СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ТРУБЧАТЫЙ ВАКУУМИРОВАННЫЙ КОЛЛЕКТОР

В последние годы в СССР и за рубежом значительные усилия были направлены на создание таких коллекторов, которые бы обладали сравнительно высоким КПД (0,3 ... 0,5) при повышенных температурах (100 ... 150 °С и более). Для решения этой задачи используют различные способы снижения тепловых потерь коллектора в окружающую среду и повышения плотности потока солнечного излучения на поверхности теплоцриемника.

Эффективное уменьшение тепловых потерь может быть достигнуто при совместном применении селективного поглощающего покрытия на поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом простран­стве, содержащем этот приемник тепла. Очевидно, что оболочка, ограничивающая приемник тепла, должна быть возможно более прозрачной по отношению к солнечному излучению. При вакуумиро - вании внутреннего пространства оболочки до давления Р ^ Ю"1 Па перенос тепла конвекцией становится пренебрежимо малым и может не учитываться [13, 2]. Поскольку создание и сохранение требуемого уровня вакуума в коллекторах плоского типа технически затруднено, то в вакуумированных коллекторах в качестве оболочки обычно применяют цилиндрические трубки из стекла. Такие коллекторы называются трубчатыми (используемая в дальнейшем аббревиатура СТВК означает: солнечный трубчатый вакуумированный коллектор).

Расчеты и эксперименты показывают, что равновесная температура СТВК с селективным поглощающим покрытием ( ais = 0,9, £ = 0,1) при уровне вакуума Рб0,07 Па без концентрации солнечного излучения на теплоприемной поверхности ( 1= 900 Вт/м2)может достигать 200 °С [2, 12]. В случае применения параболоцилиндрического концентратора [2] равновесная температура повышалась до 440 °С, а затем падала до 260 °С, что авторы этой работы объясняют ухудшением вакуума и оптических свойств селективного покрытия при 380 ... 400 °С.

Разработкой и изготовлением СТВК за рубежом занимаются такие известные фирмы, как "Дженерал Электрик", "Оуэне Иллиноис" и "Корнинг Кортек" США; "Санио", "Ниппон Электрик Гласс" и "Нитто Коки" Япония; "Филипс" ФРГ; "Филко" Италия; "Термомакс" Ирлан­дия и др. Большой объем исследований в области СТВК выполняется также в Сиднейском университете (Австралия).

Существующие конструкции СТВК следует разделить на 2 группы в Зависимости от того, из какого материала сделан теплоприемник - металла или стекла. В случае металлического теплоприемника харак­терной особенностью конструкции является наличие вакуумно-плот - ного спая металла со стеклом. При изготовлении теплоприемника из стекла необходимость в спае "металл-стекло" отпадает. В этом случае оптимальной с технологической точки зрения конструкцией является стеклянная колба типа сосуда Дьюара (табл. 3.4). При этом селективное поглощающее покрытие наносят на наружную поверхность внутренней трубки, а пространство между трубками колбы вакуумируют.

Существует несколько вариантов отвода полезной теплоты из колбы (рис. 3.4). В коллекторе "Оуэне Иллинойс" (поз. Т. А) теплота отводится вынужденным потоком теплоносителя, который находится в непосред-

3.4. Характерные размеры вакуумированных колб типа сосуда Дьюара

Ственном контакте со стенкой трубки, поглощающей подающее солнечное излучение. При этом термическое сопротивление переноса теплоты от поглощающей поверхности к жидкости и разность темпера­тур последних невелики, что положительно влияет на КПД коллектора Ч. Чем больше указанная разность температур, тем при прочих равных условиях выше потери теплоты от коллектора в окружающую среду и меньше

Существенным недостатком этой и подобных ей конструкций, предложенных Сиднейским университетом [31], является возможность утечки теплоносителя из коллекторного контура при повреждении или разрушении хотя бы одной из колб. Это обстоятельство значительно усложняет эксплуатацию, особенно при использовании вместо воды специальных, как правило, дорогостоящих теплоносителей.

