Характеристика теплоносителей в плоских солнечных коллекторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристика теплоносителей в плоских солнечных коллекторах

Антропов А.С., студент магистратуры 2 курс, факультет «Электроэнергетики и электротехники» ФГБОУ ВО Дальневосточный ГАУ

Ключевые слова: плоский солнечный коллектор, теплоноситель, вода, антифриз, этиленгликоль, удельная теплоёмкость.

Key words: flat solar collector, coolant, water, antifreeze, ethylene glycol, specific heat.

В настоящее время в различных отраслях мира, связанных с энергетикой, осуществлением коммунальных услуг, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, строительстве, происходят существенные изменения. Главные тенденции сосредоточены вокруг целенаправленного уменьшения потребления традиционных источников энергии[2]. Происходят данные мероприятия по причине ускоренного уменьшения ресурсов и ухудшения экологической обстановки из года в год.

Государство как можно активнее рассматривают программы по энергетике, направленные на объекты внутри страны для повышения их энергетической эффективности и энергосбережения в целом. В связи с этим происходит рост интереса к использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и установкам, использующим их. Для теплоснабжения объектов при помощи традиционных источников энергии (природный газ, мазут, уголь, древесина) необходимы большие затраты. По этой причине осуществляются направления по преобразованию теплогенерирующих установок и дальнейшей экономии ископаемых ресурсов, но не полного отказа от них даже при работе над проблемой использования нетрадиционных источников энергии[6].

Возобновляемые источники энергии неисчерпаемы, экологически чисты, не имеют отходов и дешевы. Однако их применение связано с высокой стоимостью основного и вспомогательного оборудования, сроками эксплуатации, месторасположением. Несмотря на все это их использование ежегодно растёт. Инженерам и учёным в области теплоснабжения приходится всё чаще сталкиваться с различными системами, создаваемыми на основе нетрадиционных источников энергии, одним из которых является солнечное излучение. Солнечная радиация - практически неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии[6].

Одними из таких систем являются гелиосистемы. Гелиосистемы - устройство, преобразующее энергию Солнца в другие виды энергии, электрическую и тепловую и предназначенное для отопления дома и горячего водоснабжения[3].

Если рассматривать эффективность гелиосистемы для отопления помещений и нужд горячего водоснабжения, то она в значительной степени определяется техническими возможностями солнечного коллектора и контура циркуляции теплоносителя. Высокие характеристики оборудования могут быть обеспечены применением естественно-циркуляционных систем с двухфазной многокомпонентной жидкостью, работающих по принципу теплового насоса и сорбирующих тепло солнечного излучения коллекторами на базе тепловых труб либо термосифонов. В первом случае затраты на применение данной схемы значительно увеличиваются, нежели при использовании второго типа циркуляции[2].

Плоский солнечный коллектор - сложный абсорбер солнечной энергии со встроенными трубопроводами для теплоносителя. Это устройство представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которой помещен металлический абсорбер (чаще всего выполнен из меди)[5].

Принцип действия коллектора основана на передаче остекленной поглощающей пластины солнечной энергии. В результате чего пластина нагревается и приобретает тем самым тепловую энергию. Данное тепло передается теплоносителю, циркулирующему по контуру солнечного коллектора. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в баке-аккумуляторе горячей воды[5].

В плоском солнечном коллекторе теплоноситель может быть использован в виде воды, так и при помощи раствора воды и незамерзающих жидкостей - антифризов. Теплоноситель в гелиоустановках выполняет очень важную роль. От выбора качественного теплоносителя зависит эффективность эксплуатации устройства и срок её службы в дальнейшем.

Рабочая жидкость должна соответствовать следующим требованиям:

- эффективно удерживать тепло;

- иметь невысокую вязкость, для лучшего перемещения по трубопроводам и правильной работы вспомогательного оборудования;

- быть экологически безопасной;

- доступной в количественном плане и ценовом;

- иметь длительной срок службы[1].

Вода (H2O) является самым распространённым теплоносителем как в гелиоустановках, так и в плоских солнечных коллекторах в целом. При стандартных условиях вода имеет удельную теплоёмкость

Данный показатель является самым большим среди всех возможных теплоносителей и тем характеризуют воду, как энергетически эффективной средой. Она позволяет минимизировать температурные колебания. При всём этом использовать воду могут не во всех климатических зонах. При отрицательных температурах, как известно, вода кристаллизируется и тем самым циркуляция теплоносителя будет нарушена, тем самым вызовет повреждение как гелиоконтура, так и всей установки, включая плоский солнечный коллектор.

Для предотвращения замерзания теплоносителя в виде воды используют антифризы. В качестве таких незамерзающих жидкостей принято применять этиленгликоль, пропиленгликоль, тосол.

Этиленгликоль (C₂H₆O₂) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с элементами маслянистой консистенции. Поскольку этиленгликоль токсичен, попадание этиленгликоля или его растворов в организм человека может привести к неблагоприятным изменениям в организме. Этиленгликоль имеет относительно низкую летучесть при нормальной температуре, его пары обладают не столь высокой токсичностью и представляют опасность лишь при хроническом вдыхании. Он является одним из самых популярных компонентов при производстве семейства незамерзающих жидкостей (антифризов и теплоносителей), но из-за его токсичности применение в жилых помещениях крайне нежелательно, поэтому чаще всего его можно встретить в промышленных системах отопления[8].

