8-真空集热管烘烤排气试验装置研制及烘烤排气试验

作者简介：刘建立 ( 1979- ) 男，硕士，无机化学。Liujl666@yeah.net. 真空集热管烘烤排气试验装置研制及烘烤排气试验 刘建立，孟秀清，王双，苗建朋，池华敬，陈革，章其初 （皇明太阳能股份有限公司，镀膜研发中心，山东，德州，253000） 摘要：设计研制全玻璃真空集热管烘烤排气试验装置。烘箱恒温温度场分布T±10℃，波动±2℃。高真空管道泵口上方高阀处真空度与管道两侧真空度基本相同。采用该装置对1#真空集热管开展了恒温450℃，排气时间分别为40min、30min及20min烘烤排气试验。试验集热管按国标规定在温度350℃，持续48h（2天）的真空品质试验后，吸气镜面消失率均＜2%，仅为国标规定值的1/25；延长加速老化时间至1000h，吸气镜面消失率仍＜10%，远超国标规定的100倍，表明集热管具有较高的真空品质。 关键词：真空集热管；烘烤排气；恒温烘箱；复合分子泵；真空品质 1 引言 全玻璃真空太阳集热管内外玻璃管夹层间真空度影响集热管的热损及热效率，更是集热管真空使用寿命的决定因素。采用高温烘烤抽真空的方法，获得集热管保持长时间运行高真空性能。烘烤排气装置是完成烘烤排气工艺过程的关键设备之一，在该装置上集热管的内外玻璃管和太阳选择性吸收涂层在高温下加热烘烤排气，通过尾管对其夹层抽真空，获得集热管所需的高真空度。在真空集热管生产过程中，烘烤排气工艺过程占集热管生产能耗的较大比重。 国际上只有悉尼大学早期（70、80年代）报道了全玻璃真空太阳集热管烘烤排气方面的定性研究成果[1]。国内清华大学早期报道了有关集热管真空夹层内真空度测量及残余气体分析方面的研究工作[2]，其它相关文献报道甚少。 皇明公司集热管烘烤排气方面研发工作经过多年积累取得了重要成果。如2006年采用自动烘烤排气线替代排气台，使得集热管的烘烤排气性能大大提高，集热管的真空品质极大的提升[3]；2010年在第一条自动烘烤排气线上全线推广采用改进型复合分子泵替代油扩散泵抽高真空获得成功[4]，使得烘烤排气工艺一致性好，集热管真空品质一致性高。在烘烤排气生产设备条件取得重大进步的前提下，与工艺相对应的能耗问题值得深入研究。因公司未有专门用于集热管烘烤排气试验研究的可靠性高的烘烤排气装置，因此研制出高性能的烘烤排气试验装置，进行烘烤排气定量试验研究，优化、确定合理科学的工艺参数，对提高集热管真空品质的同时降低生产成本意义重大。 本工作系统设计研制集热管烘烤排气试验装置，组装调试使得装置运行性能达到了工艺试验要求。采用该装置对公司生产的某种集热管（文中编号1#集热管）开展了恒温450℃，不同恒温排气时间的集热管烘烤排气试验，并对不同工艺的试验集热管进行了真空品质测试，获得了有意义的初步结论。 2 试验装置 试验装置主要包括以下6部分，车体、真空系统、烘烤系统、传动系统、控制系统、供水电气系统，如图1所示。车体是烘烤排气装置的机械主体，由车架、排气台面、套管固定装置几部分构成。烘箱立式矩形结构，内膛尺寸，长1785×宽460×高2335 mm。采取一侧开门，人工移动台车进出烘箱。采用电加热，功率可调，强制热风循环。恒温温度在300~500℃范围可任意设定，温度检测装置实时监测并显示烘箱各区温度。 真空系统由前级旋片泵、复合分子泵和高真空管道系统组成。真空管道为Φ76*3*1600管道，两排4组，每组装载集热管数量10支。如图1中所示，复合分子泵上方高真空阀的圆柱侧面开四个孔，引出四支连接真空管道。每支连接真空管道与一支装集热管的真空管道连接。四支装集热管的真空管道两端用盲

