Состояние вопроса

Солнечные коллекторы (СК) предназначены для получения горячей воды путём преобразования энергии солнечного излучения в тепло. Горячая вода, полученная в СК, применяется в основном в бытовых целях как индивидуальными потребителями, так и предприятиями малого бизнеса. Использование этого возобновляемого источника энергии как солнечное излучение обеспечивает экономию традиционных энергоресурсов (разные виды топлива и электроэнергия).

Использование СК наиболее эффективно в южных регионах страны, то есть в климатических районах, характеризующихся стабильным приходом солнечной радиации в течение достаточно длительного периода, хотя в ряде случаев их применение выгодно в центральных и даже северных районах в летний период. Солнечные водонагреватели устанавливаются на горизонтальной поверхности земли или кровли, а также на наклонной крыше здания. Рабочие поверхности СК должны быть ориентированы на юг с отклонением от южного направления в пределах 15°. Угол наклона СК к горизонту при установке является фиксированным, и его величина выбирается в зависимости от географической широты местности и предполагаемой длительности сезона эксплуатации [1-3]. Вместимость бака для горячей воды в СК обычно принимается достаточной для обеспечения потребностей семьи из двух-четырёх человек и составляет от 100 до 300 л.

В этой статье рассматриваются варианты конструкций бытовых солнечных водонагревателей с естественной (термосифонной) циркуляцией нагреваемой воды типа коллекторов ёмкостного типа, или «коллекторов-аккумуляторов» (КА). Отличием водонагревателей этого типа является то, что в одной конструкции совмещены функции как солнечного коллектора, в котором вода нагревается, так и бака-аккумулятора, в котором нагретая вода накапливается и хранится до момента использования потребителем. Эти нагреватели наиболее известны и просты, с них начиналось производство солнечных водонагревателей во многих странах, и они по-прежнему продолжают выпускаться в настоящее время [3-7].

Водонагреватели типа КА обычно выполняются в виде одной или нескольких соединённых между собой ёмкостей (баков), заполняемых нагреваемой водой. Для ускорения прогрева воды эти ёмкости имеют на облучаемой солнечным излучением стороне специальное чёрное лакокрасочное или так называемое «селективное» покрытие, хорошо поглощающее это солнечное излучение. Для снижения тепловых потерь в окружающую среду при нагреве и хранении горячей воды бак (или баки) устанавливают в коробчатый корпус, имеющий теплоизоляцию с нижней и боковых сторон, а сверху — от одного до трёх слоёв прозрачной изоляции [1-5].

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 1

Водонагреватели типа «коллектор-аккумулятор» обычно выполняются в виде одной или нескольких соединённых между собой ёмкостей (баков), заполняемых нагреваемой водой

Практически КА можно представить как обычный плоский солнечный коллектор с резко увеличенным (в 10-100 раз) внутренним объёмом поглощающей панели. К достоинствам КА следует отнести низкую стоимость, меньшую массу, простоту и надёжность конструкции, монтажа и эксплуатации по сравнению с другими типами солнечных водонагревателей, в которых бак-аккумулятор и коллекторы выполнены раздельно. Основным недостатком КА является высокий уровень тепловых потерь через прозрачную изоляцию в ночное время, поскольку наиболее нагретая вода контактирует с поверхностью бака, обогреваемой днём солнечным излучением, но теряющей тепло при его отсутствии.

Целью нашей работы является выбор конструкции сравнительно дешёвого, надёжного и эффективного КА, могущего удовлетворить потребности средней семьи в горячей воде на период с весны до осени в центральных и южных районах РФ. Для оценки и анализа требований к КА, вытекающих из поставленных условий, были предварительно изучены конструкции ряда отечественных и зарубежных водонагревателей-аналогов [1-5].

Следует отметить, что в России относительно широко выпускалась (и продолжает выпускаться) только одна конструкция, которую ну с очень большой натяжкой можно отнести к водонагревателям типа КА. Характерным представителем такой конструкции являлся дачный душ ШЗ-1, выпускавшийся Рубцовским машиностроительным заводом и его модификации, выпускаемые в настоящее время под разными названиями («Зеленовка», «Любавна» и др.) некоторыми другими предприятиями [5-7].

