Типы вакуумных трубок

Основным узлом любого солнечного вакуумного водонагревателя или солнечного вакуумного коллектора является батарея вакуумных трубок. Существуют шесть основных типов вакуумных трубок. В зависимости от типа вакуумной трубки различается и физический принцип нагрева воды в баке солнечного водонагревателя или в манифолде солнечного коллектора.

У вакуумных трубок коаксиального типа основным элементом является стеклянный термос выполненный по технологии «колба в колбе» (как в бытовом термосе). Основные типоразмеры диаметров колб на нашем рынке 70, 58, 48, 37 мм. Длина колб на нашем рынке 1500, 1800, 2100 мм. Чем больше диаметр трубки и ее длина, тем больше площадь абсорбции и выше теплотворность трубки. Колбы вакуумной трубки выполнены из прочного боросиликатного стекла, стойкого к граду и механическим повреждениям.

На поверхности внутренней колбы наносится специальное многослойное селективное покрытие, которое позволяет утилизировать в тепло 92-96% спектра солнечного излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового). Чаще всего на рынке представлены трубки с 3-слойным покрытием, потому что 7-ми и 9-тислойное покрытие существенно удорожает стоимость трубок, а выигрыш дает всего на 2-3 процента. На рынке РФ трубки из-за покрытия имеют темно-синий цвет. В Китае и ЮВА более распространены трубки с покрытием серо-стального или серо-розоватого цвета.

После откачки воздуха из межстеночного пространства перед запаиванием носика колбы внутрь впрыскивается соль бария, которая образует на внутренней стенке колбы зеркальный слой. Этот зеркальный слой и является индикатором вакуума. При нарушении вакуума в трубке зеркальный слой превращается в мутный молочно-белый.

1. Вакуумные трубки первого типа (самые первые по времени изобретения) представляют собой колбу термоса (колба в колбе). Конструкция двух стеночная. Стенки стеклянных цилиндров имеют различную толщину: внешняя колба более прочная – 1,8±0,15мм, внутренняя колба – 1,6±0,15мм. Цилиндры вставлены один в другой и запаяны в верхней части (устье) трубки. Противоположный конец внутренней колбы удерживает в центре четырех лепестковая пружина. Пространство между стеклянными стенками заполнено техническим вакуумом (менее 5х10-3 Па) и создает преграду для потерь тепла (принцип работы колбы термоса).

Верхние концы (устья) вакуумных трубок вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и образуют с ним одну ёмкость. Принцип действия — термосифон между вакуумными трубками и баком- термосом водонагревателя. Теплоноситель системы – вода. Тип циркуляции – пассивный. Абсорбционный слой на поверхности внутренней колбы утилизирует солнечную энергию и нагревает стекло колбы, вода в вакуумной трубке нагревается от стекла, и она естественным образом поднимается вдоль верхней стенки колбы и поступает в бак- термос, одновременно более холодная вода из бака-термоса поступает вдоль задней стенки колбы в вакуумную трубку. Таким образом, происходит циркуляция воды внутри системы. Показатель максимального КПД (оптического КПД «??») солнечного водонагревателя с вакуумными трубками достигает 92-96%.

2. Вакуумные трубки второго типа (не по времени изобретения, а как развитие первого типа) представляют собой колбу термоса (колба в колбе) как и первый тип, Отличием является то, что из внутренней колбы тоже откачан воздух до 1х10 -4 Па и внутрь залито 20 мл легкоиспаряющейся жидкости (аналог пропиленгликоля). На устье вакуумной трубки наварен стеклянный теплообменник-конденсатор длинной 150 мм и диаметром как внутренняя колба вакуумной трубки. Толщина стенок стеклянных колб, марка стекла, внешние типоразмеры у вакуумных трубок всех типов одинаковые, как и у вакуумных трубок первого типа. Вакуумные трубки такого типа в литературе и у производителей носят названия вакуумные трубки двойного вакуумирования (double vacuum tube (сокращенно DVT) или super vacuum tube).

Верхние запаянные концы вакуумных трубок (с теплообменником) вставляются через уплотнители в бак-термос, расположенный на раме над ними, и НЕ образуют с ним одну ёмкость. Теплоноситель системы — легкоиспаряющаяся жидкость находящаяся во внутренней колбе. Тип циркуляции – пассивный. Принцип действия – прямой теплообмен между теплообменником-конденсатором вакуумной трубки двойного вакуумирования (DVT) и водой в баке-термосе. Легкоиспаряющаяся жидкость в вакуумной трубке нагревается внутренней стеклянной колбы, которая нагревается от солнца, и при +35°С начинает испаряться. Пар поднимается и поступает в верхнюю часть вакуумной трубки, где расположен конденсатор-теплообменник, там контактируя через стекло с водой в баке- термосе, отдает тепло, конденсируется и стекает вниз в вакуумную трубку. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена. Таким образом, происходит нагрев воды внутри бака-термоса. Прямого контакта между теплоносителем и водой — НЕТ! Показатель максимального КПД (оптического КПД «η_o«) солнечного водонагревателя с вакуумными трубками DVT достигает 90-92%.

