2.3. Результаты разработки солнечных коллекторов из современных полимерных материалов
На основе анализа литературных данных по вышеупомянутым критериям были отобраны полимеры, предназначенные для испытания в качестве материалов для элементов СВУ. При их выборе учитывался комплекс эксплуатационных характеристик, и стоимость и возможность работы в контакте с питьевой водой.
В конструкции экспериментальных образцов СК были использованы:
для прозрачной теплоизоляции - сотовый поликарбонат с УФ- защитой толщиной 4 мм.
для теплопоглощающей панели - сотовый поликарбонат толщиной 10 мм, по каналам которого прокачивается теплоноситель.
Для эффективного поглощения излучения теплопоглощающая панель была покрашена в чёрный цвет, (рис. 2.4).корпус СК конструировался с использованием поливинилхлорида (ПВХ).
для теплоизоляции задней и боковых стенок использован теплоизоляционный материал "энергофлекс".
Выполнение корпуса из ПВХ целесообразно по нескольким причинам: профили из ПВХ хорошо поддаются механической обработке без специального оборудования, конструкция корпуса проста, а вес значительно меньше, чем при использовании металлического профиля.
Рис. 2.4. Теплопоглощающая панель солнечного коллектора из сотового
поликарбоната
Исследование различных вариантов склейки поликарбоната с другими пластмассами, показало что, наиболее прочное и герметичное соединение получается с поливинилхлоридом, из которого изготавливаются трубы и фитинги. Следует подчеркнуть, что клеевые соединения являются более прочными, чем зажимные, и не уступают по прочности сварным. Монтаж не требует специализированной, и, как правило, дорогостоящей оснастки, что является важным и положительным фактором.
ПВХ нейтрален по отношению к воде, а также к различным биологическим средам, что позволяет применять его в пищевой промышленности. Он устойчив к множествам (более 500) химических соединений, что обеспечивает его широкое применение. Поливинилхлорид не горюч (температура его воспламенения превышает 430°С) и не поддерживают горение.
Теплоизоляционный материал "энергофлекс" - это гибкий материал из вспененного полиэтилена с закрытыми порами. Основа - полиэтилен высокого давления (низкой плотности) придает ему хорошую эластичность и высокую химическую стойкость, что делает возможным широкое применение этого материала в строительстве. На сегодняшний день "энергофлекс" обладает самым лучшим соотношением "цена/качество" среди аналогичных материалов из вспененного полиэтилена. Рабочая температура материала от -40°С до +100°С, плотность 25 кг/м3, теплопроводность не более 0,038 Вт/мК. Материал использовался в качестве теплоизоляции нижней поверхности теплопоглощающей панели, труб и фитингов.Рассматривался солнечный коллектор двух типоразмеров: характерного для наиболее освоенного в России коллектора Ковровского механического завода (КМЗ) - С1 и типичного плоского СК- С2 зарубежного производства. Отличия заключаются в размерах теплопоглощающей панели коллектора. Для КМЗ это около 1 м2, а для солнечного коллектора "Сокол" разработки НПО "Машиностроение" - 2 м2.
Сборка солнечного коллектора (рис. 2.5) начинается с подготовки исходных материалов, резки пластин поликарбоната и труб из ПВХ.
В трубах ПВХ заданного размера вырезаются пазы под под теплопоглощающую панель, трубы устанавливаются на панель, стыковочные поверхности склеиваются клеем. Для полного затвердевания клея необходимо выдержать несколько дней, после чего провести проверку герметичности соединения опрессовкой.
Сборка коллектора проводится в следующей последовательности: на стол укладывается поддон из полипропилена, на него приклеивается теплоизолирующее покрытие, на которое в свою очередь устанавливается теплопоглощающая панель. На теплопоглощающую панель по краям надклеиваются полоски теплоизоляционного материала. Сверху к ним прижимается прозрачное покрытие из поликарбоната, тем самым создаётся
теплоизолированный объём между теплопоглощающей панелью и окружающей средой.
