Самодельные солнечные коллекторы

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

С разрешения уважаемой публики, продолжу свои сравнительные расчеты теплопотерь жидкостного плоского и воздушного коллектора.
Начало расчётов здесь (https://www.forumhouse.ru/threads/235978/page-9#post-7974063)
Продолжение здесь (https://www.forumhouse.ru/threads/235978/page-10#post-7986427)

Чтобы было понятно о какой конструкции идёт речь я нашёл в старой теме рисуночек устройства.
Прошу прощения за отсутствие художественных способностей.


Слева вертикальный лист поликарбоната (передняя стенка СК. Правее идет пачка наклонных листов поликарбоната с зазорами между ними и с перекрытием по вертикали на 2/3 высоты листа (тепловой ИК экран), ещё правее идет пачка наклонных листов металла с зазорами между ними и с минимальным перекрытием по высоте (собственно абсорбер).
А работает это так. Входящий воздух оказывается между передней стенкой СК и тепловым экраном (стенкой из наклонных листов поликарбоната. Это холодная зона коллектора.
Солнышко светит сквозь переднюю стенку коллектора, сквозь тепловой экран и нагревает железки по всей высоте коллектора, в том числе и в самой нижней части коллектора. Железки нагревают окружающий их воздух, в том числе и в самой нижней части коллектора. Этот воздух поднимается вверх, на его место приходит более холодный из холодной части коллектора (той, что между передним стеклом и тепловым экраном). Тепловой экран сделан для того, чтобы экранировать ИК излучение исходящее от горячих железок. Поликарбонат не пропускает ИК диапазон (поглощает). Листы экрана нагреваются от ИК, и передают тепло проходящему по зазорам воздуху (тепло возвращается обратно в горячую зону).

Расчёт. Температура на улице = -20С, температура входящего в коллектор воздуха = +25С, "чернота" поликарбоната е=0,96
Температура внешней поверхности ИК экрана пусть будет, например, равна +27С. Там в горизонтальном сечении 2 слоя поликарбоната и между этими слоями проходит холодный воздух, охлаждая поверхности. Температура абсорбера не имеет значения т. к. ИК излучение экранируется двумя слоями поликарбоната.
Итак:
P=Cv*[(T1/100)^4 - (T2/100)^4]=Cn*[(T2/100)^4 - (T3/100)^4]

Cv - "Кажущаяся" постоянная лучеиспускания внутри коллектора (С1=С2 т. к. и ИК экран и передняя стенка коллектора из поликарбоната) Cv = 1/(1/C1+1/C2-1/Cs) = 5,2342154 Вт/(м2*К^4)
Т1 - температура ИК экрана 27С = 300К
Т2 - температура передней стенки коллектора
Т3 - температура улицы -20С = 253К
Cn - "Кажущаяся" постоянная лучеиспускания "на улице" = С1*С2/Cs=e2*C2=e3*C1=5,22584064 Вт/(м2*К^4)
так же как в расчёте жидкостного коллектора "черноту" улицы принимаю е3=0,96.

Преобразовал предыдущее уравнение:

(Т2/100)^4=(Cv*(T1/100)^4+Cn*(T3/100)^4)/(Cv+Cn)=61,001025

Потери тепла излучением у жидкостного плоского коллектора
P=5,22584064 *(61,001025-40.97)=104,68 Вт/м2
Общие потери воздушного коллектора = 112,95 +104,68 = 217,63 Вт/м2
Общие потери жидкостного плоского коллектора больше потерь воздушного на =387,205 - 217,63 =169,575 Вт/м2

Кроме того, хотелось-бы отметить несколько очень полезных побочных моментов использования воздушного коллектора:
1. Если коллектор расположен непосредственно на южной стене дома и занимает всю стену, то повышается температура стены. Стена сама отапливает дом или уменьшает теплопотери из дома (в зависимости от знака dt). То есть коллектор "отапливает" дом, даже если солнышка не хватает для его полноценной работы.
2. Вместо абсорбера с мега-нано-супер-пупер селективным покрытием можно использовать обычное ржавое не оцинкованное листовое железо
3. Датчики температуры, компараторы и контроллеры, насосы, обратные клапаны оказываются не нужны. Воздушный коллектор работает по принципу термосифона и циркуляция сама начинается как только температура в коллекторе превысит температуру воздуха на входе.
4. В воздушном коллекторе нечему замерзать, нет труб, которые порвёт замёрзшая вода.
5. Для работы коллектора не нужно электричество. Тем более бесперебойное электричество.

 

А ночью, когда солнышка нет, а температура на улице ниже этих 3,8 градусов?

 

Надеюсь что до таких температур мы опускаться не будем.