Во всех случаях этот агрегат представляет собой плоский стальной бак вместимостью около 100 л, заполненный водой. Бак обычно не имеет ни теплоизоляции, ни остекления. Основным недостатком такой конструкции является то, что при плоском расположении бака нагревается солнцем только его верхняя горизонтальная сторона, но, по условиям заполнения водой, под этой стенкой всегда присутствует воздушный зазор, что резко снижает теплопередачу от нагретой стенки бака к содержащейся в нем воде. В итоге такие баки обеспечивают нагрев воды в солнечный летний день и при слабом ветре всего на 10-15 °С выше температуры окружающей среды и быстрое охлаждение воды в баке в тёмное время суток.

Другие конструкции КА, попытки выпуска которых отмечались в конце прошлого века, не нашли распространения, хотя некоторые из них были достаточно эффективными, как, например, водонагреватель модели БСВВ-60, разработанный в ОКБ ЭНИН имени Г. М. Кржижановского и выпускавшийся экскаваторным заводом в городе Твери.

При анализе зарубежной информации был выявлен ряд конструкций аналогичного назначения производительностью от 120 до 200 л горячей воды в день, которые использовались как элемент инженерного оборудования зданий и размещались обычно на его крыше. Использование современных конструктивных решений, технологий и материалов зарубежные КА (выпускавшиеся в основном в США) во многом избавлены от присущих им недостатков.

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 2

Одним из наиболее типичных по конструкции является Cornell 360, выпускавшийся американской фирмой Cornell Inc. Этот водонагреватель состоит из одного цилиндрического поглощающего бака, являющегося и аккумулятором горячей воды, вместимостью 120 л, который установлен в теплоизолированном корпусе, представляющем в сечении трапецию. Схематично конструкция коллектора представлена на рис. 1.

Наружный корпус КА выполнен из стеклопластика, не подверженного коррозии и устойчивого к атмосферным воздействиям.

Материал теплоизоляции — пенополиизоцианурат (высокотемпературный модифицированный пенополиуретан), с рабочей температурой до 200 °C. Прозрачное покрытие — трёхслойное, наружный слой изготовлен из специального закалённого стекла с повышенным светопропусканием (до 91-92 %), то есть с малым содержанием окислов железа, придающих стеклу зелёный оттенок на изломе, а два внутренних слоя — из листового акрила, армированного стекловолокном. Наружная, облучаемая солнечной радиацией поверхность бака оклеена специальной медной фольгой с предварительно нанесённым на неё селективным покрытием типа «чёрный никель».

Селективное покрытие поверхности обеспечивает высокий коэффициент поглощения солнечного излучения в области видимого спектра, но очень низкий коэффициент излучения этой поверхности в области инфракрасного (теплового) излучения. Применение селективного покрытия бака резко снижает его радиационные тепловые потери и увеличивает теплопроизводительность установки. Для дополнительного повышения эффективности нагрева воды в баке в корпусе солнечного водонагревателя установлены четыре зеркальных отражателя, концентрирующих солнечное излучение на поверхности бака.

Фирма-изготовитель рекомендует при эксплуатации объединять эти водонагреватели попарно, чтобы их суммарный объём горячей воды был достаточен для семьи из трёх-четырёх человек. Угроза замерзания воды в баке и, как следствие, его разрушения, сведена к минимуму благодаря хорошей теплоизоляции и большой массе воды в самом баке. Благодаря этим факторам водонагреватель Cornell 360 (США) выдерживает ночные заморозки до -23 °С без слива воды из бака, если перед этим стоял ясный солнечный день. Гарантийный срок этого водонагревателя составлял 20 лет.