2/7 法兰密封，组成两组平行管道。每组中两支装集热管的真空管道头尾相连固定，相邻两端的间隙尽可能小。连接真空管道和装集热管的真空管道内径约70mm，内表面抛光。每支连接真空管道上装有一只隔离阀。连接真空管道内安装过滤网，阻挡炸管时产生的玻璃碎渣进入分子泵泵芯，过滤网对流导影响可忽略不计。采用优化计算、设计的高真空管道流导，保证不同位置集热管抽气性能的一致性。高真空阀采用自行设计的阀门，阀的高度及阀杆的行程在不影响流导的情况下尽可能短，高度约为110mm。真空系统因集热管炸管暴露大气时高真空阀自动关闭，响应时间＜1s，有效保护分子泵。抽真空控制系统核心采用Siemens可编程序控制器1套，通过接触器和继电器控制各种真空泵和阀门的操作。低压电器保护和控制机械泵、分子泵，继电器控制真空阀门。 本实验采用的复合分子泵TYFB1200-K型，名义抽速1200L/s，极限压强≤5×10-7 Pa。该种复合分子泵是由涡轮分子泵和盘式牵引泵组合而成，泵体下部为动盘和静盘组成的盘式结构，上部为动片和静片组成的旋片式结构[5]，在10-1Pa时仍有较高抽速。前级泵为2X-8型机械式旋片真空泵，抽速8L/s。

1. 恒温烘箱 2. 集热管固定装置 3. 台面 4.高真空管道 5. 复合分子泵 6. 旋片泵 7. 台车传动系统 8. 抽真空控制和测量系统 9. 烘箱门10. 循环风机 图1. 烘烤排气试验装置示意图. 3 实验 首先是烘箱运行调试。试验了烘箱升温、恒温过程两种加热控制方式，即纯PID调节及超调抑制控制功能。通过调试获得烘箱最佳的升温、恒温控制参数。温度测量及控制加热采用1支铠装PT100铂电阻，测量范围0~800℃，误差小于2%。另外，进行了烘箱温度场分布测试，试验中采用4支温度传感器（K型）测量温度，K型热电偶测量范围0~800℃，误差小于2%。同时配备4路XMT-JK408型智能温控仪1套，实时显示测量温度。 其次是真空抽气性能试验。参考自动烘烤排气生产线工艺过程，试验了不同条件的真空抽气及控制性能。真空度采集使用成都睿宝电子科技有限公司ZDF-5227B复合真空计，ZJ27高真空电离规管安装在高阀上端，最高检测极限为10-5Pa量级。

3/7 最后采用该装置对公司生产的某种规格集热管（简称1#集热管）进行了450℃恒温烘烤排气试验，制备了不同工艺参数的试验集热管。采用我们实验室自行研制的真空集热管高温烘烤和性能测试装置对试验集热管进行了真空品质测试。该装置由加热系统、温控仪、功率表、装载集热管支架等组成，烘烤加热温度在80-500℃之间连续可调，控温精度±2℃。实验按照国标《GB/T 17049-2005全玻璃真空太阳集热管》中的相关条款，即全玻璃真空太阳集热管的内玻璃管于350℃下，保持48h（2天），吸气镜面轴向长度消失率不大于50%[6]。吸气镜面轴向长度是从集热管封离端玻璃管直径Φ15mm处至吸气剂镜面边缘的距离，测量周向六等分处吸气镜面轴向长度，六点平均值表示为吸气剂镜面轴向长度，实验后计算该长度消失率。 4 实验结果及讨论 4.1 烘箱升温及恒温控制实验 实验条件如下，装置空载（未装集热管），从环境温度（约50℃）加热至450℃，功率设置为70%输出，即50kW。人工采集记录温度及时间数据，烘箱升温过程纯PID调节及超调抑制调节温度随时间变化曲线如图2所示。

图2. 烘箱升温、恒温过程纯PID调节及超调抑制调节温度曲线. 由图2可以看出，采用纯PID调节时，从50℃加热至450℃用时53min左右，第1个调节周期温度过冲最大达18℃，尔后经过第2、3周期震荡调节后，温度稳定在450±5℃用时80min；随后我们又进行了超调抑制功能调试，超调抑制系数SF值设定为0.5，从50℃加热至450℃用时65min左右，第1个调节周期，温度过冲最大约5℃，尔后经过第二周期震荡调节后，温度稳定在450±2℃用时75min左右。通过比较两种控制功能效果，我们发现超调抑制调节功能比纯PID调节温度过冲小，且达到稳态用时短，满足烘烤排气工艺试验要求。 经过烘箱升温及恒温控制过程优化试验，优化确定了加热功能参数（加热功率50 kW，超调抑制系数SF0.5），后续烘烤排气试验均采用该参数。 4.2 烘箱温度场测试 烘箱控温温度设置为450℃，装4支温度传感器的管分别放置在两排高真空管道的不同位置，PT100铂电阻测得烘箱温度450±1℃时，记录不同温控仪的显示温度。实验中为准确得到烘箱内每支集热管装载0100200300400500

