真空太陽(yáng)能集熱管烘烤排氣高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)證明X50 烘烤排氣臺(tái)的抽真空性能明顯優(yōu)于X35 烘烤排氣臺(tái)的抽真空性能。在裝載集熱管加熱烘烤結(jié)束時(shí)，X35 排氣臺(tái)和X50 排氣臺(tái)的高閥處的真空度接近相等，為2×10-3 Pa；在真空管道端部處的真空度，X50 排氣臺(tái)的真空度為5×10-3 Pa，X35 排氣臺(tái)的真空度為1.7×10-2 Pa，明顯差于高閥處。根據(jù)流導(dǎo)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析，設(shè)計(jì)的真空太陽(yáng)能集熱管烘烤排氣臺(tái)的高真空系統(tǒng)，提高了裝集熱管真空管道邊緣處的真空度，縮短了裝集熱管真空管道邊緣處的空恢時(shí)間，提高了裝集熱管真空管道邊緣處的極限真空度，并能應(yīng)急處理抽氣時(shí)集熱管炸裂的情況，最終提高真空太陽(yáng)能集熱管的使用壽命。
全玻璃真空太陽(yáng)集熱管與傳統(tǒng)的杜瓦瓶類(lèi)似，由兩根同心內(nèi)、外圓柱玻璃管組成。內(nèi)管的外表面上濺射有太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，吸收透過(guò)玻璃外管的太陽(yáng)光輻射并轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)降低了輻射熱損。內(nèi)管的一頭為密閉的半球形，密閉端用片狀彈簧固定在外管內(nèi)，內(nèi)管和外管的開(kāi)口端熔封。外管與內(nèi)管之間抽成真空，以減少氣體對(duì)流和傳導(dǎo)熱損。20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)北京電子管廠和沈陽(yáng)玻璃儀器廠試制全玻璃真空太陽(yáng)集熱管與集熱器。目前，中國(guó)大量生產(chǎn)采用全玻璃真空集熱管作為集熱元件的太陽(yáng)能熱水器。真空集熱管太陽(yáng)能熱水器已經(jīng)成為家庭生活必需家電之一。
在真空管太陽(yáng)熱水器空曬(水箱和集熱管內(nèi)均未裝水)一定時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)熱水器上部分集熱管消氣劑鏡面明顯消退，個(gè)別集熱管甚至鏡面消失。分析可能的其中原因之一，集熱管裝在烘烤排氣臺(tái)的不同位置上，在烘烤排氣過(guò)程中排氣量存在差異。目前生產(chǎn)上廣泛使用的烘烤排氣臺(tái)，有兩種類(lèi)型，抽真空管道內(nèi)徑分別為Φ50 mm(命名X50 烘烤排氣臺(tái))和Φ35 mm(命名X35 烘烤排氣臺(tái))，其余結(jié)構(gòu)基本相同。試驗(yàn)了兩種烘烤排氣臺(tái)在烘烤排氣過(guò)程中的抽真空性能。
烘烤排氣臺(tái)高真空系統(tǒng)用于集熱管烘烤時(shí)排氣并在封離時(shí)使集熱管內(nèi)達(dá)到高真空。X35 烘烤排氣臺(tái)高真空系統(tǒng)，自高閥上表面引出兩支平行抽真空管道，每支管道上焊有15 個(gè)垂直集熱管尾管座，所有抽真空管道內(nèi)徑Φ35 mm。X50 烘烤排氣臺(tái)，自高閥上表面直接引出兩支平行抽真空管道，每支管道上焊有20 個(gè)集熱管尾管座，真空管道內(nèi)徑Φ50 mm。