Жидкостной коллектор
Жидкостной коллектор
Основным элементом коллектора является поглощающая пластина (теплоприемник), которая задерживает солнечный свет, преобразует его в тепло и передает его теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашена в черный цвет. Для уменьшения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавливается прозрачное покрытие. Потери тепла с тыльной стороны теплоприемника уменьшают при помощи тепловой изоляции. Все эти элементы обычно помещаются в деревянные или металлические контейнеры.
- Теплоприемники солнечных коллекторов
- Типы теплоприемников солнечных коллекторов
- Конструкции солнечных коллекторов
- Замерзание солнечного коллектора
- Антифризы
Теплоприемники солнечных коллекторов
Обычно поглотители для жидкостных систем изготовляются из меди, алюминия или стали. При выборе материала для теплоприемника следует учитывать следующие факторы:
Наличие материала
Медь всегда имеется в наличии, но ее запасы на Земле сокращаются, а цены продолжают расти. Алюминий и сталь доступнее, но даже запасы алюминия постепенно истощаются.
Энергия и ресурсы, необходимые для производства
Поскольку наши энергетические запасы сокращаются, и экономия энергии становится все более жизненно важной для общества, выбор металла также производится с учетом количества энергии, необходимого для производства. Для производства алюминия, например, требуется значительно больше энергии на единицу веса, чем для производства стали.
На Земле просто не хватит меди для обеспечения каждого здания медным солнечным коллектором, даже если срок службы такого теплоприемника будет 50 лет, и медь затем пойдет в переработку. То же ограничение может оказаться справедливым и для алюминия. По сути дела, все металлы могут применяться только после тщательного рассмотрения возможных альтернатив. Системы, не требующие металлических теплоприемников, должны применяться, где только возможно.
Теплопроводность
Металлический теплоприемник можно не применять, если теплоноситель непосредственно соприкасается с любой поверхностью, на которую падает солнечный свет. Однако почти во всех применяемых сейчас жидкостных системах жидкость протекает обычно по трубам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло должно передаваться к трубам от тех участков пластины, которые не соприкасаются с теплоносителем. Если теплопроводность пластины недостаточно высока, то тело уйдет из коллектора прежде, чем оно будет подведено к трубам. Пластина из металлов с высокой теплопроводностью, например, из меди, может быть тоньше, а трубы на ней могут располагаться с большими промежутками. Наиболее теплопроводным металлом является медь, за ней следует алюминий. Чтобы получить аналогичные результаты при всех прочих равных условиях, алюминиевый лист должен быть вдвое, а стальной — в 9 раз толще медного.
Долговечность
Долговечность металлов ограничена действием коррозии. Медь противостоит коррозии лучше, чем алюминий или сталь, но при определенных условиях вода и антифриз могут вызвать коррозию всех этих металлов. Высокие рабочие температуры солнечных коллекторов также ускоряют коррозию. Тем не менее, существуют методы уменьшения влияния коррозии. Например, если теплоприемник осушается для предупреждения замерзания, то доступ воздуха в систему повышает потенциальную возможность коррозии. Таким образом, необходимо закрыть путь в систему кислороду воздуха, вызывающему коррозию.
Особые меры необходимо принимать для предупреждения коррозии алюминия; вода из плавательных бассейнов может вызвать протечку алюминиевых теплоприемников уже через несколько месяцев после монтажа. Сталь должна быть оцинкованной, либо нержавеющей. Коррозию также можно уменьшить путем добавления в воду или антифриз ингибиторов, содержащих соли хромовой кислоты. Рекомендуется применение мягкой воды с низким содержанием минеральных веществ и металлов. Внутренние поверхности алюминиевых труб или других каналов для жидкости можно обрабатывать при помощи процесса гальванического цинкования, но он довольно дорог и не везде возможен.
Наиболее критическим аспектом коррозии является показатель концентрации водородных ионов в растворе. Для алюминия pH = 6...7. Необходимо постоянно контролировать уровень pH, т.к. любое отклонение в меньшую (кислотное) или в большую (щелочное) сторону значительно увеличивает коррозию.
