CC BY
20
УДК 620.92:330.138
ОПЫТ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИИ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ
© 2011 г. Р.А. Амерханов , В.А. Бутузов , Е.В. Брянцева
"Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар
**ООО «Теплопроектстрой»
Kuban State Agrarian University, Krasnodar
** «Teploproektstroy»
Произведен анализ эксплуатации гелиоэнергетических установок разных производителей и выявлены причины и конструктивные дефекты, влияющие на снижение срока службы. Представлены решения оптимизации конструкции гелиоэнергетических установок на примере изделий Ковровского завода.
Ключевые слова: гелеоэнергетические установки; солнечнотопливные котельные; эксплуатация; оптимизация конструкции.
The analysis of exploitation of helio installations of different producers was made and reasons and constructive defects influencing on decreasing of life time were revealed. Decisions of optimization of helio installation construction on the example of Krasnodar region products were presented.
Keywords: helio energetic installations; solar fuel boiler rooms; exploitation; optimization of construction.
В СССР около 80 % всего количества солнечных коллекторов производилось на заводах «Сибтепло-маш» (Братск) и «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси). На рис. 1 представлены результаты анализа коррозионных повреждений первых партий коллекторов завода «Сибтепломаш» с неселективным покрытием на примере солнечно-топливной котельной в г. Анапа [1, 2].
Причиной высокой повреждаемости солнечных коллекторов являлась неудачная конструкция прозрачной изоляции и неустойчивость лакокрасочного покрытия корпуса к условиям морского климата. В данных коллекторах применялось стекло толщиной
100
1989-1991 1989-1991
□ Теплопоглощающая панель
1989-2002 1989-1992 1989-2002 ■ Теплоизоляция □ Корпус
Рис. 1. Количество повреждений солнечных коллекторов с селективным и неселективным покрытиями, %: завода «Сибтепломаш»: 1, 3 - с неселективным; 2 - с селективным покрытием; завода «Спецгелиотепломонтаж»: 4, 5 - с неселективным покрытием
5 мм, не выдерживались его зазоры в корпусе, герметизация была выполнена полимеризующейся мастикой (герленом). Коррозионные повреждения теплопо-глощающих панелей происходили из-за попадания атмосферной влаги через трещины стекла, намокания теплоизоляции (минеральной ваты) и последующего воздействия ее на металл поглощающей панели. В Краснодарском крае из 900 шт. установленных в 1987 - 1990 гг. солнечных коллекторов Братского завода с лакокрасочным покрытием теплопоглощаю-щей панели, в настоящее время в эксплуатации не осталось ни одного. Их фактический срок службы составил, в среднем, 5 лет. Дефекты коллекторов завода «Сибтепломаш» с селективным покрытием «черный хром» и усовершенствованной прозрачной теплоизоляцией (толщина стекла 4 мм, уменьшены зазоры между стеклом и корпусом) имеют разный характер при анализе за 2 года и за 12 лет наблюдений (на примере солнечно-топливной котельной в г. Тимашевске) [1, 3]. Повреждения лакокрасочного покрытия корпуса в условиях отсутствия воздействия морского климата свидетельствует о его низком качестве. Теплоизоляции смещена в нижнюю часть корпуса и намокает из-за неплотности
**
крепления стекол (полимеризация и растрескивание уплотнительной мастики). Данный коллектор по фактическому сроку службы не соответствовал стандарту [4]. В настоящее время в Краснодарском крае эксплуатируется только одна гелиоустановка в г. Тима-шевске, имеющая 342 солнечных коллектора с селективным покрытием завода «Сибтепломаш».
На рис. 1 представлены результаты анализа повреждений за 2 года и 12 лет эксплуатации солнечных коллекторов завода «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) с неселективным покрытием (черная эмаль с добавлением сажи) на примере гелиоустановки в Краснодаре. Данные коллекторы имеют корпус с обечайкой из алюминиевого профиля, при этом тыльная сторона теплоизоляции выполнена из фанеры толщиной 4 мм, что и определило их массовые повреждения уже через 3 года. Соответственно повреждалась и теплоизоляция - пенопласт, который к тому же деформировался от нагрева с уменьшением толщины на 20 % в местах контакта с корпусом. Коррозионные повреждения теплопоглощающих панелей являлись следствием проникновения влаги через трещины в стекле. В связи с этим следует отметить, что по фактическому сроку службы данная конструкция также не соответствует стандарту [4]. В Краснодарском крае в 1988 - 1992 гг. было установлено 7700 шт. (4620 м2) коллекторов завода «Спецгелиотепломонтаж», из которых в 2002 г. работало 2640 шт. (1584 м2), что составляет 34,3 %.