020406080100120140时间t（min）控温温度T（℃）纯PID调节超调抑制恒温450℃

4/7 位置温度分布，我们对40支集热管装载位置如下定位，两排高真空管道分别采用字母F、B区分，每排管道的两组集热管装载区分别采用L、R区分。重点测量高真空管道中间与端部的温度，恒温450±1℃时，烘箱温度场分布如图3所示。 图3. 恒温450℃时烘箱温度场分布示意图. 由图3可以看出，恒温450℃时，两排高真空管道中间与端部对应集热管圆头上方100mm处至集热管管口空间，温度范围450±10℃，集热管圆头上方50mm处温度范围428±5℃。另外，恒温450℃时，烘箱侧面及顶面与环境温度差值＜15℃。该结果说明烘箱恒温时温度分布均匀且保温效果良好。 4.3真空抽气性能实验 测试了高真空管道系统不同位置真空抽气性能。台车满载集热管抽真空排气，进入高真空后，采用2组经校准后的真空测量装置，分别安装在高真空管道泵口上方高阀处及管道两侧，对真空度进行了测量，测量位置如图3中所示。P（中）3×10-3Pa，管道两侧P（侧）3.9×10-3Pa，真空度相差不大（约1.3~1.4倍）。使得装载在高真空管道不同位置集热管真空抽气性能基本一致，保证了工艺重复性。 参考自动排气生产线烘烤排气工艺过程，台车满载集热管进行了烘烤排气抽真空过程全程模拟，采用人工记录方式对抽真空性能数据进行了采集和数据处理分析。抽真空开始，旋片泵预抽高阀以上的高真空管道系统和40支集热管的内外玻璃管之间的夹层空间，约2min真空度优于10Pa，高真空阀自动打开，复合分子泵开始抽高真空。高真空阀打开约4min，真空度达到6×10-3Pa。此时打开烘箱门，台车推入烘箱烘烤排气，继续抽真空。以恒温烘烤温度450℃、恒温排气时间40min工艺为例，重复3次并采集真空度、温度数据，取真空度、温度平均值绘制曲线，图4为台车满载集热管进入烘箱烘烤排气抽真空过程真空度与温度变化曲线。 由图4可以看出，台车进入烘箱后真空度随温度变化出现两个降低-升高阶段，第1个阶段烘箱温度区间为200~300℃时，真空度随温度升高而降低，300℃时真空度最低约为9×10-3Pa。烘箱温度区间为300~400℃，真空度随温度升高而升高，400℃时真空度最高约为5×10-3Pa。第2个阶段烘箱温度区间为400~450℃时，真空度随温度升高而降低，烘箱初到达450℃时真空度最低约为8×10-3Pa，随恒温排气时间增加，真空度逐渐升高。

5/7 由于台车进入烘箱前，集热管夹层内真空度已达6×10-3Pa，说明此时夹层内气体（主要为空气）通过抽真空已基本被排出。第一阶段对应烘箱温度200~300℃升温区间，真空度变化与玻璃管表面气体物理吸附现象有关。集热管的内外玻璃管和太阳选择性吸收涂层表面吸附气体分子受热动能增加，绝大部分气体分子从材料表面解吸进入真空夹层，从而造成真空度暂时降低，随后进入夹层的气体被不断的抽出，夹层真空度重新恢复到6×10-3Pa左右。烘箱温度400℃~450℃升温区间，真空度变化对应玻璃管自身内部化学吸附现象。该过程由于温度较高，玻璃内部吸附气体分子（主要为水分子）动能增加较大，由于脱附作用加速释放到夹层内，造成真空度再次下降，当化学吸附-脱附达到动态平衡后，夹层内气体不断排出，残余气体逐渐减少，因此夹层真空度逐步升高[7]。如图所示，保温结束真空度已达9×10-4Pa，降温结束至封离时，获得的真空度较高可达6×10-4Pa。真空抽气性能实验表明，真空系统抽气性能稳定，采用复合分子泵抽高真空封离时获得的真空度较高。