热管式真空管太阳能热水器
真空管太阳能热水器ppt课件
二、真空管太阳集热器
主讲人：杨婧 田园
在实际使用中，往往要把多支真空集热管 通过一定的连接方式与联集管组成集热器 模块，采取自然循环或强制循环的方式取 出热量。 真空管型太阳能热管集热器主要包括集热 部分、传热部分、换热部分和边框尾架部 分。集热部分主要包括真空管、翅片（加 强集热能力，又叫铝翼）及防止真空管口的镀膜工艺有两种：渐变 镀膜工艺和干涉镀膜工艺，过去常用 的“晒乐”真空管就是采用渐变镀膜 工艺，为真空管式太阳能热水器的推 广和普及奠定了坚实的基础；皇明太 阳能推出的干涉镀膜工艺是真空管的 镀膜技术得到进一步的发展，吸收率 更高、散热率更低。
吸气剂
4.作用： 1.类型 蒸散型吸气剂 非蒸散型吸气剂 a.在短时间内提高管内的真 空度，有利于缩短排气时间。 b.吸除封离后管内剩余气体 及器件在工作时处于高温状态 下各部件所放出的气体。 c.吸除器件启动和反常工作 时的突发性放气，以保证器件 内良好的真空状态，延长使用 寿命，提高器件可靠性。
环形封口 端退火
罩玻璃管与吸热管开 口端环形熔封
真空的获得
a.低真空的获得：一般采用旋片式机械泵，工 作的原理是基于变容作用，用油来保持运动部 件之间的密封，靠机械的办法，使某一密封空 间的容积周期性地增大（抽气）、缩小（排 气），从而达到连续抽气和排气的目的。工作 的范围为760~5×10-4托。
热管式真空管
（1）玻璃-金属热管式真空集热管 基本构造
热管式真空管集热管是吸热体真空集热管的一种，它由 热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖、弹簧支架、蒸 散型消气剂和非蒸散型消气剂等部分组成，其中热管又 包括蒸发段和冷凝段两部分。
工作原理及优点
热管是一种高效导热元件，安装在全玻璃真空 管中。热管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触 的金属翅片，将玻璃管转换的太阳能热量传导给 热管蒸发段，热管再利用内部真空状态下工质的 蒸发吸热和放热冷凝，将这一热量传导到被加热 流体中。这样既实现了玻璃管不直接接触被加热 流体，解决了全玻璃真空管集热器的一系列缺点 ，又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少， 加热工质温度高的优点。
热管真空管式集热器工作原理
热管真空管式集热器（1）热管真空管的工作原理太阳光透过玻璃管，照射在吸热板上，高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。
吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，为保证汽化的工质迅速上升到冷凝端，真空管工作时与地面的倾角应大于10度，被汽化的工质上升到热管冷凝端向被加热的工质（水或空气）放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端，利用热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续地将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端加热工质。
作为高效传热元件的热管由蒸发段和冷凝段两部分组成。
蒸发段与吸热板紧密连接。
吸热板表面磁控溅射AL-N-O选择性吸收涂层，吸收比大于0.93，发射率小于0.08。
先进的热压封技术应用于玻璃-金属之间的封接。
玻璃管采用硼硅玻璃，透射率大于0.90。
每支热管真空管的冷凝端通过导热块的导热，将热量传递给集管，被加热的工质（水）经过集管时，将热量带走。
在这个工作过程中，真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。
被加热工质不流经真空管，因此真空管的安装十分简单，而且管子不与介质发生干扰，即便真空管发生损坏，太阳能集热器的工作并不因此而中断，在保温盒内填充了保温材料，有效地控制了运行过程中的热量损失。
当太阳辐射穿过玻璃管，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热。
此热量加热，热管蒸发段内的工质，使其汽化。
工质蒸汽上升到冷凝段，在冷凝段内表面凝结，释放出蒸发潜热。
液态工质依靠自身的重力流回蒸发段。
然后重复上述过程。
热管式真空管的外形尺寸为ф100×2000mm，它主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，如下图所示：（2）热管真空管集热器的工作原理热管式真空管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统全部为金属连接，运行稳定可靠。
每支热管真空管的冷凝端通过导热块的导热，将热量传递给集管，被加热的工质（水）经过集管时，将热量带走。
在这个工作过程中，真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。
太阳能热水器集热器的结构及原理
太阳能热水器集热器的结构及原理集热器是太阳能热水器组成系统中的重要器件（其功能相当于电热水器中的电热管），是接收太阳能量并将其转换为热能的核心部件，它高效吸收太阳辐射能，经循环热交换使贮水箱里的水温不断升高。
集热器有真空管式与平板式两种。