Другим вариантом конструкции КА являлся водонагреватель РТ-40 американской фирмы Gulf Thermal Corp. Схематично конструкция этого коллектора представлена на рис. 2. Бак этого КА представляет собой четыре расположенных параллельно тонкостенных трубы из коррозионно-стойкой стали ∅ 100 мм, соединённых между собой патрубками. Суммарный объём этого бака — 150 л. Наружная поверхность стальных труб для повышения эффективности оклеена медной фольгой с селективным покрытием типа «чёрный никель». Эта трубная конструкция уложена в плоский корпус размером 2160 X 795 X 250 мм. Боковые стенки корпуса и рама, прижимающая остекление, выполнены из специальных алюминиевых профилей, снаружи анодированных под «старую бронзу». Прозрачное покрытие КА трёхслойное: наружный слой из закалённого низкожелезистого стекла, а два внутренних слоя — из термо стойкой фторсодержащей полимерной плёнки типа «майлар».

Корпус КА имеет теплоизоляцию из пенополиизоцианурата. Специальная защита от замерзания не предусмотрена. При незначительных заморозках защитой от холода служит теплоизоляция в корпусе, а при усилении мороза вода обязательно сливается вручную. Каждый РТ-40 комплектуется набором монтажных частей, который позволяет установить водонагреватель на земле, крыше или навесить на стену. Гарантийный срок РТ-40 составляет 20 лет.

Общими особенностями этих водонагревателей являются трёхслойное прозрачное покрытие, оклейка рабочих поверхностей медной фольгой с селективным покрытием и высокотемпературная теплоизоляция. В обеих конструкциях бак-аккумулятор или составляющие его трубы расположены горизонтально.

Принципиальным отличием этих конструкций друг от друга является наличие одной или нескольких ёмкостей для воды. Использование в КА нескольких труб увеличивает площадь поверхности бака, облучаемую солнечным излучением, уменьшает высоту бака и за счёт этого ускоряет прогрев всего объёма воды. Кроме того, при использовании труб может быть увеличено рабочее давление воды в системе.

Обычно вертикальное расположение бака в КА современной конструкции практически не встречается, поскольку такое расположение, как правило, нарушает архитектурный облик здания (при преимущественной установке КА на крыше). Исключением является КА Sunflare 4000, выпускавшийся фирмой US Solar Corporation (США). Эта оригинальная конструкция обеспечивает, по утверждению фирмы-производителя, наименьшую стоимость единицы тепла. Схематично конструкция коллектора представлена на рис. 3.

Цилиндрический бак-аккумулятор этого водонагревателя ёмкостью 150 л выполнен из стеклопластика и устанавливается вертикально на плите-опоре. По внешней поверхности этого бака спирально навивается, виток вплотную к витку, медная трубка с селективным гальваническим покрытием, закрывающая практически всю поверхность бака. Нижний конец трубки соединён с нижней частью бака, а верхний её конец входит в бак на некотором расстоянии от верхнего днища, образуя с баком единый контур. Бак с небольшим зазором установлен в прозрачный цилиндрический стакан из акрила, сверху закрытый крышкой. Вокруг этого стакана установлен зеркальный отражатель, предположительно из электрополированного алюминия. Отражатель представляет собой перевёрнутый усечённый конус. Сухой вес этого СВ составляет всего 45 кг.

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 3

Эта конструкция СВ не только оригинальна, но и, очевидно, весьма эффективна, поскольку способствует развитию энергичной термосифонной циркуляции в контуре «бак-спираль» и, соответственно, ускоренному прогреву всего объёма бака по сравнению с обычным КА. Отбор воды осуществляется от верхней точки бака методом вытеснения при подаче холодной воды в его нижнюю часть.

Анализ конкретных водонагревателей, выпускаемых в прошлом и сегодня зарубежными фирмами, показывает, что те усилия, которые предпринимаются ими для устранения главного недостатка коллекторов-аккумуляторов: значительных тепловых потерь в ночное время суток реализованы частично. Новые конструктивные приёмы и новые материалы (трёхслойное комбинированное прозрачное покрытие, селективное покрытие поглощающих элементов, высокотемпературная и негигроскопичная теплоизоляция из пенополиизоциануратов) позволили выпустить на рынок такой страны как США и успешно продавать там высокоэффективные и сравнительно дешёвые солнечные водонагреватели, отличающиеся простотой в эксплуатации и надёжностью в работе.