3. Вакуумные трубки третьего типа (вторые по времени изобретения) тоже являются продолжением развития вакуумных трубок первого типа с включением элементов с теплопроводностью выше чем стекло и вода. Называются тепловые трубки этого типа «Heat Pipe». В верхней части колба закрыта пробкой с отверстием в центре диаметром 8 мм.

Внутри вакуумной трубки «Heat Pipe» помещена медная трубка диаметром 8 мм, запаянная с обоих концов и имеющая на верхнем конце расширение до 14 мм или 24мм (конденсатор-теплообменник).

Внутри медной трубки находится теплоноситель — легкоиспаряющаяся жидкость имеющая температуру кипения +35°С. Тип циркуляции – пассивный.

Рис.5
Вакуумная коаксиальная трубка в сочетании с тепловым каналом «Heat pipe». 1-внешняя стеклянная колба, 2-высокоселективное поглощающее покрытие, 3-алюминиевая пластина-пружина, 4-вакуумная прослойка, 5-тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью, 6-внутренняя стеклянная колба.

Медная трубка располагается в центре внутренней стеклянной колбы при помощи алюминиевой пластины-пружины, которая передает тепло от внутренней колбы к медной трубке.

Принцип действия – прямой теплообмен между конденсатором-теплообменником и водой в баке-термосе или антифризом в манифолде. Стеклянная стенка внутренней колбы нагревается от абсорбционного слоя и передает тепло алюминиевой пластине-пружине, которая удерживает медную трубку в центре колбы. От алюминиевой пластины тепло передается медной трубке. Легкоиспаряющаяся жидкость в вакуумных трубках «Heat Pipe» нагревается от стенок медной трубки, и при +35°С начинает испаряться. Пар поднимается и поступает в верхнюю часть медной трубки трубки, где расположен конденсатор-теплообменник, там контактируя через медную стенку с водой в баке- термосе или с теплоносителем-антифризом в манифолде, отдает тепло, конденсируется и стекает вниз в медную трубку. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена.

Конструктивный контакт тепловой медной трубки «Heat Pipe» с медным манифолдом показан на рисунке приведенном ниже.

В связи с многократно теплопередачей от одних узлов к другим эффективность вакуумных трубок такого типа не высокая. Показатель максимального КПД (оптического КПД «η_o«) солнечного коллектора с тепловыми трубками «Heat Pipe» достигает всего 65%.

4. Вакуумные трубки четвертого типа. В этом типе вакуумных трубок внутри колбы-термоса проходит прямоточный «U»-образный тепловой канал из медной трубки диаметром 8 мм. А в манифолде потоки теплоносителя холодного и горячего разведены в две медные трубки диаметром 25 мм.

Фиксируется «U»-образная медная трубка алюминиевой пластиной-пружиной на внутренней поверхности которой находятся расположенные в диаметральной плоскости два канала для фиксации медной трубки. Данный тип солнечного вакуумного коллектора получил название коллектор с «U»-образной трубкой.

Рис.10
Вакуумная коаксиальная трубка с прямоточным тепловым каналом 1-внешняя стеклянная колба, 2-высокоселективное поглощающее покрытие, 3-алюминиевая вставка, 4-тепловой канал с теплоносителем, 5-вакуумная прослойка, 6-внутренняя стеклянная колба.

В коллекторе с «U»-образной медной трубкой, за счет уменьшения количества теплопередач (теплота от алюминиевого слоя передается сразу трубкам, в которых циркулирует теплоноситель), максимальный КПД может достигать 76%. Недостатком может являться то, что при определенном характере повреждения замены может потребовать весь солнечный коллектор, а не только колба.

По сравнению с трубками «Heat Pipe», U-образные изделия имеют большую гидравлическую сопротивляемость, предъявляют повышенные требования к теплоносителю и стоят значительно дороже. Коллекторы, функционирующие на прямоточных U-трубках, не могут работать под высоким давлением и обеспечивают качественную теплоотдачу только в период теплого сезона.