試驗(yàn)測(cè)量裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺(tái)抽氣過(guò)程中高閥處的真空度；裝集熱管未烘烤工況下，裝載集熱管真空管道端部處，從大氣抽真空達(dá)8×10-3 Pa 的空恢時(shí)間；烘烤排氣工藝結(jié)束后X50 和X35 烘烤排氣臺(tái)抽真空管道端部真空度與高閥處真空度差別。根據(jù)理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果分析，設(shè)計(jì)了用于真空太陽(yáng)能集熱管烘烤排氣臺(tái)的高真空系統(tǒng)，新設(shè)計(jì)高真空系統(tǒng)進(jìn)行了抽真空試驗(yàn)。
1、理論分析和計(jì)算模型
根據(jù)全玻璃真空太陽(yáng)集熱管的烘烤排氣高真空系統(tǒng)排氣工藝原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)，確定理論分析和計(jì)算模型如圖1 所示。
圖1 排氣工藝?yán)碚摲治龊陀?jì)算模型
圖1 中，縱坐標(biāo)Y 軸為烘烤排氣高真空系統(tǒng)在抽真空管道上的抽速，橫坐標(biāo)為真空集熱管尾管在抽真空管道上的位置，選抽真空泵高閥位置為原點(diǎn)0。生產(chǎn)時(shí)集熱管尾管裝在尾管座上。在真空集熱管烘烤排氣過(guò)程中，真空系統(tǒng)中的氣體只有幾分鐘時(shí)間的粘滯性流動(dòng)，而整個(gè)抽高真空及高溫排氣過(guò)程為分子性流動(dòng)。所以，本文僅計(jì)算20 ℃時(shí)空氣的流導(dǎo)。烘烤排氣高真空系統(tǒng)在抽真空管道長(zhǎng)度L>20 d(d 為管道直徑)。公式(1)給出長(zhǎng)度L>20 d 的管道，20 ℃時(shí)空氣的流導(dǎo)
式中U-20 ℃時(shí)空氣分子流時(shí)圓截面長(zhǎng)管流導(dǎo)，m3/s，d- 管道直徑，m，L- 管道長(zhǎng)度，m，M- 氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol，T- 氣體溫度，K。
根據(jù)圖1 中的計(jì)算模型和公式(1)可以看出，抽速隨著抽真空管道位置而改變，離高閥越近，抽速越大，離高閥越遠(yuǎn)，抽速越��；同時(shí)，根據(jù)公式(1) 可以看出抽速與抽真空管道的直徑的立方成正比。
2、試驗(yàn)
X35 烘烤排氣臺(tái)真空系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。抽真空泵采用擴(kuò)散泵，上方連接高閥，與一水平抽真空管道相連，抽真空管道上焊有垂直集熱管尾管座，抽真空管道端部連接有可以測(cè)量真空的真空規(guī)管。所有抽真空管道內(nèi)徑Φ35 mm。生產(chǎn)時(shí)集熱管尾管裝在尾管座上，集熱管尾管與尾管座之間利用硅膠圈真空密封。同樣，X50 烘烤排氣臺(tái)真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，真空管道內(nèi)徑Φ50 mm。
本試驗(yàn)采用4 臺(tái)烘烤排氣臺(tái)，兩臺(tái)X35 烘烤排氣臺(tái)和兩臺(tái)X50 烘烤排氣臺(tái)。真空測(cè)量采用復(fù)合真空計(jì)，共2 臺(tái)。每臺(tái)真空計(jì)上各接1 支高真空電離規(guī)管，兩臺(tái)真空計(jì)分別測(cè)量高閥處和裝集熱管真空管道端部處的真空度。電離規(guī)管型號(hào)ZJ-10B，測(cè)量范圍6.5×101～2×10-4 Pa。為了獲得準(zhǔn)確的真空度數(shù)據(jù)，對(duì)兩臺(tái)復(fù)合真空計(jì)和電離規(guī)管進(jìn)行相對(duì)校準(zhǔn)。
