Устройства для защиты современных солнечных коллекторов

АННОТАЦИЯ

В этой научной работе описывается осушение, при использовании антифриза, электрического отопления в котором использование медленной циркуляции, явились преимуществами и недостатками. Метод самосушения солнечных устройств  был выбран как один из улучшенных спопобов.

ABSTRACT

In this research paper describes drainage, use of antifreeze, electric heating, use of slow circulation, the advantages and disadvantages were identified and one was chosen for improvement: self-draining method of solar devices.

Ключевые слова: приборы, метод слива, повышение эффективности, тепловая энергия, солнечные системы отопления, солнечные коллекторы.

Keywords: devices,draining method, improving efficiency, thermal energy, solar heating systems,solar collectors.

Расширение масштабов практического использования солнечной энергии в системах теплоснабжения требует разработки гелиоустановок большой мощности [1]. Поэтому за последние годы обнаружилась тенденция к росту количества крупных систем централизованного солнечного теплоснабжения. В мире насчитывается 300 установок с площадью СК более 500 м², общая площадь коллекторов в них - 1648 тыс.м². Лидером этого направления является Дания, где построено 110 установок (1318 тыс.м²). В таких гелиоустановках в отличие от маломощных термосифонных систем с естественной циркуляцией теплоносителя применяется насосная циркуляция. Необходимость защиты солнечных коллекторов (СК)от разрушения зимой из-за замерзания в них воды, а также летом из-за её вскипания и быстрого увеличению давления перегретых водяных паров (или антифриза) в режиме стагнации (остановки циркуляции), требует разработки простых, надёжных, экономичных и энергетически эффективных технических решений.

В этом отношении самодренируемые системы (СДС или DBS- DrainbackSystems) солнечного теплоснабжения являютяся одним из перспективных направлений развития гелиотехники . Особенностью их конструкции является опорожнение СК от теплоносителя при остановке насоса гелиоконтура в специальный бак (drainback tank) или бак-аккумулятор.

Благодаря своей простоте и многочисленным преимуществам по сравнению с другими типами солнечных водонагревателей, которые отмечены в работах [2]СДС, работающие при атмосферном давлении, нашли широкое применение на практике. Например, в Нидерландах, где были ужесточены нормативные требования к теплоносителям гелиоустановок. Так при использовании гликолевых теплоносителей предписывалось применение двойных теплообменников для предотвращения попадания гликолей в организм человека. Уже в 2000-е годы в этой стране 80% всех гелиоустановок строились самодренируемыми. В восьмидесятые годы в Европе и США были запатентованы десятки конструкций СДС .

Самая большая в мире СДС площадью 2400 кв.м построена в г. Бреде в Нидерландах для теплоснабжения кондитерской фабрики [3]. Мировыми лидерами в производстве СДС являются Норвегия (до 70 % всех гелиоустановок выполняют самодренируемыми), США (20 %), Франция (15 %). Разнообразием технических решений отмечаются СДС французской фирмы Tecsol. Ею построено 40 таких установок общей площадью 2325 кв.м. В России наибольшее применение получили открытые СДС площадью свыше 20 м². Такие установки на 20-30 % дешевле обычных, не требуют дорогостоящих теплоносителей. В городе Краснодаре для горячего водоснабжения (ГВС) отеля по ул. Постовой разработана и построена самая большая в России самодренируемая система площадью гелиополя 178 м²[1].

Однако, несмотря на все свои преимущества и распространенность применения, СДС присуще также следующие существенные недостатки, влияющие на их экономичность и надёжность работы.

Во-первых, поскольку теплоноситель находится в баке-аккумуляторе и СК пуст при запуске насоса, последний должен преодолеть гидростатический напор Н и поднять теплоноситель от самого низкого уровня до самой высокой точки в системе. Это требует более мощного насоса, затрачивающего больше электроэнергии. Причём, как показано в [2], мощность насоса требуется не только в течение короткого промежутка времени после его включения в режиме заполнения системы водой, но и при циркуляции воды в заполненной системе, после её выхода на расчётный тепловой режим (60^оС и более), так как при геометрической высоте гелиоконтура Н, превышающей в наивысшей точке величину допустимого вакуума в самотечной трубе – сифоне, возникает разрыв струи из-за вскипания теплоносителя.

Во-вторых, остановка насоса в СДС большой мощности с протяжённой и разветвлённой сетью трубопроводов, объединяющих СК, как и в обычных водопроводных сетях может привести к возникновению гидравлических ударов [1], разрушающих систему.

Для устранения указанных недостатков в работе [1]предложена установка обратных клапанов у насосов (для удержания высокого гидростатического напора Н) и на сливном трубопроводе перед баками специального клапана с электроприводом, алгоритм включения которого рассчитан из условий предотвращения гидроударов.

