Юрий Почанин – Применение солнечных коллекторов (страница 5)

Функция вакуумированных трубок солнечного коллектора – поглотить солнечное излучение и не дать выйти в окружающую среду. Тепловая энергия может покинуть рабочую часть вакуумного солнечного коллектора двумя способами – за счет прямой теплоотдачи и в виде ИК-излучения. Полость между стеклянными стенками практически полностью исключает возможно прямой отдачи тепла, в вакууме нет молекул веществ, которые могли бы осуществить его перенос. Селективное покрытие (абсорбент) обеспечивает поглощение солнечной энергии и не позволяет ей выйти наружу. Существуют разные типы таких покрытий, отличающиеся поглощательной и излучательной способностью.

Основным узлом любого солнечного вакуумного водонагревателя или солнечного вакуумного коллектора является батарея вакуумных трубок. Существуют шесть основных типов вакуумных трубок. В зависимости от типа вакуумной трубки различается и физический принцип нагрева воды в баке солнечного водонагревателя или в манифолде солнечного коллектора.

1.Вакуумные трубки коаксиального типа. Коаксиальная вакуумная трубка солнечного коллектора – сосуд Дьюара, выполненный в виде тонкостенных стеклянных коаксиальных трубок, запаянных с торца. Из пространства между стенками труб выкачан воздух. Конструкция вакуумной трубки солнечного коллектора представлена на рис.13.

Рис.13 Продольный разрез коаксиальной вакуумной трубки

Свободный конец внутренней трубки поддерживается держателем, выполненным из нержавеющей стали.

Требования к вакуумным трубкам солнечных коллекторов:

–стекло должно иметь высокую прочность;

–высокую света пропускную способность;

–устойчивость к старению при высоких температурах;

–сохранять в течение длительного времени высокий уровень вакуума;

–иметь индикаторы уровня вакуума.

Трубки вакуумных коллекторов выполнены из чрезвычайно крепкого боросиликатного стекла, которое выдерживает удары града, падающего со скоростью 18 м/с диаметром до 35 мм. Боросиликатное стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4–2,7 нм, – весь спектр теплового излучения. Толщина стенок у разных производителей разная и составляет около 1,7 мм для внешней трубы и 1,5 мм для внутренней. Массово выпускаются несколько типоразмеров труб, наиболее популярны вакуумные трубы длиной от 1,5 до 2,0 м с внешним диаметром 57 и 75 мм, но есть и трубы с внешним диаметром 150 мм. Зазор между трубами составляет около 3,5 мм. Основные типоразмеры диаметров колб – 70, 58, 48, 37 мм, длина колб – 1500, 1800, 2100 мм. Чем больше диаметр трубки и ее длина, тем больше площадь абсорбции и выше теплотворность трубки. Колбы вакуумной трубки выполнены из прочного боросиликатного стекла, стойкого к граду и механическим повреждениям.

На поверхности внутренней колбы наносится специальное многослойное селективное покрытие, которое позволяет утилизировать в тепло 92–96% спектра солнечного излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового). Первый слой – это теплопередающий слой напыления меди, М–AL–N/Cu, который имеет низкий коэффициент эмиссии и высокую теплопередачу через внутреннюю стеклянную стенку к теплоносителю. Второй слой (антиэмиссионный), это пленка нитрида алюминия Al–N–Al служит для предотвращения перекрестной миграции энергии. Этот слой позволяет меди первого слоя нагреваться до температур свыше 400 °С за счет предотвращения потерь тепла. Третий слой металлокерамический (высокоселективный абсорбирующий) – напыление нитрида алюминия AL–N/M–AL–N распыленных одновременно в газовой смеси аргона и азота для получения покрытия, которое поглощает солнечное излучение с очень низкой теплоотдачей. Чаще всего на рынке представлены трубки с 3-слойным покрытием, потому что 7-ми и 9-тислойное покрытие существенно удорожает стоимость трубок, а выигрыш дает всего на 2–3 процента. На рынке РФ трубки из-за покрытия имеют темно-синий цвет. В Китае и ЮВА более распространены трубки с покрытием серо-стального или серо-розоватого цвета. После откачки воздуха из меж стеночного пространства перед запаиванием носика колбы внутрь впрыскивается соль бария, которая образует на внутренней стенке колбы зеркальный слой. Этот зеркальный слой и является индикатором вакуума рис.14. Стандартный уровень вакуума в межтрубном пространстве коаксиальных труб составляет 5х1х10–³ Па. При нарушении вакуума в трубке зеркальный слой превращается в мутный молочно-белый. Стенки стеклянных цилиндров имеют различную толщину: внешняя колба более прочная – 1,8±0,15мм, внутренняя колба – 1,6±0,15мм. Цилиндры вставлены один в другой и запаяны в верхней части (устье) трубки. Противоположный конец внутренней колбы удерживает в центре пружиной с четырьмя лепестками. Верхние концы (устья) вакуумных трубок вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и образуют с ним одну ёмкость. Принцип действия – термосифон между вакуумными трубками и баком- термосом водонагревателя. Теплоноситель системы – вода. Тип циркуляции – пассивный. Абсорбционный слой на поверхности внутренней колбы утилизирует солнечную энергию и нагревает стекло колбы, вода в вакуумной трубке нагревается от стекла, и она естественным образом поднимается вдоль верхней стенки колбы и поступает в бак- термос, одновременно более холодная вода из бака-термоса поступает вдоль задней стенки колбы в вакуумную трубку. Таким образом, происходит циркуляция воды внутри системы.