1. 真空管式真空管式集热器分为全玻璃真空管集热器、U形管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器，后三种集热器是在全玻璃真空管集热器基础上发展起来的产品，三者的共同特点是都具有比较高的集热效率，以金属作为吸热体，可以承压运行，但从集热效率、防漏、防垢、耐久性、安全性、可靠性和安装维护难度等方面进行综合评价，热管式真空管集热器是最适宜在中央热水供应系统中釆用的太阳能集热器类型，u形管式真空管集热器和热管式真空管集热器次之。
真空管式的结构如同一个拉长的热水壶内胆，由一大一小两支玻璃管套合而成，外层为透明，内层为涂有光谱选择性的吸收涂层，内外管之间抽成真空。
内外双层玻璃管结构，采用高硼硅玻璃管为毛坯管，经过磁控溅射真空镀膜工艺在内层玻璃管外壁镀膜，再将内外管间进行抽真空处理，保证吸收膜在真空条件下稳定工作。
全玻璃真空管由外管（罩玻璃管）、内管、选择性吸收涂层、吸气剂、支撑件（弹簧卡子）和真空夹层等组成，如下图所示。
真空管式在目前中国的太阳能热水器市场中应用广泛。
2. 平板式平板式集热器是太阳能低温热利用的基本部件，也一直是世界太阳能市场的主导产品。
平板式集热器一般由透明盖板、吸热板、保温层、隔热层和背板等组成,吸热体多为具有高吸收比及低发射比膜层的金属条带。
国外成熟的集热器都是平板式集热器。
在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管和集管。
排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件；集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。
吸热板的材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料和橡胶等。
吸热板有四种形式，即管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式，如下图所示。
全玻璃真空管太阳集热器的分类及特点
全玻璃真空管太阳集热器的分类及特点目前市面上全玻璃真空管太阳集热器主要有三大系列产品，分别是：普通型全玻璃真空管太阳集热器、热管式全玻璃真空管太阳集热器和U型管式全玻璃真空管太阳集热器三大系列产品。
目前仍然以普通型全玻璃真空管太阳集热器为主，下面就三大系列产品的结构和特点逐一介绍。
（一）普通型全玻璃真空管太阳集热器1、组成：真空管、联箱、尾座、支架组成。
分横管和竖管两种。
（1）真空管构造：真空管是全玻璃真空管集热器的核心部件、是整个太阳能系统的发动机，其性能优劣决定着整个系统的得热性能和寿命。
真空管构造图④③⑦⑥⑤②①①罩玻璃管②内玻璃管③卡子④吸气剂⑤真空夹层⑥选择性吸收涂层⑦吸气膜（2）真空管材质要求：真空管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量5%以下；热稳定性好；热膨胀系数低为3.3×10-6/℃；耐热冲击性好，耐热温差大于200℃；有较高的机械强度；较好的抗化学腐蚀性能；具有良好的光学性能，透光率≥ 0.89）（3）真空管技术要求：①材料采用硼硅玻璃3.3；②空晒性能参数y≥175m2•℃/kW（当太阳辐照度G≥800W/ m2,环境温度t在8～30℃之间）③闷晒到水温增加35℃所需的太阳能曝辐量≤3.8MJ/ m2（当太阳辐照度G≥800W/ m2,环境温度t在8～30℃之间）④平均热损失系数≤0.9W/ m2·℃⑤真空度≤5×10-2Pa；⑥耐热冲击应能承受25℃以下冷水和90℃以上热水交替反复冲击3遍而不损坏；⑦耐压冲击应能承受0.6Mp的压力；⑧抗冰雹要求应在径向尺寸不大于25mm的冰雹袭击下不损坏。
（4）真空管镀膜技术目前真空管的镀膜工艺有两种：渐变镀膜工艺和干涉镀膜工艺，过去常用的“晒乐”真空管就是采用渐变镀膜工艺，为真空管式太阳能热水器的推广和普及奠定了坚实的基础；皇明太阳能推出的干涉镀膜工艺是真空管的镀膜技术得到进一步的发展，吸收率更高、散热率更低。
热管式真空管集热器简介
北京金阳科创太阳能科技有限公司热管式真空管太阳能集热器TiNOX（400W/m K无氧铜）集热高硼硅玻璃罩管，紫铜相变超导热管；外壳及托架为铝合金专用型材，热管真空管太阳能集热器热管真空管是金属芯玻璃真空集热管的一种形式，它是一种高效的太阳能集热元件，具有工作温度高、承压能力大、耐冷热冲击、抗冰雹、全年工作等独特的优点。
热管真空管与联集管、保温盒、支架等部分一起组成热管真空管集热器。
金属—玻璃热管真空管太阳能集热器作为第四代太阳能集热产品，它的开发和应用已经有十余年的历史，因其热性能和运行维护上的突出优势，目前正迅速发展，逐渐替代其它类型的太阳能集热器产品成为热水器和热水工程市场的主流。
JD100HP系列热管真空管集热器产品采用中德最新太阳能技术结晶——“金属—玻璃热管真空管”作为集热元件，集多项专利技术与一身，经国际权威机构检测，性能处于国际领先水平。
该产品效膜层吸热、相变热管传热和真空保温绝热优势于一体，热管承插式连接，相变热管传热承压运行，全面解除全玻璃真空管集热器易冻裂、易炸管、易结垢、易漏水等隐患。
热管式真空管集热器(导热块传热)示意图如上图所示，热管真空管太阳能集热器由热管真空管、联集管、保温盒和支架等部分组成。
