热管式真空太阳能集热管及其应用

北京金阳科创太阳能技术有限公司 ■ 周小波 蒋富林 孙伟

热管式真空太阳能集热管(简称热管式真空管或热管真空管)，是金属吸热体太阳能真空集热管的一种，具备了全玻璃真空管良好的集热和保温性能，以及平板式集热器金属的良好导热性和机械强度。它以热管作为核心传热原件，具有其他类型的太阳能集热产品不可替代的优势。热管真空管产品在太阳能光热领域的应有已有20多年的历史，因其生产技术要求较高、生产工艺复杂，并且以铜和铝为主要材料，成本高于玻璃真空管产品，一直以来市场应用相对较少。目前，太阳能集热产品应用范围不断扩大，市场对太阳能集热产品的要求越来越高，热管真空管已逐渐被用户认可。

一 热管真空管的结构

热管真空管主要由热管(包括冷凝段和蒸发段)、表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板、玻璃真空管以及消气剂、弹簧支架等附件组成，其基本结构如图1所示。

热管真空管上使用的热管是紫铜重力热管（也称为热虹吸管，特点是管内没有吸液芯），热管内部充注有专用热管工质，经排气处理后封闭为真空状态。热管以焊接在其上的金属封盖为界分为冷凝段和蒸发段两部分，金属封盖和玻璃管封接经排气处理后形成真空管，热管蒸发段和焊接其上的金属吸热板封装在真空管内。热管蒸发段用来吸收吸热板采集到的太阳能热量并传递到冷凝段，冷凝段再将太阳能热量传递给被加热的工质。

金属吸热板是热管真空管的核心部件，其性能直接决定热管真空管的热性能。目前市场上的热管真空管所采用的集热板一般为无氧铜吸热板或铜－铝复合吸热板，表面采用磁控溅射工艺形成高吸收率、低发射率的选择性吸收涂层。吸热板与热管通过超声焊接或激光焊接结合或嵌套在一起，确保热量快速传导。

将膨胀系数差别很大的金属盖和玻璃管封接在一起是热管真空管产品的一个关键技术。玻璃－金属封接技术可大体分为两种：一种是熔封，也称为火封，指借助一种热膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料，利用火焰将玻璃熔化后封接在一起；另一种是热压封，也称为固态封接，是利用一种塑性较好的金属作为焊料，在加热加压的条件下将金属封盖和玻璃管封接在一起。因为热压封技术具有封接温度低、速度快、材料匹配要求低等优点，所以目前国内玻璃－金属封接大都采用此技术。热压封使用的焊料有铅、铝等。

为了使真空集热管长期保持良好的真空性能，热管真空集热管内一般应同时放置蒸散型消气剂和非蒸散型消气剂两种。蒸散型消气剂在高频激活后被蒸散在玻璃管的内表面上，像镜面一样，主要作用是提高真空集热管的初始真空度。非蒸散型消气剂是一种常温激活的长效消气剂，主要作用是吸收管内各部件工作时释放的残余气体，保持真空集热管的长期真空度。

二 热管真空管的工作原理

在热管真空管接受阳光照射时，表面镀有选择性吸收涂层的金属吸热板吸收太阳辐射能并将其转化为热能，传导给与吸热板焊接在一起的热管，使热管蒸发段内的少量工质迅速汽化，然后上升到温度相对较低的热管冷凝段，释放出蒸发潜热使冷凝段快速升温，从而将热量传递给集热系统工质。热管工质放出汽化潜热后，迅速冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段。因热管内部为真空状态，所以工质在其中流速非常快，使热管的传热速度可达80～100cm/s，通过热管内不断重复的汽－液相变循环过程，快速高效的将太阳热能源源不断的输出。

三 热管真空管的种类和规格

目前常用的热管真空管产品按其所采用热管的不同，主要有普通重力式热管真空管和小角度热管真空管两种，普通重力式热管真空管的热管直径较小(一般为8mm)，需要有一定的倾角(一般＞15¡)才可以正常工作；小角度式热管真空管的热管直径相对较大(12mm)，热管工质充注量较多，对安装角度的局限性较小(一般＞1¡即可)，可东西向横置安装。

目前国内生产的热管真空管的外形尺寸，以玻璃管直径100mm居多，近来也有玻璃管直径65mm、70mm、120mm等若干种规格问世，长度也有1800mm、2000mm、2200mm等多种。

