本文简要介绍了全玻璃热管真空太阳集热管结构和运行原理，分析了不同使用条件下太阳能集热管的特征。 关键词全玻璃热管真空太阳集热管相变 0前言1984年清华大学殷志强教授发明具有自主知识产权的“磁控溅射渐变铝—氮/铝太阳选择性吸收涂层”及双层同轴全玻璃真空太阳集热管（以下简称“集热管”），开创了我国太阳能热利用行业，经过20余年的发展，太阳能热利用行业取得了飞速发展。至2011年底，太阳能集热器年生产总量达到5760万㎡，比2010年增长17.6%，总保有量达到1.9亿㎡，比2010年增长15.2%。尤其在“十一五”期间形成初具规模的现代化产业体系[1]。 经过20多年的努力，全玻璃真空太阳集热管技术也取得了长足的发展。在选择性吸收涂层方面，经历了早期的普通渐变型铝-氮/铝选择性吸收涂层，铜-铝-不锈钢三靶干涉型溅射选择性吸收涂层，钛-铝选择性吸收涂层，发展到多靶共溅干涉-渐变型Al-N/Al选择性吸收涂层，选择性吸收涂层吸收比a≥0.95，发射比δ≤0.06。其性能接近理论极限，通过采用双室连续镀膜技术与设备，实现选择性吸收涂层高性能、高稳定性、高可靠性、批量化生产。实现选择性吸收涂层原理、技术、装备的突破。在结构及换热原理方面，由早期的双层同轴对流换热全玻璃热管真空太阳集热管，经历了3层同轴对流换热全玻璃真空热管太阳集热管，玻璃金属结构真空集热管发展到相变换热全玻璃热管真空太阳集热管（以下简称“玻璃热管”），实现了玻璃热管由对流换热模式的有水管、少水管到相变换热模式的无水管，实现了结构和运行原理的突破，并通过自动化封接设备、灌注设备及玻璃热管自动化生产线，实现玻璃热管高品质、高性能、低成本批量化生产。 因此，干涉-渐变高性能选择性吸收涂层相变换热玻璃热管将逐步替代常规渐变、干涉型选择性吸收涂层普通玻璃热管，并成为市场主流产品。本文重点将对玻璃热管技术进行简要介绍。 1原理 1.1相变换热原理 1963年美国LosAlamos实验室的G.M.Grover发明了一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热传递的3种方式：辐射、对流、传导，其中热传递速度快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿管壁流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。[2] 1.2玻璃热管结构与运行原理

如图1所示，玻璃热管主要由罩玻璃、带有选择性吸收涂层的内管、冷凝端、内外管之间的真空夹层、带有吸气剂的支撑件、吸气剂膜及换热工质等组成。 当玻璃热管内管选择性吸收涂层吸收太阳能热量以后，使玻璃热管内管温度升高，玻璃热管内管内的液态工质蒸发汽化，在微压差的作用下蒸汽以很快的速度由蒸发段传到冷凝端，释放热量后凝结成液体，沿玻璃热管内管壁回流到蒸发段，周而复始，通过相变进行热循环传送，不可逆地将蒸发段获得的热量连续不断地传递给冷凝端。当将玻璃热管的冷凝端插入太阳能热水器储热水箱中，冷凝端与储热水箱中的水进行热交换，将储热水箱中的水加热。 1.3玻璃热管生产工艺流程（见图2）

图2玻璃热管生产工艺流程
如图2所示，玻璃热管在生产工艺上与普通集热管有所不同。主要增加了以下工艺： 冷凝端封圆头，接排气嘴； 冷凝端及内管内壁的清洗； 冷凝端和集热管封口端的对接； 内管腔体抽真空及工质灌注。 从上述工艺可以看出，玻璃热管生产关键技术主要在于冷凝端对接工艺与设备，工质灌注工艺与设备。玻璃热管生产可以通过对普通集热管生产线的改造升级得以实现。 2玻璃热管性能试验 2.1耐温实验 从传热能力来看，与金属热管一样，玻璃热管也是超导传热。在极端工况时，比如空晒情况下，冷凝端无水冷却，玻璃热管内的温度会急剧上升。同时，玻璃热管内的压力升高是随着温度的十几次方而升高。研究表明，工质的灌充量γ对玻璃热管的干涸温度ｔ和工作压力ρ有着显著影响。随着工质灌充量的增加，玻璃热管的干涸温度和工作压力随之急剧增高；干涸温度是判别玻璃热管能否正常工作的重要参数之一。 在殷志强教授的亲自带领下，北京清华阳光能源开发有限责任公司对换热工质进行了研究，研制出了高效、安全的工质材料，确定了灌注量。防爆性能测试显示：在恒温350℃条件下，保温1小时，在升温400℃，保温1小时，重复进行两次，太阳能集热管不爆裂。长期空晒（超过1年）条件下，太阳能集热管不爆裂。确保玻璃热管具有优异的耐温性能和可靠性。 2.2耐冻实验 玻璃热管热水系统不但在极端高温条件下可以使用，而且在东北严寒地区也能确保太阳能集热管热水系统的正常使用，能够承受极端低温对太阳能集热管的影响。 如图3所示，通过对玻璃热管进行-30℃长期反复冷冻试验，试验结果显示：玻璃热管无损坏，热性能不下降。太阳能热水系统在东北地区连续使用1年以上，经受住-25℃以下的低温考验，玻璃热管热水系统性能稳定，安全、可靠，表现出优良的防冻性能，完全实现了玻璃热管热水系统四季使用。这主要得益于玻璃热管无水化设计，彻底解决了普通集热管管中有水冬季易冻损坏问题。