 

Если допустить, что в ТА вода будет 4 градуса, а на улице будет около нуля, то да, циркуляция будет. Но надеюсь, дураков заливать в уличную систему воду а не антифриз немного, да и допустить остывание ТА до 4 градусов немного сложновато.

 

Спасибо, Sad1 !
С уважением metilen.

 

Cпасибо Николай 1, уже ответил.
ну что б не было не у кого вопросов добавлю.

В школе говорили что вода в сообщающихся сосудах всегда на одном уровне. Это верно если температуры в обоих плечах сосуда одинаковые (ну и давления над ними).
Если мы начнем греть одну половину U образного сосуда с водой то уровень в ней поднимется выше чем в другом. Аналогично если охлаждать другую.

Плотность воды при +4 считается 1000Кг/м3 при +95 960кг/м3.

Противником ЕЦ в замкнутой системе является гидросопротивление труб. Гидросопротивление вырастит в 4 раза если мы захотим увеличить проток в 2 раза. По этому для ЕЦ требуются трубы максимального диаметра.

Патрубок по которому поднимется горячая вода называют Подающим, его нужно утеплять лучше чем патрубки обратки.

В вашей системе с ПЦ, ЕЦ является врагом, потому что выхалаживает бак по ночам.
Тёплая вода стремится как обычно убежать вверх из бака к СК, остыть там и слиться обратно в бак.
обратный клапан решение простое но не отличное. В готовых Китайских рабочих станциях, для закрытых систем с ПЦ, роль обратного клапана выполняет расходомер.

Клапан всегда плохо, он добавляет гидросопротивление, может залипать, может пропускать.
Побороться с обратной ЕЦ в системах ПЦ, можно обратными методами, которые улучшают ЕЦ.

Не ставить трубы большого диаметра.
Утепляем лучше подающую магистраль ПЦ (в случае с ЕЦ эта магистраль обратная)
Сделать дополнительную U образную петлю ухудшающую ЕЦ.
Подключить выходы ТА наоборот, Теплообменник греет воду в ТА не на встречу стратификции, а наоборот.
Очень полезный затвор против обратной ЕЦ.

 

@Николай 1, @alexxxxx, @Хозяин Мастер, с каждым из вас отчасти согласен, но лишь отчасти.
Давайте мы не будем рассматривать интересные аномалии, поисходящие с водой при определенных температурах, рассмотрим простой бытовой пример. Бак- накопитель прогрелся за день, допустим, до 60 градусов. После захода солнца коллектор начинает остывать, температура в нем, допустим, снизилась до 15 градусов.
Вопрос 1. Куда будет двигаться вода, находящаяся в коллекторе при его остывании?
Вопрос 2. Чем будет отличаться движение воды в Схеме 1 и Схеме 2 ?

Подсказка:

Сообщающиеся сосуды соединены вверху, то есть водяная петля не имеет разрыва, так как уровень воды в баке-накопителе должен быть выше подающего патрубка.


@Хозяин Мастер, спасибо за Ваш подробный ответ, в моей системе подача в теплообменник идет сверху, выход охлажденного теплоносителя снизу. Обе трубки идущие к теплообменнику от коллекторов, делают U-образную "петлю" перед тем как опуститься в ТА, около 1 метра, но по сравнению со столбом в 11 метров это очень мало. Проблему с автоциркуляцией я некоторое время решал перекрытием на ночь вентиля перед ТО, потом поставил обычный, полностью латунный, дюймовый тарельчатый обратный клапан.

 

При остывании и в 1 и во 2 вариантах вода просто расслоится по температуре, самая холодная будет снизу и всё.
Тут, правда, есть маленький нюанс- если подающий патрубок из СК не утеплён, и идёт по улице, то будет небольшая обратная циркуляция с потерей тепла из ТА. Поэтому надо делать чуть по другому:

 

@alexxxxx, схема схематична, естественно магистрали и бак утеплены, и бак возможно даже находится в теплом помещении. Вопрос о поведении воды в трубках остывающего коллектора. Как именно она "расслоится"?

 

Тут все не просто, а очень просто. Замкнутый контур начинается вверху бака, делая круг, в том числе и через бак, в той же верхней точке и заканчивается! Разделим горизонтальной полосой обе трубки на уровне низа бака. Тогда, при остывании, нижняя половина с одинаковыми температурами уравновесит себя сама. А вот "подача" (выше условной полосы разделения) завязана в равновесие с баком. Этот участок подачи остывает быстрее чем бак. Разность веса этого участка и гипотетического в баке - создают обратную тягу, по чуть-чуть высасывая гор. воду сверху и охлаждая ее. Установка обр. клапана больше вредит естественной циркуляции при нагреве, т к создает доп. гидросопротивление, чем достойная теплоизоляция горячей трубы от ввода в бак до нижнего уровня бака. Тут простой Архимед из двух частей - верхняя и нижняя. Случай ниже 4С, кластеры воды, обратная стратицикация, образование льда на озере когда вода у дна 4,2С.Лед намерзает снизу, увеличивая теплоизоляцию воды, и толщина его зависит от мороза. На дне же в этот момент температера воды с нулевой стратификацией. Воскресный оффтоп.
Вторая четверть заканчивается, а вы еще учебники не открывали!