Рис.14 Зеркальный слой – индикатор вакуума

1.Спаренные коаксиальные трубки. Принцип работы такого теплоприемника как у предыдущего, за одним исключением – к одному теплообменнику присоединены две медных трубки с жидкостью. Спаренная система позволяет более эффективно отбирать тепло, а большая емкость и площадь стенок теплообменника – быстро нагревать воду. Вакуумные коллектор со спаренной коаксиальной системой устанавливают там, где необходимо:

–обеспечить небольшой подогрев больших объемов воды;

–есть потребность в тепловой энергии на протяжении солнечного дня;

–высокий средний уровень инсоляции;

–происходит быстрая прокачка воды через систему.

2. Вакуумные трубки двойного вакуумирования (double vacuum tube (сокращенно DVT) или super vacuum tube) представляют собой колбу термоса (колба в колбе) как и первый тип, Отличием является то, что из внутренней колбы тоже откачан воздух до 1х10–⁴ Па и внутрь залито 20 мл легкоиспаряющейся жидкости (аналог пропилен гликоля), рис.15. На устье вакуумной трубки наварен стеклянный теплообменник-конденсатор длинной 150 мм и диаметром как внутренняя колба вакуумной трубки. Толщина стенок стеклянных колб, марка стекла, внешние типоразмеры у вакуумных трубок всех типов одинаковые, как и у вакуумных трубок первого типа. Верхние запаянные концы вакуумных трубок (с теплообменником) вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и не образуют с ним одну ёмкость. Теплоноситель системы – легкоиспаряющаяся жидкость, находящаяся во внутренней колбе. Тип циркуляции – пассивный. Принцип действия – прямой теплообмен между теплообменником-конденсатором вакуумной трубки двойного вакуумирования (DVT) и водой в баке-термосе. Легкоиспаряющаяся жидкость в вакуумной трубке нагревается внутренней стеклянной колбы, которая нагревается от солнца, и при +35°С начинает испаряться. Пар поднимается и поступает в верхнюю часть вакуумной трубки, где расположен конденсатор-теплообменник, там контактируя через стекло с водой в баке- термосе, отдает тепло, конденсируется и стекает вниз в вакуумную трубку. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена. Таким образом, происходит нагрев воды внутри бака-термоса. Прямого контакта между теплоносителем и водой нет. Показатель максимального КПД (оптического КПД "η_o") солнечного водонагревателя с вакуумными трубками DVT достигает 90–92%.

Рис.15 Трубки двойного вакуумирования

3. Вакуумные трубки типа «Heat Pipe». являются продолжением развития вакуумных трубок первого типа с включением элементов с теплопроводностью выше, чем стекло и вода, рис.16.

Рис.16 Вакуумная трубка типа "Heat pipe"

1-внешняя стеклянная колба, 2-высокоселективное поглощающее покрытие, 3-алюминиевая пластина-пружина, 4-вакуумная прослойка, 5-тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью, 6-внутренняя стеклянная колба.

В верхней части колба закрыта пробкой с отверстием в центре диаметром 8 мм. Внутри вакуумной трубки «Heat Pipe» помещена медная трубка диаметром 8 мм, запаянная с обоих концов, и имеющая на верхнем конце расширение до 14 мм или 24мм (конденсатор-теплообменник). Внутри медной трубки находится теплоноситель – легкоиспаряющаяся жидкость, имеющая температуру кипения +35°С. Тип циркуляции – пассивный. Медная трубка располагается в центре внутренней стеклянной колбы при помощи алюминиевой пластины-пружины, которая передает тепло от внутренней колбы к медной трубке. Принцип действия – прямой теплообмен между конденсатором-теплообменником и водой в баке-термосе или антифризом в манифолде. Стеклянная стенка внутренней колбы нагревается от абсорбционного слоя и передает тепло алюминиевой пластине-пружине, которая удерживает медную трубку в центре колбы. От алюминиевой пластины тепло передается медной трубке. Легкоиспаряющаяся жидкость в вакуумных трубках «Heat Pipe» нагревается от стенок медной трубки, и при +35°С начинает испаряться.