В Российской Федерации потребности в КА очень велики и по самым приблизительным оценкам составляют от 50 до 100 тыс. установок в год. Однако сегодня рынок таких устройств очень мал, если не сказать более — вообще никакой. И это можно объяснить в первую очередь отсутствием информации и большой стоимостью предлагаемых установок. В качестве наиболее удачного примера представляем предлагаемую фирмой «Мир котлов» установки моделей Sapun CPS c баками до 165 л, представленную на рис. 4.

Стоимость установки Sapun CPS 165 составляет около $ 1000, и это, пожалуй, ещё одна из самых низких цен за подобные установки (вероятно потому, что вакуумные трубки китайского производства сравнительно дёшевы). Соответственно и окупаемость таких установок при сегодняшней достаточно низкой стоимости электроэнергии составит не менее 10-15 лет, что для абсолютного большинства населения неприемлемо.

Выбор,описание и обоснование конструкции

В процессе работы над техническим проектом было выявлено, что возможно разработать и изготовить дешёвую, надёжную и эффективную конструкцию опытного образца (действующий макет) солнечного водонагревателя типа «коллектор-аккумулятор». В качестве исходной конструкции по конструктивно-технологическим соображениям был принят плоский водонагреватель с поглощающим элементом из нескольких труб большого диаметра, соединённых между собой рёбрами и патрубками.

Этот выбор можно обосновать следующими факторами. Использование одного цилиндрического бака в водонагревателе технологически намного проще, а его изготовление менее трудоёмко. Но при такой конструкции резко увеличивается высота корпуса КА и его объём, заполняемый достаточно дорогим теплоизоляционным материалом. Кроме того, высота корпуса увеличивается из-за необходимости установки многослойного прозрачного покрытия, причём существует минимально допустимое расстояние между слоями этого покрытия. При этом площадь облучаемой поверхности водяного бака остаётся сравнительно небольшой, и именно по этой причине в рассмотренном выше аналогичном американском «однобачном» водонагревателе использованы зеркальные отражатели для дополнительной концентрации солнечного излучения на поверхности бака, что также увеличивает габариты массу и стоимость КА. При этом растёт и объём воздуха между баком и остеклением, приводящий к развитию конвекции и росту тепловых потерь.

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 4

В Российской Федерации потребность в водонагревателях типа «коллектор-аккумулятор» очень велика и по самым приблизительным оценкам составляет от 50 до 100 тыс. установок в год. Однако сегодня рынок таких устройств очень мал

Выбранная конструкция в значительной мере лишена этих недостатков. Использование в качестве поглощающего элемента нескольких тонкостенных труб большого диаметра, соединённых короткими плоскими рёбрами, увеличивают площадь поверхности бака, обогреваемую солнечным излучением под оптимальным углом. Уменьшение единичного объёма воды в трубе по сравнению с большим цилиндрическим баком приведёт к более быстрому прогреву этой воды. Набор из труб можно экономно теплоизолировать стандартными плитами из пенопласта. Воздушный объём между поверхностью поглощения и прозрачной изоляцией, в котором развивается конвекция, ведущая к увеличению тепловых потерь, остаётся сравнительно небольшим [8-10].

Количество слоёв прозрачной изоляции в опытном образце (макете) следует ограничить двумя. Это вызвано тем, что соответствующая высокотемпературная, тонкая, прочная и достаточно прозрачная фторосодержащая плёнка типа «майлар» фирмы DuPont практически может быть заказана только в достаточно больших объёмах, поскольку соответствующие номиналы в Россию не поступают из-за отсутствия потребности и необходимости. Применение вместо плёнки трёх слоёв стекла, во-первых, резко увеличивает габариты (высоту корпуса водонагревателя), а, во-вторых, при общей значительной площади стекла, увеличит общий вес конструкции, затрудняя её транспортировку и монтаж на месте эксплуатации.

На основании анализа КА в данном техническом проекте было принято решение изготовить и испытать макет солнечного водонагревателя трубной конструкции, общий вид которого представлен на рис. 5.