 

A это как, если у вас забор и выход воздуха на одной высоте?

 

Это термосифон. Ночью, когда нет солнышка, температура воздуха около абсорбера и около внешнего стекла одинаковая. Плотность воздуха одинаковая. Циркуляции нет.
Когда солнышко нагрело железки, железки нагревают окружающий их воздух. Плотность воздуха со стороны абсорбера уменьшается. Тёплый воздух поднимается вверх, а его место занимает более холодный от переднего стекла. Принцип работы как у печной трубы. Чем больше разность температур на входе и выходе коллектора, тем больше "тяга".

 

1) Если коллектор остывает равномерно (а именно так и должно быть), то вода внутри него при его остывании никуда двигаться не будет.
Можно конечно начать рассматривать малые конвекционные потоки внутри самих трубок, но они никоим образом не изменят общую картину остывания всей системы.

2) Принципиально ничем не отличаться не будут, но есть один важный момент, а именно - воздушные пробки, которых во 2-м варианте будет больше, так как есть много горизонтальных участков.
Я с этим сразу столкнулся когда сделал свой коллектор, поэтому в системах с ЕЦ очень важно исключить все возможные варианты возникновения воздушных пробок.
А для этого необходимо все горизонтальные участки сделать с небольшим уклоном к накопительному баку.

Есть ещё один интересный момент, который не был рассмотрен ни в одной конструкции системы нагрева воды с ЕЦ, а именно - для чего вход и выход воды в бак всегда разнесены по высоте.
Так вот, это никоим образом не влияет на движение воды в системе, влияет только на расслоение воды по температуре внутри бака.
При такой врезке в бак как на рисунке, вода в баке расслоится по температуре, и сверху (у входного патрубка) будет слой с наиболее горячей водой, а внизу (у дна бака) будет слой с наиболее холодной.

Я же сделал вход и выход воды в бак практически на одном уровне (почти у самого дна) и в этом случае вода в баке постоянно перемешивалась, поэтому расслоение по температуре не наблюдалось, разница между дном и верхом составляла всего около 1 град.

 

@Николай 1,@alexxxxx, @Сантехсан, @Хозяин Мастер. Уважаемые друзья, я продолжаю настаивать на том, что жидкость в схематически изображенных системах не будет неподвижной, до тех пор, пока существует разница температур в отдельных ее участках, а следовательно разность плотности жидкости, в этих участках находящейся.

При нагреве коллектора конвективные потоки направленные вверх, при остывании коллектора они будут направлены в обратную сторону, и на место опускающихся масс будут поступать новые (по принципу плотно стоящей очереди людей- толкнул первого- вылетел последний) которые так же будут медленно остывать и этот обратный ток будет продолжаться, пока температура всех участков системы не уровняется, или снова не выглянет солнце.

Как быстро это будет происходить, зависит от перепада температур, качества утепления и конструкции коллектора (коллектор N1будет остужать систему интенсивнее коллектора N 2), сечения трубопроводов и т. д. Давайте мы не будем подсчитывать, какими именно будут потери, а постараемся ответить на вопрос- явление о котором я говорю

будет иметь место или нет?

Всех согласных и не согласных со мной прошу аргументированно высказаться, личный опыт подтвержденный реальными данными только приветствуется.

Когда мы придем к общему мнению по этому вопросу, мы сможем рассмотреть и вопрос о работоспособности системы с ЕЦ, из трех разнонаправленных гелиополей, подключенных к одному баку "без ухищрений", с которой и началась эта наша дискуссия.

 

Нет, такого не будет.
Остывшая вода в коллекторе холоднее, а значит она и тяжелее, поэтому обратного тока воды не будет.
Это утверждение справедливо только в том случае, когда бак находится выше коллектора.
То есть, самая нижняя точка бака находится выше чем самая верхняя точка коллектора.
Об этом вам сказали уже несколько человек, не только я.
Прямая аналогия с теплым воздухом у потолка и холодным у пола.
Почему они не перемешиваются?
И почему теплый воздух всё время стремится вверх, а холодный вниз?

Не понимаю, что здесь непонятного?
И зачем подробно аргументировать очевидное?
В книгах о нагреве воды с помощью ЕЦ всё это подробно описано, не вижу смысла рассказывать об этом ещё и на форуме.