В коллекторе "Дженерал Электрик" (поз. II. А) опорожнение конту­ра при повреждении колб исключено, поскольку теплоноситель находится не в колбе, а в специальном металлическом устройстве. Последнее представляет собой медное цилиндрическое ребро с ^-образной трубкой, одно из колен которой припаяно к ребру с внут­ренней стороны по всей его длине и служит для отвода теплоносителя из колбы. Наружный диаметр ребра соответствует внутреннему диаметру колбы. Трубка, подводящая теплоноситель в глубь колбы, не прикреплена к ребру и расположена вдоль оси колбы. Высокая эксплу­атационная надежность СТВК "Дженерал Электрик" достигается ценой ухудшения КПД по сравнению с коллектором "Оуэн Иллинойс" из-за контакта между стеклянной трубкой и ребром, переноса теплоты по ребру к отводящей трубе, теплопроводности стенки отводящей трубки.

Разность температур поглощающей поверхности и теплоносителя в коллекторах типа "Дженерал Электрик" может достигать 30 °С [31]. Коллекторы типа "Дженерал Электрик" выпускаются также японской фирмой "Нитто Коки".

Для уменьшения контактного термического сопротивления и повышения КПД трубчатого вакуумированного коллектора могут быть использованы теплопроводящие пласты [12]. В этой работе предложен­ная конструкция коллектора (поз. II. Б) предполагает отвод теплоты из колбы с помощью тепловой трубы, помещенной в колбу. При этом зазор между стеклянной трубкой и наружной поверхностью тепловой трубы заполнен теплопроводящей пастой.

В работе [31] изучены возможности упрощения гидравлического тракта коллекторных сборок на основе вакуумированных стеклянных колб. В предложенных конструктивных вариантах (поз. IB, ТВ, ТГ) Открытые концы колб присоединены с помощью муфт к гидравличес­кому коллектору сборки, по которому протекает теплоноситель (вода). В вариантах 1Б и ТВ гидравлический коллектор перегорожен медной Пластиной, ширина которой равна диаметру муфты. Если в варианте IB Перегородка не выходит за пределы муфты, то в варианте ТБ пере­городка удлинена на 200 мм в глубь колбы, длина которой составляет 1 32 м. По сравнению с вариантом IB (короткие перегородки) в вариан­те 1Б в циркуляцию вовлекается жидкость, находящаяся в колбе на большей глубине. Однако в этом варианте имеет место большее гидравлическое сопротивление и соответственно большие затраты энергии на перекачку. В варианте 1Г перегородки нет совсем и отвод теплоты из колбы осуществляется путем естественной конвекции воды в объеме колбы.

Испытания показали, что среднее значение перегрева стенки погло­щающей трубы даже в варианте без перегородок (1Г) невелико - менее 10 °С. Поэтому с теплотехнической точки зрения все упрощенные варианты гидравлического тракта (1Б, IB, 1Г) вполне приемлемы. Однако все они имеют весьма существенный недостаток, заключаю­щийся в том, что ни одну из колб невозможно опорожнить в процессе эксплуатации. Это обстоятельство практически исключает возможность применения таких конструкций по крайней мере в умеренных широтах.

Как уже указывалось, для отвода теплоты из коллектора с металли­ческим теплоприемником необходимо из вакуумированного простран­ства, ограниченного стеклянной оболочкой, вывести металлические трубки для подвода или отвода теплоносителя, и, следовательно, необходимо вакуумно-плотное соединение (спай) металла со стеклом. Наружный диаметр и длина внешней стеклянной трубы коллекторов такого типа, выпускаемых за рубежом на продажу, находятся в преде­лах соответственно 65 ... 100 мм и 1 ... 2,4 м. Так, в коллекторе "Корнинг Кортек" с [/-образной трубкой для теплоносителя (Вариант ША, рис. 3.4) эти размеры составляют 102 мм и 2,29 м, а в коллекторе "Санио" с прямотоком (вариант МГ) - 100 мм и 2,05 м [19, 22]. В поряд­ке эксперимента фирма "Корнинг Кортек" США изготовила коллектор подобного типа со стеклянной трубой диаметром 300 мм и длиной до 8 м [21].

