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    真空管直插式非承压太阳能热水器使用过程中的真空管炸裂的原因分析

    山西快乐十分 www.lihaizhimiguanwang.com 发布时间:2017-06-22 10:22:40

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              真空管直插式非承压太阳能热水器是通过热水器的集热部件真空管,将光能转化成热能,从而加热真空管内的水。真空管与储水箱连通,依靠热水的密度小于冷水的密度,热水上浮,靠不断地循环使整个水箱的水的温度升高。在实际的使用过程中,有许多原因会造成真空管炸裂,影响到使用。下面针对不同的原因进行分析论述。

    一、真空管方面的原因
    (1)真空管材质本身存在隐患
    为保证真空管的集热效率和寿命,一般选用硼硅玻璃,此玻璃具有制造真空管所必需的热稳定性、机械加工性能、化学稳定性、灯工加工性能,以及其优秀的膨胀系数、优良的抗水性和较好的透光比。
    然而膨胀系数大于3.4×1O-6 ℃ 的硼硅玻璃就不宜加工真空管,由于玻璃组成和结构的变化,性能发生了突变,即由于析晶温度升高无法机械化成型,产生分相使抗水性和机械性能大幅度下降,从而造成炸管。因此一般选用硼硅玻璃3.3。
    玻璃分相是玻璃中的B2O3。含量超过14% 时, 玻璃网络结构松散,造成分相。分相后的玻璃抗水性会下降到5级,机械强度下降到原来的I/5。玻璃因抗水性能
    下降造成侵蚀后,表面会出现大量微小裂纹,另外也会在相界面上裂开。
    由于硼硅玻璃表面硼易挥发变质,只能采用垂直引下法生产玻璃管,此时的成型温度已经不是在供料机生产时粘度为104P时的温度,而是粘度为1O5P的温度。析晶温度和成型温度易重合,造成玻璃管中有析晶线,机械强度大大下降。在加工过程中,玻璃熔化不均匀也是造成真空管易炸裂的原因,这种不均匀肉眼很难鉴别。
    玻璃管之间的划伤也是造成集热管炸裂的主要原因一,但此种划伤比较容易肉眼观察,划伤后的玻璃管强度大大降低。在生产真空管时,对玻璃管的划伤长度有具体的要求国标要求成品管划伤长度不得超过500mm。
    (2)真空管结构
    真空管结构如图1所示:
    1.jpg 
    图1
    真空管由两根同心的玻璃管组成, 内外管之间抽成真空,在内管的外壁上沉积有太阳选择性吸收膜层,将太阳光能转化成热能,加热内玻璃管内的传热流体。
    真空管采用单端开口设计,通过一端内外管玻璃环形熔封,而内管的另一端密闭形成半圆形的圆头,用带有吸气剂的卡子将内管圆头端进行支撑。当吸热体在吸收太阳光能,温度升高后,内玻璃管受热膨胀,卡子可缓冲工作时因膨胀造成的对真空管开口端的应力。
    3)真空管加工过程对真空管炸管的影响
    按照真空管的加工工艺流程,在制作真空管的同时,要进行灯工加工。这时如果火焰温度调节不当,则会出现玻璃壁厚薄不均,形成缺陷。在玻璃处于高温融化状态时,对内外管进行封接,在管口处可能会出现如图2所示的缺陷。为使真空管的吸热体在吸收热量后,将热量尽可能多地传递给内管内的传热流体,在两层玻璃管之间构造真空夹层,国标规定全玻璃真空太阳集热管内的气体压强不大于5X10-2Pa,几乎不存在气体对流和热传导。但这样的负压对真空管的缺陷部位形成较大的压力。玻璃毛管在加工过程中出现的条纹、结石、气泡、结瘤等玻璃缺陷也会在负压下使玻璃管的强度大幅度下降,因此国标中对玻璃缺陷有明确的规定。
    2.jpg 
    为保证真空夹层的真空度,在真空管的真空夹层中安装有吸气剂,吸气剂固定在卡子上,在排气封离后,再利用高频烤消,将吸气剂释放出来,形成吸气膜。高频烤消对卡子产生一定的影响,当烤消时间较长或者高频功率较高时,对卡子加热的温度较高,从而降低了不锈钢卡子的弹性和韧性,造成卡子的退火,从而影响到卡子对内管的有效支撑。
    在灯工、封离等玻璃加工过程中,由于玻璃是热的不良导体,不可避免地会因为温度差造成分相,简称为内应力。去除内应力一般采用退火法,在玻璃的软化点温度开始,逐渐降低温度,使玻璃能够均匀地降温,从而消除玻璃内的内应力。应
    力去除不完全,是造成真空管炸裂的主要原因。
    二、水垢方面的原因
    水中的杂质进入热水器系统后,随着水温不断升高或者蒸发,浓缩在储水箱和真空管内表面上,生成的固体附着物称为水垢。
    (1)水垢的形成
    含有暂时硬度的水在受热过程中,一些钙镁盐类受热分
    解,从溶于水的物质变为难溶于水的物质。
    Ca(HCO3)2=CaCO3 ↓+H2O+CO2
    Mg(HCO3)2=MgCO3+H2O+CO2
    MgCO3+H2O=Mg(OH)2↓+CO2↑
    随着水不断被蒸发和浓缩,某些盐类超过了其溶解度.当达到过饱和时,盐类在蒸发面上析出。随着温度升高,某些盐类溶解度下降,CaSO4 和CaSiO 3等也会析出。