Все упомянутые методы обработки лишь снижают область коррозии, но не дают никакой гарантии успеха. Пока не решена проблема борьбы с коррозией, существует очень мало заменителей меди для жидкостных теплоприемников. В какой-то мере исключениями здесь являются стекло и волнистый алюминиевый или стальной лист с открытой поверхностью, примененные в системе д-ра Томасона. Неметаллические теплоприемники (стекло, пластмасса) не подвержены коррозии, но имеют более короткий срок службы.
Легкость в обращении
Вес теплоприемной пластины не является решающим фактором в конструкции солнечного коллектора, но он играет роль в простоте изготовления коллектора и обращении с ним. Общая масса коллекторов обычно составляет менее 25 кг/м2, где на долю теплоприемника приходится, как правило, около 5 кг/м2.
При работе с медью могут возникнуть затруднения, так как она твердеет (гартуется) при формовке и изгибании. Все металлические поверхности теплоприемников требуют тщательной очистки до нанесения черной краски на поверхность. Медь с большим трудом поддается окраске.
При креплении труб к теплоприемной пластине нужно учитывать трудности пайки или сварки. Припаивание медных труб к медным пластинам осуществляется сравнительно легко, а алюминий нельзя припаять или приварить к любому металлу без применения специальных средств, но достаточно успешно применяются механические соединения.
Рис. 1. Способ механического крепления медных труб к алюминиевому листу:
1 - ребро алюминиевого теплоприемника; 2 - медная трубка.
Стоимость
Стоимость теплоприемной пластины необходимо рассматривать совместно с тепловыми характеристиками. Эти характеристики для различных материалов показывают, что при существующих несоответствиях стоимости меди, алюминия, стали и нержавеющей стали, лучшим из них следует считать алюминий. К сожалению, совершенно не решенные проблемы борьбы с коррозией алюминия препятствуют его широкому использованию.
Типы теплоприемников солнечных коллекторов
Существуют три основных конструкции, обеспечивающие контакт жидкости с теплоприемником с целью отбора тепла:
Рис. 1. Плоский коллектор с открытым потоком:
1 - отверстия; 2 - гидравлический коллектор; 3 - от аккумулятора; 4 - к аккумулятору; 5 - сборный коллектор; 6 - волнистая кровля, окрашенная в черный цвет (или зачерненный волнистый алюминий).
Метод д-ра Томасона имеет много преимуществ. При низких температурах (ниже 45°С) характеристики этого теплоприемника конкурентоспособны с характеристиками трубчатых конструкций, однако его КПД резко падает при более высоких температурах. Несомненным достоинством такого теплоприемника является то, что он самосливной и не требует защиты от коррозии или замерзания. Холодная вода из бака подается насосом в гидравлический коллектор в верхней части конструкции. В этой коллекторной трубе просверлены отверстия диаметром 0,8 мм, расположенные напротив впадин волнистого листа. Нагретая вода собирается в желоб у основания конструкции и самотеком поступает обратно в бак- аккумулятор.
На рис. 2 изображен теплоприемник типа труба в листе. Трубы формуются в таком теплоприемнике при соединении двух листов. Схема расположения труб выдавливается на листах до процесса сварки; образование труб происходит при раздутии под давлением. В случае применения стали, два листа соединяются методом точечной сварки, жидкость будет проходить через зазор, образовавшийся между листами.
Рис. 2. Раздутый плоский солнечный металлический коллектор:
1 - сварные точки; 2 - поток; 3 - торцовые швы, полученные контактной сваркой.
Поверхности теплоприемника (внешняя) и прозрачные покрытия над ней должны рассматриваться одновременно. Их функции сходны, и выбор покрытий связан с типом поверхности теплоприемника. Например, применение селективной поверхности в сочетании с одним прозрачным покрытием является более эффективным, чем черной краски на плоской поверхности с двумя покрытиями.
Главная функция поверхности теплоприемника заключается в увеличении процента поглощаемой энергии солнечного света. По определению, абсолютно черное тело является превосходным поглотителем излучения; волны всех длин при любом угле падения будут поглощаться абсолютно черным телом. Однако реальные тела всегда будут отражать часть излучения, причем в возрастающей степени при увеличении угла падения.
Абсолютно черное тело является также превосходным излучателем тепловой радиации. Хотя в природе не существует совершенных излучателей, большинство черных цветов поглощает столько же энергии, сколько они одновременно и излучают - 90...95%. Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового излучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется «селективной поверхностью».