图3玻璃热管热水系统耐低温实验
2.3防漏实验 如图4所示，为玻璃热管直插式热水系统运行原理图，由图4可以看出，玻璃热管冷凝端直接插入储热水箱内部，与储热水箱内的水直接换热。因此，储热水箱外部的部分玻璃热管因意外破损时，水箱中的水不会因为外部部分玻璃热管破损而流出来，保证热水系统仍能够正常使用，实现了太阳能集热管的防漏功能。实验结果也显示，采用玻璃热管的太阳能热水系统具有良好的防漏性能，一般不会因为一支太阳能集热管的破损影响整套系统的正常使用。

图4玻璃热管直插式热水系统运行原理
2.4防垢实验 如图4所示，由于玻璃热管冷凝端直接插入储热水箱内部，与储热水箱内的水直接换热。玻璃热管内无水，储热水箱内的水也无法进入玻璃热管内，因此，玻璃热管内部不存在常规太阳能集热管出现的管内结垢问题。实验显示：在部分水质较差的地区，玻璃热管冷凝端会出现少量结垢，但不会因为使用时间增加而持续增加，且对太阳能热水系统热性能没有明显的影响。 2.5涂层性能测试 如图5所示，为采用干涉-渐变型选择性吸收涂层和增透涂层的太阳能集热管及涂层性能曲线。从涂层性能曲线可以看出，采用干涉-渐变选择性吸收涂层，涂层吸收比可以达到0.96以上，远优于普通渐变选择性吸收涂层和干涉型选择性吸收涂层。当罩玻璃管采用增透或自洁增透涂层时，罩玻璃管的透射比可以提高3%～6%，使玻璃热管的热性能得到较大幅度提升。因此，当玻璃热管同时采用干涉-渐变型选择性吸收涂层和增透涂层，配合玻璃热管独特的无水相变换热原理和结构，使太阳能集热管的热性能得到极大的提高，其性能将接近理论极限。

图5高性能玻璃热管及其涂层性能曲线
3玻璃热管热水系统热性能实验 直插紧凑式全玻璃真空管太阳热水器JB4715-20-130/45与直插紧凑式全玻璃热管真空管太阳热水器JB4715（R）-20-130/45对比，其技术主要参数见表1。 表1直插式热水系统对比测试

参数

GB/T19141

JB4715-20-130/45

JB4715（R）-20-130/45

内胆材料

SUS304-2B

SUS304-2B

水量/kg

125.6

122.05

真空管类型

37/47-1500
有水管

37/47-1500（R）
玻璃热管

管间距/mm

61

61

采光面积/m2

1.669

1.656

Q/（MJ/m2）

7.5

8.7

9.8

USL/[W/（m3•K)]

16

12

10
从表1可以看出，采用玻璃热管热水系统，热性能优于普通集热管热性能，其得热量可提高12%以上，比国标提高30%以上。热损系数也仅为国标的62.5%，热性能明显。 4结论 1.玻璃热管的研制成功实现了太阳能集热管产品从有水对流换热原理向无水相变换热原理转变。 2.玻璃热管独特的密闭结构和无水相变换热原理，使玻璃热管具有普通太阳能集热管所不具有的防漏、防垢、防冻、防炸、传热速度快、高性能、高可靠等诸多优异性能，经过了实验和市场的认可，并将成为市场主流产品。 3.玻璃热管热水系统热性能优于常规太阳能集热管热水系统，并远高于国标的要求。 4.优异的增透涂层和干涉渐变型选择性吸收涂层可使玻璃热管的热性能接近理论极限。 5.玻璃热管热水系统因其诸多优点更适合于在北方寒冷地区、水垢严重等地区使用。 参考文献 1罗振涛太阳能热利用产业发展《“十一五”回顾和“十二五”展望》，太阳能产业咨询2012年01月 2庄俊.张宏.热管技术及其工程应用化学工业出版社2001-06一版 3吴振一.窦建清.全玻璃真空太阳集热管热水器及热水系统清华大学出版社;第1版(2008年11月1日)