試驗(yàn)用裝載集熱管規(guī)格為Φ58×2000 mm，集熱管外管外徑為58 mm，壁厚為1.8 mm，內(nèi)管外徑為47 mm，壁厚為1.6 mm。兩種烘烤排氣臺(tái)的烘箱壁厚70 mm，內(nèi)填巖棉，外壁為1.5 mm 鋁板，內(nèi)置不銹鋼襯板。烘箱原裝有恒溫控制溫度傳感器，位于臺(tái)面上方500 mm高度處。溫度傳感器型號(hào)WRNP-191，測(cè)量范圍0～600 ℃。
2.1、校準(zhǔn)復(fù)合真空計(jì)和電離規(guī)管
采用相對(duì)校準(zhǔn)法，校準(zhǔn)了復(fù)合真空計(jì)和電離規(guī)管。兩臺(tái)真空計(jì)同時(shí)測(cè)量烘烤排氣臺(tái)高閥處的真空度。試驗(yàn)時(shí)采用X50 烘烤排氣臺(tái)。試驗(yàn)了多支電離規(guī)管，優(yōu)化后的兩臺(tái)真空計(jì)測(cè)量的真空度接近相等。兩臺(tái)真空計(jì)測(cè)量的真空度隨時(shí)間的變化如圖2 所示，時(shí)間0 表示校正試驗(yàn)測(cè)量開(kāi)始。真空度在2~7×10-3 Pa 量程范圍，電離規(guī)管1 測(cè)量系統(tǒng)比電離規(guī)管2 測(cè)量值略高10%，真空度進(jìn)一步提高，偏差逐漸縮小。
圖2 兩臺(tái)真空計(jì)同時(shí)測(cè)量烘烤排氣臺(tái)高閥處的真空度隨時(shí)間的變化
2.2、高閥處真空度
圖3 給出了兩臺(tái)烘烤排氣臺(tái)在裝集熱管未烘烤工況下，抽氣40 分鐘過(guò)程中高閥處真空度。其中一臺(tái)X50 烘烤排氣臺(tái)，另一臺(tái)X35 烘烤排氣臺(tái)。從圖中可以看出，抽氣過(guò)程中兩臺(tái)烘烤排氣臺(tái)高閥處的真空度接近相等。另外一臺(tái)X50 和另外一臺(tái)X35 烘烤排氣臺(tái)高閥處的真空度也接近相等。從這些數(shù)據(jù)表明兩種烘烤排氣臺(tái)，在高閥處的抽氣性能接近。
圖3 X50 烘烤排氣臺(tái)和X35 烘烤排氣臺(tái)，在裝集熱管未烘烤工況下高閥處真空度和時(shí)間的關(guān)系
2.3、空恢時(shí)間
空恢時(shí)間定義為從大氣抽真空達(dá)8×10-3 Pa的時(shí)間。表1 中給出了兩種烘烤排氣臺(tái)各2 臺(tái)在裝載集熱管未烘烤工況下，真空管道離高閥最遠(yuǎn)的端部處的空恢時(shí)間。4 臺(tái)排氣臺(tái)裝有相同規(guī)格集熱管。每臺(tái)排氣臺(tái)裝載Φ58×2000 mm 集熱管，X50 烘烤排氣臺(tái)裝40 支，X35 烘烤排氣臺(tái)裝30支。裝集熱管未烘烤工況下，X35 烘烤排氣臺(tái)空恢時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于X50 烘烤排氣臺(tái)。各以空恢時(shí)間最短的烘烤排氣臺(tái)為例，X35 為76 min，X50 為18 min。從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，真空管道內(nèi)徑大，真空管道端部處空恢時(shí)間短。
表1 真空管道端部空恢時(shí)間
2.4、裝集熱管未烘烤工況下真空度