5. Вакуумные трубки пятого типа. Вакуумные трубки этого типа имеют большую толщину стеклянных стенок нежели коаксиальные вакуумные трубки (в зависимости от производителя от 2,5 мм и выше), и состоят не из двух, а из одной колбы. Внутренний абсорбционный элемент «трубка» из меди (диаметр 8мм) снабжается по всей длине прочным усилителем — гофрированной пластиной с высокоуровневым энергопоглощающим напылением темного синего цвета, своей формой напоминающую перо. Отсюда и название «Вакуумные перьевые трубки». В верхней части тепловая трубка, вне стеклянной колбы, снабжена конденсатором-теплообменником длинной 80мм и диаметром 14 или 24мм. Внутри стеклянной колбы создан технический вакуум до 5*10-3 Па. Внутри медной трубки находится теплоноситель — легкоиспаряющаяся жидкость имеющая температуру кипения +35°С. Тип циркуляции – пассивный.

Рис.11
Перьевая трубка с тепловым каналом типа «Heat pipe» 1-стеклянная колба, 2-вакуумная прослойка, 3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием, 4-тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью.

Солнечный свет попадая на пластину покрытую абсорбирующим составом нагревает ее. От нее тепло передается к медной тепловой трубке. При нагреве медной тепловой трубки внутри ее нагревается легкоиспаряющаяся жидкость, пар поднимается вверх и попадая в конденсатор-теплообменник остывает отдавая тепло антифризу в манифолде.

«Вакуумные перьевые трубки» с тепловой трубкой имеют более высокие оптические характеристики, чем коаксиальные вакуумные трубки «Heat Pipe». У некоторых производителей значение максимального КПД достигают 77%. Этому способствуют следующие конструктивные особенности: плоский абсорбер с непосредственной передачей теплоты к тепловой трубке, а так же один слой стекла, что значительно уменьшает отражение солнечного излучения. Так же удобным является процесс замены поврежденных трубок, не требующий замены всего коллектора и сливания теплоносителя всей системы.

6. Вакуумные трубки шестого типа. Вакуумные трубки этого типа являются продолжением развития вакуумных трубок пятого типа. Это тоже «Вакуумная перьевая трубка» только вместо тепловой трубки в ней организован более эффективный внутренний прямоточный канал. Т.е. вместо тепловой трубки вставлен в плотно облегающий перьевой абсорбент рабочий канал, изготовленный из медных трубок вставленных друг в друга, диаметром 8 и 5 мм. Трубка большего диаметра запаяна на нижнем конце, более тонкая трубка имеет открытый конец и не касается дна наружной трубки.

Рис.13
Перьевая трубка с прямоточным тепловым каналом 1-стеклянная колба, 2-вакуумная прослойка, 3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием, 4- внутренний тепловой канал с теплоносителем (подающий), 5-наружный тепловой канал с теплоносителем (нагреваемый).

В манифолде потоки теплоносителя холодного и горячего разведены в две отдельные медные трубки. Принцип действия – прямой теплообмен. Солнечный свет попадая на пластину покрытую абсорбирующим составом нагревает ее. От нее тепло передается к медной трубке большего диаметра. Теплоноситель из водовода холодной воды в манифолде попадает в тонкую трубку и по ней опускается до низа вакуумной трубки, где попадает в межстеночное пространство между медными трубками нагревается и поднимается под давлением вверх в манифолд, попадая в водовод горячей воды.

Рис.14
Схема циркуляции теплоносителя в вакуумном коллекторе с перьевой трубкой и прямоточным тепловым каналом

При монтаже перьевых трубок в раму на стержень каждой детали одевают прочную обжимную гайку с кольцом и термостойкой прокладкой. Это обеспечивает герметичность всей конструкции и дает возможность коллектору полноценно функционировать в любых условиях.

Солнечная вакуумная трубка шестого типа имеет максимальный КПД для такого типа трубок, до 80%. Существует довольно заметное неудобство при эксплуатации солнечных коллекторов с таким типом трубок, так же как и у трубок с «U»-образной медной трубкой. При замене поврежденных трубок требуется сливать теплоноситель всей гелиосистемы. Так же эти коллекторы обладают довольно высокой ценой.

Вакуумные солнечные коллекторы и цены на их модели

Солнечные коллекторы представляют собой устройства для сбора солнечной тепловой энергии.

Они делятся на следующие типы:

• вакуумные;
• плоские;
• воздушные;
• коллекторы-концетраторы;

Солнечные вакуумные коллекторы применяются для обеспечения небольших жилых и производственных зданий горячим водоснабжением и отоплением. Устанавливаются такие конструкции на крышах для повышения эффективности работы.