Для отвода теплоты из СТВК типа "металл-стекло" используют также, тепловые трубы. К достоинствам тепловой трубы следует отнести:

Высокую эффективность передачи теплоты;

Так называемый диодный эффект, т. е. перенос теплоты только в одном направлении (от испарителя к конденсатору) и, как следствие, отсутствие тепловых - потерь в "темное время" суток;

Стойкость к тепловому удару.

За рубежом трубчатые вакуумированные коллекторы типа "металл - стекло" с тепловыми трубами производятся фирмами "Филипс" в Нидерландах (табл. 3.5), "Термомакс" в Ирландии, "Филко" в Италии, "Ниппон Электрик", "Гласс", "Санио" в Японии. 75

3.5. Характеристики СТВК фирмы "Филипс" [24,25]

Марка коллектора

УТР 261

Стеклянная труба:

Наружный диаметр, мм. толщина стенки, мм пропускательная способность вакуум, Па Геттер

Поглощающая пластина: материал

Селективное покрытие

Поглощающая способность степень черноты (при 90 °С) ширина, мм длина, мм Рабочая жидкость Масса трубы, кг Равновесная температура (в конденсаторе), °С Расчетный срок службы, лет

Окись кобальта с подслоем меди 0,92

0,96 Изобутан

65 1,2 0,91 10-1

Вакуумно-налы - ленный барий

Стая,

"Черный кобальт" на меди 0,92

0,04 ...0,06 58

1,56

Диметилпропан 1,6 220

10

Трубчатые вакуумированные коллекторы обычно имеют отражатель с целью использования всей "площади поглощающей поверхности. Применяются как диффузные, так и зеркальные отражатели различной формы. Последние обеспечивают более высокий оптический КПД коллекторной сборки, чем диффузные отражатели при том же расстоя­нии между трубками. Однако диффузные отражатели (которые можно изготовить окрашиванием металлического листа белой краской) Относительно более долговечны и требуют значительно меньших затрат на материалы и изготовление по сравнению с зеркальными отражате­лями.

Характеристики СТВК на основе стеклянных колб типа сосуда Дьюара с диффузными отражателями изучались в работах [16, 23, 30]. Оптический КПД таких коллекторов зависит от геометрических размеров сборки, а именно, от расстояния между осями коллектор­ных трубок w и расстояния от оси трубки до отражателя h, а также от оптических характеристик коллектора - поглощательной способности селективного поглощающего покрытия в солнечном спектре оL s, отражательной способности отражателя Rd и пропускательной способ­ности внешней стеклянной трубки Т. Экспериментальные и расчетные результаты в работах [16, 23, 30] показывают, что в случае плоского диффузного отражателя и при расстояниях между осями коллектор­ных трубок W= (2 ... 3)dc п оптимальные (соответствующие максимуму оптического КПД) значения h в зависимости от w составляют (1,3 ... l,8)dc п, где rf(.n - наружный диаметр поглощающей трубки.

С ростом W оптический КПД коллектора /2 0 уменьшается, что, естест­венно, приводит к уменьшению удельной (в расчете на 1 м2 площади Отражателя) теплопроизводительности. Однако при этом число трубок в расчете на 1 м2 площади отражателя также снижается, а следова­Тельно, уменьшаются как удельные потери, так и удельная стоимость Коллектора. В работе [18] показано, что увеличение W с 2DCJI до 2,5DcМ Является экономически вполне оправданным. Разумеется при других Стоимостных показателях (например, очень дешевых коллекторных Трубках) технико-экономический анализ может показать иные результаты.

В работе [23] наряду с плоским отражателем рассмотрены диффуз­ные отражатели иной конфигурации - треугольные и полукруглые. Экспериментально показано, что при одинаковых углах падения лучей Значения оптического КПД для указанных конфигураций различаются • не более чем на 0,33. Очевидно, что ввиду простоты и меньших затрат на изготовление предпочтение следует отдать плоскому отражателю.

Влияние оптических характеристик аср rd и Г на оптический КПД изучено в работе [16]. Расчеты, выполненные для коллекторной сборки с w=2DCM, H = i, Sdc п показали, что изменение rd на ± 0,01 (при OLs = о,92) приводит к изменению q0 на -0,0035, а изменение oCs на -0,01 (при Rd = 0,8) вызывает изменение на ±0,004. Как видно, эффективность коллектора несколько больше зависит от ols, чем от rd.

