Kolektory próżniowe – fakty i mity

 

Coraz większe zainteresowanie kolektorami słonecznymi doprowadziło do coraz większego zainteresowania również kolektorami próżniowymi, ponieważ badania sprawności kolektorów próżniowych potwierdziły ich większą sprawność w stosunku do kolektorów płaskich, ale ślad za tym zaczęły powstawać mity o osiągach tych kolektorów. Oczywiście, że dobrze wykonane kolektory próżniowe mają większą sprawność niż kolektory płaskie, ale duża część sprzedawanych kolektorów nie spełnia podstawowych wymogów a jednak to też kolektory próżniowe.

Te które opisujemy to kolektory chińskie zalewające ostatnio nasz rynek pod względem wizualnym niewiele się różniące od wyrobów wiodących firm (pomimo, że te również mogą mieć część produkcji umieszczonej w Chinach). Wszak cała tajemnica tkwi wewnątrz kolektora. Postaramy się Państwu bliżej zaprezentować budowę i zasadę działania tych kolektorów oraz jak je rozpoznać.

Podstawowym błędem popełnianym przez wszystkich, którzy nie mają wiedzy o kolektorach jest wrzucenie wszystkich typów kolektorów próżniowych do jednego worka. Jeżeli posłużymy się przykładem: Mercedes i Maluch, i to samochód, i to samochód, a jaka miedzy nimi różnica, to na kolektory należy popatrzeć też bardziej krytycznie. Przede wszystkim przy wyborze należy zwrócić uwagę na: wewnętrzną budowę, ilość rur i ich średnicę w kolektorze. Są kolektory które posiadają nie więcej jak dziesięć rur i są kolektory które posiadają dwadzieścia i więcej rur, przez co nie są one sobie równoważne. Są kolektory gdzie średnica zewnętrzna rury wynosi 47 mm, a są kolektory o średnicy rur 58 mm, co też nie jest sobie równoważne.

W kolektorze płaskim obliczenie powierzchni apertury (powierzchni czynnej absorbera na której wytwarzane jest ciepło) jest proste: szerokość razy wysokość absorbera, w kolektorze próżniowym istnieje istna „wolna amerykanka”. Nierzetelne obliczenie pow. apertury prowadzi do błędnego obliczenia ilości rur w instalacji solarnej w stosunku do zapotrzebowania na ciepło. Dla przykładu prześledźmy kolektor składający się z 15 rur o średnicy 58 mm i o długości 1,8 m. Wiele firm sprzedających kolektory do obliczeń przyjmuje właśnie średnicę 58 mm, a ponieważ warstwa absorpcyjna napylona jest na wewnętrznej rurze, której średnica wynosi 47mm to właśnie tę wartość powinniśmy wziąć do obliczeń.

Obecnie na polskim rynku najbardziej popularne są trzy typy kolektorów pod względem rozwiązań konstrukcyjnych:

  1. z gorącą rurką tak zwane „heat pipe” („gorąca rurka” - rura miedziana umieszczona w środku rury próżniowej w której znajduje się czynnik bardzo niskiej temperaturze wrzenia), z dwufazową wymianą ciepła i z absorberem naniesionym na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury
  2. o bezpośrednim przepływie z absorberem naniesionym na zewnętrzną ściankę wewnętrznej rury
  3. o bezpośrednim przepływie z listkiem absorbera umieszczonym wewnątrz przeźroczystej rury próżniowej.

Na wstępie zajmiemy się dwoma pierwszymi, bo te wzbudzają najwięcej kontrowersji. W płaskim kolektorze przepływ ciepła z absorbera do czynnika grzewczego jest stosunkowo prosty - rury z czynnikiem przymocowane są bezpośrednio do absorbera, gdzie w bezpośredni sposób ciepło przekazywane jest do czynnika grzewczego.

W pierwszym typie kolektorów próżniowych droga wytwarzanego ciepła jest skomplikowana: ciepło wytwarza się na zewnętrznej ściance wewnętrznej rury, a więc na szklanej rurze, więc ciepło w jakiś sposób przekazywane jest do parownika „gorącej rurki”. Przekazanie tego ciepła w większości kolektorów następuje poprzez kontakt wyprofilowanych kawałków taśmy aluminiowej między szkłem a rurą parownika. Niestaranne wyprofilowanie blachy aluminiowej powoduje zły kontakt ze szkłem, przez co przewodzenie ciepła między szkłem a rurą parownika jest kiepskie, gdyż ciepło przekazywane być musi poprzez powietrze znajdujące się wokół blachy.

 

 

Efektywne przekazanie ciepła następuje tylko w miejscach styku  blachy ze szkłem. Poza tym blacha część ciepła mogła by absorbować ale ze względu na swoje własności odbija powrotem do szkła (podobna sytuacja występuje przy  umieszczeniu foli aluminiowej za grzejnikiem). Następnie z taśmy aluminiowej ciepło wędruje do parownika, gdzie znowu powstaje problem styku taśmy z rurą parownika. Na skutek ogrzania rury parownika ciecz umieszczona w niej paruje i skraplając się w skraplaczu ogrzewa go do znacznej temperatury. Sam skraplacz umieszczony jest na końcu parownika w formie charakterystycznego zgrubienia rury i jest on wetknięty w magistrali zbiorczej kolektora. Tu ciepło przekazywane jest znów przez kontakt na styku skraplacza z magistralą zbiorczą.