四 热管式真空管的特点

1 传热速度快

热管真空管的传热速度快是由两方面因素决定的，一是它的吸热板和热管的材质均采用紫铜等导热性能良好的材料，通过超声焊接工艺紧密焊接在一起，传热热阻较小。二是它的核心传热原件热管本身具有非常高的传热速度。

2 启动速度快

和全玻璃真空管等集吸热、传热、储热或输送被加热工质等功能于一身的其它集热管产品相比，热管真空管在工作时仅起到吸热和传热的作用，被加热工质不进入真空管内，其热容小，吸热部件可以在很短的时间内达到比较高的温度并向集热系统传热，在日照不稳定的多云天气，这方面优势更加明显。

3 有效得热量多

热管真空管的热容小，启动速度快，避免了真空管内工质储存的热量不能被有效利用造成的热损失，并且热管具有“热二极管效应”，即传热具有方向性，只能自下而上由蒸发段向冷凝段单向传热，而不能逆向传递。因此，在没有日照时，避免了温度较高的集热系统和真空管内工质对流传热产生的热损失。同样的条件下，热管真空管可以比其他类型集热管输送出更多的热量。

4 集热效率高

热管真空管的吸热板采用镀有高性能选择性吸收涂层的金属条带，太阳能吸收率大于95%，发射率小于5%，并且具备启动和传热速度快、热损失小、有效得热量大等优势，与其他真空管产品相比，热管真空管具有更高的集热效率。

5 强度高

热管真空管采用单层高硼硅玻璃罩管，厚度是普通全玻璃真空管的1.5倍以上，强度更高，运输和安装过程中不易破损，使用过程中抗冰雹和外力冲击能力强，运行更可靠。

6 抗冷热冲击性能强

热管真空管内不走水，吸热体为金属，避免了因冷热冲击而造成真空玻璃管的破损。抗冻性强，即使在−40℃度的低温下也不会冻坏。

7 易维护

热管真空管作为太阳能集热系统的加热元件，仅起到吸热和传热的作用，不会结垢、不易破损，只要保持真空管表面清洁即可，维护工作简单。

五 热管真空管集热器

1 热管真空管集热器结构及性能

热管真空管集热器结构如图2所示，由真空集热管、导热块(或导热套管)、连集管、保温材料、保温盒、尾托架等部分组成。

工作时，每支热管真空管都将太阳辐射能转换为热能，通过热管反复的汽－液相变循环过程将热量通过热管冷凝段传递给导热块(或导热套管)，从而加热联集管内的系统循环工质，使集热系统工质的温度逐步上升，直至达到使用要求。?

热管真空管集热器与普通真空管集热器除了集热管不同外，最大区别在于其集热器联集管。普通真空管集热器采用容积比较大的集热联箱将每支真空管直接联通，通过对流传热汇聚真空管采集到的热量。而热管真空管集热器的联集管和导热块(或导热套管)一起组成一套换热组件，只与热管进行热量交换，与真空管内部不直接连通，在实际应用中，集热器联集管没有渗漏隐患，可以承受较高的运行压力，即使个别集热管破损也不会影响整个集热器的运行，维护起来非常方便，因而特别适用于大中型太阳热水系统。

热管真空管集热器运行时，联集管是温度最高的部位之一，长期室外运行，不可避免地产生热损失，所以集热器保温盒开口处要采取密封措施，保温的厚度应满足要求，选用保温性能良好和耐200℃以上高温的保温材料。

热管真空管的优越性能决定了热管真空管集热器在承压能力、集热效率、热利用效率、结构强度、运行可靠性、维护管理便利性等方面均优于其他类型的集热器产品。图3为热管真空管集热器与市场上性能较好的全玻璃真空管集热器和平板集热器的瞬时效率测试曲线对比。通过比较可见，热管真空管集热器在加热50℃左右热水时(归一化温差0.04～0.06)，基于采光面积和集热器进口温度的瞬时效率高于全玻璃真空管集热器15%以上。

2 热管真空管集热器类型

按采用热管真空管不同分为普通重力式热管真空管集热器和小角度热管真空管集热器两种。前者在安装时需要有15¡以上的倾角，后者可近似于水平的小角度安装，比较节省安装场地面积，对建筑外观影响较小，容易实现和建筑的结合。