Основным элементом водонагревателя является водяной бак-панель, представляющий собой ёмкостную панель, составленную из восьми труб, сваренных из листовой стали 12Х18Н10Т толщиной 0,8 мм. Внутренний диаметр этих труб 100 мм. Эти трубы-ёмкости по концам соединены между собой двумя поперечными сборными трубными коллекторами. Этот бак-панель устанавливается в корпус, выполненный сваркой из стандартного прессованного алюминиевого профиля, применявшегося для солнечных коллекторов, и гнутого Z-образного профиля. Корпус имеет форму прямоугольной рамы.

В корпусе методом заливки на выполнена нижняя и боковая теплоизоляция из пенополиуретана (ППУ). Перед заливкой в корпус водонагревателя вставляется днище из алюминиевого листа и деревянная модель бака-панели, обложенная алюминиевой фольгой, которая после заливки и вспенивания композиции остаётся на поверхности ППУ, выполняя роль теплоотражающего экрана.

Сверху бак-панель закрыт двумя слоями стекла: внешним и внутренним. Для остекления используется закалённое стекло толщиной 4 мм. Все стекла установлены в П-образном резиновом уплотнителе. Внутреннее стекло фиксируется в корпусе штапиками и проставками, а верхнее стекло фиксируется прижимной рамкой, сваренной из алюминиевого уголка. Для крепления водонагревателя при монтаже снизу на корпусе имеются четыре лапки с отверстиями, приваренные к корпусу.

При выборе конструкционных материалов для изготовления макета водонагревателя учитывалась их практическая доступность и технологические возможности среднего по оснащению уровня предприятия [8-10].

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 5

Как известно, одной из основных проблем при разработке как солнечных коллекторов, так и водонагревателей, является внутренняя коррозия их рабочих узлов, контактирующих с нагреваемой водой. Для обеспечения длительного срока службы солнечного водонагревателя материалом бака выбрана коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т (или какой-либо из её зарубежных аналогов). Эта сталь может быть заменена отечественной легированной сталью 12Х13Г18Д (ТУ 14-12642-79), которая, обладая таким же баллом коррозионной стойкости, стоит значительно дешевле.

Серийно выпускаемые трубы большого диаметра с минимальными толщинами стенки 0,3-1,0 мм в данной конструкции не применяются из-за высокой стоимости, а именно указанные толщины стенок, согласно прочностным расчётам, и должны иметь трубы панели КА при рабочих давлениях, равных стандартному давлению водопроводной сети, на которое и рассчитывается водонагреватель. Именно поэтому в создаваемом проекте бака применяется сталь толщиной 0,8 мм в виде листа или ленты, из которых вальцуется современными методами цилиндрическая обечайка трубы, свариваемая продольным стыковым швом [8-10]. Для обеспечения равной с обечайкой толщины, днища для труб выполняются эллиптическими, штамповкой или ротационной вытяжкой [8-10].

Наружное покрытие бака вместо чёрной краски желательно выполнить селективным. При наличии технических возможностей и достаточных объёмах производства можно, изготовив необходимые формы, производить заливку и вспенивание пенополиуретана непосредственно в корпусе СВ, что обеспечит повышение качества и снижение трудоёмкости.

Для повышения эффективности работы водонагревателя при проработке вариантов технического проекта был рассмотрен и второй вариант конструкции поглощающего элемента (бака-аккумулятора). Для обеих вариантов были проведены сравнительные прочностной и тепловой расчёты.

Второй вариант конструкции бака отличается тем, что ребра, соединяющие трубы бака между собой, не привариваются снаружи, а выполнены в виде одного сплошного листа толщиной 0,5-0,8 мм, на котором контактной шовной сваркой попарно наварены отбортованные полуобечайки, образующие трубы. Торцы этих труб закрыты приваренными эллиптическими днищами, через полости которых, не перекрытые ребром, объёмы трубы, образованной полуобечайками, соединяются между собой. Внешний вид конструкции бака представлен на рис. 6.