圖4 給出了裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺(tái)，高閥處和真空管道端部的真空度隨時(shí)間的變化。抽氣40 min 時(shí)，兩處真空度，X50 烘烤排氣臺(tái)分別為1.5×10-3 Pa 和4.1×10-3 Pa，X35 烘烤排氣臺(tái)，1.3×10-3 Pa 和1.4×10-2 Pa。這兩種烘烤排氣臺(tái)高閥處的真空度接近相等。真空管道端部的真空氣壓，X50 烘烤排氣臺(tái)，比高閥處高2.8倍，X35 烘烤排氣臺(tái)，高10 倍。裝集熱管未烘烤工況下，真空管道端部的真空度，X35 烘烤排氣臺(tái)明顯比X50 烘烤排氣臺(tái)差，抽氣40 min 時(shí)，端部的真空度還未進(jìn)入10-3 Pa。裝集熱管未烘烤工況下，抽氣200 min，真空管道端部的極限真空度，X50 烘烤排氣臺(tái)為2.7×10-3 Pa，X35 烘烤排氣臺(tái)4.9×10-3 Pa，兩者的差別較小。
圖4 X50 烘烤排氣臺(tái)和X35 烘烤排氣臺(tái)，裝集熱管未烘烤工況下高閥處和真空管道端部真空度和時(shí)間的關(guān)系
從以上數(shù)據(jù)表明，X50 烘烤排氣臺(tái)真空管道端部的有效抽速明顯高于X35 烘烤排氣臺(tái)。
2.5、裝集熱管烘烤工況下真空度
圖5 給出了裝集熱管烘烤工況下，X35 烘烤排氣臺(tái)高閥處和真空管道端部的真空度隨時(shí)間的變化，圖中還給出了裝集熱管未烘烤工況下真空測(cè)量數(shù)據(jù)，供對(duì)比用。時(shí)間0 為真空抽到高閥上真空管道處真空度達(dá)8×10-3 Pa，開(kāi)高真空閥作為時(shí)間開(kāi)始。圖中還給出了烘烤溫度隨時(shí)間的變化，時(shí)間0 為開(kāi)始加熱，與上述開(kāi)高閥時(shí)刻相同，95 min后加熱棒停止加熱，其中升溫時(shí)間35 min，烘箱中部恒溫430 ℃，時(shí)間60 min。
圖5 X35 真空烘烤排氣臺(tái)高閥處未烘烤和烘烤兩種工況下的真空度與時(shí)間的關(guān)系
裝集熱管烘烤工況下，排氣40 min 時(shí)，高閥處的真空度，比未烘烤工況差10 倍，約為1.3×10-2 Pa。真空管道端部的真空度比高閥處高10 倍，僅1.3×10-1 Pa。這表明在烘烤排氣過(guò)程中集熱管真空夾層兩玻璃管的內(nèi)表面大量放氣。加熱棒停止加熱烘烤結(jié)束時(shí)，高閥處和真空管道端部的真空度分別為2×10-3 Pa 和1.7×10-2 Pa，相差約為10 倍。按生產(chǎn)工藝，加熱結(jié)束，起烘箱，降溫5 min時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量得到烘箱溫度為61 ℃，對(duì)應(yīng)高閥處和真空管道端部的真空度分別為0.8×10-3 Pa 和5×10-3 Pa。在這短短5 min 時(shí)間內(nèi)，真空管道端部的真空度從1.7×10-2 Pa 提高到5×10-3 Pa，認(rèn)為主要由于集熱管冷卻，真空夾層的兩玻璃管的內(nèi)表面吸附夾層中的氣體。
X50 烘烤排氣臺(tái)裝集熱管烘烤工況下，真空度隨時(shí)間的變化的曲線形狀與上述類(lèi)似。加熱棒停止加熱烘烤結(jié)束時(shí)，高閥處和真空管道端部的真空度分別為2×10-3 Pa 和5×10-3 Pa，相差約為2.5 倍。與X35 烘烤排氣臺(tái)相比，真空管道端部的真空度要好。
3、高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試
3.1、高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)