热管真空管集热器联集管采用紫铜管，根据其与热管的联接方式不同，有导热套管式和导热块式两种形式，如图4、5所示。

导热套管和集管材料都是紫铜管，通过焊接方式联接，导热套管处于集管内部，传热热阻小，换热充分，所以集热效率比较高，但因为热管冷凝段的工作温度较高，内部压力较大，长期运行后会产生膨胀变形，如果真空管需要维护或更换将不易从导热套管中取出。

导热块采用铝型材制作，与紫铜管采用胀接方式固定在一起，热管真空管的冷凝端卡在导热块上的凹槽内。导热块式联集管的阻力较小，真空管的安装和拆卸方便，但其传热热阻较大，集热器效率相对较低。

3 热管真空管集热器安装效果

可倾斜或小角度平铺安装于建筑屋面，安装效果如图6、7、8所示。

4 热管真空管集热器应用

热管真空管集热器可广泛应用于各种规模的太阳能热水系统以及工业生产辅助加热系统中。

(1) 集中式太阳能热水系统

太阳能集热器数量根据热水需求量可任意组合，安装位置灵活，承压运行，系统阻力小，集热系统容水量小，热水系统的运行通过太阳能控制器自动进行控制，可直接对热水加热，也利用防冻液循环，通过换热器间接加热热水，适用于各种集中热水供应及泳池加热系统。

如图9 所示，系统中热水箱可采用闭式承压水箱，辅助加热设备可采用外置式电加热炉或锅炉、热泵等。采用开式热水箱的系统，可设计为定温出水加热方式，以节约太阳能循环泵的能源消耗。

(2) 分体式太阳能热水系统

热管真空管分体式太阳能热水系统一般采用承压换热水箱，水箱安装于卫生间或预留的水箱间内，热管真空管集热器安装于屋面或室外空地，集热系统循环工质采用防冻液或软化水，由循环泵强制循环，通过水箱内置换热器加热水箱内热水。

(3) 太阳能开水加热系统

目前，一些需要大量开水供应的学校、工厂、机关单位以及公共场所等都采用太阳能集热器系统为开水加热设备预热或直接供应开水，热管真空管集热器用于开水加热系统中，可以大大提高开水加热的速度和产量，减少运行管理及维护工作量。

图11为太阳能开水系统示例。开水储水箱由开水箱和温水箱两部分组成，冷水经设于温水箱内的浮动盘管换热器进入太阳能集热器，集热器定温输出开水至开水箱，开水箱内的辅助电加热器启动进行补充加热。开水箱满水后溢流入温水箱，通过换热器预热进入集热器的冷水，缩短开水加热时间，同时高温开水降温至适宜的温度，方便饮用。本系统同时提供高低两种温度的饮用开水，满足用户的不同需求，避免了开水冷却过程中的热量损失，具有非常好的节能效果。

(4) 原油加热

石油生产中，凝点高、粘度大的原油在储运过程中必须进行加热与保温，以保持原油的良好流动性。石油生产中一般直接利用电能对原油储运系统进行加热，能耗大，成本高，使用太阳能部分替代常规能源来加热储运原油可以减少大量的能源消耗,在节能降耗及绿色环保方面具有重要的意义。热管真空管集热器全封闭承压运行，高效可靠，环境适应性强，维护工作量小，非常适合用于野外油田原油加热系统之中。

如图12所示，太阳能集热系统向储热水箱内蓄热，储油罐内设置盘管换热器，控制系统根据油罐内温度情况启动加热循环泵，利用储热水箱内的热水加热原油。系统可实现全天候太阳能加热。

(5) 太阳能空调制冷及采暖

夏季太阳能资源最丰富，太阳能辐射量越大，气温越高，集热效率也越高，而此时空调系统的冷量需求也越大，所以太阳能空调制冷系统可行性很强，目前已有许多应用实例。热管真空管集热器承压运行，在夏季，输出100℃以上的热水时仍可保持较高的集热效率，可直接驱动由90℃左右热水驱动的温水型溴化锂吸收式制冷机为建筑物供冷，冬季可输出50℃以上的热水为建筑采暖系统供热。

