Диссертация Кинжибаев

Рассматриваемые коллекторы можно применять при нагреве воды в бассейнах для плавания, когда требуется небольшое повышение температуры

(в этом случае коллектор не нуждается в прозрачной изоляции днища и бо-

ковых стенок); при нагреве воды для бытовых и других целей, когда темпе-

ратура не должна превышать 60 °С (необходимы теплоизоляция днища и, по крайней мере, одно прозрачное покрытие); в процессах, требующих подвода теплоты при температуре значительно выше 60 °С, в том числе для получения механической энергии (в этом случае принимают специальные конструктивные меры, снижающие потери тепла коллектором в окружающую среду).

Все принципы конструирования солнечных коллекторов сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и максимальному снижению тепловых потерь.

На базе технического университета Ильменау (Германия) компанией

«Sun-Time-Solar» был изобретен вариант абсорбера из нержавеющей стали.

Каналы сформированы трапециями (рис. 5.4), чтобы солнечные лучи были всегда направлены под прямым углом к поверхности абсорбера.

Рисунок 5.4 – Абсорбер компании «Sun-Time-Solar»

Применена нанотехнология напыления в вакуумной камере селективного слоя титана на абсорбер, получаемый слой соответствует 60-

100 нм. Это позволило получить коэффициент абсорбции 0,92. Абсорбер компании «Sun-Time-Solar» обеспечивает непосредственный переход

51

теплоты металл-жидкость. Даже при высокой температуре не происходит термической блокировки.

Коллекторы с вакуумированными трубками

Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом.

Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни — в холодную,

облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, — к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель. Оно передается жидкости, протекающей по трубке.

Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к

каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-

поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде,

содержащейся в баке-накопителе.

Вакуумированные коллекторы являются модульными, т. е. трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде. При изготовлении коллекторов этого типа из пространства между трубками высасывается воздух и образуется вакуум.

Благодаря этому устраняются потери тепла, связанные с теплопроводностью воздуха и конвекцией, вызванной его циркуляцией. Остается радиационная потеря тепла (тепловая энергия движется от теплой к холодной поверхности,

даже в условиях вакуума). Однако эта потеря мала и незначительна по сравнению с количеством тепла, передаваемого жидкости в трубке-

52

поглотителе. Вакуум в стеклянной трубке — лучшая из возможных теплоизоляции для коллектора — снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат — отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

Коллектор состоит (рис. 5.5) из стеклянных вакуумных трубок, которые служат теплоизоляцией. Вакуум исключает передачу тепла конвективным способом. Внутри каждой стеклянной трубки находится медная коаксиальная трубка, к ней приварена пластина с поглощающим слоем.

Рисунок 5.5 – Общий вид прямоточного вакуумированного солнечного коллектора

Поглощающий слой (абсорбер) связан с теплопроводящей системой.

Основная функция любого солнечного абсорбера — сбор максимального количества солнечной энергии и преобразование ее в тепло. Это обеспечивают вакуумные трубки с многослойным типом покрытия (рис. 5.6).

Строение трубки имеет особое значение, в ней возникают два потока: во внутренней части трубки течет холодный теплоноситель, в конце трубки он перетекает во внешний контур, нагревается там и поступает в общую магистральную трубу. Далее теплоноситель поступает в теплообменник накопителя. Прямоточным в данном случае коллектор называется потому,

что теплоноситель циркулирует непосредственно по медным трубкам внутри

53

стеклянных вакуумных (рис. 5.6). Чем больше падающей энергии передаѐтся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность.

Повысить еѐ можно, применяя специальные оптические покрытия, не излуча-

ющие тепло в инфракрасном спектре.

Рисунок 5.6 – Пример конструкции вакуумированной трубки с селективным покрытием (в разрезе)

5.3.3 Коллекторы с тепловой трубой Тепловая труба — это вакуумированное герметическое устройство в

виде труб или плоского канала (рис. 5.7) с продольными канавками или капиллярно-пористым фитилем на внутренней поверхности каналов, частич-

но заполненным рабочей жидкостью.

При подводе теплоты жидкость в одной части тепловой трубы — в

испарительной зоне — испаряется, и образующиеся пары переносятся в зону отвода теплоты (в зону конденсации), где они конденсируются, и по капиллярной структуре жидкость возвращается в зону испарения. Возможен широкий выбор рабочих жидкостей, в частности, могут использоваться дистиллированная вода, ацетон и хладагенты при низких температурах. В

тепловой трубе без фитиля, называемой термосифоном, возврат конденсата в зону испарения происходит под действием силы тяжести, поэтому тепловая труба этого типа может работать лишь при условии расположения зоны конденсации выше зоны испарения.

54

Рисунок 5.7 – Солнечный коллектор с плоской тепловой трубой: 1 –

остекление; 2 – тепловая труба; 3 – конденсационная зона; 4 – труба для отвода теплоты; 5 – теплоизоляция; 6 - корпус

Для КСЭ с тепловой трубой характерны высокая плотность потока передаваемой теплоты и большая компактность устройства, передача теплоты в одном направлении — из зоны испарения в зону конденсации,

отсутствие расхода энергии на перенос среды, передача теплоты при малой разности температур, саморегулируемость.

Поскольку в никзотемпературных гелиотермических установках используются в основном плоские коллекторы солнечной энергии, в них целесообразно использовать плоские тепловые трубы-термосифоны. Выбрав должным образом заполнитель, можно полностью исключить проблемы,

связанные с коррозией и замерзанием системы.