Причиной повышения эффективности работы такой конструкции поглощающего элемента является то, что ребро, обогреваемое, как и поверхность трубы солнечным излучением, непосредственно соприкасается с нагреваемой водой, обеспечивая увеличенную площадь теплопередачи, которая в сумме должна быть выше, несмотря на низкую теплопроводность коррозионно-стойкой стали. При рабочем наклоне СВ и ориентации его длинной стороной вдоль оси «север-юг» ребро будет играть роль своего рода дефлектора, разделяющего два объёма трубы, контактирующих с её обогреваемой солнечным излучением и тыльной полуобечайками. При этом расположении должна стимулироваться термосифонная циркуляция воды в трубе, которая также увеличит теплосъём с её стенок и ребра.

Следует также отметить, что второй вариант несколько технологичнее, так как имеет меньшую длину сварных швов, выполняемых контактной сваркой на автоматах роликовой сварки.

Для оценки эффективности работы различных вариантов конструкции солнечного водонагревателя были выполнены сравнительные тепловые расчёты.

В качестве исходных данных для расчёта приняты: размеры конструктивных элементов — по чертежам макетов; данные по солнечной радиации, температурам воздуха и средней скорости ветра [1]; температура холодной воды 20 °C.

Вычисления проводились по общепринятой методике, основанной на расчёте теплового баланса [2]. Параметры определялись на основании данных для среднестатистического дня расчётного месяца. Расчёты выполнялись для модели нагрузки без отбора горячей воды в течение дня и полного слива её в 24 часа.

Климатическими районами выбраны города Севастополь и Пенза, а расчётными месяцами — март и июнь. Для Крыма также оценивалась возможность использовать однослойное остекление. Для района Пензы оценивалась работа водонагревателя только с двойным остеклением. Для всех случаев рассматривались варианты покрытия рабочей поверхности: селективное (αs = 0,94; ε = 0,15) и неселективное (αs = ε = 0,94).

Второй вариант конструкции (с центральным ребром) рассматривался только для самого климатически неблагоприятного случая в данном расчёте: района города Пензы, март месяц.

Пример результата расчётов (Республика Крым, Севастополь, месяц июнь, двойное остекление, селективное покрытие, вариант 1) приведён в табл. 1.

Анализ расчётных данных показывает, что однослойное остекление даже в условиях полуострова Крыма приводит к значительным теплопотерям в ночное время, и поэтому, от дальнейшего рассмотрения этого варианта следует отказаться. Влияние селективного покрытия также достаточно велико.

Солнечные коллекторы ёмкостного типа. 4/2016. Фото 6

Предлагаемая автором в данной статье конструкция водонагревателя соответствует мировому техническому уровню для класса коллекторов-аккумуляторов; сравнительный расчётный анализ вариантов показал преимущества варианта, имеющего поглощающий элементбак с одним сплошным ребром и трубные элементы, сваренные из полуобечаек

Во втором варианте максимальная расчётная температура горячей воды в баке летом в южных районах при селективном покрытии может достигать 80 °C и выше, а в центральных районах при тех же условиях — более 60 °C. Даже в марте в центральном районе может быть получена тёплая вода, пригодная к использованию (35 °C), но в этом случае сохраняется угроза замерзания в ночное время.

На основании этих предварительных проработок можно разрабатывать конструкцию солнечного водонагревателя по второму варианту, изготовить его макет и провести всесторонние испытания, которые позволят создать рабочие чертежи промышленного образца и предлагать предприятиям для серийного выпуска.

Заключение

На основании проработок и макетирования, выполненных на этапе проработки технического проекта, можно сделать следующие выводы:

  • предлагаемая конструкция водонагревателя соответствует мировому техническому уровню для класса коллекторов-аккумуляторов;
  • сравнительный расчётный анализ вариантов показал преимущества варианта, имеющего поглощающий элемент-бак с одним сплошным ребром и трубные элементы, сваренные из полуобечаек (вариант 2);
  • по данным предварительного патентного поиска конструкции, аналогичные варианту 2, не обнаружены, так что предлагаемый вариант водонагревателя является патентоспособным.