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.


Рис.1

Рис.1


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.


Рис.2

Рис.2


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).


Рис.3

Рис.3


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 "ηo") солнечного водонагревателя с вакуумными трубками DVT достигает 90-92%.


Рис.4

Рис.4


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

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.


Рис.6

Рис.6


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.


Рис.7

Рис.7


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


Рис.8

Рис.8


В связи с многократно теплопередачей от одних узлов к другим эффективность вакуумных трубок такого типа не высокая. Показатель максимального КПД (оптического КПД "ηo") 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.


Рис.9

Рис.9


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

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

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.


Рис.12

Рис.12


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

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

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.


Рис.15

Рис.15


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.

ООО "Энерготрейд МСК" © 2018 г.