Comeback к простейшей однослойной изоляции.
Просматривал недавно сайты о солнечных водонагревателях. “Много плакаль”... Люди часто несут такое... Не, никаких ссылок и конкретных имен. Потому что все-таки рукастые люди делают полезное дело в меру своих сил и возможностей. Если и критикую их, то только чтобы помочь двигаться вперед, чтобы следующие не повторяли ошибок.
Однослойная изоляция сейчас наиболее распространена. А я в погоне за идеалом через нее перескочил. Если водонагреватели из панелей называть первым шагом, то с однослойной изоляцией – это отправная точка. Хочу устранить этот пробел.
В расчетной модели мною были учтены все механизмы теплопередачи (теплопроводность, излучение, теплообмен с окружающим воздухом). Наиболее отважных отсылаю к статье “Методика расчета...”, там все более подробно описано. Остальных хочу заверить, что расчет однослойной прозрачной теплоизоляции очень прост по сравнению с многослойной. Здесь нет моментов, которые можно бы поставить под сомнение – чисто инженерные уравнения из справочников и учебников. В приведенных результатах не учитывались потери через заднюю поверхность – это, при желании, может посчитать каждый, погоды они не делают. А вариантов этой изоляции множество, все предусмотреть невозможно.
В расчетах принято: коэффициент поглощения абсорбера – 0.9, мощность солнечного излучения – 1000 Вт/кв.м, ветер – 3 м/с..
Один из самых спорных моментов в расчетах – наличие рассеянного теплового излучения. Все окружающие предметы (деревья, здания, холмы и т.п) являются источниками теплового излучения, которое называют рассеянным. Мощность теплового (ИК) излучения зависит от температуры поверхности этих предметов. На этом эффекте базируются приборы ночного видения. Небо тоже может немного излучать из-за наличия в атмосфере пыли, взвешенных частиц. Таким образом, если расположить водонагреватель на земле, в окружении различных источников излучения, то он покажет максимальную полезную мощность. Потому что это незаметное излучение улучшает его тепловой баланс. Если расположить на крыше или на открытой местности, то это излучение практически не будет попадать на водонагреватель, полезная мощность будет минимальной. Оба приведенных варианта можно считать неверными, потому что это крайние случаи, которые на практике реализовать невозможно. Однако они позволяют оценить возможный диапазон изменения мощности рассеянного теплового излучения и зависящей от него полезной мощности. А реальные показатели водонагревателя будут определяться каким-то промежуточным значением интенсивности этого излучения.
Переходим теперь к результатам расчетов.
На рисунках показаны результаты расчетов полезной мощности ГК с однослойной теплоизоляцией. В каждой паре верхняя кривая соответствует температуре воздуха +20 градусов, нижняя – 0 градусов. Цифры на графиках – температура абсорбера.
Как показано на рисунках, полезная мощность ГК существенно снижается при повышении температуры абсорбера. Думаю, такое «открытие» никого не удивит, однако, как мне кажется, конкретные цифры все же представляют интерес. Очевидно также, что температура воздуха более сильно влияет на полезную мощность, если в расчетах учитывать рассеянное тепловое излучение. А почему она вообще влияет, если рассеянное излучение не учитываем? А потому, что при низкой температуре воздуха увеличиваются также потери по механизму теплопроводности.
Однако, по моему мнению, наибольший интерес представляет тот факт, что увеличение толщины экрана, как правило, приводит к снижению полезной мощности. Если выбирать толщину экрана «с запасом», то надо понимать, что это снижает полезность устройства. Объяснить эту зависимость можно тем, что более толстый экран затрудняет прохождение солнечного излучения к абсорберу и, главное, является более мощным источником теплового излучения (увеличивает потери излучением).
Если тепловое излучение не учитывать в расчетах, то на кривых появляются максимумы полезной мощности при определенных толщинах экранов. То есть слишком тонкий экран – это тоже не есть хорошо. Возвращаясь к тому, что оба приведенных варианта являются граничными оценками, а истина где-то посредине, я бы для перестраховки посоветовал ориентироваться на толщины экрана, соответствующие максимуму.
Да, забыл «пустячок» - а экраны из чего? Из стекла? Есть желающие поработать с 1мм стеклом (если такое есть)? А с 3-5 мм стеклом, снижающим полезную мощность в 1.5-2 раза? Надеюсь – единогласно. Остается вариант с поликарбонатными листами. Но надо обратить внимание, чтоб они имели защиту против УФ – иначе хватит их на сезон. И то если ветра не будет… А с защитой дается гарантия на 10-15 лет. Другие марки прозрачных пластиков тоже могут рассматриваться. Спектральные характеристики у них близкие, остается проконтролировать стойкость к УФ, жесткость (прочность) и теплостойкость. Последнее может быть критично только если изоляция будет очень тонкая. Но тогда и полезная мощность будет низкой.
Остались вопросы прочности. Это очень обширная тема, затронем ее только по касательной… Конечно, разворачивать экраны из 1мм пластикового листа на 1-2 м – тут нужно подумать. Скорее всего нужны дополнительные опоры, элементы, повышающие жесткость. И опять тянет перевести тему на ГК из сотовых панелей… Там все решается проще.
И последний вопрос – толщина воздушного зазора.
На рисунке приведены зависимости полезной мощности от толщины экрана при температуре воздуха 0 градусов и воздушном зазоре 30мм (нижние кривые) и 100 мм (верхние кривые).
Как показано на рисунке, толщина зазора довольно слабо влияет на полезную мощность. Это объясняется тем, что абсорбер с неселективным покрытием теряет тепловую энергию преимущественно по механизму излучения. При повышении температуры абсорбера влияние толщины зазора несколько увеличивается в связи с тем, что в таком режиме доля энергии передаваемой по механизму теплопроводности также увеличивается.