W sprawnie działających kolektorach temperatura czynnika odbierającego ciepło powinna być zbliżona do temperatury skraplacza, gdyż różnica ich temperatur jest wyznacznikiem poprawności przepływu ciepła. W kolektorach z „gorącą rurką” ze względu na zbyt małą powierzchnie skraplacza czynnik grzewczy nie odbiera ciepła w sposób dostateczny, powodując nadmierne rozgrzewanie skraplacza. A przecież w przekazywaniu ciepła powierzchnia ma decydujące znaczenie. Cechą charakterystyczną tych kolektorów jest ustalenie przez producenta przepływu przez  kolektor 15 rurowy na poziomie 1,5 l/min, a więc mocno zdławiony.

Kolektory o bezpośrednim przepływie są zbudowane w sposób o wiele prostszy. Czynnik przepływa przez rurę miedzianą wyprofilowaną w kształcie „U” gdzie „u rurka” umieszczona jest bezpośrednio w rurze próżniowej. Niestety, znowu powstaje tu problem przekazania ciepła z wewnętrznej rury próżniowej.

 

Podobnie jak poprzednio wyprofilowana taśma aluminiowa „gubi” znaczną część ciepła na styku rura szklana - taśma i taśma rura - miedziana. W modelu przedstawionym na zdjęciu, jak widać, blachy są już bardziej starannie wyprofilowane, jednak powrotna część „u rurki” nie jest opasana przez taśmę aluminiową  przez  co transport ciepła odbywa się tylko górną rurką. Aczkolwiek ciepło przekazywane jest z taśmy aluminiowej poprzez „U” rurkę do czynnika grzewczego to powierzchnia którą jest ono przekazywane jest o wiele większa niż w kolektorze wcześniej rozpatrywanym. Sprawność tego typu kolektora jest już  większa, jednak powstająca warstwa tlenku miedzi na rurce  z czasem prawdopodobnie nieco pogorszy pozyskiwaną ilość ciepła z takiego kolektora.

Podstawową różnicą między kolektorami płaskimi a próżniowymi podkreślaną w przesadny sposób jest uzysk cieplny kolektora przy promieniowaniu rozproszonym czyli takim, gdzie niebo jest zachmurzone. Przypomnijmy, że na skutek zamiany promieniowania  słonecznego na absorberze kolektora uzyskujemy ciepło, lecz jak widać na rysunkach poniżej najwięcej ciepła wytwarzane jest z promieniowania podczerwonego a te podczas zachmurzonego nieba jest znikome ze względu na pochłaniające je chmury.  

 

 

Niebagatelny wpływ na uzysk energetyczny kolektora ma również kąt pochylenia, wszak w okresach zimowych jest on bardzo niekorzystny. Jeżeli podczas pięknej słonecznej pogody natężenie promieniowania wynosi: ok. 1000 kWh /m 2, to podczas pełnego zachmurzenia wartość ta wynosi 100-200 kWh /m 2. Wynika to z tej przyczyny, że promieniowanie podczerwone pochłaniane jest przez warstwę chmur. Ponieważ do kolektora dochodzi tylko światło widzialne i ono jest „przetwarzane” na ciepło, ilość ciepła jest tak mała. Jednocześnie oddawanie ciepła do atmosfery, czyli straty kolektora zależą tylko od jego izolacyjności. I w tym przypadku, kolektor próżniowy jest lepszy od płaskiego – izolację kolektora próżniowego tworzy właśnie próżnia w rurze termosa. Niestety, sposób odbioru ciepła z kolektora próżniowego do instalacji właściwie niweluje tę przewagę zwłaszcza, że te minimalne ilości ciepła właściwie pochłaniane są przez wymienione wyżej procesy jego przekazywania.

Niebagatelne znaczenie ma również temperatura stagnacji rury próżniowej, a zależy ona od materiału, z jakiego wykonana jest warstwa absorpcyjna napylona na szkło. Najprościej ujmując najniższe temperatury stagnacji osiągają rury na podwarstwie aluminiowej, osiągając temperaturę ok. 210oC zaś największe na podwarstwie miedzianej ok. 300oC. Różnice w ich budowie można poznać po barwie wnętrza termosu: srebrzyste są pokryte aluminium, czerwone - miedzią.

     Na koniec można jedynie dodać nasuwającą się sentencję: nie sztuką jest zagotowanie szklanki wody, tylko nagrzanie całej wanny.

 

 

 

Dr inż. Jan Czarnecki

CMS - ACMS - GWPE ver.6.65    © 2007-2011 by your_domain.com All right reserved.