не учитываться [13, 2]. Поскольку создание и сохранение требуемого уровня вакуума в коллекторах плоского типа технически затруднено, то в вакуумированных коллекторах в качестве оболочки обычно применяют цилиндрические трубки из стекла. Такие коллекторы называются трубчатыми (используемая в дальнейшем аббревиатура СТВК означает: солнечный трубчатый вакуумированный коллектор).

Расчеты и эксперименты показывают, что равновесная температура СТВК с селективным поглощающим покрытием (= 0,9, £ = 0,1) при уровне вакуума Рб0,07 Па без концентрации солнечного излучения на теплоприемной поверхности ( 1^= 900 Вт/м^)может достигать 200 ^С [2, 12]. В случае применения параболоцилиндрического концентратора [2] равновесная температура повышалась до 440 ^С, а затем падала до 260 °С, что авторы этой работы объясняют ухудшением вакуума и оптических свойств селективного покрытия при 380 ... 400 ^С.

Разработкой и изготовлением СТВК за рубежом занимаются такие известные фирмы, как "Дженерал Электрик", "Оуэне Иллинойс" и "Корнинг Кортек" США; "Санио", "Ниппон Электрик Гласе" и "Нитто Коки" Япония; "Филипс" ФРГ; "Филко" Италия; "Термомакс" Ирландия и др. Большой объем исследований в области СТВК выполняется также в Сиднейском университете (Австралия).

Существующие конструкции СТВК следует разделить на 2 группы в зависимости от того, из какого материала сделан теплоприемник -металла или стекла. В случае металлического теплоприемника характерной особенностью конструкции является наличие вакуумно-плот-ного спая металла со стеклом. При изготовлении теплоприемника из стекла необходимость в спае "металл-стекло" отпадает. В этом случае оптимальной с технологической точки зрения конструкцией является стеклянная колба типа сосуда Дьюара (табл. 3.4). При этом селективное поглощающее покрытие наносят на наружную поверхность внутренней трубки, а пространство между трубками колбы вакуумируют.

Существует несколько вариантов отвода полезной теплоты из колбы (рис. 3.4). В коллекторе "Оуэне Иллинойс" (поз. Т. А) теплота отводится вынужденным потоком теплоносителя, который находится в непосред-

3.4. Характервые размера вакуумированных кояб типа сосуда Дьюара

ш

л

ууу\ \///////7^

У/////////Л Ууч

Рис 3.4. Вчжанш отво}^^ теплоты от СТВК

/ — Дьюар; теплоноситель в стекле: А — Оуэне Иллинойс"; Б, В, Г — разработки Сиднейского университета; 1 - колба; 2 - перегородка; 3 - муфта; 4 - гидравлический коллектор Я — Дьюар; теплоноситель в металлическом устройстве: А — цилиндрическое ребро ^Дженерал Электрик"); В - тепловая труба в теплопроводной пасте (ФТИ АН УзССР);

" ■. --, ,„ . ... Электрик

"Термомакс",

ственном контакте со стенкой трубки, поглощающей подающее солнечное излучение. При этом термическое сопротивление переноса теплоты от поглощающей поверхности к жидкости и разность температур последних невелики, что положительно влияет на КПД коллектора <г. Чем больше указанная разность температур, тем при прочих равных условиях выше потери теплоты от коллектора в окружающую среду и меньше q^.

Существенным недостатком этой и подобных ей конструкций, предложенных Сиднейским университетом [31], является возможность утечки теплоносителя из коллекторного контура при повреждении или разрушении хотя бы одной из колб. Это обстоятельство значительно усложняет эксплуатацию, особенно при использовании вместо воды специальных, как правило, дорогостоящих теплоносителей.

В коллекторе "Дженерал Электрик" {поз. II. А] опорожнение контура при повреждении колб исключено, поскольку теплоноситель находится не в колбе, а в специальном металлическом устройстве. Последнее представляет собой медное цилиндрическое ребро с Lf-образной трубкой, одно из колен которой припаяно к ребру с внутренней стороны по всей его длине и служит для отвода теплоносителя из колбы. Наружный диаметр ребра соответствует внутреннему диаметру колбы. Трубка, подводящая теплоноситель в глубь колбы, не прикреплена к ребру и расположена вдоль оси колбы. Высокая эксплуатационная надежность СТВК "Дженерал Электрик" достигается ценой ухудшения КПД по сравнению с коллектором "Оуэн Иллинойс" из-за контакта между стеклянной трубкой и ребром, переноса теплоты по ребру к отводящей трубе, теплопроводности стенки отводящей трубки.