Преимущественно эти установки предпочитают для частных домов, небольших загородных гостиниц и даже дачных домиков. Это самый экономичный способ обеспечения теплом и горячей водой. Также использование коллекторов актуально для туристических баз, которым удается значительно сэкономить за счет коллекторов.

Главной особенностью и одним из существенных преимуществ данного нагревательного прибора является использование только холодной воды. Она значительно дешевле горячей и также позволяет экономить на использовании электроэнергии. На вакуумных, в отличие от плоских, не скапливается зимой снег, и они продолжают максимально эффективно поглощать солнечную энергию, принося пользу.

Первым фактором, который влияет на выбор, является размер отапливаемой площади, или требуемый объем горячей воды. Для обогрева 3-х комнат вполне достаточно коллектора из 10 трубок (диаметр 85 см.), стоимость которого составляет примерно 12 000 руб.

Если вы хотите приобрести установку для коттеджа, то лучше обратить внимание на коллекторы из 20-25 трубок. Стоимость такого составит примерно 20 000 руб.

Обзор моделей

«Дачник»

Эта модель стоит около 18500 руб. Этот коллектор способен нагревать воду до 95 градусов и прекрасно подходит для дачных домиков. Имеет гарантию от производителя 12 месяцев. Этого времени достаточно, чтобы убедиться в его надежности.

Данная модель обладает следующими техническими характеристиками:

1. Бак объёмом 100 литров изготовлен из высококачественной нержавеющей стали.
2. Вакуумная трубка имеет длину 150 см.
3. Диаметр трубки (внешний) 4,8 см.
4. Максимально возможное давление в трубке 0,6 Мп.
5. Конструкция устойчива к граду до 0,5 см.
6. Трубки изготавливаются из боросиликатного стекла, обладающего поглощающим эффектом.
7. Общий вес коллектора составляет 45 кг.

Комплектация:

• набор пыльников (уплотнительных) – 1 шт.;
• трубки вакуумные – 16 штук;
• станина и комплект болтов – 1 шт.;
• расширительный бак – 1 шт.;
• бак-термос на 100 л. – 1 шт.;

CP-II-20-175 от «АНДИ Групп»

В комплект входят:

• бак водяной объемом 175 л., внутренний контур выполнен из нержавеющей стали, а наружный из гальванизированной окрашенной стали;
• трубки вакуумные – 20 шт.;
• TNC-2 (контроллер).;

Теплоизоляция бака выполнена из полиуретана (50 мм.). Диаметр внутренний 36 см., внешний 46 см., рама из стали толщиной 1,5 мм., имеющая гальваническое покрытие. Чистый вес установки 86 кг.

Достоинства и недостатки

Главными достоинствами считаются:

1. Низкая парусность и высокая надежность. Практически все детали и элементы солнечных коллекторов, которые контактируют с теплоносителями, выполняются из меди высокого качества. Ударопрочное стекло трубок позволяет противостоять ударам крупного града. Солнечные нагреватели такого типа распространены в регионах с непостоянным и суровым климатом. При необходимости замены одной из трубок не придется полностью останавливать и сливать всю систему. При сильном ветре и ураганах, они способны выдерживать колоссальные нагрузки, а за счет низкой парусности, их не сорвет порывом ветра.
2. Простота транспортировки и монтажа. При перевозке коллектора не придется переживать за его сохранность, т.к. трубки имеют малый вес и собираются в единую конструкцию только на месте установки. Такой вид транспортировки позволяет максимально быстро доставить коллектор без повреждений. Трубки оборачиваются материалом, сохраняющим их в целости и сохранности на протяжении всей перевозки.
3. Высокая эффективность. Начиная с раннего утра при первых солнечных лучах, коллектор начинает собирать энергию, что позволяет пользоваться теплом и горячей водой в любое время суток (за ночь остывать практически не успевает).
4. Коллектор препятствует образованию в устройстве микробов. Это обусловлено обеспечением высоких температур, при которых размножение бактерий становится невозможным.
5. Работоспособность в зимнее время. Несмотря на морозы до -35°С, коллектор прекрасно справляется со своими обязанностями. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечная энергия преобразовывается в тепловую максимально быстро, поэтому данный вид коллектора является наиболее производительным в любое время года.
6. Низкие показатели теплопотери. Вакуум – это лучший теплоизолятор, который позволяет максимально долго сохранять тепло. Благодаря этому КПД будет высоким даже в пасмурную погоду. Информация о том, что в пасмурную погоду коллектор неэффективен – это миф. Солнечная энергия способна проникать сквозь тучи, а трубки коллектора обладают свойством их принимать.
7. Прекрасное соотношение низкой цены и высокого качества. За сет простоты устройства, коллекторы имеют довольно низкую себестоимость, что позволяет каждому его приобрести.