Из российских производителей солнечных коллекторов в Краснодарском крае наиболее широко с
1994 г. представлен Ковровский механический завод (КМЗ), коллекторы которого разработаны ведущим конструктором А.А. Лычагиным, испытаны на стенде Энергетического института им. Кржижановского под руководством Б.В. Тарнижевского. Они выпускались в следующих модификациях:
- № 1 с поглощающей панелью из латунных трубок с литыми алюминиевыми ребрами, корпусом из стали, теплоизоляцией листовым пенополиуретаном в полиэтиленовой оболочке, стеклом с креплением угловым алюминиевым профилем (1994 - 1997 гг.);
- № 2 с поглощающей панелью из латунных трубок со стальными ребрами, остальные конструктивные решения аналогичны модификации № 1 (1998 г.);
- № 3 с поглощающей панелью из латунных трубок со стальными ребрами, стальным корпусом, теплоизоляцией из полостей пергамина, с покрытием тыльной стороны окрашенными древесноволокнистыми плитами, стеклом с креплением плоскими планками (1999 - 2002 гг.)
В соответствии с договором о сотрудничестве между КМЗ и Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства (Москва) с
1995 г. проводились эксплуатационные испытания всех моделей коллекторов завода в натурных условиях. При обследовании 1230 солнечных коллекторов
модели № 1, работающих с 1995 г., установлено следующее:
- теплопоглощающие панели имеют незначительный процент (менее 1 %) выхода из строя, срок службы лакокрасочного покрытия не превышает 5 лет (выгорание, отслаивание от алюминиевых ребер);
- до 10 % повреждений стекол (не выдержаны зазоры, некачественное стекло), 28 шт. болтовых соединений крепления стекла на одном коллекторе затрудняют его замену;
- некачественное лакокрасочное покрытие корпуса коллекторов, особенно тыльной стороны теплоизоляции (50 - 60 % повреждений после 5 лет эксплуатации);
- отсутствие элементов крепления коллекторов к опорным металлоконструкциям; низкое качество резинотканевых патрубков и хомутов (до 30 % повреждений).
С учетом изложенного Ковровским заводом [1] были разработаны новые конструкции солнечных коллекторов № 2, 3. При обследовании 650 коллекторов модели № 3 за период с 1999 г. установлено следующее:
- эксплуатационные испытания не выявили существенного снижения КПД (не более 5 %);
- теплопоглощающие панели со стальными ребрами не имеют повреждений лакокрасочного покрытия;
- количество повреждений стекла незначительно (до 1 %);
- отсутствуют повреждения лакокрасочного покрытия стальных элементов корпуса;
- на отдельных коллекторах отмечено отвисание пергамина на тыльной стороне теплоизоляции.
Приведенные материалы обследования солнечных коллекторов Ковровского завода имеют малый срок наблюдений (до 7 лет) и не позволяют сделать обоснованное заключение о соответствии российскому стандарту [5].
В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Для выполнения одного из основных требований государственного стандарта - заданного срока службы солнечных коллекторов - необходимы систематические наблюдения за их эксплуатацией и обработка результатов по определенной методике.
2. Эксплуатационные испытания в течение не менее 10 лет солнечных коллекторов, выпущенных основными производителями СССР, показали, что фактический срок службы коллекторов ниже требуемого по стандарту [4] и заводского паспортного.
3. Обработка данных многолетних испытаний солнечных коллекторов различных производителей позволили установить следующие требования, предъявляемые к их основным конструктивным элементам:
- теплопоглощающая панель и корпус должны быть выполнены из коррозионностойких материалов;
- при площади коллектора до 1 м оправдано применение оконного стекла толщиной 3 мм. При его креплении должны быть выдержаны зазоры для теплового расширения;
- материал теплоизоляции коллектора при намокании не должен проявлять коррозионных свойств по отношению к материалам поглощающей панели и корпуса;
- резинотканевые и резьбовые (стальные) соединения коллектора между собой не обеспечивают их герметичности.
4. Среди солнечных коллекторов российских производителей высокими эксплуатационными показателями обладают коллекторы Ковровского механического завода (модель № 3). Стандартный срок службы этих коллекторов может быть обеспечен при выполнении корпуса из коррозионностойких материалов и усовершенствования узлов соединения патрубков.
В результате обобщения многолетнего опыта эксплуатационных испытаний нескольких тысяч солнечных коллекторов различных производителей в 1989 г. был выполнен анализ патентных исследований, а также разработан проект технического задания на конструкцию солнечного коллектора для систем солнечного теплоснабжения. Данный проект содержал следующие требования к конструкции коллектора:
- теплопоглощающая листотрубная панель площадью 1,5 - 2,5 м2 с трубками из коррозионностойких материалов. Материал листа определяется технологией соединения с трубками. Удельный объем каналов панели 1,5 - 2,3 л/м2. Покрытие - селективное лакокрасочное;
- прозрачная изоляция с пропускающей способностью 0,9, содержание железа низкое, толщина 2 - 4 мм;
- тепловая изоляция с удельной массой 30 кг/м3, общий коэффициент тепловых потерь 5,8 Вт/(м2чК), максимальная температура нагрева 100 °С, отсутствие токсичных компонентов при нанесении и эксплуатации;
- корпус из коррозионностойких материалов, жесткий и технологичный.