Предложенные решения, кроме усложнения СДС установкой дополнительных клапанов и дополнительного расширительного бака, противоречит самому принципу самодренирования и повышают вероятность возникновения гидравлических ударов в системе из-за установки обратных клапанов. Ведь СДС самапризвана предохранять гелиоустановку от разрушения в режиме стагнации, т.е. прекращения циркуляции во время внезапной остановки насосов из-за отключения электроэнергии. Поэтому непонятно как при отключении электроэнергии будет работать специальный клапан с электроприводом.

Рисунок 1. Схема установки

Как известно гидравлический удар возникает при резкой остановке движения теплоносителя. Поэтому насос без установки обратного клапана является менее опасным с точки зрения возникновения гидравлического удара. Если обратный клапан резко останавливает поток, то насос при отключении электроэнергии некоторое время продолжает сбавлять свои обороты, а затем начинает пропускать поток через себя в обратном направлении без его резкой остановки. Таким образом, условия возникновения гидравлических ударов из-за остановки насоса могут быть сведены к минимуму. Повышения надёжности и эффективности СДС можно достичь не традиционным методом, когда управляющие параметры накладываются на неё извне, а более простым альтернативным методом, когда они возникают в ней самой за счёт синергетических эффектов самоорганизации и саморегулирования Отличительной особенностью разработанного СДС, реализующего данный подход [3] является сообщение дренажного бака с циркуляционными трубопроводами не напрямую, как это предусмотрено в Drainback systems, а через суженное сечение cаморегулирующегося активного элемента (CАЭ) выполненного в виде трубы Вентури. При этом роль САЭ заключается в автоматическом подключении и отключении дренажного бака к самодренируемому гелиоконтуру при остановке и пуске насоса (после заполнения системы водой), соответственно. Таким образом, он работает в режиме гидродинамического триггера. Вследствие этого при остановке насоса  СК как обычно дренируется, и вода сливается в дренажный бак через отверстия в суженном сечении трубы Вентури и её уровень поднимается в баке.Приэтом воздух  из дренажного бака по воздушной трубке выдавливается в верхнюю часть сифона и, разрывая поток теплоносителя, обеспечивает надёжное дренирование СК.

При включении насоса, вода обратно подсасывается из дренажного бака через суженное сечение САЭ, а воздух выдавливается из СК в дренажный бак. При прохождении через трубу Вентури, благодаря сужению сечения, гидростатическое давление потока воды переходит в гидродинамическое (скоростное) давление. Поэтому она не сливается самотеком в дренажный бак (как это происходит в Drainback systems), а сохраняя свою кинетическую энергию, продолжает движение мимо боковых отверстий в узком сечении трубы Вентури, которые соединяют её с дренажным баком. Дальнейшее расширение потока в трубе Вентуре приводит к восстановлению гидростатического давления (до 65-80% взависимости от степени сужения потока, режима течения, конструкции и чистоты обработки внутренней поверхности трубы Вентури)за счёт плавного уменьшения гидродинамического[1].

Таким образом, при работающем насосе дренажный бак для слива воды остаётся заблокированным высоким гидродинамическим давлением потока, и циркуляция теплоносителя во всех остальных точках гелиоконтура осуществляется при избыточном гидростатическом давлении теплоносителя, т.е. без его потерь из-за разрыва струи не зависимо от температуры нагрева теплоносителя. При этом по сравнению с существующими системами drainback исключены затраты энергии на преодоление избыточного гидростатического давления теплоносителя, теряемого в них в точке присоединения дренажного бачка из-за разрыва струи теплоносителя в верхней части сифона при температурах более 60^оС и атмосферном давлении.

Список литературы:

1. Karshiev, Sharif, Sherkulovich. “Improving Efficiency of Solar Heating Systems with Flat Solar Collectors : Key Reserves and Possible Ways of Their Implementation,” . Int. J. Adv. Res. Sci. Eng. Technol. Vol. 6, Issue 8 , August 2019.ISSN 2350-0328, vol. 6, no. 8, pp. 10361–10364, 2019.
2. Sharif Karshiev Sherkulovich. “Prospective ways of self-draining helio structures in the use of solar energy”. ‘Экономика и социум’Международный научно-практический журнал ISSN 2225-1545. УДК 620.91https://www.iupr.ru/5-72-2020, (2020).
3. Karshiev, Sharif, Sherkulovich. “Improving efficiency of solar heating systems with flat solar collectors: key reserves and possible ways of their implementation,” in Monografia Pokonferencyjna Science, Research, Development #17/8 Belgrade (Serbia) ISBN: 978-83-66401-00-6 30.05.2019- 31.05.2019 стр 37-39, 2019, pp. 37–39.
4. Karshiev Sh.Sh.,Khayrullaev R.S., Zufarova N.N. “SELF-DRAINING SOLAR DEVICES TO PROTECT MODERN SOLAR COLLECTORS FROM DESTRUCTION,” Int. Eng. J. Res. Dev. Vol.5E-ISSN NO-2349-0721E-ISSN NO-2349-0721 Impact factor  6.03, vol. 1, no. 2349, pp. 1–6.