一種槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統及方法與流程

本發明屬于太陽能熱發電核心器件-集熱管在線檢測方法領域，具體涉及一種槽式高溫真空集熱管的在線熱損測試系統及方法。

背景技術：

太陽能熱發電技術在新能源應用領域占有重要地位，其中采用槽式熱發電已在國外部分地區具有逾20年的應用歷史。槽式熱發電技術是利用槽式聚光鏡匯聚太陽光，集熱管將匯聚的熱量收集并傳遞給集熱管內流動的熱工質(根據集熱管的用途及類型分為導熱油，熔鹽和水蒸氣等)，加熱后的熱工質和低溫工質進行換熱進而經過一系列過程推動發電機發電。

我國進入高溫熱發電領域時間不長，近些年在槽式熱發電核心設備(如高溫真空集熱管、反射鏡和儲熱系統等)的制造以及應用領域取得較快進展。并且由于市場的廣闊前景對于集熱管的研發、改進提出了更高要求，相應的也迫切需要適用于批量集熱管生產的快速、簡便的檢測方法及裝置。

在生產制造集熱管工藝過程中，涂層鍍制是批量化完成，在嚴格的工藝控制下，其性能以及一致性均可以得到較好保證。漏率測定是焊接總裝過程質量評價的重要標準，由此，焊接漏率亦同時是集熱管性能的關鍵指標之一。集熱管熱損是評價集熱管性能的核心指標，其數值大小綜合反映了涂層光學性能、管內真空程度的好壞。在生產過程中，結合真空控制的在線熱損檢測能夠給生產過程中重要工藝的實施和配合(鍍膜以及總裝、焊接)以直接反饋。全玻璃真空集熱管的檢驗國標17049-2005利用電火花檢漏，由于高溫集熱管的材質以及管內真空度，以及對于集熱管一致性和 準確性的要求，此種方法已經不再適用。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統，其可使用于批量集熱管的在線熱損測試。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

一種槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統，由抽氣系統及檢漏系統、均溫加熱系統、加熱控制系統、數據采集系統及上位機控制系統組成，所述的均溫加熱系統用于為被測管加熱；所述的加熱控制系統中包括有電力變送器、溫控儀和巡檢儀，用于對均溫加熱系統的加熱狀態實施控制和監測；所述的數據采集系統用于采集被測參數且輸出給上位機控制系統以實現數據的自動存儲(以備分析)；

所述的均溫加熱系統安裝在集熱管總裝線的在線測試工位上，包括有一個加熱器，該加熱器由加熱棒和均溫銅管構成，該加熱器(加熱棒和均溫銅管)的兩個端頭分別罩有絕熱端頭并借助該絕熱端頭坐落于一對檢漏支架上；

所述的抽氣系統中包括有一真空泵組、真空管路和擋板閥；

所述的檢漏系統中包括有兩路：一路為檢漏儀單元，另一路為復合真空計單元，各單元的輸入管路均為真空管路，且各真空管路上均帶有擋板閥；

所述的抽氣系統與檢漏系統通過一管路連接件實現集合；kf接口不銹鋼四通連接件的法蘭氣嘴作為抽氣系統與檢漏系統的共用輸入接口，用于與待測的集熱管排氣尾嘴連通；kf接口不銹鋼四通連接件的其他三個接口：分別通過真空管路與真空泵組、檢漏儀實現對接，通過真空管路(波紋管)、電離規和電阻規接至復合真空計；且在各真空管路中設有擋板閥。

所述槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統中，所述的檢漏儀采用he 質譜檢漏儀；所述的管路連接件采用kf接口不銹鋼四通連接件。

所述槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統中，所述kf接口不銹鋼四通連接件的接口氣嘴和真空泵組相對180度設置，he質譜檢漏儀和真空規相對180度設置。這樣的設計，可以使得作業時開啟順序不同，能最大限度減小管道流阻，最快到達真空許可狀態。