К сожалению, селективные поверхности пока еще дороги. Однако для обычных целей можно использовать черную матовую краску. Прежде всего, поверхность теплоприемника должна быть тщательно очищена, для этой цели можно прибегнуть даже к кислой ванне. Различные черные краски можно проверить путем измерения температур поверхностей, покрытых этими красками и находящихся под солнечными лучами.
Остекление
Термин «остекление» является общим обозначением довольно большой группы прозрачных материалов, которые применяются для ограждения поверхности теплоприемника. Солнечный свет проникает через прозрачный (для солнечного света) материал, попадает на теплоприемную поверхность, поглощается ею и превращается в длинноволновое инфракрасное излучение. Ранее прозрачный материал теперь в определенной мере непрозрачен для длинных волн, и тепло удерживается внутри.
В качестве испытанного покрытия стекло является одним из наиболее предпочтительных материалов. Оно:
Недостатки стекла:
При использовании стекла необходимо предусмотреть возможность для термического расширения и сжатия внутри рамы при одновременном обеспечении герметичности против инфильтрации влаги и воздуха. Оно не должно непосредственно контактировать с металлом из-за возможного перегрева. Стекло также выбирают по условию минимального содержания железа для увеличения светопропускания.
В системах с двойным остеклением промежуток между слоями должен вентилироваться для удаления воды в результате возможной протечки и конденсации влаги.
Количество покрытий
Выбор количества покрытий является исключительно важным фактором. Вообще, чем ниже требуемая температура коллектора, тем меньше нужно покрытий. Например, подогреватели воды в плавательных бассейнах могут совсем не нуждаться в покрытии.
Чем больше число покрытий, тем больше они поглощают и отражают солнечной энергии и тем меньшая доля энергии солнечного света достигает поверхности теплоприемника. Это особенно проявляется при острых углах падения. Чем ниже температура наружного воздуха, тем большее число покрытий требуется для получения нужных рабочих температур коллектора без снижения его КПД.
При использовании коллектора для ночного радиационного охлаждения, при котором теплоноситель циркулирует через коллектор, охлаждаясь вследствие излучения в окружающее пространство, никакого стеклянного покрытия не требуется.
Дополнительное покрытие может обеспечить более высокий КПД, но дополнительная стоимость установки может не оправдать его применения. Помимо монтажа покрытия существуют дополнительные издержки на аккумулирование тепла. Два покрытия обеспечат более высокую температуру аккумулятора, повысив величину эффективной емкости аккумулятора без увеличения затрат на установку; одно стеклянное покрытие может привести к увеличению размеров не только аккумулятора, но и элементов всей системы отопления, чтобы обеспечить эффективность работы при более низких температурах аккумулятора.
Хоттел утверждает: "Оптимальное число слоев стекла тем больше, чем выше требуемая рабочая температура черной пластины. Для бытового горячего водоснабжения оптимальным обычно будет один слой. Для отопления помещения обычно оправдано применение двух слоев стекла".
Конечно, это только приблизительные указания. Реальное решение должно основываться на стоимостных и других соображениях:
Зазор между покрытиями выбирается главным образом исходя из его влияния на КПД коллектора и стоимости монтажа. КПД коллектора зависит от тени, отбрасываемой переплетом покрытия на поверхность поглотителя, и от
разницы изолирующих способностей воздушного промежутка разной толщины; наиболее эффективны промежутка 12...25 мм.
Селективные покрытия
Идеальной поверхностью теплоприемника будет та, которая не отражает коротковолнового светового излучения (она его полностью поглощает) и полностью отражает длинноволновое излучение (совершенно его не излучает). Такая идеальная поверхность называется «селективной поверхностью».
Эффективность селективной поверхности измеряется:
Применение селективно-поглощающих покрытий — наиболее эффективный способ повышение КПД плоских коллекторов. Самый распространенный тип селективных покрытий — тонкие пленки на металлической основе, поглощающие видимый свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). К ним относятся покрытия из черного хрома и черного никеля, наносимые электрохимическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности.
Селективные покрытия оцениваются по:
Каждое покрытие предназначено для нанесения на определенный материал (покрытие, пригодное для меди, необязательно годится для алюминия). Стоимость является важным фактором, поскольку применение селективных покрытий либо снижает затраты на другие элементы коллектора (например, устраняет необходимость в двойном остеклении), либо значительно улучшает характеристики коллектора (а это оправдывает затраты) путем повышения рабочей температуры, получаемой от коллектора, или путем увеличения общего количества поглощаемой энергии.