Разность температур поглощающей поверхности и теплоносителя в коллекторах типа "Дженерал Электрик" может достигать 30 °С [31]. Коллекторы типа "Дженерал Электрик" выпускаются также японской фирмой "Нитто Коки".

Для уменьшения контактного термического сопротивления и повышения КПД трубчатого вакуу миро ванного коллектора могут быть использованы теплопроводящие пласты [12]. В этой работе предложенная конструкция коллектора (поз. П. Б) предполагает отвод теплоты из колбы с помощью тепловой трубы, помещенной в колбу. При этом зазор между стеклянной трубкой и наружной поверхностью тепловой трубы заполнен теплопроводящей пастой.

В работе [31] изучены возможности упрощения гидравлического тракта коллекторных сборок на основе вакуумированных стеклянных колб. В предложенных конструктивных вариантах {поз. 1Б, IB, If) открытые концы колб присоединены с помощью муфт к гидравлическому коллектору сборки, по которому протекает теплоноситель (вода). В вариантах 1Б и ТВ гидравлический коллектор перегорожен медной 74

пластиной, ширина которой равна диаметру муфты. Если в варианте IB перегородка не выходит за пределы муфты, то в варианте ТЕ перегородка удлинена на 200 мм в глубь колбы, длина которой составляет 1 32 м. По сравнению с вариантом IB (короткие перегородки) в вариан-хе 1Б в циркуляцию вовлекается жидкость, находящаяся в колбе на большей глубине. Однако в этом варианте имеет место большее гидравлическое сопротивление и соответственно большие затраты энергии на перекачку. В варианте 7Г перегородки нет совсем и отвод теплоты из колбы осуществляется путем естественной конвекции воды в объеме колбы.

Испытания показали, что среднее значение перегрева стенки поглощающей трубы даже в варианте без перегородок (ГГ) невелико - менее 10 °С. Поэтому с теплотехнической точки зрения все упрощенные варианты гидравлического тракта {1Б, IB, 1Г) вполне приемлемы. Однако все они имеют весьма существенный недостаток, заключающийся в том, что ни одну из колб невозможно опорожнить в процессе эксплуатации. Это обстоятельство практически исключает возможность применения таких конструкций по крайней мере в умеренных широтах.

Как уже указывалось, для отвода теплоты из коллектора с металлическим теплоприемником необходимо из вакуумированного пространства, ограниченного стеклянной оболочкой, вывести металлические трубки для подвода или отвода теплоносителя, и, следовательно, необходимо вакуумно-плотное соединение (спай) металла со стеклом. Наружный диаметр и длина внешней стеклянной трубы коллекторов такого типа, выпускаемых за рубежом на продажу, находятся в пределах соответственно 65 ... 100 мм и 1 ... 2,4 м. Так, в коллекторе "Корнинг Кортек" с и-образной трубкой для теплоносителя {вариант ША, рис. 3.4) эти размеры составляют 102 мм и 2,29 м, а в коллекторе "Санио" с прямотоком {вариант ШГ) - 100 мм и 2,05 м [19, 22]. В порядке эксперимента фирма "Корнинг Кортек" США изготовила коллектор подобного типа со стеклянной трубой диаметром 300 мм и длиной до 8 м [21].

Для отвода теплоты из СТВК типа "металл-стекло" используют также, тепловые трубы. К достоинствам тепловой трубы следует отнести:

высокую эффективность передачи теплоты;

так называемый диодный эффект, т.е. перенос теплоты только в одном направлении (от испарителя к конденсатору) и, как следствие, отсутствие тепловых потерь в "темное время" суток;

стойкость к тепловому удару.