Как уже упоминалось, зеркальные отражатели позволяют получить более высокий оптический'КПД, чем диффузные отражатели. В сущест­вующих конструкциях СТВК используют зеркальные отражатели различной конфигурации - фоклины, параболоцилиндры, круглые цилиндры, эвольвенты и др. Значительный эффект дает применение эвольвентных отражателей. • Согласно расчетам [29], для солнечного излучения, падающего по нормали, при w=2dc п, ois = 0,875 и отражатель­ной способностиэвольвентного отражателяRN= 0,83 оптический КПД Q 0 последнего составляет 0,765, тогда как для плоского диффузного отражателя при Rd = 0,85 и ft = 2с? с п всего лишь 0,65. При W = 2,SdCM значе­ния оптического КПД равны соответственно 0,71 и 0,53. Таким образом, в последнем случае замена плоского диффузного отражателя зеркаль­ным эвольвентным отражателем приводит к увеличению КПД на 34 %.

Важной тепловой характеристикой СТВК является КПД: T -T

П , Вх О

FR10~fKk(--------------------- ),

QF 10 q

А

Где [^ — площадь апертуры, под которой понимается общая площадь коллектора за выче­том площади, занимаемой гидравлическими соединениями и устройствами для отвода полезной теплоты (например, конденсаторами тепловых труб). Иногда при определении КПД вместо площади апертуры используется общая площадь сборки.

Остальные обозначения см. формулы (3.1)... (3.6).

В табл. 3.6 представлена зависимость от комплекса величин (fBX - T0)/Q и другие характеристики некоторых существующих конст­рукций СТВК [13, 14].

Как видно из таблицы, наибольший КПД имеет коллектор фирмы "Оуэн Иллинойс" (Саипак). Различия в КПД связаны главным образом с различиями как формы и типа отражателя, так и расстояния между осями вакуумированных трубок W. Влияние w на КПД продемонстри­ровано данными работы [23], в которой приведены полученные экспе риментальные зависимости Q от комплекса величин (tBX - TQ)/Q для дву

Коллекторных сборок из колб типа сосуда Дьюара с плоским диффуз­ным отражателем (RD = 0,74), отличающихся друг от друга только значе­нием W - соответственно 2dc п и 2,5DCAU (60 и 76 мм). Значения оптичес­кого КПД этих сборок составляют соответственно 0,614 и 0,574, а коэффициенты теплопередачи - 2,06 и 1,79 Вт/(м2-К).

В последнее десятилетие трубчатые вакуумированные коллекторы использовались в различных странах главным образом для создания демонстрационных установок. Поэтому объем производства СТВК был невелик. Например, в США в период 1982-1983 гг. годовой объем их реализации составлял 7... 7,5 тыс. м2 [17].

Вопрос о масштабах производства СТВК в перспективе существенно зависит от их стоимостных показателей. В работе [18] приведены оценки затрат на изготовление коллекторов из вакуумированньг стеклянных колб типа сосуда Дьюара с гидравлическим трактом "вод в стекле" применительно к условиям массового производства (боле 10 тыс. колб в день). В составляющие затрат входят следующие элементы:

Изготовление вакуумированной стеклянной колбы типа сосуда Дьюара

Амер. долл.

В СТВК, где теплоноситель не находится в контакте со стеклом, а заключен в специальное металлическое устройство (как, например, в коллекторе фирмы "Дженерал Электрик"), стоимость гидравлического тракта значительно выше, чем указано ранее. По мнению авторов работы [18], результаты оценки стоимости СЕВК "выглядят ободряю­щими", особенно если иметь в виду, что стоимость коллекторов плоского типа превышает часто 120 амер. долл /м2. С учетом относи­тельно более высокой эффективности СТВК цена менее 200 амер. долл /м2 позволяет им успешно конкурировать на рынке с коллекто­рами других типов.

Результаты оценки стоимости СТВК для условий серийного произ­водства, приведенная в работе [3], дают значения 50 ... 70 руб/м2. Это значение корреспондируется с оценкой [18], если иметь в виду, что стоимость серийно выпускаемого плоского коллектора в СССР состав­ляет около 50 руб/м2.