Минусов на настоящий момент не выявлено. Все, что говорят и пишут негативного о данном виде коллекторов, является неправдой.

Устройство и принцип работы

Солнечным коллектором называется тепловой преобразователь солнечной энергии, обеспечивающий сбор излучения (солнечного) независимо от температуры воздуха. Монтаж осуществляется под углом в 5-90°, что дает возможность установить его так, чтобы рабочая поверхность максимально была направлена на получение энергии.

Вся установка в основном состоит из:

1. Коллектор солнечный, через систему которого циркулирует жидкость. Она нагревается при помощи солнечной энергии и отдает уже тепловую энергию через теплообменник (он монтируется в бак-аккумулятор).
2. Контур теплообменный.
3. Бак с водой носит название аккумулятор тепла. В нем вода хранится до момента необходимости ее использования (при условии, что данная система применяется именно для горячего водоснабжения).

Энергию солнца притягивает к себе система вакуумных трубок. Эта конструкция напоминает устройством термос: в трубки (выполненные из ударопрочного стекла, выдерживающего воздействия окружающей среды) вставляются трубки меньшей длины и диаметра. Между них обеспечено вакуумное пространство, которое является лучшей теплоизоляцией.

Внутренние трубки покрываются специализированным селективным слоем, максимально поглощающим солнечную энергию. В середине данной конструкции располагается запаянная медная трубка, содержащая некоторый объем жидкости (легкокипящей). Эта жидкость служит самим нагревательным элементом коллектора.

Типы вакуумных солнечных коллекторов

Самые популярные и востребованные типы делятся по виду конструкции коллектора.

Они бывают:

1. Вакуумная колба с тепловой трубкой. Они сложны в эксплуатации и изготовлении, т.к. в данном виде конструкции теплоизоляция вакуумного типа обеспечивается по всей колбе. Данные устройства обеспечивают наибольший КПД. Абсорбером тут является пластина, которая покрыта селективным всепоглощающим покрытием. Тепловая трубка надежно крепится к пластине и подает энергию в конденсатор (верхняя часть трубки). В свою очередь конденсатор подключается к теплообменнику коллектора. Тут и происходит нагрев теплоносителя.
2. «Колоба в колбе» с трубкой тепловой. Эта конструкция немного проще предыдущей и отличается меньшей производительностью при пониженных температурах. Абсорбирующая поверхность расположена на внутренней трубке. На тепловую трубку, изготовленную из меди, тепло передается через металлические ребра. Тепловая трубка – это наиболее эффективное устройств, предназначенное для передачи тепла.
3. «Колба в колбе». Этот вид устройства вакуумного коллектора дает возможность достигать наивысшей степени теплоизоляции покрытия (поглощающего), не мешая при этом проникновению солнечных лучей. Как и в предыдущем типе, покрытие для поглощения энергии расположено на внутренней колбе. Теплоноситель, который контактирует с поглощающей поверхностью, может нагреваться без промежуточных преобразований.

Советы

В завершении, хотелось бы дать еще несколько советов:

1. Если вам не требуется использование солнечного вакуумного коллектора зимой, то следует купить дополнительный прибор (водонагревательный).
2. Подключать коллектор необходимо параллельно нагревательному прибору и установить кран на подачу холодной воды.
3. Аварийную и запорную арматуру лучше разместить в помещении с постоянной положительной температурой, т.к. это поможет в будущем сливать воду и с коллектора, и с труб.
4. Мембранный бак-компенсатор или сбросной предохранительный клапан поможет компенсировать линейное расширение воды при ее нагревании.
5. Установленный обратный клапан нужен на подаче холодной воды. Также возможно применение комбинированных обратных клапанов, которые могут сбрасывать избыточное давление.
6. В некоторых случаях необходимо наличие сливного крана, который должен быть установлен в помещении для подачи холодной воды после клапана обратного.
7. Бак накопительного типа может быть использован как бак, предназначенный для хранения ресурсов на время аварийного отключения или хлорирования воды. Дальнейший слив жидкости будет производиться через смеситель.
8. Не забывайте об изоляции всех наружных проводов к водонагревателю.

В среднем солнечный вакуумный коллектор служит не меньше 20 лет. Срок службы зависит от климата и правильного монтажа конструкции. Никакого ухода данная конструкция не требует, а экономия очевидна.