太阳光透过真空玻璃管，照射在真空管内金属吸热翅片的选择性吸收涂层上，高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能通过导热铜带传至内置热管，迅速将热管蒸发端内的少量工质汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端，使冷凝端快速升温，集热器联集管上的导热块（或导热套管）吸收冷凝端的热量加热联集管内流体。
热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下回流热管蒸发端，再汽化再冷凝。
热管真空管集热器通过热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续不断的吸收太阳辐射能为热水系统或采暖系统提供热源。
与普通真空管太阳能集热器相比，JD100HP系列热管真空管集热器产品具有如下优异特点。
①热效率高：采用高性能选择性吸收涂层和高热导率传热条带，得热量大，热损失小，同样条件下集热量远高于其它形式的集热器；②承压运行：额定承压能力6kgf/cm2，特别适用于强制循环的大面积集热工程；③冬季水更热：管内不走水，启动迅速，全年运行，和全玻璃真空管相比，多得20—30%热水；④夏季不过热：不用反光板，防止夏季水温超高，风载小，不会因反光板性能下降而影响集热器效率；⑤占地面积小：真空管密排，集热器外型尺寸小，减少安装占地面积；⑥安装维护方便：铜套管干插式连接，安装方便，热管冷凝端不结水垢，无漏水隐患，局部维修不影响系统运行，避免了集热器内结水垢影响系统运行或一支管损坏整个系统瘫痪的现象。
真空管
真空管按吸热体材料种类，可分为两类：一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管），一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃－金属真空管）。
热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。
热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比，具有以下不可替代的优点：1.耐冰冻：采用抗冻型热管，即使在－50℃的严寒条件下也不会冻裂。
2.启动快：热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量；而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水。
3.不结垢：由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。
4.保温好：热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。
5.承压高：由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势。
6.耐热冲击性好：即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂。
7.安装简便，运行可靠：集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。
正是由于热管式真空管具有以上诸多优点，才越来越受到各国太阳界的重视。
北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试，产品热性能指标达到了九十年代国际先进水平，成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位。
我国的住宅设计目前尚未考虑生活热水供应，而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。
我国能源供应紧张，依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应。
我国太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/米2，年日照时数在2000小时以上；而且近年来太阳能热水器发展迅速，使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的，并已具备了与常规能源的竞争力。
太阳能热水器早在八十年代初就在我国开始推广，应用范围包括集体浴室、游游泳池加热、工农业生产等。
真空管太阳能热水器工作原理
真空管太阳能热水器工作原理
真空管太阳能热水器的工作原理是利用太阳能来加热水。
它由太阳能集热器、水箱、水管等部分组成。
太阳能集热器通常采用真空管形式，每个真空管里有两层玻璃管，两者之间抽成真空状态以减少能量的散失。
内管上涂有吸收太阳能的黑色吸热涂层，当太阳光照射到吸热涂层上时，涂层会吸收太阳能并转化为热量。
当太阳光照射到集热器的真空管上时，吸热涂层吸收热量并使内管内的水被加热。
加热后的水会上升到上部的水箱中，因为冷水比热水密度大，所以热水会自然上浮到水箱的顶部，形成热水层。
当用户需要用到热水时，通过水管连接到水箱中的热水层，从而取出热水使用。
同时，冷水会从水箱底部的冷水层进入集热器进行加热，形成循环。
这样，太阳能集热器不断地吸收太阳能，将能量转化为热量，使水箱中的水保持一定的温度。
当天气晴朗时，太阳能集热效果最好，能够达到较高的温度；而在阴天或夜晚，集热器吸收的能量较少，热水的温度相应低一些。