Покрытие черным хромом наиболее перспективно для получения требуемых оптических свойств и высокой термической стабильности. Но плотность электрического тока при нанесении черного хрома почти в 100 раз выше, чем для черного никеля, отсюда и высокая стоимость селективных поверхностей с черным хромом.
Не все селективные покрытия легко доступны. Иногда эти трудности связаны с высокими транспортными расходами до завода, где наносится покрытие, и обратно до потребителя. Ограничивает их применение и сложный процесс нанесения, требующий контроля качества. Обычными методами нанесения покрытий являются ванны:
Долговечность является ключевым фактором при выборе типа покрытия. Среди разрушительных факторов следует отметить:
Примерное сравнение характеристик черных матовых красок и селективных покрытий представлено на рис. 3.
Рис. 3. Влияние свойств покрытия теплоприемника и кратности остекления на КПД коллектора:
Сплошная линия - черная матовая краска;
Пунктир - селективное покрытие;
0 - отсутствие остекления;
1 - однослойное остекление;
2 - двухслойное остекление;
3 - трехслойное остекление.
Теплоприемник с черной матовой поверхностью и двумя прозрачными покрытиями имеет примерно те же характеристики, что и с селективным покрытием и одним стеклом. При температурах коллектора ниже 65°С второе стекло поверх селективной поверхности существенно не влияет на рабочие характеристики коллектора. Однако при температурах достаточно высоких для приведение в действие абсорбционного охлаждающего оборудования (80°С), может потребоваться второе покрытие. При низких рабочих температурах (ниже 40°С), с другой стороны, применение селективного покрытия может не приводить к повышению КПД. В настоящее время затраты на селективные покрытия лишь иногда вызывают увеличение общей стоимости.
Конструкции солнечных коллекторов
Прототип солнечного коллектора показан на рис. 1.
Рис. 1. Солнечный коллектор с двумя стеклянными покрытиями и медным теплоприемником типа труба в листе:
а - коллектор;
б - разрез коллектора: стекло не должно содержать железа, пропускательная способность через один слой должна быть более 90%;
1 - поток воды в следующий коллектор; 2 - поток воды из предыдущего коллектора; 3 - два стеклянных покрытия; 4 - медный теплоприемник с верхней поверхностью, окрашенной в черный цвет; 5 - паяное соединение; 6 - стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм; 7 - медные трубы;
8 - алюминиевая накладка, закрывающая заполненный мастикой промежуток между коллекторами; 9 - медная пластина толщиной 0,5 мм; 10 - стекло толщиной до 5 мм; 11 - стекло толщиной 3,2 мм; 12 - окрашено в черный цвет; 13 - зазор; 14 - пайка; 15 - медная труба диаметром 12,5 мм; 16 - алюминиевая фольга; 17 - крепежные накладки; 18 - изоляция (110 мм); 19 - стропила размером 50Х200 мм с расстоянием между центрами 610 мм; 20 - пространство, вентилирующееся летом для охлаждения потока; 21 - изоляционная плита.
На рис. 2 показаны три схемы расположения труб:
Рис. 2. Конфигурация типа труба в листе:
1 - трубы под пластиной; 2 - трубы над пластиной; 3 - трубы, объединенные с пластиной.
Остин Уиллер исследовал эффект теплопроводности соединений и сделал вывод, что стальные трубы не уступают медным, если соединение между трубой и пластиной имеет хорошую теплопроводность. Теплопроводность соединений может находиться в пределах от 1,7 кВт/(м*°K) для надежно припаянной трубы, до 5,5 кВт/(м*°K) для плохо закрепленной или ненадежно припаянной трубы. Штампованные пластины с трубными профилями являются наилучшим вариантом по своим характеристикам, но они требуют оборудования для массового производства, чтобы получить экономический эффект.
Система Солярис Гарри Томасона, в которой вода стекает по поверхности волнистого листа из алюминия или оцинкованной стали, не сталкивается со многими проблемами замерзания, которые связаны с коллекторами трубчатого типа. Детали конька и водосточного желоба его системы показаны на рис. 3. Два варианта теплоприемника типа труба в листе показаны на рис. 4, 5. В обоих коллекторах тыльная сторона теплоприемной пластины изолирована пенополиуретаном.
