CC BY
63
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕМА НОМЕРА]
Новые материалы
для солнечных коллекторов
А.М. Амадзиев, М.М. Дибирова, М.Г. Дибиров, Д.С. Джаруллаев
Филиал Объединенного института высоких температур РАН, Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
Солнечные коллекторы можно широко использовать в системах горячего водоснабжения и отопления предприятий пищевой промышленности и общественного питания. Применение солнечных водонагревательных установок в этих целях позволяет экономить 4050 % тепловой энергии в сравнении с традиционными источниками.
«Т.
Рис. 2. Экспериментальная установка для испытания солнечных коллекторов:
1 - термостат с точностью регулирования температуры 0,50 0С и уровня жидкости 0,5 см;
2 - прибор для измерения и записи температур; 3 - насос для
постоянного поддержания уровня
жидкости в термостате; 4 - испытуемый коллектор;
5 - емкость для воды; 6 - кран игольчатый, регулировочный; 7 - расходомер; 8 - датчик уровня воды; Т0; Т; Т2 - термопары для измерения температур наружного воздуха на входе в коллектор и на выходе соответственно.
7
5
Современные солнечные водонагре-вательные установки на базе широко распространенных металло-стеклянных плоских коллекторов наряду с достаточной тепловой эффективностью имеют ряд недостатков: высокая металлоемкость, большой удельный вес коллекторов (до 25 кг/м2), высокая стоимость, подверженность воздействию атмосферных факторов, таких, как крупный град и сильные снегопады.
Поэтому поиск и использование новых современных полимерных материалов для изготовления основного элемента солнечной водонагревательной установки - солнечного коллектора -является актуальной задачей, решение которой позволит удешевить установку и одновременно повысить ее надежность.
В филиале Объединенного института высоких температур РАН (г. Махачкала) совместно с ДГТУ создан солнечный коллектор, в котором использован полимерный материал - ячеистый, или сотовый поликарбонат. Он представляет собой светопропускающие полые панели, полученные методом экструзии из гранул поликарбоната. Про-мышленно выпускаемый сотовый поликарбонат имеет такие оптико-механические характеристики, которые делают его привлекательным для применения в солнечной энергетике, в частности, при изготовлении солнечных коллекторов.
Сотовый поликарбонат может быть использован в солнечных коллекторах, как «остекляющий» и как поглощающий (тепловоспринимающий) элемент. В первом случае наряду с механической прочностью преимущественное значение имеет прозрачность поликарбоната, его устойчивость к разрушающему воздействию ультрафиолетового спектра солнечной радиации и низкая пропускаемость инфракрасного излучения поглощающего элемента [2].
По данным [1] производителя сотового поликарбоната РО1_У6А1_, ударо-прочность характеризуется как сверхвысокая (например, бомбардировка деревянными шариками диаметром
20 мм со скоростью 80 км/ч (20 м/с) при температуре 0 0С в течение 30 мин, не приводит к разрушению поликарбоната). Коэффициент пропускания сотового поликарбоната толщиной 4 мм составляет 0,82 (для сравнения, у стекла - 0,85). Защита от ультрафиолетового спектра солнечной радиации осуществляется введением в процессе производства УФ-стабилизато-ра непосредственно в материал (защитный эффект гарантируется на 10 лет эксплуатации). Коэффициент пропускания поликарбоната по отношению к инфракрасному излучению составляет 0,01 (у стекла - 0,02). Физические характеристики поликарбоната также способствуют использованию последнего в солнечных коллекторах. Удельная масса сотового поликарбоната в зависимости от толщины: 800 г/м2- для 4 мм, 1700 г/м2 - для 10 мм.
Коэффициент теплопередачи сотового поликарбоната толщиной 10 мм почти в 2 раза меньше, чем у стекла толщиной 4 мм (3 и 5,8 Вт/(м2трад) соответственно). Поликарбонат не теряет свойств в температурном диапазоне от - 40 до +120 0С, что соответствует теплотехническим условиям эксплуатации солнечных коллекторов.
Коллектор конструкции ФОИВТ представляет собой пакет из двух листов сотового поликарбоната и листа пенополистирола (рис. 1). Толщина обоих листов поликарбоната - 10 мм, полистирола 3 - 40 мм. Верхний лист 1 поликарбоната имеет коэффициент пропускания 0,80. Нижний лист 2, являющийся поглощающим элементом, сделан из темного или прозрачного поликарбоната. Во втором случае его верхний слой покрывается черным лаком. Лист 2 с торцов (относительно ячеек) плотно закрывается подающе-принимающими патрубками 4, которые распределяют (и собирают) жидкость по каналам элемента. Весь пакет вместе с защитным листом 6 из металла или пластика укладывается в раму 5 из тонколистового профилированного металла.
MODERN TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT
Между листами 1 и 2 имеется зазор в 10 мм, поэтому такое «остекление» можно считать двухслойным, что приводит к значительному сокращению конвективной составляющей теплопо-терь коллектора через прозрачное покрытие. В то же время зазор не приводит к изменению оптических характеристик коллектора.
Удельная масса коллектора конструкции ФОИВТ не превышает 8,5 кг/м2, а стоимость по материалам - 900 руб/м2. Гидравлические испытания (лабораторные) показали, что разработанная технология соединения патрубков 4 к торцам поликарбоната достаточно надежна. При создании в тепловоспри-нимающем элементе давления в 2 атм нарушения герметичности соединения не наблюдались.
Испытания коллектора проводились на лабораторном стенде, созданном в ДГТУ (рис. 2). Цель испытания - определение теплотехнических характеристик коллектора. Оптические характеристики на этом стенде не изучаются, но могут быть рассчитаны по известной методике [2].
Методика испытания достаточно проста. В испытуемый коллектор, располо-
женный под углом 400, подается нагретая вода с температурой Т1. Проходя через коллектор, она охлаждается за счет теплопотерь последнего и выходит с температурой Т2. Разница (Т1- Т2) является функцией теплопотерь, расхода теплоносителя через коллектор, температуры окружающего воздуха Т0. Полный коэффициент теплопотерь коллектора вычисляется по формуле
,, = qc(T, - т Ul АО,- т0
где р - расход жидкости через коллектор, кг/ч; с - теплоемкость воды, Вт/(кг-град); А - площадь поверхности коллектора, м2; Т1 - температура теплоносителя на входе в коллектор; Т2-температура теплоносителя на выходе из коллектора; Т0 - температура окружающего воздуха.
Результаты лабораторных стендовых испытаний показали, что коэффициент теплопотерь поликарбонатного (10 мм) коллектора конструкции ФОИВТ не превышает 4,5 Вт/(кгтрад) при следующих условиях: температура теплоносителя Т1 - 60 0С, температура окружа-
ющего воздуха - 20 0С, расход теплоносителя по коллектору - 20 кг/ч.
По результатам испытания можно сделать заключение о том, что наши предположения об эффекте «двойного остекления» в случае использования поликарбоната (10 мм) оправдались.
Необходимо отметить, что поликарбонат чувствителен к воздействию некоторых химикатов: минеральных и органических кислот, растворов солей, различных жиров, аммиака в жидком и газообразном состоянии, различных аминокислот, растворителей, клеев различных видов и красителей. Этот существенный недостаток поликарбоната необходимо учитывать при выборе теплоносителя коллекторов и условий их эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технические характеристики поликарбоната РО1_У6А1_. Стандарт Израиля SJ 557 V.
2. Даффи Дж.А, Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. - М.: Мир, 1977.