    对于水中原来溶解度比较大的盐类,与其他的盐或者碱发生反应形成难溶于水的盐类。
    如:Ca(HCO3)2+2NaOH=CaCO3↓+NaCO3+H2O
    CaCI2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCI
    以钙为主要成分的垢占水垢的9O% 以上,如硫酸钙垢、硅酸钙垢、碳酸钙垢等,以镁为主要成分的,如氢氧化镁垢、磷酸镁垢等。硫酸钙垢坚硬而致密,主要以半水合物或石膏的形式沉淀附着;硅酸钙垢主要在真空管热负荷较大的受热面上
    形成,它沉淀为硅灰石,垢的硬度较大,导热性很差,能牢固地粘附在受热面上;碳酸盐垢有着不同的特性,它既可以是坚硬的水垢,又可以是松软的水渣。当进行微弱蒸发时,碳酸盐常沉淀成坚硬的结晶状水垢。当水进行剧烈沸腾时,碳酸盐又常常沉淀为水渣。
    (2)水垢的危害
    水垢的导热系数较小,在真空管的内壁上形成致密的水垢层,随着水垢层的加厚,使真空管的吸热体和管内的导热流体热交换受到阻碍,影响到水温的提高。同时在水垢的内外表面形成一定的温度差,当太阳辐照较好的时候,水垢的外层温
    度较高,与内层形成较大的温差,造成水垢裂纹,管内的冷液沿裂纹进入达到内玻璃管内壁上,造成炸管。
    由于玻璃表面在微观结构上的凹凸不平,而水垢的形成是随机的分布,对于硫酸盐和硅酸盐的水垢,牢固地附着在真空管表面,由于水垢的膨胀系数和硼硅玻璃的膨胀系数不同,造成真空管炸管。此种形式不仅仅表现在真空管内有水时,在无水时也会造成真空管的炸裂。
    水垢一般在7O℃ 以上时容易形成,因此在设计太阳能热水器时,应注意水箱的配水量,水温不宜过高。
    三、热水器使用不当造成炸管
    热水器的使用原理,如图3所示:
     3.jpg
    热水器在正常的使用过程中,当太阳辐照量达到800MJ/(m2·h),真空集热管的吸热体的表面温度可以达到200。C以上的高温,有的吸收比较高的真空集热管的闷晒温度甚至可以达到300。C以上,在这个时候如果突然给太阳能热水器上水,就会造成由于冷热冲击造成的炸管。这就是为什么在太阳热水器说明书中再三强调不能正午上水的原因。
    还有一种情况,当太阳能热水器在长时间不用的时候,上面储水箱的水不断地蒸发,最后只剩下真空集热管内还存有部分水,同样也会出现炸管,原因是当真空集热管在吸收热量后,只是加热少量的水,最后使这些水开始沸腾了。水滴飞溅
    到真空集热管的上面,由于上面的真空集热管处于空晒状态,表面温度非常高,飞溅的水滴造成炸管,如图4所示。这种炸管大多发生在真空管的中上部。
    3.jpg 
    四、热水器安装质量的影响
    热水器的安装质量对整个热水器的使用有非常重要的影响,很多的问题都出现在安装质量上,比如,漏水问题,;东堵问题,水温升不高的问题,甚至真空管炸裂也与安装有关系。在调查中发现,有的热水器在安装时,不注意安装质量,热水器不能平稳站立,有悬空情况存在,这样的热水器,在上水时,或者有风时,热水器出现晃动,造成真空管受力,这种情况下发生破裂时,都是连续几根真空管破裂。这种炸裂的主要炸裂部位一般发生在边缘的真空管。在安装时,假若储水箱的真空管孔与真空管的托架孔不能做到方向一致,也会导致发生炸管。当真空管受到部分压力,真空管不能处于一种自由的状态,不能沿轴向自由地窜动,压力就会集中在真空管的某一位置,造成真空管炸裂。
    热水器在安装时,应严格地按照安装说明进行安装,将热水器调整到合适的角度,并进行可靠的固定,防止意外的发生。
    五、热水器的不规范改造
    很多农村用户,在用水时受到时间的影响,不能满足按要求进行上水,用水。有的用户直接将功率大,扬程高的泵加在热水器上,这样就会造成热水器的储水箱在上水的瞬间承压,如图5所示。
    4.jpg 
    此时由于真空管也处于承压状态,真空管在压力下有沿轴向向下窜动的趋势,但由于下端的固定,造成真空管的受力,在反复冲击下,真空管的强度会受到影响造成炸裂。此种炸裂以靠近上水位置的真空管居多,但有时又比较分散,不容易辨别。解决此种问题的最佳办法是改变上水方式,预先安装冷水箱,用泵将水打入冷水箱,再由冷水箱给热水器加水?;蚴茄∮媒闲〉谋蒙纤?,增加水位控制,在水满后迅速停泵。
    还有种情况是由于冰或是其他原因造成排气孔不畅或堵死。这种情况与上述情况相反,在用水时,储水箱内的空气成为密闭气体,随着水面的下降,形成负压,真空管受到负压的影响向上窜动,而在上水时又会形成正压,向下窜动,如此反复,造成真空管炸裂。
    综上所述,真空管炸裂有非常复杂的原因,在排除所有的安装使用方面的原因后,再确定真空管自身质量,进行同批次真空管质量对比,最后确定具体的炸管原因。

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