所述槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統中，配設一橡皮膠管(作為中間管路)，用于在線熱損測試時將kf接口不銹鋼四通連接件的法蘭氣嘴與待測的集熱管排氣尾嘴連通；配設一kf堵頭，用于封住kf接口不銹鋼四通連接件的法蘭氣嘴，以實現系統在線熱損測試前各連接處及焊縫的自檢。

本發明的另一目的是提供一種槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法，其可以快速和簡便的檢測，以輔助實現集熱管批量生產中對于產品質量的檢測判定。

為實現上述目的，本發明采取以下設計方案：

一種槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法，具有上述的系統，具體方法步驟如下：

a)將焊接完成的集熱管移出焊接工位，安裝于在線測試工位上，使均溫加熱系統的均溫銅管位于集熱管內，兩端的絕熱端頭封住集熱管的兩邊端口；

b)通過一根中間管路使待測的集熱管排氣尾嘴與所述的抽氣系統與檢漏系統的輸入口連通；

c)啟動抽氣系統及檢漏系統，利用抽氣系統的真空泵組維持各真空管路內的真空度，利用檢漏系統實現真空管路檢漏以及系統的真空監測；

d)啟動均溫加熱系統及加熱控制系統，加熱至目標溫度；

e)由加熱控制系統的溫控儀和巡檢儀檢測溫度穩定性及真空穩定性，獲取溫控儀和巡檢儀的溫度參數，并由組態軟件記錄，如溫度穩定性和真空穩定性達到測試要求進行下一步熱損測試；

f)記錄電力監測儀獲得的電力參數數據，至少包括有功功率、各相電流、電壓、功率因數和累積功率參數數據；

g)分析記錄的溫控儀和巡檢儀的溫度參數及電力參數有效性，如無異常(加熱溫度異常、均勻性異常和電參數異常)則換算實時的熱損參數，其中，熱損換算原理為：熱損數值＝加熱器單位時間補充的總功率；如有異常情況說明加熱器或集熱管本身存在問題，電參數異常則問題存在于加熱器，溫度參數異常則問題出現在集熱管上。

h)測試完畢，停止加熱，降溫后斷開集熱管和抽氣系統及檢漏系統的連接，移出均溫加熱系統，將被測管轉移至下一工序。

所述步驟d中，所述的目標溫度定義的范圍是：根據集熱管廠家產品應用范圍，此溫度范圍位于200-400℃。

所述的槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法中，所述溫度和電力參數的記錄均應滿足穩態條件，即復合真空計的讀數穩定，漂移范圍處于1e^-2～1e^-1pa，且溫度參數的數據穩定在15分鐘內，加熱器溫度漂移范圍<2攝氏度。

所述的槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法中，所述步驟c中，測試時，按照檢漏儀的極限漏率作為檢測標準；復合真空計給出的壓強讀數小于10⁰pa數量級。如果本身真空級別不好會導致測試時外玻殼溫度過高等問題，且會影響熱損數值造成測試人員誤判。一般壓強越高，導致熱損越大。壓強過高時，系統本身真空不達標，加熱時易造成集熱管外玻殼溫度過高， 且真空不達標本身即是集熱管質量問題。

所述的槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法中，根據電力數據的擬合結果和溫度數據分布判斷集熱管熱損數值是否合理：記錄集熱管外玻管的溫度，繪制外玻管溫度隨測試溫度的變化曲線，利用此曲線判斷集熱管熱損數值是否合理。正常集熱管的熱損數值的隨溫度變化遵從t～4關系，外玻管溫度和測試溫度也有類似關系，如偏差過大則需要警惕熱損數值也會偏差過大。

所述的槽式高溫真空集熱管在線熱損測試方法中，若擬合曲線和實際測試曲線擬合達到滿意度，則判定集熱管熱損數值合理，反之，則判定集熱管熱損數值不合理，亦即表示真空均勻性和溫度均勻性都不能保證，則需要適當延長測試時間。

本發明可以區別于集熱管成品的實驗室的精細測試，在線檢測能夠實現對于集熱管性能的快速、簡便和直觀的了解。

本發明的優點是：

1)本發明系統可以實現批量生產集熱管的快速、簡便檢測；操作方便快捷，獲取的數據準確，能夠配合集熱管焊接后實現在線檢測，故省去以往的中間環節(待測產品的中轉：需一一送入檢測室檢測)，故可大大節省人力、物力和時間；