Рис. 3. Детали коллектора Солярис Гарри Томасона:
1 - алюминиевый фартук; 2 - полоска из резины или винила; 3 - резиновая или виниловая прокладка; 4 - стекло (один или два слоя); 5 - медная труба диаметром 12,5 мм, отверстия диаметром 0,8 мм; 6 - волнистый алюминиевый лист; 7 - стекловолокнистая изоляция; 8 - кровля; 9 - обрешетка; 10 - стропила; 11 - стекло; 12 - желоб коллектора.
Рис. 4. Прототип дешевого плоского солнечного коллектора:
1 - воздушный промежуток; 2 - каналы для хладагентов; 3 - стеклянное покрытие; 4 - опорные стойки для стеклянного покрытия; 5 - эластомерное уплотнение; 6 - селективное покрытие; 7 - опорный выступ 6,3 мм; 8 - отражающее покрытие (необязательно); 9 - тепловая изоляция.
Коллектор, показанный на рис. 5, сам по себе является конструктивным элементом. Он может заменить собой любой элемент типовой крыши, в том числе стропила, утеплитель и кровлю. Теплоприемник состоит из двух сваренных друг с другом листов металла; высокое давление в трубах требует высококачественного сварного шва.
Рис. 5. Солнечный коллектор в сборе:
1 - стеклянное покрытие; 2 - теплоприемная поверхность коллектора; 3 - изоляция.
Один из первых промышленно выпускаемых солнечных коллекторов для отопления зданий в США был спроектирован в 1973 г. Эвереттом Барбером (Гилфорд, Коннектикут). Первые варианты, показанные на рис. 6 и 7, были применены в нескольких домах. Так называемый встроенный модуль был предназначен для установки между стропилами, заменяя собой утеплитель, обрешетку и кровлю. На смену этой модели пришел наружно монтируемый модуль, который размещается на обычной крыше, обеспечивая жесткость здания и необходимую защиту от проникновения воды.
Рис. 6. Коллектор, устанавливаемый вместо участка крыши; конструкция фирмы Сануоркс корпорейшн:
1 - болт-шайба; 2 - сплошная накладка стропильной балки; 3 - неопреновая прокладка; 4 - стекло; 5 - уплотнение; 6 - желоб; 7 - селективное покрытие; 8 - труба; 9, 10 - изоляция; 11 - стропило; 12 - штампованный металлический кожух; 13 - пароизоляция.
Рис. 7. Детали: модуль, смонтированный вместо участка крыши; конструкция фирмы Сануоркс корпорейшн:
1 - слой изоляции; 2 - к горизонтальной трубе; 3 - обратная труба; 4 - селективное покрытие; 5 - труба; 6 - стропило; 7 - питающая труба.
Барбер считает, что проверенные и испытанные материалы дают наилучшие долговременные результаты и, следовательно, лучшую долговременную окупаемость. Трубы для теплоносителя и пластина теплоприемника, к которой они припаяны, полностью выполнены из меди.
Этот вариант обеспечивает долгий срок службы по сравнению с любым другим материалом, имеющимся в настоящее время для теплоприемника такого типа. На медный лист наносится селективный слой, а поверх устанавливается стеклянное покрытие. Все устройство помещается в контейнер из листового металла. Независимые испытания, проведенные НАСА и другими организациями, показывают, что этот коллектор имеет очень хорошие рабочие характеристики в широком диапазоне температур.
Фирма ППДжи индастриз выпустила более дешевый коллектор, правда, несколько худшего качества (рис. 8 и 9). В этой конструкции для пластины теплоприемника был применен алюминий.
Рис. 8. Прототип солнечного коллектора фирмы ППДжи индастриз:
а - конструкция теплоприемника;
1 - закаленное стекло Геркулит 3,2 мм; 2 - алюминиевый теплоприемник; 3 - изоляция; 4 - трубы, наружный диаметр 12,7 мм; 5 - два слоя закаленного стекла Геркулит толщиной 3,2 мм; 6 - воздушный промежуток; 7 - панель теплоприемника толщиной 1,5 мм из алюминия типа 1100 (типичная конструкция устройств с двойным промежутком).