После утверждения указанного технического задания в 1990 г. была разработана конструкторская документация, изготовлена опытная партия (три модификации солнечного коллектора) и выполнены натурные испытания на специально сооруженном стенде. Все коллекторы имели размеры 800*2000*100 мм и по 2 патрубка для теплоносителя. Корпусы выполнялись из алюминиевого профиля ПАС154. На рис. 2 приведены модификации конструкций солнечных коллекторов, различающихся материалами, конфигурацией и сечением теплопоглощающих панелей:
№ 1 - алюминиевый лист со змеевиком из медной трубки диаметром 18 мм;
№ 2 - алюминиевый лист с решеткой из латунной трубки с диаметрами 16 мм и 25 мм;
№ 3 - алюминиевый лист с трубчатой решеткой из нержавеющей стали с диаметрами 16 и 42 мм.
Рис. 2. Солнечные коллекторы конструкции Краснодарской лаборатории АКХ
Поверхность поглощающей панели покрывалась селективной черной краской, применяемой ППО «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси). В качестве теплоизоляции применен пенопласт толщиной 40 мм, защитный слой - из гетинакса. Стекло толщиной 4 мм герметизировалось резиной.
На основании проведенных исследований разработана концепция солнечного коллектора. При соответствии теплотехнических характеристик, срока службы и иных параметров солнечного коллектора государственному стандарту, его оптимальная конструкция должна быть конкурентоспособной традиционным энергетическими источникам по стоимостным и энергетическим характеристикам. В частности, количество энергии, выработанное за срок службы коллектора с учетом ее энергетической ценности, должно существенно превосходить количество энергии, затраченное на его изготовление и эксплуатацию.
С 1996 г. совместно с Ковровским механическим заводом ведется работа по совершенствованию конструкции плоского жидкостного солнечного коллектора с учетом установленных аналитических зависимостей. В 1999 г. реализована и запущена в производство модификация солнечного коллектора № 3. В данной модификации изменены следующие элементы и детали базовой модели:
- в конструкции поглощающей панели вместо наплавленных на латунные трубки алюминиевых ребер применены листовые стальные штампованные с соединением методом контактной сварки. При снижении КПД поглощающей панели на 2,5 % ее стоимость уменьшилась на 52 %;
- теплоизоляция из пенополиуретана заменена на пустотелые короба из пергамина. При увеличении тепловых потерь коллектора на 18,8 %, стоимость теплоизоляционной конструкции уменьшилась в 3 раза;
- при изменении конструкции крепления стекла в корпусе с уменьшением количества болтовых соединений в 7 раз стоимость данного узла сократилась на 50 %, а количество повреждений стекла при эксплуатации уменьшилось на 30 %.
Таким образом, в соответствии с разработанными методическими принципами и аналитическими зависимостями Ковровским механическим заводом освоен выпуск конструкции солнечного коллектора, имею-
щей оптимальное для российского рынка соотношение стоимостных и энергетических показателей, эксплуатационные испытания которой подтвердили основные расчетные параметры.
Литература
1. Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Гарькавый К.А. Вопросы теории и инновационных решений при использовании гелиоэнергетических систем : монография. М., 2009. 504 с.
Поступила в редакцию
2. Бутузов В.А., Мацко А.Н. Разработка и эксплуатация солнечнотопливных котельных // Промышленная энергетика. 1991. № 1. С. 47.
3. Бутузов В.А. Гелиоустановки горячего водоснабжения большой производительности // Промышленная энергетика. 2002. № 9. С. 44 - 51.
4. ГОСТ 28310-89. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М., 1990. 16 с.
5. ГОСТ Р51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М., 2000. 6 с.
15 ноября 2010 г.
Амерханов Роберт Александрович - д-р техн. наук, заслуженный работник высшей школы РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, профессор, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: energyksau@mail.ru
Бутузов Виталий Анатольович - д-р техн. наук, профессор, Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: butuzov@newmail.ru
Брянцева Елена Витальевна - инженер, ООО «Теплопроектстрой». Тел. (861) 251-77-67. E-mail: tps_offece@mail.ru
Amerkhanov Robert Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: energyksau@mail.ru
Butuzov Vitaliy Anatolevich - Doctor of Technical Sciences, professor, Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: butuzov@newmail.ru
Bryantseva Elena Vitalevna - engineer, «Teploproektstroy» Ph. (861) 251-77-67. E-mail: tps_offece@mail.ru
