Вакуумные трубки для солнечного коллектора

Одной из эффективных разновидностей коллекторов  солнечного обогрева являются вакуумные  приборы. Принцип работы
коллекторов вакуумного типа, их устройство и другие вопросы по теме рассмотрены в предлагаемой вашему вниманию статье.

Как устроен коллектор вакуумного типа

Современные вакуумные приборы, обеспечивающие помещения теплом и горячей водой за счет солнечной энергии, технологически разнятся.

Коллекторы подразделяют на такие виды:

• трубчатый без стеклянного защитного покрытия;
• модуль с редуцированной конверсией;
• стандартный плоский вариант;
• устройство с прозрачной теплоизоляцией;
• воздушный агрегат;
• плоский вакуумный коллектор.

Вакуумный солнечный коллектор способен обеспечить горячее водоснабжение и отопление в любое время года, и при любой погоде (+)

Все они имеют общее конструктивное сходство, так состоят из:

• внешней прозрачной трубы, откуда полностью выкачан воздух;
• нагреваемого патрубка, расположенного в большой трубе, где перемещается жидкий или газообразный теплоноситель;
• одного или двух сборных распределителей, к которым присоединяются трубы большего калибра и входит циркуляционный контур тонких, размещенных внутри, трубок.

Целиком конструкция чем-то напоминает термос с прозрачными стенками, в котором выдержан беспрецедентно высокий уровень тепловой изоляции. Благодаря этой особенности корпус внутренней трубки приобретает способность качественно прогреваться и полноценно отдавать энергетический ресурс циркулирующему внутри теплоносителю.

Сравнение различных модификаций

При изготовлении гелиоагрегатов тепловые каналы и вакуумные стеклянные трубки для солнечных коллекторов комбинируют в самых разных сочетаниях.

Самой большой популярностью у потребителей пользуются коаксиальные модели с тепловым каналом heat pipe. Покупателей привлекает лояльная цена приборов и очень простое, доступное обслуживание в течение всего срока эксплуатации.

Вакуумный солнечный коллектор

Вакуумный солнечный коллектор с рабочим каналом heat pipe прекрасно ремонтируется. Замена поврежденных трубок осуществляется на месте и не предусматривает демонтажа системы или переноса ее на другое место. Однако теплообмен в этих моделях осуществляется сложно, за счет чего и КПД на выходе составляет не более 65%

Вакуумные приборы с каналами heat pipe демонстрируют высокую надежность и не имеют никаких ограничений по использованию даже в высоконапорных гелиотермальных комплексах.

Приборы с коаксильной колбой, содержащей прямоточные U-образные каналы, тоже входят в перечень востребованных. Их характеризуют такие параметры, как низкая теплопотеря и КПД от 70% и выше.

Для корректного функционирования, вакуумный прибор с U-каналом нужно правильно установить. Желательно, чтобы минимальный угол наклона составлял не менее 20⁰. Только в таком варианте получится обеспечить максимальную отдачу

Ситуацию несколько портят: сложный процесс ремонта, специфическое обслуживание в процессе эксплуатации и невозможность заменить отдельный испорченный узел. Если с прибором что-то случается, его демонтируют и на место ставят абсолютно новый коллектор.

Перьевые трубки конструкционно представляют собой одинарный цилиндр из стекла с утолщенными прочными стенками (в зависимости от производителя от 2,5 мм и выше). Содержащаяся внутри вставка из перьевого абсорбента плотно облегает рабочий канал, изготовленный из теплопроводящего металла.

Почти безупречную изоляцию создает вакуумное пространство внутри стеклянной емкости. Абсорбент передает поглощенное тепло без потерь и обеспечивает системе КПД до 77%.

Коллектор с перьевыми трубками

В случае неисправности коллекторы, оснащенные перьевыми трубками, подлежат ремонту. Менять всю систему не требуется, достаточно обнаружить поврежденный узел, демонтировать его и поставить на это место новый

Модели с перьевым элементом стоят несколько дороже, нежели коаксиальные, но за счет высокой эффективности обеспечивают полноценный комфорт в помещении и быстро окупаются.

Наиболее эффективными и производительными являются перьевые колбы с внутренними прямоточными каналами. Их фактический КПД порой достигает рекордных показателей в 80%.

