真空太陽能集熱管烘烤排氣高真空系統設計
試驗證明X50 烘烤排氣臺的抽真空性能明顯優于X35 烘烤排氣臺的抽真空性能。在裝載集熱管加熱烘烤結束時，X35 排氣臺和X50 排氣臺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 排氣臺的真空度為5×10-3 Pa，X35 排氣臺的真空度為1.7×10-2 Pa，明顯差于高閥處。根據流導計算和試驗結果分析，設計的真空太陽能集熱管烘烤排氣臺的高真空系統，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間，提高了裝集熱管真空管道邊緣處的極限真空度，并能應急處理抽氣時集熱管炸裂的情況，最終提高真空太陽能集熱管的使用壽命。
全玻璃真空太陽集熱管與傳統的杜瓦瓶類似，由兩根同心內、外圓柱玻璃管組成。內管的外表面上濺射有太陽能選擇性吸收涂層，吸收透過玻璃外管的太陽光輻射并轉化成熱能，同時降低了輻射熱損。內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，內管和外管的開口端熔封。外管與內管之間抽成真空，以減少氣體對流和傳導熱損。20 世紀80 年代，我國北京電子管廠和沈陽玻璃儀器廠試制全玻璃真空太陽集熱管與集熱器。目前，中國大量生產采用全玻璃真空集熱管作為集熱元件的太陽能熱水器。真空集熱管太陽能熱水器已經成為家庭生活必需家電之一。
在真空管太陽熱水器空曬(水箱和集熱管內均未裝水)一定時間后，發現同一臺熱水器上部分集熱管消氣劑鏡面明顯消退，個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的不同位置上，在烘烤排氣過程中排氣量存在差異。目前生產上廣泛使用的烘烤排氣臺，有兩種類型，抽真空管道內徑分別為Φ50 mm(命名X50 烘烤排氣臺)和Φ35 mm(命名X35 烘烤排氣臺)，其余結構基本相同。試驗了兩種烘烤排氣臺在烘烤排氣過程中的抽真空性能。
烘烤排氣臺高真空系統用于集熱管烘烤時排氣并在封離時使集熱管內達到高真空。X35 烘烤排氣臺高真空系統，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 個垂直集熱管尾管座，所有抽真空管道內徑Φ35 mm。X50 烘烤排氣臺，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 個集熱管尾管座，真空管道內徑Φ50 mm。試驗測量裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺抽氣過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8×10-3 Pa 的空恢時間；烘烤排氣工藝結束后X50 和X35 烘烤排氣臺抽真空管道端部真空度與高閥處真空度差別。根據理論計算及試驗結果分析，設計了用于真空太陽能集熱管烘烤排氣臺的高真空系統，新設計高真空系統進行了抽真空試驗。
1、理論分析和計算模型
根據全玻璃真空太陽集熱管的烘烤排氣高真空系統排氣工藝原理及設備結構，確定理論分析和計算模型如圖1 所示。
圖1 排氣工藝理論分析和計算模型
圖1 中，縱坐標Y 軸為烘烤排氣高真空系統在抽真空管道上的抽速，橫坐標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0。生產時集熱管尾管裝在尾管座上。在真空集熱管烘烤排氣過程中，真空系統中的氣體只有幾分鐘時間的粘滯性流動，而整個抽高真空及高溫排氣過程為分子性流動。所以，本文僅計算20 ℃時空氣的流導。烘烤排氣高真空系統在抽真空管道長度L>20 d(d 為管道直徑)。公式(1)給出長度L>20 d 的管道，20 ℃時空氣的流導
式中U-20 ℃時空氣分子流時圓截面長管流導，m3/s，d- 管道直徑，m，L- 管道長度，m，M- 氣體摩爾質量，kg/mol，T- 氣體溫度，K。
根據圖1 中的計算模型和公式(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，抽速越��；同時，根據公式(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
X35 烘烤排氣臺真空系統示意圖如圖1 所示。抽真空泵采用擴散泵，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量真空的真空規管。所有抽真空管道內徑Φ35 mm。生產時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 烘烤排氣臺真空系統結構示意圖如圖1 所示，真空管道內徑Φ50 mm。
本試驗采用4 臺烘烤排氣臺，兩臺X35 烘烤排氣臺和兩臺X50 烘烤排氣臺。真空測量采用復合真空計，共2 臺。每臺真空計上各接1 支高真空電離規管，兩臺真空計分別測量高閥處和裝集熱管真空管道端部處的真空度。電離規管型號ZJ-10B，測量范圍6.5×101～2×10-4 Pa。為了獲得準確的真空度數據，對兩臺復合真空計和電離規管進行相對校準。