Вот такие получаются зависимости для самой простой однослойной теплоизоляции.
В заключение поговорим о некоторых известных конструктивах водонагревателей.
Свернутый спиралью шланг. Если речь идет о подогреве воды для бассейна примерно до температуры воздуха – вполне приемлемая идея. Но только шланг должен быть достаточно черный, хорошо поглощать излучение. В таком варианте теплоизоляция не нужна. Можно даже приподнять его, чтобы лучше обдувал теплый ветерок. Толщина стенок должна быть минимальной – все-таки толстый пластик/резина плохой проводник тепла.
Темная подложка в зазорах между витками может дать эффект только при наличии изоляции (спереди и сзади). Но это существенное усложнение для получения незначительного эффекта. Сомнительный вариант.
Можно использовать прозрачный шланг с темной подложкой (асфальт?). В таком варианте толщина стенок практически не имеет значения. Наиболее разогретая зона (подложка) изолируется от воздуха более холодными трубками.
Однако все эти варианты оправданы только в том случае, если бассейн находится под крышей, в тени и солнечное излучение на него не попадает. В противном случае намного проще бассейн (поверхность воды) просто накрыть черной ПЭ пленкой. КПД такой теплопередачи будет даже несколько выше, чем в шлангах, а стоимость квадратного метра... Трудно даже сравнить. Сделать нагреватель из трубок сопоставимый по площади с бассейном практически нереально. А затянуть весь бассейн пленкой не представляет сложности. При этом никакие насосы, коммуникации не нужны. Недостаток такого метода: плавающая пленка не даст пользоваться бассейном - либо пользоваться либо подогревать... Еще можно сказать, что нагреваться будет в первую очередь поверхностный слой, желательно перемешивание воды.
Однако и эти недостатки можно устранить: использовать пленку, которая тонет в воде (ПК, ПЭТ, ПХВ) и разместить ее на дне. При желании ее можно изготовить в виде ковриков с обработкой кромок против сминания. Эту же пленку можно разместить и на боковых стенках. Черная пленка - это условный теримин. Можно использовать пленку окрашенную в любые темные тона. Это снижает КПД, но несущественно... В общем, оставляю простор для фантазии "художников".
Металлические трубки с передней и задней изоляцией. Традиционно трубки располагаются с зазорами (причины понятны). Приварить к трубкам радиаторы, как в заводских, — это тоже проблема… Сзади, как правило, располагают темный экран. Этот экран разогревается сильнее трубок, часть своей тепловой энергии отдает трубкам, но и потери у него выше. В результате трубки получают добавку энергии, но меньше, чем в варианте, когда они занимают всю площадь. В общем, компромиссный вариант исходя из имеющихся трудностей.
А если разместить два ряда трубок, чтобы они перекрыли всю поверхность? То есть два абсорбера разместить в общем корпусе. Явная экономия. Да, если свет идет под косым углом, то трубки могут затенять друг друга. Но в сумме на них всегда придет 100% энергии, приходящейся на единицу площади. Ну, мое дело ёжика в голову подкинуть…
Воздушный канал между абсорбером и передней изоляцией. Здесь речь о подогреве воздуха, немного не в тему. Обдувать воздухом переднюю изоляцию – сохранению энергии не способствует… Здесь, конечно, очень нужна многослойная изоляция. Один из авторов сокрушается, что металлический абсорбер нужно бы сделать из меди, но – дороговато… Можно это не комментировать? Все равно молодец…
Воздуховоды из алюминиевых банок с изоляцией. Создание слоя неподвижного воздуха между абсорбером (воздуховодом) и остеклением конечно полезно. А чем здесь хорош тонкий алюминий? Не знаю. Да, при максимальной мощности солнечного излучения в стенках банок будет создаваться разность температур около 0.001 градуса. Вау! А если эти воздуховоды сделать, к примеру, из обрезанных пластиковых бутылок, то эта разность увеличится до 0.8 градуса. Гм!.. Отличия большие, но не впечатляют… Господа, не забывайте таблицу умножения, это ж просто!.. Хотя в целом конструкция вполне работоспособная. Встречал применение такой же конструкции для подогрева воды. Замечания те же.
Вобщем, эффективность такая конструкция не повышает. Себестоимость - может и снижает, но не сильно. Потому что клеи, герметики довольно дороги. Сварка дешевле.
Абсорбер из черного пластикового мешка. Эта идея Юрко мне нравится больше всего. Такой абсорбер нужно размещать на горизонтальном основании и желательно приделать к нему два патрубка. Максимальная простота и дешевизна! Передняя и задняя изоляция – как обычно.
Обязательное условие для такого конструктива - мешок должен иметь свободный слив. Если в мешке создать давление, то он раздуется и получится не так красиво... Можно, конечно, поставить насос с автоматикой, чтобы регулировал толщину мешка. Но это уж в каких-то специфических условиях, если действительно нужно...
Желающие могут раз в день менять мешки с водой целиком. Тогда еще и на насосах можно съэкономить… Хотя я бы всеже поставил насос.
А вот здесь мы уже в шаге от следующей интересной темы – традиционная черная бочка, но с учетом достижений науки и техники. Это заслуживает отдельного рассмотрения, позже.
В заключение хочу подчеркнуть (двойной чертой!): нельзя механически распространять рассмотренные зависимости на многослойные варианты изоляции и на ГК с селективным покрытием. Там значимость каждого фактора может кардинально меняться.
Старался излагать доступно. Если не получилось – спрашивайте, объясню подробнее.