排氣臺(tái)高真空系統(tǒng)由真空管道、真空抽氣機(jī)組、真空計(jì)組成。根據(jù)理論計(jì)算及以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺(tái)X35和X50，排氣過(guò)程中高閥處的真空度接近相等，在高閥處的排氣性能接近。分析表明高閥下的真空系統(tǒng)，包括前級(jí)機(jī)械泵、前級(jí)真空管道、擴(kuò)散泵基本上可以采用原來(lái)的設(shè)計(jì)。因此，主要設(shè)計(jì)高閥及其上面的高真空管道系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行了理論分析。理論分析表明，要提高真空太陽(yáng)能集熱管烘烤排氣工藝后的真空性能，關(guān)鍵是提高裝載集熱管尾管處的真空有效抽氣速度，以及減少高真空管道系統(tǒng)內(nèi)表面的放氣量。增加真空管道的內(nèi)徑，可以提高裝載集熱管尾管處真空有效抽速。理論計(jì)算優(yōu)化真空管道的內(nèi)徑，既提高真空有效抽速，而真空管道制造成本又增加較少。提高高真空管道系統(tǒng)內(nèi)表面的光潔度，可明顯減少高真空管道系統(tǒng)內(nèi)表面的放氣量。另外，設(shè)計(jì)了特殊的擴(kuò)散泵上方連接的高真空閥，主要的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)為，高真空擴(kuò)散泵上方高真空閥的圓柱側(cè)面開(kāi)四個(gè)孔，引出四支連接真空管道。每支連接真空管道與一支裝集熱管真空管道連接。四支裝集熱管真空管道兩端用盲板或者盲法蘭密封，組成兩組平行管道。每組中兩支裝集熱管真空管道頭尾相連固定，相鄰兩端的間隙盡可能小。每支連接真空管道上裝一只隔離閥，可以使四組裝集熱管真空管道相互真空隔離。具體高真空閥和高真空管道示意圖如圖6 所示，與傳統(tǒng)的X35 和X50 烘烤排氣臺(tái)相比，具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：其一，待烘烤抽氣的集熱管裝載在上部的主真空管道上，分2 排共4 組，每組10 支；其二，真空管道內(nèi)徑約80 mm；其三，4組管道由4 個(gè)手動(dòng)高真空碟閥可實(shí)現(xiàn)真空隔離；其四，在泵口處及真空管道離泵口遠(yuǎn)處各裝1 個(gè)電離規(guī)管座。
圖6 臺(tái)車(chē)真空管道示意圖。4 根主管道上共裝載40 支集熱管，分2 排共4 組，每組10 支
3.2、高真空系統(tǒng)測(cè)試
圖7 給出了新設(shè)計(jì)高真空系統(tǒng)裝集熱管烘烤工況真空度與時(shí)間的關(guān)系。時(shí)間0 為真空抽到高閥上真空管道處真空度小于8×10-3 Pa，開(kāi)高真空閥作為時(shí)間開(kāi)始。圖中還給出了烘烤溫度隨時(shí)間的變化，時(shí)間0 為開(kāi)始加熱，與上述開(kāi)高時(shí)刻相同，95 min 后加熱棒停止加熱，其中升溫時(shí)間35 min，烘箱中部恒溫430 ℃，時(shí)間60 min。
裝集熱管烘烤工況下，烘烤排氣過(guò)程中集熱管真空夾層兩玻璃管的內(nèi)表面大量放氣，高閥處真空度和橫管端部真空度均上升。高溫烘烤初期，橫管端部真空度遠(yuǎn)大于高閥處真空度，高溫烘烤后期，玻璃管的內(nèi)表面大部分氣體已經(jīng)釋放出，橫管端部真空度接近高閥處真空度。加熱棒停止加熱烘烤結(jié)束時(shí)，高閥處和真空管道端部的真空度分別為1.8×10-3 Pa 和2.0×10-3 Pa，試驗(yàn)表明差別小于0.4 倍，比較接近，與流導(dǎo)計(jì)算相符。