試驗用裝載集熱管規格為Φ58×2000 mm，集熱管外管外徑為58 mm，壁厚為1.8 mm，內管外徑為47 mm，壁厚為1.6 mm。兩種烘烤排氣臺的烘箱壁厚70 mm，內填巖棉，外壁為1.5 mm 鋁板，內置不銹鋼襯板。烘箱原裝有恒溫控制溫度傳感器，位于臺面上方500 mm高度處。溫度傳感器型號WRNP-191，測量范圍0～600 ℃。
2.1、校準復合真空計和電離規管
采用相對校準法，校準了復合真空計和電離規管。兩臺真空計同時測量烘烤排氣臺高閥處的真空度。試驗時采用X50 烘烤排氣臺。試驗了多支電離規管，優化后的兩臺真空計測量的真空度接近相等。兩臺真空計測量的真空度隨時間的變化如圖2 所示，時間0 表示校正試驗測量開始。真空度在2~7×10-3 Pa 量程范圍，電離規管1 測量系統比電離規管2 測量值略高10%，真空度進一步提高，偏差逐漸縮小。
圖2 兩臺真空計同時測量烘烤排氣臺高閥處的真空度隨時間的變化
2.2、高閥處真空度
圖3 給出了兩臺烘烤排氣臺在裝集熱管未烘烤工況下，抽氣40 分鐘過程中高閥處真空度。其中一臺X50 烘烤排氣臺，另一臺X35 烘烤排氣臺。從圖中可以看出，抽氣過程中兩臺烘烤排氣臺高閥處的真空度接近相等。另外一臺X50 和另外一臺X35 烘烤排氣臺高閥處的真空度也接近相等。從這些數據表明兩種烘烤排氣臺，在高閥處的抽氣性能接近。
圖3 X50 烘烤排氣臺和X35 烘烤排氣臺，在裝集熱管未烘烤工況下高閥處真空度和時間的關系
2.3、空恢時間
空恢時間定義為從大氣抽真空達8×10-3 Pa的時間。表1 中給出了兩種烘烤排氣臺各2 臺在裝載集熱管未烘烤工況下，真空管道離高閥最遠的端部處的空恢時間。4 臺排氣臺裝有相同規格集熱管。每臺排氣臺裝載Φ58×2000 mm 集熱管，X50 烘烤排氣臺裝40 支，X35 烘烤排氣臺裝30支。裝集熱管未烘烤工況下，X35 烘烤排氣臺空恢時間遠遠長于X50 烘烤排氣臺。各以空恢時間最短的烘烤排氣臺為例，X35 為76 min，X50 為18 min。從以上試驗數據表明，真空管道內徑大，真空管道端部處空恢時間短。
表1 真空管道端部空恢時間
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，高閥處和真空管道端部的真空度隨時間的變化。抽氣40 min 時，兩處真空度，X50 烘烤排氣臺分別為1.5×10-3 Pa 和4.1×10-3 Pa，X35 烘烤排氣臺，1.3×10-3 Pa 和1.4×10-2 Pa。這兩種烘烤排氣臺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，比高閥處高2.8倍，X35 烘烤排氣臺，高10 倍。裝集熱管未烘烤工況下，真空管道端部的真空度，X35 烘烤排氣臺明顯比X50 烘烤排氣臺差，抽氣40 min 時，端部的真空度還未進入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 烘烤排氣臺為2.7×10-3 Pa，X35 烘烤排氣臺4.9×10-3 Pa，兩者的差別較小。
圖4 X50 烘烤排氣臺和X35 烘烤排氣臺，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間的關系
從以上數據表明，X50 烘烤排氣臺真空管道端部的有效抽速明顯高于X35 烘烤排氣臺。
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 烘烤排氣臺高閥處和真空管道端部的真空度隨時間的變化，圖中還給出了裝集熱管未烘烤工況下真空測量數據，供對比用。時間0 為真空抽到高閥上真空管道處真空度達8×10-3 Pa，開高真空閥作為時間開始。圖中還給出了烘烤溫度隨時間的變化，時間0 為開始加熱，與上述開高閥時刻相同，95 min后加熱棒停止加熱，其中升溫時間35 min，烘箱中部恒溫430 ℃，時間60 min。
圖5 X35 真空烘烤排氣臺高閥處未烘烤和烘烤兩種工況下的真空度與時間的關系
裝集熱管烘烤工況下，排氣40 min 時，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程中集熱管真空夾層兩玻璃管的內表面大量放氣。加熱棒停止加熱烘烤結束時，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。按生產工藝，加熱結束，起烘箱，降溫5 min時，試驗測量得到烘箱溫度為61 ℃，對應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 時間內，真空管道端部的真空度從1.7×10-2 Pa 提高到5×10-3 Pa，認為主要由于集熱管冷卻，真空夾層的兩玻璃管的內表面吸附夾層中的氣體。
X50 烘烤排氣臺裝集熱管烘烤工況下，真空度隨時間的變化的曲線形狀與上述類似。加熱棒停止加熱烘烤結束時，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 烘烤排氣臺相比，真空管道端部的真空度要好。
3、高真空系統設計及測試
3.1、高真空系統設計