2)在熱損檢測同時可以快速實現整管焊接檢漏，大大縮短檢測時間，系統可靠，漏率真空漂移小；

3)本發明系統和方法適用于批量制造過程中需要快速掌握集熱管性能以及批量產品一致性的用途。

附圖說明

圖1為本發明槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統構成原理示意圖。

圖2為本發明抽氣系統及檢漏系統結構示意圖。

圖3為本發明系統控制邏輯電路示意圖。

圖4為本發明在線熱損測試系統測試流程圖。

圖5為本發明槽式高溫真空集熱管抽氣系統及檢漏系統數據統計。

圖6為本發明一次在線熱損測試結果。

圖中：1-橡膠軟管；2-kf接口不銹鋼四通連接件；3-真空管路；4-擋板閥；5-檢漏儀；6-真空泵組；7-復合真空計；8-電離規；9-電阻規；10-被測集熱管；11-絕熱端頭；12-均溫銅管；13-支架；14-排氣尾嘴。

下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步詳細說明。

具體實施方式

參閱圖1所示，本發明槽式高溫真空集熱管在線熱損測試系統主要包括抽氣系統、檢漏系統、均溫加熱系統、加熱控制系統、數據采集系統及上位機控制系統。

所述的均溫加熱系統(參見圖1中的虛線框部分)用于為被測管10的加熱，本實施例中由加熱棒和均溫銅管構成加熱器。

所述的加熱控制系統包括有電力變送器、溫控儀和巡檢儀，帶有漏電保護的斷路器、可控硅、引線等，可以機柜形式獨立設置，用于對均溫加熱系統的加熱狀態實施控制，參見圖3所示，其工作原理及過程可以是現有技術實現，此處不贅述。

所述的數據采集系統用于采集被測參數且輸出給上位機控制系統，其亦為現有技術可實現，此處不贅述。

所述的均溫加熱系統安裝在集熱管(集熱管中的工作介質針對400℃以下溫度區間的導熱油、水蒸氣等)總裝線的在線測試工位上，包括有一個均溫銅管12，該均溫銅管的兩個端頭分別罩有絕熱端頭11并通過該絕熱端 頭坐落于一對檢漏支架13上。

所述的抽氣系統中包括有一真空泵組6(含有一臺以上的真空泵)、真空管路3和擋板閥4。根據實際需要可以利用一個或者多個機械泵組成級聯真空泵組，這取決于管子幾何尺寸(真空腔體積)，機械泵抽速以及對測試時間的要求(測試時間越短要求機械泵抽速越大，若生產線對于在線測試時間要求苛刻可以考慮利用多個泵組成泵組)。

所述的檢漏系統中包括有兩路：一路為設有檢漏儀的單元，另一路為設有復合真空計的單元，各單元中均帶有真空管路3和擋板閥4，可用波紋管進行連接。

參見圖2，所述的抽氣系統與檢漏系統可以通過一kf接口不銹鋼四通連接件實現集合，即節省空間，且便于共用抽氣系統以實現管路的抽真空。kf接口不銹鋼四通連接件2的接口氣嘴是抽氣系統與檢漏系統的共用輸入口，用于與待測的集熱管排氣尾嘴連通；kf接口不銹鋼四通連接件的其他三個接口分別通過真空管路3與真空泵組6、檢漏儀5實現對接，通過真空管路、電離規8、電阻規9接至復合真空計7；且在各真空管路3牢騷中設有擋板閥4，用于控制真空管路3的通斷。本實施例中，所述的檢漏儀采用he質譜檢漏儀，性能穩定可靠，不僅靈敏度高，而且操作方便。所述kf接口不銹鋼四通連接件的接口氣嘴和真空泵組相對180度設置，he質譜檢漏儀和真空規相對180度設置。連接順序中，膠皮管、真空泵組、檢漏儀、真空計的相對位置是固定的，這樣做的目的是減小流阻，最大限度、最快實現降低管內氣體壓強。例如在集熱管剛剛連接好后，粗抽管內真空到可以檢漏的程度時，關閉檢漏儀和真空計(真空規)端的擋板閥，開啟機械泵(組)可以快速降低管內真空度，這時，關閉泵組端的擋板閥，打開檢漏儀的擋板閥和真空計的擋板閥實現檢漏操作。檢漏儀自帶抽氣系統，但抽速遠小于單獨的機械泵(組)，所以一旦管子 本身有較大的漏點則在另一端的真空計(真空規)處有所體現。檢漏儀和真空計相對直線連接而不是直角連接也是為了最大限度減小流阻，能夠快速反應。