Рис. 9. Прототип солнечного коллектора фирмы ППДжи индастриз с необязательным тыльным защитным кожухом:
1 - изолента; 2 - закаленное стекло Геркулит толщиной 3,2 мм; 3 - воздушный промежуток 9,5 мм; 4 - алюминиевый теплоприемник; 5 - стекловолокнистая изоляция; 6 - оцинкованный кожух, предохраняющий изоляцию.
С другой стороны, панель ППДжи индастриз имеет очевидные преимущества. Вместо труб, прикрепленных к листу, алюминиевый теплоприемник имеет уже отформованные в нем трубы (технология Ролл-Бонд). Поверхность теплоприемника покрыта черной матовой краской, а не селективным слоем, имеет два покрытия из закаленного изолирующего стекла Геркулит К фирмы ППДжи индастриз. Эти узлы выпускаются в разных вариантах: с изоляцией или кожухом с тыльной стороны теплоприемника или же без них. Сейчас в основном производстве фирма ППДжи индастриз все же переключилась на выпуск медных теплоприемников.
На рис. 10 показана конструкция коллектора, разработанная фирмой Сан-Эрс, инк.. Его отличительной чертой является то, что, горизонтальная труба встроена в коллектор.
Рис. 10. Конструкция коллектора фирмы Сан-Эрс Констракшн Ко.:
1 - наружное стекло; 2 - неопреновая прокладка для остекления; 3 - внутреннее стекло; 4 - теплостойкая лента для остекления; 5 - пластина с циркулирующим теплоносителем; 6 - распределительная труба; 7 - гибкий шланг; 8 - хомут шланга; 9 - уплотняющая прокладка и сиккатив; 10 - жесткая стекловолокнистая изоляция; 11 - пароизоляционная подкладка; 12 - слой герметика; 13 - штампованная алюминиевая рама; 14 - опорная конструкция (из дерева или другого материала).
Солнечный коллектор Соларсан, показанный на рис. 11, был разработан Уильямом Эдмондсоном, редактором ежемесячного информационного бюллетеня по солнечной энергии Солар энерджи дайджест. Хотя коллектор был задуман как солнечный водонагреватель, его легко можно приспособить к системе отопления здания. Действительно, поскольку им предполагалось заменить часть крыши, разумнее построить этот коллектор размером во всю крышу, используя его как для отопления, так и для приготовления горячей воды. Так как стоимость нескольких компонентов можно сравнить с крышей, реальная стоимость материалов коллектора может быть сравнительно невелика.
Рис. 11. Солнечный водонагреватель Соларсан Уильяма Эдмундсона:
1 - алюминиевые кровельные гвозди; 2 - стекловолокнистая панель Тедлар или эквивалентный материал; 3 - рейка для забивки гвоздей; 4 - скобы; 5 - фильтрующий материал (необязательно); 6 - медные трубы; 7 - зеркальная мягкая алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм или более; 8 - стекловолокно типа 703 или 704; 9 - фольга или специальная бумага; 10 - деревянный настил крыши.
Замерзание солнечного коллектора
Замерзание воды в трубах солнечных коллекторов является одной из самых распространенных причин их повреждений.
Способы предотвращения замерзания воды в солнечных коллекторах
Способ 1: естественный слив воды
Когда коллекторные насосы перестают работать, вся вода из солнечного коллектора и трубопроводов свободно стекает в аккумуляторный бак. Необходимо выбрать правильный уклон системы труб. Следует также иметь в виду, что вследствие провисания труб (от их растяжения или в результате воздействия внешних факторов) может быть нарушен сток воды. В самой верхней точке системы нужно установить воздушный клапан, а внутри резервуара сделать отверстие для выпуска воды, обеспечивающее водосбор.
Способ 2: принудительная циркуляция воды
При появлении опасности замерзания воды в коллекторе принимают меры по предотвращению этого явления путем включения циркуляционного насоса (при постоянном контроле температуры тепловоспринимающей панели). В этом случае тепловые потери велики. При выключении тока насос перестает работать и принудительная циркуляция останавливается.
Способ 3: использование антифризов
Этот способ является наиболее падежным. Недостаток его в том, что необходим теплообменник, снижающий общий КПД системы.