排氣臺高真空系統由真空管道、真空抽氣機組、真空計組成。根據理論計算及以上試驗數據表明，裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺X35和X50，排氣過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，包括前級機械泵、前級真空管道、擴散泵基本上可以采用原來的設計。因此，主要設計高閥及其上面的高真空管道系統。設計時，首先進行了理論分析。理論分析表明，要提高真空太陽能集熱管烘烤排氣工藝后的真空性能，關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內表面的放氣量。增加真空管道的內徑，可以提高裝載集熱管尾管處真空有效抽速。理論計算優化真空管道的內徑，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內表面的光潔度，可明顯減少高真空管道系統內表面的放氣量。另外，設計了特殊的擴散泵上方連接的高真空閥，主要的技術方案結構為，高真空擴散泵上方高真空閥的圓柱側面開四個孔，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，與傳統的X35 和X50 烘烤排氣臺相比，具有以下結構特點：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，真空管道內徑約80 mm；其三，4組管道由4 個手動高真空碟閥可實現真空隔離；其四，在泵口處及真空管道離泵口遠處各裝1 個電離規管座。
圖6 臺車真空管道示意圖。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、高真空系統測試
圖7 給出了新設計高真空系統裝集熱管烘烤工況真空度與時間的關系。時間0 為真空抽到高閥上真空管道處真空度小于8×10-3 Pa，開高真空閥作為時間開始。圖中還給出了烘烤溫度隨時間的變化，時間0 為開始加熱，與上述開高時刻相同，95 min 后加熱棒停止加熱，其中升溫時間35 min，烘箱中部恒溫430 ℃，時間60 min。
裝集熱管烘烤工況下，烘烤排氣過程中集熱管真空夾層兩玻璃管的內表面大量放氣，高閥處真空度和橫管端部真空度均上升。高溫烘烤初期，橫管端部真空度遠大于高閥處真空度，高溫烘烤后期，玻璃管的內表面大部分氣體已經釋放出，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束時，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，試驗表明差別小于0.4 倍，比較接近，與流導計算相符。
圖7 高真空系統裝集熱管烘烤工況高閥處真空度與時間的關系
經測試，新設計高真空系統滿足全玻璃真空集熱管抽真空工藝要求外，與X35 和X50 排氣臺抽真空系統相比還具有以下特點：首先縮短裝集熱管真空管道邊緣處的空恢時間。室溫下裝載40 支Φ58×2000 mm 集熱管，測量從大氣抽至8.0×10-3 Pa 真空管道邊緣處的空恢時間小于8 分鐘；其次提高裝集熱管真空管道端部的極限真空度。試驗表明極限真空能達到5×10-4 Pa。而原X35 和X50 烘烤排氣臺真空系統真空管道端部極限真空度均達不到1×10-3 Pa；第三能進行一定的應急處理抽氣時集熱管炸裂。每支連接真空管道上裝1 只隔離閥，抽氣時集熱管炸裂時，可關相應隔離閥進行應急處理，其余3/4 集熱管仍然可以進行正常工藝過程；第四提高太陽能集熱管真空品質。烘烤抽氣后的太陽能集熱管，特別是裝在真空管道邊緣處的，真空將明顯提高，從而提高太陽能集熱管的真空使用壽命。
4、結論
測試了X35、X50 兩種烘烤排氣臺的烘烤抽氣性能。裝集熱管未烘烤工況下，兩種烘烤排氣臺抽氣過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，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間，X50 烘烤排氣臺為18 min，X35 烘烤排氣臺長達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，X50和X35 分別為4.1×10-3 Pa，和1.4×10-2 Pa，X35排氣臺真空度是X50 排氣臺的3 倍。抽氣200 min 時的極限真空，X35 和X50 排氣臺分別為4.9×10-3 Pa和2.7×10-3 Pa，兩者的差別較小；加熱烘烤結束時高閥處和真空管道端部的真空度，X35 烘烤排氣臺分別為2×10-3 Pa 和1.7×10-2 Pa，相差約為10 倍；X50 烘烤排氣臺分別為2×10-3 Pa 和5×10-3 Pa，相差約為2.5 倍。試驗測量得到X50 烘烤排氣臺的烘烤排氣性能明顯優于X35 烘烤排氣臺，尤其是裝載集熱管真空管道端部處的真空性能。
根據兩種烘烤排氣臺試驗結果和流導計算分析，設計的真空太陽能集熱管烘烤排氣線的高真空系統，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間達8 min；提高裝集熱管真空管道邊緣處的極限真空度達到8×10-4 Pa；能進行抽氣時集熱管炸裂的應急處理；提高太陽能集熱管真空品質，從而提高太陽能集熱管的真空使用壽命。
