Нагревательная система с изолированным накопителем и тепловой циркуляцией.

Тепловая циркуляция. Циркуляция жидкости в нагревательной системе, показанной на рис. 1, а, осуществляется вследствие различия плотностей холодной (плотной) и горячей (менее плотной) воды. Рассмотрим циркуляцию жидкости по замкнутому вертикальному контуру (рис. 2).

Рис. 1. Нагревательная система с изолированным накопителем и тепловой циркуляцией: диаграмма (а) и распределение температур (б)

Давление жидкости в сечении а а' слева больше, чем справа, что приводит к движению жидкости по всему контуру.

По подъёмной трубе горячая вода из коллектора солнечной энергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает более холодная вода для нагрева за счёт поглощённой солнечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъёмной трубе выше, чем в опускной, плотность воды, напротив, ниже в подъёмной трубе. И вследствие этого возникает разность давлений, вызывающая движение воды в контуре циркуляции:

Рис. 2. Принцип действия системы с тепловой циркуляцией

, (1)

где g - ускорение свободного падения; H - разность отметок солнечного коллектора и места подвода горячей воды в бак-аккумулятор; r₁ - плотность воды в опускной трубе при температуре Т₁; r₂ - плотность воды в подъёмной трубе при температуре Т₂.

Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение воды. Аналогичное влияние оказывает увеличение разности отметок Н.

Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа является теплоизоляция всех нагретых поверхностей - прежде всего бака-аккумулятора, подъёмной и опускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и воздушного клапана. При соблюдении указанных условий обеспечивается температурное расслоение жидкости по высоте бака, при этом температура воды в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря этому в коллектор поступает вода с невысокой температурой, КПД коллектора возрастает и солнечная энергия используется более эффективно.

Более высокое положение бака-аккумулятора относительно коллектора солнечной энергии в водонагревательных установках термосифонного типа имеет важное значение не только для обеспечения циркуляции теплоносителя в дневное время, но и для предотвращения циркуляции воды в обратном направлении в ночное время. Это возможно при низком положении бака, когда горячая вода из верхней части бака ночью поступает в коллектор, там она охлаждается за счёт излучения энергии в окружающее пространство и конвекции и возвращается в нижнюю часть бака. Естественно, это не желательный процесс, так как он вызывает потери энергии. Для предотвращения этого процесса бак-аккумулятор должен быть установлен так, чтобы его днище было выше верхний отметки наклонного коллектора солнечной энергии на 300-600 мм.

Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующими системами и расход жидкости в них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного излучения и техническими характеристиками системы.

В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует использовать незамерзающий теплоноситель, например, антифриз. В этом случае схема становится двухконтурной. Теплота, полученная незамерзающим теплоносителем в коллекторе, передаётся воде посредством теплообменника, размещённого в нижней части бака-аккумулятора. Вода должна быть надёжно защищена от попадания теплоносителя, содержащего токсические вещества.

Металлические проточные нагреватели воды. Конструкции и принцип действия. Основные элементы солнечной системы нагрева воды. Привести принципиальную схему трубных соединений нагревательной системы.

Металлические проточные нагреватели. Наиболее распространённым коллектором в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе “горячего ящика”, который легко представить себе, если вспомнить, как нагревается на солнце салон закрытого автомобиля. В данном случае салон выступает в качестве приёмника солнечного излучения, поступающего в него через прозрачные поверхности остекления. Для того чтобы изготовить плоский КСЭ, необходимо в первую очередь иметь лучепоглощающую поверхность, которая должна иметь надёжный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб для теплоносителя образует единый конструктивный элемент - абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в чёрный цвет или иметь специальное поглощающее покрытие. Снижение тепловых потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается за счёт использования теплоизоляции, которая закрывает нижнюю поверхность абсорбера, и светопрозрачной изоляции, размещаемой над абсорбером на определённом расстоянии от него. Все перечисленные элементы помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции - остекления (рис.1). Таким образом получается плоский коллектор для нагрева жидкости, общий вид которого показан на рисунке. Максимальная температура, которую можно получить в этом устройстве, достигает 100^оС и зависит от климатических условий и характеристик коллектора. К числу принципиальных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную энергию. Это позволяет устанавливать коллектор стационарно без необходимости слежения за солнцем.

Рис. 1. Конструктивные элементы плоского коллектора солнечной энергии:

1 - остекление; 2 - лучепоглощающая поверхность с трубами для нагреваемой жидкости;

3 - корпус; 4 - теплоизоляция

Абсорбер плоского КСЭ, как правило, изготавливается из металла с высокой теплопроводностью, а именно из стали, алюминия или даже меди. Для низких рабочих температур его можно изготовить, как отмечалось выше, из пластмассы или резины. Прозрачная изоляция представляет собой один или два слоя стекла или полимерной плёнки. Может использоваться комбинация из наружного слоя стекла и внутреннего слоя полимерной плёнки. Если нагрев теплоносителя до 30^оС, тогда коллектор может вовсе не иметь прозрачной изоляции. Корпус коллектора чаще всего изготавливают из пластика или металла, но могут использоваться и другие материалы, например, дерево. В качестве теплоизоляции применяют минеральную вату, полиуретан, пенополиэтилен и другие изоляционные материалы.

Существуют разнообразные конструкции плоских КСЭ. В качестве поглотителя солнечного излучения в коллекторе типа труба в листе для жидкого теплоносителя (рис.2.,а) используется ряд параллельных труб диаметром 12-15 мм, припаянных или приваренных сверху, снизу или в одной плоскости к металлическому листу и расположенных на расстоянии 50-100 мм друг от друга. Толщина пластины обычно не превышает 3 мм. Верхние и нижние концы этих труб присоединяются путём пайки или сварки к гидравлическим коллекторам.

Рис. 2.. Схемы абсорберов плоских жидкостных коллекторов:

а - труба в листе; б - соединение гофрированного и плоского листов; в - штампованный абсорбер; г - лист с приваренными прямоугольными каналами

В приемнике вода протекает по параллельным трубкам, закрепленным на зачерненной металлической пластине. В такой системе необходимо обеспечивать низкое термическое сопротивление между пластиной и трубками и вдоль пластины между трубками.

Пластину с трубками для защиты от ветра помещают в контейнер со стеклянной крышкой. Этот приемник имеет по существу ту же эквивалентную диаграмму, что и закрытый зачерненный резервуар и поэтому близкие по значению сопротивления.

Заполненная водой пластина в принципе более эффективна, чем трубчатая, так как имеет большую поверхность теплового контакта.

Нагретую жидкость можно использовать сразу или можно ее запасать и (или) перекачивать.