圖7 高真空系統(tǒng)裝集熱管烘烤工況高閥處真空度與時(shí)間的關(guān)系
經(jīng)測(cè)試，新設(shè)計(jì)高真空系統(tǒng)滿足全玻璃真空集熱管抽真空工藝要求外，與X35 和X50 排氣臺(tái)抽真空系統(tǒng)相比還具有以下特點(diǎn)：首先縮短裝集熱管真空管道邊緣處的空恢時(shí)間。室溫下裝載40 支Φ58×2000 mm 集熱管，測(cè)量從大氣抽至8.0×10-3 Pa 真空管道邊緣處的空恢時(shí)間小于8 分鐘；其次提高裝集熱管真空管道端部的極限真空度。試驗(yàn)表明極限真空能達(dá)到5×10-4 Pa。而原X35 和X50 烘烤排氣臺(tái)真空系統(tǒng)真空管道端部極限真空度均達(dá)不到1×10-3 Pa；第三能進(jìn)行一定的應(yīng)急處理抽氣時(shí)集熱管炸裂。每支連接真空管道上裝1 只隔離閥，抽氣時(shí)集熱管炸裂時(shí)，可關(guān)相應(yīng)隔離閥進(jìn)行應(yīng)急處理，其余3/4 集熱管仍然可以進(jìn)行正常工藝過(guò)程；第四提高太陽(yáng)能集熱管真空品質(zhì)。烘烤抽氣后的太陽(yáng)能集熱管，特別是裝在真空管道邊緣處的，真空將明顯提高，從而提高太陽(yáng)能集熱管的真空使用壽命。
4、結(jié)論
測(cè)試了X35、X50 兩種烘烤排氣臺(tái)的烘烤抽氣性能。裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺(tái)抽氣過(guò)程中高閥處的真空度接近相等，為1×10-3 Pa，表明兩種烘烤排氣臺(tái)，在高閥處的抽氣性能接近；裝集熱管未烘烤工況下，真空管道端部處空恢時(shí)間，X50 烘烤排氣臺(tái)為18 min，X35 烘烤排氣臺(tái)長(zhǎng)達(dá)76 min，是X50 的4 倍；裝集熱管未烘烤工況下，真空管道端部的真空度，抽氣40 分鐘時(shí)，X50和X35 分別為4.1×10-3 Pa，和1.4×10-2 Pa，X35排氣臺(tái)真空度是X50 排氣臺(tái)的3 倍。抽氣200 min 時(shí)的極限真空，X35 和X50 排氣臺(tái)分別為4.9×10-3 Pa和2.7×10-3 Pa，兩者的差別較��；加熱烘烤結(jié)束時(shí)高閥處和真空管道端部的真空度，X35 烘烤排氣臺(tái)分別為2×10-3 Pa 和1.7×10-2 Pa，相差約為10 倍；X50 烘烤排氣臺(tái)分別為2×10-3 Pa 和5×10-3 Pa，相差約為2.5 倍。試驗(yàn)測(cè)量得到X50 烘烤排氣臺(tái)的烘烤排氣性能明顯優(yōu)于X35 烘烤排氣臺(tái)，尤其是裝載集熱管真空管道端部處的真空性能。
根據(jù)兩種烘烤排氣臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果和流導(dǎo)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)的真空太陽(yáng)能集熱管烘烤排氣線的高真空系統(tǒng)，提高裝集熱管真空管道邊緣處的真空度，接近高真空閥處，差別小于1 倍；縮短裝集熱管真空管道邊緣處的空恢時(shí)間達(dá)8 min；提高裝集熱管真空管道邊緣處的極限真空度達(dá)到8×10-4 Pa；能進(jìn)行抽氣時(shí)集熱管炸裂的應(yīng)急處理；提高太陽(yáng)能集熱管真空品質(zhì)，從而提高太陽(yáng)能集熱管的真空使用壽命。