За рубежом трубчатые вакуумированные коллекторы типа "металл-стекло" с тепловыми трубами производятся фирмами "Филипс" в Нидерландах {табл. 3.S), "Термомакс" в Ирландии, "Филко" в Италии, "Ниппон Электрик", "Гласе", "Санио" в Японии.75

Трубчатые вакуумированные коллекторы обычно имеют отражатель с целью использования всей Т1лощади поглощающей поверхности. Применяются как диффузные, так и зеркальные отражатели различной формы. Последние обеспечивают более высокий оптический КПД коллекторной сборки, чем диффузные отражатели при том же расстоянии между трубками. Однако диффузные отражатели (которые можно изготовить окрашиванием металлического листа белой краской) относительно более долговечны и требуют значительно меньших затрат на материалы и изготовление по сравнению с зеркальными отражателями.

Характеристики СТВК на основе стеклянных колб типа сосуда Дьюара с диффузными отражателями изучались в работах [16, 23, 30]. Оптический КПД таких коллекторов зависит от геометрических размеров сборки, а именно, от расстояния между осями коллекторных трубок W и расстояния от оси трубки до отражателя h, а также от оптических характеристик коллектора - поглощательной способности селективного поглощающего покрытия в солнечном спектре оС ^, отражательной способности отражателя и пропускательной способности внешней стеклянной трубки Т. Экспериментальные и расчетные результаты в работах [16, 23, 30] показывают, что в случае плоского диффузного отражателя и при расстояниях между осями коллекторных трубок w= (2 ... 3)dj л оптимальные (соответствующие максимуму оптического КПД) значения h в зависимости от w составляют (1,3 ... l,8)dj„, где rf^n - наружный диаметр поглощающей трубки.

С ростом W оптический КПД коллектора /2 о уменьшается, что, естественно, приводит к уменьшению удельной (в расчете на 1 м^ площади отражателя) теплопроизводительности. Однако при этом число трубок в расчете на 1 м^ площади отражателя также снижается, а следовательно, уменьшаются как удельные потери, так и удельная стоимость коллектора. В работе [18] показано, что увеличение w с id^ „ до 2,5dj „ является экономически вполне оправданным. Разумеется при других стоимостных показателях (например, очень дешевых коллекторных трубках) технико-экономический анализ может показать иные результаты.

В работе [23] наряду с плоским отражателем рассмотрены диффузные отражатели иной конфигурации - треугольные и полукруглые. Экспериментально показано, что при одинаковых углах падения лучей значения оптического КПД для указанных конфигураций различаются ■ не более чем на 0,33. Очевидно, что ввиду простоты и меньших затрат на изготовление предпочтение следует отдать плоскому отражателю.

Влияние оптических характеристик об^ и Г на оптический КПД изучено в работе [16]. Расчеты, выполненные для коллекторной сборки cw=2d^^^, h = i,Sdj л показали, что изменение % на * 0,01 (при ^ = 0,92) приводит к изменению Г1^ш *0,0035, а изменение oig на ^^0,01 (при Rj-) = 0,8) вызывает изменение /7 о на ±0,004. Как видно, эффективность коллектора несколько больше зависит от dg, чем от Rj^.

Как уже упоминалось, зеркальные отражатели позволяют получить более высокий оптическийКПД, чем диффузные отражатели. В существующих конструкциях СТВК используют зеркальные отражатели различной конфигурации - фоклины, параболоцилиндры, круглые цилиндры, эвольвенты и др. Значительный эффект дает применение эвольвентных отражателей. • Согласно расчетам [29], для солнечного излучения, падающего по нормали, при 2dj.n j = "•^^ ^ отражательной способности эвольвентного отражателя1гд;^= 0,83 оптический КПД ti^ последнего составляет 0,765, тогда как для плоского диффузного отражателя при J?£, = 0,8S и л = id^^ всего лишь 0,65. При W = 2,Sdj „ значения оптического КПД равны соответственно 0,71 и 0,53. Таким образом, в последнем случае замена плоского диффузного отражателя зеркальным эвольвентным отражателем приводит к увеличению КПД на 34 %.

Важной тепловой характеристикой СТВК является КПД:

f -t

_ о, вх_о

"^"Tf--^i^^o-/K«--7-

а

где Ff^ — площадь апертуры, под которой понимается общая площадь коллектора за вычетом площади, занимаемой гидравлическими соединениями и устройствами для отвода полезной теплоты (например, конденсаторами тепловых труб). Иногда при определении КПД вместо площади апертуры используется общая площадь сборки.