以下是本發明詳細的方法過程：

先進行抽氣系統及檢漏系統的連接，在連接時應保證所有真空系統的潔凈和干燥，連接完畢后將kf接口不銹鋼四通連接件2的法蘭氣嘴和橡膠軟管1更換成kf堵頭，開啟檢漏儀5及擋板閥4，進行系統各連接處及焊縫的自檢，如合格，則待用。

參考圖2，將線上完成焊接工序的被測槽式高溫真空集熱管安裝到檢漏支架13，利用絕熱端頭11作為支撐件，卸掉kf堵頭，用橡膠軟管1穩定連接集熱管排氣尾嘴14和檢漏系統。

參照圖3，進行熱損測試設備接線和電路檢查，連接均溫加熱系統、加熱控制系統、數據采集系統和上位機控制系統。

參照圖4給出整個測試流程。

在真空系統連接完畢后，關閉檢漏系統檢漏儀單元和復合真空計單元中的擋板閥，打開真空泵組的擋板閥和真空泵組進行抽氣，此時利用真空泵組來加速集熱管內真空度降低。

約10分鐘后，待真空泵組的真空泵聲音平穩后打開檢漏儀單元的擋板閥，并開啟檢漏功能，此時檢漏儀會由普通的“漏模式”逐漸切換至“小漏模式”(此時如集熱管沒有大的真空缺陷，檢漏儀則會進到“小漏模式”。如果此時集熱管有漏焊、砂眼等造成較大真空泄露，檢漏儀不會跳到“小漏模式”，此時可以較容易通過手檢、目測、聽聲等找到漏點)。檢漏儀示數沒有跨數量級的跳動時打開真空規擋板閥，開啟復合真空計，此時需要觀察真空計和檢漏儀的真空示數，如集熱管正常則此真空度讀數會逐漸下降，此時的真空讀數根據不同的制造工藝處在1e^-3～1e⁰pa范圍。

檢漏儀背底壓強下降或穩定后關閉泵組擋板閥，此時的真空管路利用檢漏儀自帶泵組穩定并維持系統真空度，待檢漏儀壓強示數穩定后(小于10⁰pa級別)、漏率漂移穩定后(小于10^-9pa·m³/s范圍)，利用he質譜檢漏儀配套的he氣包和氣嘴對集熱管各焊縫進行檢漏操作。圖5給出一次真空監測及檢漏測試的結果，橫軸表示真空泵的運轉時間，縱軸表示檢漏儀內真空計的讀數。由圖中可以看出15分鐘以后集熱管內真空系統真空度<1pa，此時可以進行在線檢漏，完成對集熱管質量控制最關鍵的一步。完成后即可打開加熱控制系統，進行在線熱損測試。

