Тепловые трубки вакуумные своими руками

Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома

В условиях непрекращающегося роста тарифов ЖКХ экономия на отоплении и горячем водоснабжении — насущный вопрос многих домохозяйств. С развитием технологий появляются новые альтернативные способы получения энергии из света, обеспечивающие максимальный эффект при минимуме теплопотерь. Один из таких способов — вакуумный солнечный коллектор. Его можно и собрать самостоятельно, и приобрести готовые варианты у продавцов.

lazy placeholder

Принцип работы

Идея улавливать и преобразовывать световую энергию не нова. В мире достаточно давно и успешно эксплуатируются ветряные электростанции и солнечные батареи, последние в регионах с большим количеством ясных дней позволяют обеспечивать практически полностью автономное снабжение жилищ, коммерческих помещений и техники.

lazy placeholder

Классическая гелиобатарея принимает и конвертирует в электричество падающий на нее свет. Далее энергия поступает к потребляющим аппаратам. Вакуумный гелиоколлектор устроен иначе: он состоит из крепких стеклянных трубок с откачанным для образования вакуума воздухом. Трубки объединены в систему.

Внутри такой стеклянной трубки находятся один-два медных стержня с заключенным в них теплоносителем. Падающие на медь лучи разогревают ее, и тепло передается носителю. Таким образом улавливается и накапливается солнечная энергия. Конструкция позволяет обеспечить высокую энергоотдачу при низких потерях. Происходит это благодаря вакууму: поскольку нет отнимающей тепло среды, практически все оно остается в носителе. Такой солнечный коллектор сохраняет примерно 95 % уловленной им энергии.

lazy placeholder

В качестве теплоносителя может использоваться жидкость или воздух. Первый вариант встречается чаще всего.

Конструктивное решение также снижает зависимость от погоды и окружающей температуры. Зимой комплекс будет работать так же эффективно, как и летом. При текущих темпах неуклонного роста цен на органические энергоносители гелиоустановка для отопления дома окупится, в среднем, через 3–5 лет, а прослужит около 25. То есть ее владелец спустя относительно недолгое время станет получать энергию бесплатно.

Рабочие температуры

Коллекторы делятся на виды по температуре рабочей среды:

Сфера применения

Вакуумные солнечные коллекторы используются везде, где необходимо обеспечить тепло и горячую воду в условиях ограниченности топлива, невозможности подвода традиционных коммуникаций или нестабильности их работы. Их устанавливают на различных объектах:

Такое устройство как вакуумный солнечный коллектор будет работать везде, где есть дневной свет и подвод холодной воды на объект. С его помощью решаются задачи:

lazy placeholder

Как устроен солнечный коллектор

Существуют различные варианты реализации преобразующих энергию Солнца вакуумных приборов. Основные виды коллекторов:

Все эти аппараты конструктивно похожи и несут следующие базовых компоненты:

Упрощенно конструкцию можно представить как обычный термос с прозрачными стенками, через которые свет падает на внутреннюю колбу. Благодаря вакууму между стенками и колбой последняя хорошо прогревается и почти целиком передает тепло своему содержимому.

lazy placeholder

Правильной работой комплекса может управлять циркуляционный насос. Этот элемент обеспечит безопасное и слаженное взаимодействие всех частей гелиоколлектора. Автоматизированная система управления нагревательным комплексом следит за температурой и, если она падает ниже разрешенного уровня (например, ночью), насос останавливается. Благодаря этому удается избежать ситуации обратного прогрева и других связанных проблем.

Классификация по конструктивным отличиям

Вакуумные коллекторы разделяют по типужу стеклянных трубок и параметрам теплоканалов. Трубки обычно встречаются двух категорий:

А каналы бывают прямоточные U-образные и разновидности heat pipe (смотреть ниже).

Коаксиальные вакуумные трубки

Это классический «термос» — колба, в которой вакуум создается между двойными стеклянными стенками. Кроме того, внутренняя поверхность колбы покрыта особым теплопоглощающим слоем. Их делают из боросиликатного высокопрочного стекла с хорошим светопропусканием. Такие вакуумные трубки для солнечного коллектора должны служить не менее 15 лет, справляться с давлением 1 МПа и не бояться плохих погодных условий.

lazy placeholder

Поглотителем служит полый стержень из меди с эфирным наполнением. Нагреваясь, эфир испаряется, поднимается, передает набранное тепло и выпадает вниз конденсатом. Далее процесс повторяется, обеспечивая непрерывный теплообмен внутри модуля.

Перьевые

Их стенки толще коаксиальных и состоят из единственной колбы. Медный абсорбционный элемент обрамлен гофрированной пластиной с теплопоглощающим слоем. Это позволяет вакууму находится прямо в канале модуля.

lazy placeholder

КПД такой трубки выше, но перьевая система дороже, а заменить ее в случае поломки медного абсорбера или нарушения герметичности колбы сложнее. Но именно этот вариант считается самым надежным, эффективным и долговечным среди похожих устройств.