3) Полученный пакет окантовывается профилем из ПВХ. Корпус представляет собой прямоугольную рамку.
Для удобства монтажа сначала собирается три стороны рамки, а с открытой стороны устанавливается собранный пакет, затем прижимается четвёртой стороной, тем самым замыкается контур коллектора. К гидравлическим коллекторам приклеиваются переходные муфты.
Рис. 2.5. Схема сборки солнечного коллектора
Обе разработанные модификации солнечного коллектора имеют унифицированную конструкцию, отличаясь лишь размерами теплопоглощающей панели. Чертежи полимерного СК, по размерам соответствующего коллектору КМЗ (С1), приведены на рис. 2.6 и рис. 2.7.
выход
Прозрачная теплоизолир"цая гонель
Тепловоспринимаоцая
Рис. 2.6. Солнечный коллектор С1. Общий вид П-образный корпус из ПВХ
Теплоизоляционный слой (энергофлекс)
Светопоглощающее Прозрачная панель Панель из сотового \покрытие /из поликарбоната^ поликарбоната
Рис. 2.7. Солнечный коллектор С1. Структурный чертеж
Солнечные коллекторы С1 и С2 реализованы полностью из полимерных материалов без присутствия каких-либо металлических элементов. Коллекторы созданы по неразборной технологии. На рис. 2.8 приведён общий вид коллектора С2 в сборе.
Рис. 2.8. Пластмассовый солнечный коллектор С2 в сборе
Параметры разработанных полимерных коллекторов С1 и С2 в сравнении с их серийными аналогами (КМЗ и "Сокол"), изготовленными из традиционных материалов, представлены в табл. 2.1.
Себестоимость производства разработанных с участием автора пластмассовых солнечных коллекторов оценивается в 1200-1500 рублей в расчёте за квадратный метр теплопоглощающей поверхности. Таблица 2.1. Параметр CI (С2) КМЗ "Сокол" Удельная стоимость, $/м2 70 (60) 130 170 Приведенная масса, кг/м2 8(7) 35 30 Рабочее давление, бар 2,0 6,0 6,0 Долговечность, лет 10 10 15 Ударная стойкость Высокая Низкая Низкая Сравнительные свойства солнечных коллекторов
Рис. 2.9. Схема полиэтиленового бака-аккумулятора
Бак аккумулятор изготовлен фирмой "Анион" из УФ- стабилизированного вспененного полиэтилена методом ротационного формования и рассчитан на содержание до 200 литров воды или иного теплоносителя (полиэтилен обладает высокой стойкостью не только по отношению к воде, но и практически ко всем типам антифризов).
На рис. 2.9 показан схематический чертеж, а на рис. 2.10 фотография бака-аккумулятора.Рис. 2.10. Баки-аккумуляторы из вспененного полиэтилена
Проведенные при участии автора натурные испытания бака- аккумулятора показали высокую стойкость материала и выбранной конструкции к воздействию факторов внешней среды. Нагрев воды в баке почти до точки кипения, практически не отражается на прочностных свойствах бака-аккумулятора.
Себестоимость бака-аккумулятора составляет около 1500 рублей, в то время как стоимость стандартного теплоизолированного бака аналогичного объема, изготовленного из нержавеющей стали достигает 7-10 тыс. рублей [68].
На базе разработанного пластмассового солнечного коллектора с габаритной площадью 2 м2 и бака аккумулятора из вспененного полиэтилена, была собрана СВУ, рассчитанная на индивидуального потребителя (рис. 2.11). Проведённые исследования эффективности разработанной СВУ подтвердили её высокие теплотехнические характеристики, не уступающие традиционным СВУ.
Разработанные конструкции плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс защищёны 2 патентами на полезную модель (Приложение 5 и 6).
Важным элементом дальнейших исследований в области разработки полимерных конструкций элементов СВУ должно стать исследование рынка потребителей такого рода устройств.
Рис. 2.11. Общий вид созданной солнечной водонагревательной
установки