檢漏操作完成后，關閉檢漏儀單元的擋板閥，開啟真空計單元的擋板閥，開啟真空泵組的擋板閥，利用真空泵組維持真空，準備進行集熱管在線熱損測試。

測試開始前開啟加熱控制系統、數據采集系統，并按照提前設置好的加熱程序加熱至目標溫度(根據加熱系統性能以及測試目標可選擇不同溫度范圍，此實施例給出200～400℃范圍，如圖6橫軸所示)。等待真空系統穩定后(由真空計讀數給出，因為集熱管未進行排氣封離處理，真空度會在一定范圍內跳動，但漂移范圍應在同一數量級內)，且溫度穩定后(30分鐘內溫度漂移＜±0.8℃)，由上位機控制系統記錄溫度數據和電力數據，根據電力數據的擬合結果和溫度數據分布判斷熱損是否合理，此為現有技術可實現。例如，根據加熱器的電壓、電流值監測可以判斷加熱器是否正常工作；記錄集熱管外玻管的溫度，外玻管溫度上升的主要原因是不銹鋼內管輻射傳熱，繪制外玻管溫度隨測試溫度的變化曲線也應符合t～4關系曲線，測試中可以利用此曲線判斷數據是否合理(如擬合曲線和實際測試曲線不能很好擬合，則真空均勻性和溫度均勻性都不能很好保證，需要延長測試時間)。

根據測試中消耗的電能數值可以讀出或算出累積消耗的功率，可以利 用上位機控制系統內置算法和自寫組態軟件界面計算集熱管在目標溫度下的熱損：在絕熱良好的穩態測試條件下，集熱管熱損數值約等于折算到單位長度的加熱器補充的功率，設計該算法和自寫組態軟件，可由計算機編程人員利用現有技術完成編制任務，此處不贅述。生產過程中如有需要可以多次測量不同溫度區間的熱損數值，由于此種測試方法需要真空系統一直工作，雖然在測試真空度范圍內集熱管的熱損主要由熱輻射決定，氣體導熱不占主要構成比例，但在測試過程中有導熱氣體經由真空系統抽出系統外，這在一定程度上會導致測試的熱損數值和真實數值有一定偏差，所以此測試只用來作為在線測試甄選，而不是設計用來精確測試集熱管熱損。

嚴格來說熱損數值定義為：集熱管本身在單位時間內由單位長度耗散掉的熱量，單位是w/m。結合實驗測試的實際情況表現為：集熱管熱損數值等于在絕熱良好的條件下、達到穩態條件時通過電加熱補充給集熱管的熱量等于集熱管本身散熱損耗掉的熱量。由于此種在線測試方法強調的是快速掌握集熱管性能，對于熱損數值的精確性并不做過多要求，所以此處直觀將熱損數值作為加熱器單位時間補充的單位功率來理解。

在實驗過程中需要注意電流、電壓、累積功率等參數，這些參數并不在實驗結果中直接體現，但在實驗測試過程中對于結果的有效性判定起到一定作用。例如：在三相電加熱棒加熱時，如果一相加熱棒出現問題(由于是高溫，經常出現的是斷路問題)，導致此相電流為0，其他兩相加熱棒仍然可以工作，雖然最終也可以按照溫控設定達到一定加熱溫度，但整體溫度均勻性不好。三相電的電力參數決定了最終累積的功率、消耗電能，這在一定程度上會影響測試出來的熱損數值，會干擾測試人員對被測管子的品質作出誤判。所以在測試過程中，需要監控這些參數是否正常，正常的過程參量才能判定最終的結果合理。

測試完成后，繪制熱損曲線以及其他監測數據曲線，根據曲線決定集 熱管性能是否達標，如出現數值畸大或畸小則需具體分析是否進行后續排氣封離。如數據畸大則可能是涂層發射率偏大，或是系統內材料放氣過大，需要在排氣時延長烘烤時間；數據畸小則需要檢查測試裝備是否正常工作，加熱器是否有斷路、接觸不好等問題。測試完成后停止加熱，通過向加熱系統通入壓縮空氣增加對流迅速對集熱管降溫，斷開集熱管和真空檢漏系統連接，移除均溫加熱系統，合格的集熱管繼續在線上進行后續封離工序。

圖6給出一次在線測試熱損結果，橫軸表示加熱溫度，縱軸表示熱損數值，測試在抽氣系統工作下維持在0.5pa。擬合曲線根據傳熱特性選取a·t+b·t4方式(現有技術)，可以看出擬合曲線和測試點符合較好，參數a和參數b具有和集熱管本身相關的物理特性，a是衡量線性傳熱的熱傳導特性，b接近于stephan-boltzmann常數，用來衡量系統的熱輻射特性。

上述各實施例可在不脫離本發明的保護范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結構應視為例示性，而非用以限制本發明申請專利的保護范圍。