼管，或不銹鋼焊接管； 承壓在2-30兆帕；2)所述玻璃外管選擇線膨脹系數(shù)在20°C-500°C時為(40-65) X KTlT1的中性硼硅玻 璃，當溫度在20°C -300°C時線膨脹系數(shù)為(40-50) X KTk—1 ；玻璃外管壁厚為1. 8_5mm ；透 光率大于90%，涂覆并燒結(jié)硅凝膠后大于95% ；或線膨脹系數(shù)為33X10_7°C的高硼硅玻 璃；3)所述玻璃截管為封接卸載組件和玻璃外管的工藝過渡管，是根據(jù)所需長度對玻璃外 管進行切割，長度為30-60mm ；其中一端制作玻璃法蘭，或外法蘭，或內(nèi)法蘭，與鐵鎳可伐環(huán) 熔封接或壓封接；另一端與玻璃外管熔封接；4)所述鐵鎳可伐環(huán)的線膨脹系數(shù)在(40-6 X 10_7°C之間，選擇4E9或4J44可伐合 金，成凸型外環(huán)或凸型內(nèi)環(huán)，壁厚0. 3-2mm ；其中一端焊接金屬端蓋，另一端與玻璃截管直 接熔封接；或通過低熔玻璃粉與玻璃截管間接熔封接；或通過金屬鉛，或金屬鋁熱壓封接 至玻璃截管法蘭平面處；5)所述卸載組件由金屬端蓋、卸載波紋管、管接件經(jīng)氬弧依次焊接組成，并設置在線聚 焦太陽能強化集熱管兩端；6)所述金屬端蓋為不銹鋼板材沖壓而成的中心開孔的凹形圓蓋，壁厚0.3-2mm ；內(nèi)圓 焊接卸載波紋管，外圓焊接鐵鎳可伐合金環(huán)；7)所述卸載波紋管為不銹鋼薄壁焊接管經(jīng)塑性漲波成型或打波擠塑成型，波紋數(shù)至少 在2-20波，兩端留有焊接直邊端，其中一端焊接金屬端蓋，另一端焊接管接件；8)所述管接件為不銹鋼薄壁焊接管制作，一端縮口另一端擴口，擴口端與卸載波紋管 焊接，縮口端與金屬內(nèi)管焊接；9)所述消氣環(huán)是蒸散型鋇鋁鎳合金材料和不銹鋼支架一體的合金環(huán)，焊接在金屬內(nèi)管上；10)所述耐高溫熱吸收涂層為陶瓷耐高溫選擇性熱吸收涂層；11)所述排氣管為中性5.0硼硅玻璃管，材質(zhì)和線膨脹系數(shù)與玻璃外管一致，熔接在玻 璃截管上；12)所述玻璃封接料為封接溫度在300-800°C，線膨脹系數(shù)在(40-6OX10_7°C的低熔 玻璃粉，將其均勻涂覆在玻璃截管和鐵鎳可伐環(huán)之間熔封接玻璃截管和鐵鎳可伐環(huán)。
2.根據(jù)權利要求1所述的線聚焦太陽能強化集熱管，其特征在于上述金屬內(nèi)管為 自卸載波節(jié)管，通徑為25-65mm，壁厚為0. 3-0. 5mm ；自卸載波節(jié)管一端打波成標準的波紋 管，波節(jié)數(shù)為2-20波，波高為3-12mm ；波高度和波距長度根據(jù)工質(zhì)特性和流速調(diào)整，波高 l-6mm，波距10-65mm ；兩邊預留直邊端與管接件焊接；在組裝集熱管時采用預應力方法拉 伸自卸載波節(jié)管，拉伸長度大于8mm，然后將兩端的管接件和金屬端蓋焊接。
3.根據(jù)權利要求1所述的線聚焦太陽能強化集熱管，其特征在于所述金屬苞體波節(jié)即在金屬內(nèi)管表面有規(guī)則交叉分布的圓形或橢圓形鼓包；苞體波節(jié)波高和波長根據(jù)工質(zhì)流 體性質(zhì)和流速確定，高度為l-3mm。
專利摘要一種線聚焦太陽能強化集熱管由金屬內(nèi)管、玻璃外管、玻璃截管、鐵鎳可伐環(huán)、消氣環(huán)、耐高溫熱吸收涂層、排氣管、玻璃封接料以及由金屬端蓋、卸載波紋管、管接件經(jīng)氬弧焊接組合的卸載組件組成，因該集熱管的金屬內(nèi)管采用了多種特殊結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化制作方法，使其具備了強化熱吸收功能，在提高熱吸收效率的基礎上，有利于降低槽式中高溫太陽能熱利用聚光裝置投資成本。該集熱管特別適合槽式太陽能熱發(fā)電裝置使用。屬太陽能熱利用技術領域。
文檔編號F24J2/48GK201852331SQ200920275989
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權日2009年12月23日
發(fā)明者張建城 申請人:張建城