Солнечный водонагреватель – установка, предназначенная для получения горячей воды непосредственно за счет энергии солнечного излучения. Он представляет собой систему из нескольких теплообменных устройств, которые используются для улавливания и преобразования солнечной энергии в тепловую, аккумулирования и передачи тепловой энергии через промежуточный теплоноситель потребителю.

Производители солнечных коллекторов могут предложить широкий выбор водонагревателей различных типов, но, как правило, все они изготовлены по общей схеме.

Установка солнечных коллекторов производится на основании теплового расчета, учитывающего среднее количество солнечных дней в году, место расположения водонагревательной установки, ее тип и многие другие факторы. Прежде чем рассмотреть основные пункты расчета, уделим внимание принципу тому, как устроен и работает солнечный водонагреватель.

Как видно на рисунке 2, солнечный коллектор состоит из плоского корпуса (1) с обращенной к солнцу панелью (2), выполненной из прозрачного материала. Чаще всего это либо полимерная пленка (что само по себе экономично, долговечно и надежно), либо стекло (что не совсем хорошо ввиду хрупкости материала).

Проходящий через панель солнечного водонагревателя поток лучистой солнечной энергии Q_л поглощается зачерненным абсорбентом. Установка солнечных коллекторов чаще всего использует в роли абсорбента металлический лист и приваренные к нему трубки, изогнутые в змеевик. В трубках, представляющих собой циркуляционный контур солнечного водонагревателя, происходит нагрев теплоносителя (антифриза или воды). Боковые стенки и днище коллектора солнечной энергии (КСЭ) должны быть покрыты слоем теплоизоляции (6).

Нагретый в солнечном коллекторе теплоноситель поднимается по трубопроводу (2, рис.1) в бак (3), в котором отдает свое тепло воде через теплообменник. Далее нагретую воду можно использовать по мере необходимости. Если в роли теплоносителя выступает вода, то она может смешиваться с водой в емкости без участия теплообменника.

Если к воде не предъявляются высокие требования по солесодержанию и качеству, то из бака солнечного водонагревателя она уходит через сливной патрубок (7), без использования фильтров. Для периодического восполнения в системе потерь теплоносителя-воды следует предусмотреть специальный патрубок (8).

Охлажденные слои рабочего теплоносителя, скапливающиеся у дна бака, направляются по опускному трубопроводу (9) к входу в солнечный коллектор для получения дополнительных порций тепла. Для интенсификации теплообменных процессов может быть установлен циркуляционный насос (10). Следует учитывать, что солнечный коллектордля дома обеспечивает циркуляцию теплоносителя в течение всего солнечного светового дня, что приводит к постепенному повышению в баке температуры t_(τ). Нагрев будет продолжаться до наступления равенства между расходом тепла на потери в окружающую среду, полезным теплом, отводимым к потребителю и приходом тепла к воде в солнечном коллекторе. Чтобы уменьшить теплопотери у бака и трубопроводов, необходимо предусмотреть теплоизоляцию толщиной δ_из.

Для сброса образовывающихся паров воды и нагретого воздуха в атмосферу в системе должен быть предусмотрен клапан (4).

Солнечный водонагреватель с водяным теплоносителем следует заполнять при положительных температурах окружающей среды, во избежание замерзания теплоносителя в системе. На антифризовые теплоносители это правило не распространяется при условии, что температура замерзания t_зам антифриза меньше температуры окружающей среды.

Движение теплоносителя в солнечном коллекторе по циркуляционному контуру может быть свободным или принудительным. В случае принудительного движения в системе присутствует насос (10, рис.1), обеспечивающий перекачку теплоносителя.

Солнечный водонагреватель со свободной подачей теплоносителя называется термосифонным и не требует наличия насоса для циркуляции теплоносителя. В таких системах интенсивность свободной конвекции зависит от вертикального расстояния между центрами солнечного коллектора и бака, размещаемого над коллекторами. Термосифонные водонагреватели более экономичны и просты, но уязвимы для низких температур.

В случае принудительной циркуляции теплоносителя расположение элементов солнечного коллектора и бака может быть произвольным, при этом их эффективность намного выше, чем у термосифонных.

Солнечный водонагреватель: тепловой расчет СВУ

Процесс теплообмена и нагревания, протекающий в солнечном водонагревателе, можно описать специальным уравнением теплового баланса:

q_лF_кη_опт d_τ = (V_б с ρ + G_стcст + G_изcиз )dt +(k_бF_б + k_к f_кn)(t − t_окр )d_τ.,

где в левой части уравнения отражен приход тепла от солнечной радиации к солнечному коллектору, а правая часть учитывает расходы тепла на нагрев теплоносителя, стенок бака, теплоизоляционного слоя и потери тепла из солнечного коллектора и бака в окружающую среду за определенный период времени d_τ. Под τ_св подразумевается продолжительность светового дня;

q_л – средняя плотность суммарного потока прямого и рассеянного солнечного излучения, Вт/м²;

F_к – суммарная площадь теплообменной поверхности солнечного коллектора и f_к площадь теплообменной поверхности единичного элемента солнечного коллектора, м^2>;

F_б и V_б – наружная площадь теплообмена стенок (м²) и объем (м³) бака;

_{cст, c, сиз} – теплоемкость соответственно стенки бака, теплоносителя и теплоизоляции бака кДж/(кг ^. К); t_(τ) – переменная по времени температура в баке, ºC;

k_б, k_к – коэффициенты теплопередачи соответственно в баке и коллекторе, Вт/(м² ⋅ К);

t_окр – температура окружающей среды для расчетного периода времени года;

η_опт – оптический КПД коллектора;

ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; .

Источник:  http://www.gvozdik.ru/