Сравнительно недавно появились солнечные коллекторы с тепловыми трубами, представляющие собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка. По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного)

холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему

55

отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покры-

тые по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию максимально широкого диапазона.

5.3.4 Аккумуляторы теплоты Для аккумулирования теплоты при работе солнечных коллекторов

используют аккумуляторы различной конструкции. Наиболее распространены водяные и галечные коллекторы (рис. 5.8, 5.9).

Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты, которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяют по формуле

= 2 − 1

где т — масса теплоаккумулирующего вещества, кг; Ср — удельная изобарная теплоемкость вещества, кДж/(кг-°С); 1 и 2 — средние значения начальной и конечной температур теплоаккумулирующего вещества, °С.

Наиболее эффективный теплоаккумулирующий материал в жидкостных солнечных системах теплоснабжения — это вода. Для сезонного аккумулирования теплоты перспективно использование подземных водоемов, грунта, скальной породы и других природных образований. В

крупномасштабных системах аккумулирования теплоты достаточно успешно используют железобетонные и стальные резервуары вместимостью до 100 тыс. м3.

Положительный опыт в сезонном аккумулировании теплоты накоплен в Швеции, где успешно эксплуатируются крупные гелиотеплонасосные системы теплоснабжения целых поселков. Однако для индивидуального потребления наибольший интерес представляют аккумуляторы теплоты для

56

небольших солнечных установок горячего водоснабжения и отопления. На рис. 5.8 показаны примеры конструктивного исполнения баков-

аккумуляторов вместимостью 200-500 л, применяемых в водонагревательных установках с естественной и принудительной циркуляцией.

Рисунок 5.8 – Аккумуляторы теплоты емкостного типа – водяной (а) и

галечный (б): 1 – теплообменник; 2 – холодная вода; 3 – горячая вода; 4 –

теплоизолированный бак; 5 – слой гальки; 6 – решетка; 7, 8 – подвод (отвод)

воздуха

Как правило, используется вертикальный стальной бак высотой, в 3-5

раз большей его диаметра, для обеспечения температурного расслоения воды.

Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловаты толщиной не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака,

контактирующая с водопроводной водой, должна быть защищена от коррозии. Для этого бак должен быть изготовлен из нержавеющей стали,

иметь эмалевое покрытие.

Баки — аккумуляторы теплоты могут иметь следующие конструктивные особенности: горизонтальные перегородки (рис. 5.9, а, г),

поплавковый клапан для подвода холодной воды (рис. 5.9, б) и трубу для ее поступления в нижнюю часть бака, теплообменник для подвода нагретой

57

воды от коллектора солнечной энергии (КСЭ) (рис. 5.9, б, г),

электронагреватель и теплообменник для отвода горячей воды в систему отопления (рис. 5.9, г).

Рисунок 5.9 – Баки-аккумуляторы теплоты: а – с подводом холодной воды снизу и внутренними перегородками; б – с поплавковым клапаном для

подвода холодной воды; в – с подводом теплоты от коллектора солнечной энергии (КСЭ) через теплообменник; г – секционированный бак с электронагревателем; 1 – теплоизолированный корпус; 2 – перегородка;

3 - подвод холодной воды; 4 – отвод горячей воды; 5 – поплавковый клапан; 6 – спускная труба; 7 – теплообменник; 8 – электронагреватель;

9 - теплообменник

Перегородки разделяют бак на секции с различными уровнями температуры воды по высоте так, что в верхней части бака вода имеет более высокую температуру по сравнению с нижней. Это повышает эффективность аккумулирования теплоты. В схемах а и б (см. рис. 5.9) теплоносителем в КСЭ служит вода, а в схемах в и г — антифриз, поэтому используется теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде.

58

Галечный аккумулятор теплоты

В солнечных воздушных системах теплоснабжения обычно применяются галечные аккумуляторы теплоты (рис. 1.30), представляющие собой емкости круглого или прямоугольного сечения, содержащие гальку размером 20-50 мм в виде насыпей из плотного слоя частиц. Аккумуляторы этого типа обладают рядом достоинств, но по сравнению с водяным аккумулятором в этом случае требуется больший объем. Галечный аккумулятор может располагаться вертикально или горизонтально.

Рисунок 5.10 – Общий вид галечного аккумулятора: 1 – крышка; 2 –

бункер; 3 – бетонный блок; 4 – теплоизоляция; 5 – сетка; 6 - галька

Горячий воздух, поступающий днем из солнечного коллектора в аккумулятор, отдает гальке свою теплоту, и таким образом происходит зарядка аккумулятора. При разрядке аккумулятора ночью или в ненастную погоду воздух движется в обратном направлении и отводит теплоту к потребителю. При одинаковой теплоемкости объем галечного аккумулятора теплоты в 3 раза больше объема водяного бака-аккумулятора.

5.3.5 Характеристики и свойства теплоаккумулирующих материалов

59

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень.

Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре-январе,

а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления (Q) необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а ее избыток накапливать в аккумуляторе теплоты. Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при краткосрочном аккумулировании и на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение сезонных аккумуляторов пока экономически нецелесообразно. В

целом же применение аккумулятора теплоты повышает эффективность гелиосистемы.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 °С и используются в системах воздушного

(30 °С) и водяного (30-90) °С отопления и горячего водоснабжения (45-60)

°С.

Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар,

теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется на-

копление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для под-

вода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химиче-

ских процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):

•аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения

60