近年来各地都在大力推广太阳能采暖应用，但因冬季室外气温低、太阳辐照弱、日照时间短，以全玻璃真空管集热器为主的太阳能集热设备集热效果不尽人意。为提高得热量，一般需要加大太阳能集热器的面积，而在非采暖季，大量的集热器处于闲置状态，需要进行遮盖处理。热管真空管集热器效率高、传热快、不怕冻的优势在冬季可以得以充分发挥，是太阳能采暖系统较理想的选择，可以减少集热系统的安装面积和大量的维护工作。如果与太阳能制冷系统相结合，冬季采暖，夏季制冷，太阳能集热系统可以得到充分的利用。

(6) 太阳能海水淡化

热管真空管太阳能集热器高温工况下具备较高的集热效率，可作为太阳能海水淡化系统的加热设备。图14为某单位研发的采用蒸馏法淡化海水的多级折皱冷凝面式太阳能海水淡化装置示意图。

本装置由太阳能集热器、储热水箱、具有折皱底面的水盘、淡水收集槽、连通管、热水及淡水输出阀等依次连接组成。其中太阳能集热器采用热管真空管集热器，储热水箱上部叠置多级具有折皱底面的水盘，各水盘通过连通管连接，背部设置淡水收集槽用于收集淡水。太阳能集热器收集太阳光加热储热水箱中的原水，产生蒸汽在第一级具有折皱底面的水盘背部凝结产生淡水同时加热水盘上部的原水，第一级水盘上部的原水被加热后再产生蒸汽加热第二级水盘上部的原水，并在其背部凝结产生淡水，由此类推，一直到加热最上面一级水盘的原水。最上一级的原水上面，再加盖一个透明的玻璃盖板，形成一个与传统盘式太阳能蒸馏器类似的蒸馏室，形成最上一级淡水。然后各水盘背部凝结的淡水经淡水收集槽收集输送给用户。

六 热管真空管太阳能热水器

热管真空管太阳能热水器采用热管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，整体式热水器根据运行方式有落水式和承压式之分，分体式产品形式主要为阳台壁挂式热水器。

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15所示。

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。

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16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。

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，由热管真空管集热模块、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17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。

七 关于热管真空管产品“性能衰减”的探讨

因为热管技术专业性强，应用范围相对较小，人们对其了解有限，并且热管真空管产品在太阳能市场中所占份额较少，在市场竞争中处于不利地位，“热管真空管产品的性能会逐渐衰减，寿命很短，几年就不能用了”这一说法在业界广为流传，包括一些太阳能热利用专业人士也认同这种说法，一些全玻璃真空管太阳能产品的经营者更是借此误传，夸大其辞的对热管真空管产品进行诋毁。“热管衰减”的阴影笼罩在许多已经采购或将要采购热管真空管太阳能产品的用户心里。

事实上，决定热管寿命的主要是热管材料与工质的相容性，造成热管不相容的形式有以下三方面：一是因为工质液体与热管壳体材料发生化学反应或电化学，产生不凝生不凝性气体，导致热管内形成气塞，使热管传热性能恶化，传热能力降低甚至失效； 二是热管工质液体物性恶化，主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，逐渐发生分解；三是热管工质液体在温差、杂质等因素的作用下，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。可见，只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及规模化应用。

热管真空管太阳能集热产品所使用的热管为小型铜－水低温热管，采用无氧铜管和以纯水为主的无机工质，相容性良好，通过制造过程中严格的工艺控制，正常使用过程中不存在性能衰减，使用寿命比其他材质的热管更长。我国早期生产安装的一些热管真空管太阳能产品距今已有近二十年的历史，目前仍在正常运行。许多电子产品都采用热管散热，比如我们接触最密切的笔记本电脑或台式电脑CPU、显卡上的散热器，采用的热管和热管真空管所用的热管都是同一类产品，这也从另一方面印证了铜－水热管在性能和使用寿命上是有保证的。目前各种材质相容性良好的热管产品在宇航、军工、化工、石油、建材、冶金、动力工程、电子电器行业中均有广泛应用。

综上所述，所谓“热管真空管性能衰减，使用寿命短”只是一种误解而已，随着同类产品的逐渐普及，人们对其了解的深入，这种传言将会不攻自破。目前国内已有多家企业在生产热管真空管太阳能产品，除了国内销售外还大量出口，生产工艺和产品质量均经受住了市场的检验。在正常使用条件下，采用正规厂商生产的热管真空管产品的太阳能热水系统，将拥有比其他类型的太阳能集热产品更长的使用寿命，并且后期维护管理成本较低。