总的来说，真空管太阳能热水器利用太阳能的热量来加热水，通过循环使水箱中的水保持热水状态，提供给用户使用。
真空管太阳能集热器
真空管集热器真空管集热器是在平板集热器基础上发展起来的新型集热装置。
按照吸热体的材料分类，可分为玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管）集热器和金属吸热体（玻璃—金属）真空管集热器两大类。
（一）全玻璃真空管集热器1、全玻璃真空的基本结构全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成，其形状如一只细长的暖水瓶胆（图3- ）。
图3—全玻璃真空管结构示意图1.外玻璃管2.内玻璃管3.选择性吸收涂层4.真空5.弹簧支架6.消气剂7.保护帽全玻璃真空管的一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封；另一端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。
在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。
在外玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气咀。
内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层。
弹簧支架上装有消气剂，它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体，起保持管内真空度的作用。
2、全玻璃真空管集热器的基本结构若干支真空管按照一定规则排列成的真空管阵列与联集管（或称为联箱）、尾托架和反射器等部件一起组成一台真空管集热器（图3—）。
全玻璃真空管集热器的联箱一般有圆形和方形两种，多采用不锈钢板制作，集热器配管接头焊接在联箱的两端。
联箱的一面或两面按设计的真空管间距开孔，真空管的开口端直接插入联箱内，真空管与联箱之间通过硅橡胶密封圈进行密封。
为了提高真空管集热器的性能，一些厂家的产品在真空管阵列的背面增设了反射板，其中多为平面漫反射板，一般采用铝板或涂白漆的平板制成。
因为反射板长期暴露在空气中，容易积聚灰尘和污垢，需要经常清理，否则反射效果会受到影响，并且反射板增大了集热器的风阻，影响集热器安装的稳定性，所以，风沙比较大的地区不宜安装带反射板的集热器。
图3— 全玻璃真空管集热器结构示意图1.全玻璃真空管2.联集管3.保温层4.保温盒外壳5.密封圈6.配管接口7.反光板8.尾托架按照真空管的安装走向的不同，全玻璃真空管集热器可分为竖直排列（南北向）和水平排列（东西向）两种排列形式，其中水平排列又有水平单排和水平双排两种形式，（图3— ）。
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热管式真空管太阳能热水器
热管真空管太阳能热水器采用热管式真空管作为集热元件，在集热性能、抗冷热冲击、抗冻性能和运行维护方面要优于全玻璃真空管太阳能热水器，一直以来在市场上都属于高端太阳能产品，产销量较少，随着热管真空管产品的普及，已经逐渐被广大用户接受，市场需求也越来越大。
热管式真空管太阳能热水器主要有整体式和分体式两种形式，整体式热水器根据根据运行方式有落水式和承压式之分，分体式产品主要形式主要为阳台壁挂式热水器。
图1 热管式真空管太阳能热水器
1、落水式热管真空管太阳能热水器
落水式热管真空管热水器一般采用不锈钢水箱，水箱上安装紫铜换热套管与热管真空管进行换热加热水箱内热水，换热套管和水箱壁之间通过硅胶圈进行密封。
如图2所示。
图2 落水式热管真空管热水器结构示意图
落水式热管真空管热水器虽然不能承压运行，但解决了普通全玻璃真空管热水器真空管破损后的
跑水问题，一支或几支真空管损坏都不影响正常使用，真空管内不存水，增加了可利用热水量，并且减少了热损失，水质不好的地区，如果换热套管结垢，清理起来也很方便。
1、承压热管式真空管太阳能热水器
承压热管式真空管太阳能热水器采用闭式承压水箱，水箱材质一般为碳钢，水箱内壁进行搪瓷处理。
图18所示为典型的承压水箱结构，紫铜换热套管开口端焊接带外螺纹的紧固接头，紧固在水箱内胆开孔处的固定环固上。
承压式热管真空管热水器依靠自来水压力顶水运，无需手动上水，出水压力大，使用非常舒适方便。
图3 承压式热管真空管太阳能热水器结构示意图
3、阳台壁挂式真空管热水器
阳台壁挂热管式真空管热水器是目前市场上应用比较多的一种分体热水器，主要有自然循环加热和二集热管加热两种形式。
自然循环阳台壁挂热管式真空管热水器一般采用水平热管真空管集热器模块和带换热的夹套水箱，水箱外层夹套与热管真空管集热器集管相连，循环工质一般采用防冻液，被集热器加热的工质通过自然循环的方式进入水箱夹套，间接加热水箱内胆中的冷水。
图4为某品牌自然循环阳台壁挂式热水器示意图。
图4 自然循环阳台壁挂式热管真空管热水器示意图
二级热管式阳台壁挂热水器由水平热管式真空管集热模块、二级热管和承压换热水箱三部分组成，二级热管蒸发段与热管真空管冷凝端搭接，冷凝段插入水箱底部换热套管内，通过接力的方式将真空管采集的热量传递到水箱内。
真空管集热模块一般安装于建筑南立面或阳台栏板上，热水箱安装于室内，二级热管的长度根据安装现场位置可进行定制。
图4为某企业生产的阳台壁挂热管真空管式热水器结构及工作原理示意图。
图4 某品牌阳台壁挂式热管真空管热水器示意图
北京金阳科创太阳能技术有限公司。