Способ 4: принудительная откачка воды
При появлении опасности замерзания воды необходимо отключить систему коллекторных труб аккумуляторного бака и при помощи электромагнитного или низкотемпературного клапана выпустить всю воду.
Поскольку замерзание воды вызывает очень серозные повреждения солнечного коллектора, необходимо одновременно с использование антифризов принимать и другие меры предосторожности. Для контроля температуры воды следует установить в систему солнечного коллектора термостат.
Антифризы
В солнечные летние дни панели плоских солнечных коллекторов с селективно-поглощающей пленкой нагреваются свыше 180°C, а температура вакуумированных трубчатых коллекторов поднимается до 250°C. При таких температурах возможно вскипание теплоносителя, начинается вибрация солнечных коллекторов, и иногда жидкость выливается наружу. Если при выключении тока и ремонте солнечного коллектора в трубах остается воздух, то при включении тока в коллекторе и трубах произойдут разрушения.
Когда падает нагрузка потребления, возникают излишки тепла в аккумуляторных баках. При этом появляется ряд новых проблем:
Для предотвращения возможных нарушений в системе следует установить механизм отключения коллекторных насосов на случай повышения температуры сверх установленной нормы. Необходимо также принять во внимание возможность перегрева коллектора при отсутствии отвода тепла.
Применение антифризных растворов имеет как преимущества, так и недостатки.
Преимущества применения антифризов
1. В коллекторном контуре двухконтурной системы можно использовать насосы с малыми оборотами.
2. Обычно антифризы применяют вместе с антикоррозионными добавками; в этом случае в качестве материалов для изготовления солнечных коллекторов и трубопроводов можно использовать дешевые марки стали.
3. В системах солнечного отопления и горячего водоснабжения существуют 2 отдельных контура, разделяемых в теплообменнике, поэтому, выбрав подходящую по давлению часть контура, можно легко подключиться к водопроводной сети.
4. Не существует опасности замерзания, нет особых ограничений в градиенте температур по длине труб (для слива антифризов в нижней части системы следует установить дренажный кран).
Недостатки применения антифризов
1. Необходимо установить теплообменник. По сравнению с непосредственным обогревом температура теплоносителя должна быть выше, при этом КПД солнечного коллектора падает и выработка тепла в течение года уменьшается на 10...20%.
2. Для системы горячего водоснабжения используются антифризы на основе пропиленгликоля. Как правило, растворы одних изготовителей нельзя смешивать с растворами других изготовителей. По мере уменьшения их содержания в трубопроводах антифризы нельзя пополнять водой.
3. При использовании антифризных растворов необходимо учитывать возможность их испарения, разжижения, вскипания или просто ухудшения качества. В этой связи требуется надежная система контроля.
4. У антифризов по сравнению с водой теплоемкость и теплопроводность ниже, а вязкость выше, поэтому необходимо при их использовании устанавливать теплообменник значительно большего размера. В утренние часы, когда температура воздуха невысокая и вязкость антифриза относительно велика, требуются большие усилия по перекачке растворов, т.е. увеличивается нагрузка насоса. Днем температура воздуха растет, и насос работает в облегченном режиме.
5. Стоимость антифризов высока.
6. Если емкость расширительного бака недостаточна, то при отключении тока в коллекторе возможно вскипание раствора и выливание жидкости из расширительного бака.
Существуют антифризы, в состав которых входит водный раствор этиленгликоля, употребляемый для автомобилей, а также антифризы на основе водного раствора пропиленгликоля.
В водный раствор этиленгликоля добавляют антикоррозийные токсичные добавки на основе солей азотистой кислоты. Такие антифризы можно использовать лишь в системах солнечного отопления.
Водный раствор пропиленгликоля почти не содержит вредных веществ и его можно использовать даже в системе горячего водоснабжения.
Если для получения антикоррозийных добавок используются нетоксичные вещества, то антифризы можно применять в системах с обычными теплообменниками.
Пользоваться антифризными растворами следует очень осторожно, поскольку в зависимости от концентрации меняется температура их замерзания. Например, температура замерзания водного раствора пропиленгликоля при 30%-ной концентрации составляет -11°C, а при 40%-ной — -20°C. При проектировании системы солнечного отопления следует помнить, что температура воздуха будет влиять на выбор необходимой концентрации антифризных растворов.
Интересно почитать