Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.4.2. Тепловые каналы вакуумных солнечных коллекторов
В центральном канале вакуумных трубок помещается тепловой узел.
В солнечных трубчатых коллекторах применяются несколько типов тепловых узлов (другие названия:-тепловые каналы, тепловые трубки):
– U образные трубки прямого нагрева;
– коаксиальные трубки прямого нагрева;
– тепловая трубка «Heat pipe». (термотрубка испарение-конденсация).
Тепловой узел состоит из абсорбера и трубок по которым течет теплоноситель, в вариантах прямого нагрева и специальной тепловой трубе с легкоиспаряемой жидкостью, в варианте «Heat pipe».
Перьевые и цилиндрические абсорберы вакуумных трубок (сечения) представлены на рис. 18. Форма абсорберов и их крепление к трубкам с теплоносителем может быть любая.
Рис. 18. Перьевые и цилиндрические абсорберы тепловых трубок
На рис. 19 представлен вариант U-образной медной трубки прямого нагрева с цилиндрическим алюминиевым абсорбером.
Теплоноситель поступает в трубку прямого нагрева по каналу с холодной водой. Абсорбер, нагретый солнечными лучами в центральном канале коаксиальной стеклянной вакуумной трубы, передает тепло теплоносителю. Движение теплоносителя принудительное с помощью циркуляционного насоса.
Рис. 19. U образная трубка прямого нагрева с цилиндрическим абсорбером
На рис. 20 показана конструкция прямоточной коаксиальной трубки прямого нагрева с цилиндрическим и перьевым абсорберами. По внутреннему каналу трубки поступает холодная вода. Обратно, нагреваемая абсорбером вода, возвращается в распределительный узел.
Рис. 20. Прямоточная коаксиальная трубка в вариантах с цилиндрическим и перьевым абсорберами: 1 – стеклянная колба; 2 – вакуумная прослойка; 3 –медный абсорбер с высокоселективным покрытием; 4 – внутренний тепловой канал с теплоносителем (подающий); 5 – наружный тепловой канал с теплоносителем
Вариант «термотрубка «Heat pipe» работает по другому принципу. На рис. 21 показана конструкция с цилиндрическим абсорбером. Но применяются и термотрубки «Heat pipe» с перьевым абсорбером. На рис. 22 показана схема работы данного варианта тепловой трубки.
Рис. 21. Тепловая трубка «Heat pipe» с цилиндрическим абсорбером
Рис. 22. Схема работы тепловой трубки «Heat pipe»
Принцип работы состоит в следующем.
Внутри запаянной с концов трубки находится лекгоиспаряемая жидкость. В качестве такой жидкости может применяться дистиллированная вода. Если в трубке сделать давление ниже атмосферного, то температура кипения воды снижается и вода вполне может использоваться в качестве такой жидкости. Кроме того, вода, экологически абсолютно безопасная жидкость. Также, в качестве легкоиспаряемых жидкостей в тепловых трубках, используют ацетон и другие хладогенты.
Солнечная энергия нагревает абсорбер и тепловую трубку. При температуре около 30 °С происходит испарение жидкости (поглощение теплоты испарения). Тепловые трубки расположены вертикально, под углом не менее 20–30 градусов. При этом, пары жидкости поднимаются в верх трубки на конце которой расположен теплосборник (цилиндр увеличенного диаметра 14–24 мм), соединенный с поглотителем (полый медный цилиндр), расположенный в канале (манифолд) с теплоносителем системы отопления и ГВС. Теплосборник охлаждается поглотителем. В теплосборнике происходит конденсация пара легкоиспаряемой жидкости, сопровождающаяся выделением тепла, которое передается через поглатитель теплоносителю. Конденсированная жидкость под действием силы тяжести стекает обратно в нижнюю часть тепловой трубы. Процесс циркуляции пассивный, повторяющийся.
Манифолд – это устройство в виде металлического блока, который выступает в качестве теплосборника. К нему подсоединены вакуумные трубки, которые передают тепловую энергию через конденсатор, располагающийся в самом верху трубки. Манифольд и тепловые трубки закреплены на общей металлической раме.
Термосифонные трубки солнечных коллекторов
Коаксиальные вакуумные трубки с селективно-абсорбционным покрытием внутренней трубки могут также использоваться в солнечных коллекторах, использующих в своей работе термосифонный эффект. Более подробно данные системы будут описаны во второй части учебного пособия, поскольку, данный эффект не может существовать в отдельной трубке коллектора. Для его работы нужна система, состоящая из коллектора, интегрированного в накопительный бак. Холодная вода имеет более высокую плотность и находится в нижней части накопительного бака. К нижней части накопительного бака, под углом, присоединены вакуумные коаксиальные трубы, заполненные водой и составляющие с баком единый гидравлический объем. Поскольку, теплая вода имеет более низкую плотность, чем холодная, то, нагреваясь под воздействием солнечных лучей в коаксиальной трубке, теплая вода поднимается в бак, вытесняя холодную воду в трубку коллектора. Данный эффект циркуляции объемов воды с разной плотности называется термосифонным (естественной конвекции). В термосифонных системах бак должен быть расположен выше коллектора. Преимуществом данной схемы работы является то, то вода нагревается непосредственно в вакуумных трубках без промежуточных элементов, что повышает КПД системы. Главный недостаток- данная система безнапорная. Ее невозможно подключить к централизованной системе ГВС и отопления без дополнительных элементов (коллекторов съема тепла накопительного бака).