Подключение вакуумной колбы

При монтаже перьевых трубок в раму на стержень каждой детали одевают прочную обжимную гайку с кольцом и термостойкой прокладкой. Это обеспечивает герметичность всей конструкции и дает возможность коллектору полноценно функционировать в любых условиях

Цена изделий довольно высока, а при проведении ремонта обязательно требуется сливать из системы весь теплоноситель и только потом приступать к устранению неполадок.

Как правильно разместить прибор

Чтобы вакуумный коллектор мог полноценно работать и эффективно обеспечивал жилое помещение необходимой энергией, для него необходимо найти наиболее удачное место и правильно сориентировать прибор относительно частей света.

Коллектор на крыше

Солнечные коллекторы вакуумного типа намного практичней своих плоских аналогов. Когда какая-то из рабочих трубок получает повреждения и выходит из строя, ее очень легко заменить на новую. После этого система продолжит функционировать в прежнем режиме. Если сразу возможности поставить новый элемент на место испорченного нет, не беда. Агрегат сможет исполнять свои «обязанности», даже имея в наличии узел с поврежденным элементом

Для населенных пунктов северного полушария актуально разместить коллектор в южной части крыши дома или на солнечной стороне участка. Желательно обеспечить для плоскости прибора минимальное отклонение.

Если возможности направить поверхность на юг нет, стоит выбрать среди запада и востока максимально светлый ракурс на открытом пространстве.

Коллектор на открытом пространстве

Высокая рабочая эффективность коллектора вакуумного типа обусловлена еще и тем, что он действует по принципу зеркала и выравнивает свою тепловую мощность исходя из текущей высоты солнца

Энергетический солнечный комплекс не должны закрывать дымоходы, декоративные фрагменты кровельного покрытия, раскидистые ветви деревьев и высокие жилые или технические строения. Это понизит эффективность работы и уменьшит уровень прогрева действующих элементов.

Если агрегат расположен правильно, он обеспечит практически одинаковую теплоотдачу в течение всего года, независимо от сезона.

Если большого опыта осуществления сложных ремонтно-монтажных и слесарных работ нет, делать в домашних условиях вакуумирование трубок нерационально. Этот процесс очень трудоемкий и требует наличия специальных знаний и профильного оборудования.

Кроме того, элементы вакуумного типа, сделанные самостоятельно, имеют гораздо более низкий уровень КПД, нежели заводские детали. Поэтому разумнее всего приобрести продукцию у профильного производителя, а потом уже дома попробовать собрать несколько секций.

Вакуумная трубка

Вакуумная трубка является основным элементом конструкции солнечных коллекторов, используя которые, появляется возможность получения дешевой тепловой энергии, которая используется человеком для своих нужд.

Конструктивно, вакуумная трубка выглядит следующим образом:

По своей сути, вакуумная трубка является теплообменным аппаратом, состоящим из двух трубок, помещенных одна в другую. Наружная трубка выполняется из прочного стекла, внутренняя – из меди. Для усиления поглощения солнечной энергии, во внутреннее пространство стеклянной колбы помещен теплопоглощающий слой, адсорбер, выполненных из многослойного покрытия. Также, из внутреннего пространства стеклянной колбы откачан воздух, тем самым создан вакуум, обладающий лучшими показателями, в сравнении с воздухом, по теплопроводности и способности сохранять тепло.

Полученная тепловая энергия передается медной тепловой трубке, внутри которой помещен хладагент, который при нагревании поднимается вверх, где в конденсаторе, испаряется. Образовавшееся при испарении хладагента тепло, передается теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения.

Принцип работы вакуумных трубок

Функция вакуумных 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.

Некоторую часть солнечного излучения отражает стекло, но она незначительна – видимы свет составляет только часть поглощаемого спектра. Качественные коллекторы изготавливают из боросиликатного стекла высокой прочности, которое стойко к механическим повреждениям.

Боросиликатное стекло сложно поцарапать или заматовать, оно служит десятки лет без изменения пропускной способности.

Виды вакуумных трубок

Различают пять видов вакуумных трубок для солнечных коллекторов. Они отличаются внутренним строением и конструкцией. Кроме того, каждый из них может быть дополнен металлическим (чаще алюминиевым) абсорбером, который помещается внутрь стеклянной колбы в виде трубки.