52% водный раствор этиленгликоля при стандартных условиях имеет Дж / кг * К удельной теплоёмкости чем у воды данный раствор имеет более низкую температуру замерзания -40 ^оС, что делает её незаменимым теплоносителем в регионах с отрицательными температурами. При уменьшении концентрации этиленгликоля в растворе температура замерзания снижается вплоть до -10 ^оС.

Пропиленгликоль (С3ШО2) представляет собой бесцветную вязкую жидкость со слабым характерным запахом, сладковатым вкусом, обладающую гигроскопическими свойствами. Пропиленгликоль, в отличие от этиленгликоля, практически не токсичен, не опасен при вдыхании паров и случайном приеме внутрь.

Пропиленгликоль обладает консервирующими, стерилизующими и бактерицидными свойствами.

Низкозамерзающие теплоносители, изготовленные на основе водного раствора пропиленгликоля широко используются в различных отраслях промышленности в качестве антифризов, в том числе в системах отопления, вентиляции, кондиционирования жилых домов и общественных зданий, в системах охлаждения пищевых производств[8].

Водный раствор пропиленгликоля в объёме 47% при стандартных пропиленгликоль имеет меньшую удельную ёмкость, но при этом температура замерзания -30 ^оС, что делает её незаменимым теплоносителем в регионах с отрицательными температурами. При всём этом вязкость пропиленгликоля выше, чем у этиленгликоля, что будет сильнее подвергать насосное оборудование нагрузкам в случае принудительной циркуляции. При уменьшении концентрации пропиленгликоля в растворе температура замерзания снижается так же будет снижаться[7].

Ещё одним представителем антифризов, применяемых в качестве теплоносителя в системах отопления является тосол. Тосол -- охлаждающая жидкость на основе этиленгликоля. Мало чем отличается от аналогичных «незамерзаек», однако имеет особую структуру и технологию производства.

Например, в состав антифриза входят присадки на основе солей органических кислот, повышающие антикавитационные, антипенные характеристики и обеспечивающие большую коррозионную безопасность металлических элементов труб. Тосол получают по принципу смешивания этиленгликоля с присадками на основе азота, бора, фосфора.

Из-за своей низкой цены большая часть потребителей предпочитают выбирать его, но при этом стоит учитывать, что тосол требует замены быстрее и оказывает разрушающий эффект сильнее на систему трубопроводов. Так же производить смешивание тосола с другими низкозамерзающими жидкостями нельзя в связи с образованием осадка при их совместной реакции, что в дальнейшем образовывает отложения, забивающие проточные каналы[1]. Тем самым можно сделать вывод, что применять тосол в качестве основного теплоносителя в контуре плоского солнечного коллектора крайне не рекомендуется.

Удельная теплоёмкость тосола 65 при стандартных условиях имеет удельную ёмкость, но при этом температура замерзания самая большая среди всех теплоносителей -65 ^оС .

Таблица 1. Сравнительная характеристика теплоносителей

Для более удобного анализа и выбора теплоносителя для конкретной системы теплоснабжения в таблице 1 приведены свойства рассматриваемых теплоносителей.

Исходя из характеристик теплоносителей можно сделать следующие выводы по выбору теплоносителя как в системах теплоснабжения так и гелиоконтуре:

- основной акцент по выбору необходимо делать их финансовой составляющей, климатических условий и экологической безопасности;

- стоит обратить внимание на термодинамические параметры выбираемого теплоносителя при применении к определенной системе;

- так же следует учесть расход теплоносителя и его химические и физические свойства при различных температурах применения.

теплоноситель энергия солнечный коллектор

Использованные источники

1. Антифриз системы отопления: сайт фирменного интернет-магазина «Теплодар»

2. Васильев Л.Л. Гелиосистема отопления с двухфазной многокомпонентной жидкостью / Л.Л. Васильев, Д.Х. Харлампиди, В.А. Тарасова, А.С. Журавлев, М.А. Кузнецов, Л.П. Гракович, М.И. Рабецкий // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П.О. Сухого. 2019. №1(76). С. 56-63.

3. Гелиоустановка: сайт универсальной интернет-энциклопедия со свободным контентом

4. Лиханов, В.А. Технические жидкости: учебное пособие / В.А. Лиханов, О.П. Лопатин - Киров: Вятская ГСХА, 2005. - 43 с.

5. Матвеев С.А. Типы солнечных коллекторов / С.А. Матвеев, А.И. Машукова // Science Time. 2015. № 4 (16). С. 481 -484.

6. Матрунчик А.С. Использование солнечной энергии в системах горячего водоснабжения / А.С. Матрунчик, А.И. Бурков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и Архитектура. 2015. № 2. С.237-247.

7. Пропиленгликоль - Вода. Плотность, температура замерзания: сайт технической иформации TechTab

8. Этиленгликоль технический: сайт ООО «НПП Спецавиа».

Размещено на Allbest.ru