Важно!Большинство производителей заполняют нижний промежуток между стеклянными стенками барием – он поглощает примеси газов и улучшает термоизоляционные свойства. Его отсутствие может снизить эффективность работы коллектора до 15%.

Термосифонные (открытые) вакуумные трубки

Такой вид трубок солнечного коллектора используется в коллекторах с наружным баком-накопителем. они заполнены водой и образуют с резервуаром один объем. Нагретая вода из колбы поднимается в бак, а охлажденная опускается вниз.

Термосифонные вакуумные коллекторы используются в следующих случаях:

• Для подключения к системе горячего водоснабжения;
• В регионах с высоким уровнем инсоляции в холодное время года;
• Для сезонного использования (весна, лето, осень).

Коаксиальная трубка (Heat Pipe)

Это наиболее распространенный вариант вакуумных трубок. В ней внутри стеклянной колбы находится медная труба, наполненная жидкостью с низкой температурой кипения или водой под низким давлением.

При нагреве жидкость или вода начинают закипать, пар поднимается вверх, попутно нагреваясь от медных стенок. В верхней части он попадает в теплообменник – расширение на конце, в котором отдает тепло через стенки воде, которая циркулирует вокруг него.

После охлаждения пар конденсируется на стенках теплообменника и стекает вниз. Цикл повторяется заново.

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 с 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.

Перьевые вакуумные трубки

В их конструкции есть дополнительный теплообменник, который позволяет более эффективно отбирать тепло из внутренней части стеклянной колбы. Обычно он выполнен в виде двух продольных пластин, находящихся по бокам медного теплоприемника.

В остальном принцип работы точно такой, как у коаксиальной трубки.

U-образные вакуумные трубки (U-type)

Эта система кардинально отличается от предыдущих. В ней используется две магистрали – для холодной и нагретой воды.

В стеклянной колбе установлен теплообменник в виде английской буквы U, по которому проходит вода. Из магистрали с холодной водой она поступает в него, нагревается и возвращается в трубу с нагретой водой.

Коллектор с вакуумными трубками U-образного типа наиболее эффективен, но его монтаж сопряжен с трудностями. Проточные магистрали при сборке крепятся с помощью сварки с медными трубками, находящимися внутри стеклянной колбы. Получается единая цельная система с большой энергоэффективность, но низкой ремонтопригодностью.

Эффективность разных видов трубок

Рейтинг эффективности вакуумных коллекторов в зависимости от установленного типа трубок:

1. U-образные (U-type);
2. Спаренные коаксиальные;
3. Перьевые;
4. Коаксиальные (Heat Pipe);
5. Термосифонные (открытые).

Этот рейтинг характеризует разные системы в общем, ведь производительность зависит от особенностей конструкции, свойств используемых материалов и конструктивных решений. На уровень эффективности вакуумного коллектора влияют следующие факторы:

• Коэффициенты поглощения и излучающей способности абсорбера;
• Максимальное рабочее давление в системе;
• Качество и теплопроводность материалов в местах соединения;
• Наличие и свойства металлического абсорбера по внутреннему периметру стеклянной стенки;
• Стойкость стекла к механическому воздействию;
• Конструктивные особенности – толщина стенок, качество металлов и т.д.

Важно! Многие производители вакуумных трубок и коллекторов завышают их производительность. Реальное количество тепла, которое можно получить, зависит от многих факторов и должно просчитываться индивидуально.

Материалы

Вне зависимости от конструкции вакуумной трубки, основным материалом, который используется во всех типах устройства, является боросиликатное стекло, способное выдерживать значительные внешние нагрузки без повреждения корпуса стеклянной колбы (дождь, снег, град и т.д.).

Еще один материал, используемый практически во всех конструкциях, это медь, из которой изготавливается внутренняя трубка. Медь выбрана не случайно, потому как именно этот металл обладает хорошими показателями по теплопроводности и практически не подвергается коррозии в процессе эксплуатации.

Антифриз (хладагент), вещество, помещаемое во внутренне пространство медной трубки, обладает способностью испаряться при относительно не высокой температуре.

Адсорбер – теплопоглощающий слой, может быть выполнен из различных составов, способных поглощать тепло. Вид состава, каждый производитель выбирает индивидуально.

Теплопоглощающая пластина изготавливается из меди и крепится к тепловому стержню.

Используемые источники:

energotrade.su, vteple.xyz, sovet-ingenera.com, alter220.ru