Технология Heat pipe

Выполненные по этой технологии модули несут в себе трубки с испаряющимся жидким теплоносителем. При нагреве паром он поднимается наверх и собирается в манифольде (manifold) — теплосборнике. Здесь носитель отдает тепло, осаждается, и цикл повторяется. Из манифольда носитель передает энергию по всей системе, обеспечивая нагрев в контурах отопления и горячего водоснабжения.

Рабочий элемент такого канала делается медным, реже — из алюминия. Срок службы должен составлять 15 лет. Стоимость решения на базе «хит-пайп» относительно невелика и делает его самым популярным вариантом для создания современных трубчатых гелиосистем. Если какой-то узел испортится, его легко заменить без разборки всего комплекса. Ремонт можно проводить на месте с минимумом инструментов.

lazy placeholder

Прямоточные U-образные обменники

Как видно из названия, трубка такого теплообменника похожа на букву U. В ней циркулирует или рабочее тело теплоносителя, или вода системы. При этом одна часть компонента работает с нагретой средой, другая — с холодным носителем.

Нагревшись, состав расширяется и попадает в накопитель; таким способом обеспечивается простая циркуляция жидкости. На внутренние стенки накопительного бака нанесено эффективно забирающее тепло покрытие.

lazy placeholder

Эти трубки весьма эффективны, но обладают недостатком: конструктивно они едины с манифольдом и ставятся только вместе с таковым. Замена одной испортившейся трубки невозможна, для этого придется снимать всю систему.

Преимущества и недостатки вакуумных коллекторов

Основное достоинство данного класса устройств — минимальные эксплуатационные теплопотери благодаря вакууму, идеальному природному изолятору. Среди прочих плюсов:

lazy placeholder

Установка одного или нескольких таких устройств дает возможность существенно сэкономить на отоплении и горячем водоснабжении любых нуждающихся в этом объектов и построек. В среднем, затраты на нагрев воды снижаются на 60 %, а расходы на отопление — на 30 %. Достигается также оптимизация и снижение трат на эксплуатацию и поддержку коммуникаций. Вакуумный солнечный коллектор выступает как автономный источник тепла и обеспечивает потребителей горячей водой даже при перебоях с газом или электропитанием.

Еще один плюс — продление срока службы имеющихся систем отопления. Нагрузка на них снижается, и бойлер, например, способен прослужить до двух раз дольше: гелиоколлектор снижает нагрузку на него до 97 % от обычной. То же касается газовых котлов. При этом вакуумные солнечные модули легко интегрируются в существующие коммуникации. Можно запланировать их установку и на этапе планирования возводимого объекта.

lazy placeholder

Немаловажный бонус — экологическая чистота. Рассматриваемый класс устройств не производит вредных выбросов, не загрязняет окружающую среду и использует фактически неисчерпаемый источник энергии — солнечный свет. При этом каждый поступающий в систему джоуль используется оптимальным образом.

Интересно: считается, что к 2020 году около 20 % мировой потребности в электроэнергии станут удовлетворяться за счет Солнца. Особенно актуально это для регионов с интенсивным солнечным излучением и большим количеством ясных дней. За год в среднем в эксплуатацию вводится около 3 млн гелиоэнергетических систем.

Отметим также обеззараживающие свойства: под нагревом гибнут многие вредоносные микроорганизмы, вакуум также затрудняет их размножение.

lazy placeholder

Но есть и минусы. К ним относят высокую стоимость при покупке комплектующих и инструмента для самостоятельной сборки, а также неспособность недорогих трубчатых комплексов самоочищаться от налипшего/намерзшего зимой снега, льда и прочих загрязнений. Хотя существуют и варианты с режимами антизамерзания, и образцы с иными дополнительными возможностями.

Самостоятельная сборка

В начале создания вакуумного коллектора необходимо собрать раму. Желательно ставить ее сразу там, где будет находиться будущий обогревательный комплекс. Размеры рамы зависят от запланированных характеристик будущей системы и собираемой модели. Как правило, подробные указания прописаны в прилагаемой к комплектующим инструкции.

Важно: на дне короба будущего коллектора обязательно должна быть теплоизоляция.

Пример проекта для сборки:

lazy placeholder

Собирая раму на крыше, в местах прилегания ее дополнительно укрепляют герметиком. Это необходимо для защиты от попадания воды через монтажные отверстия. Далее на место ставят бак накопителя и прикрепляют к раме.

Далее монтируется воздухоотвод, ТЭН и датчик температуры (если есть). Все узлы устанавливаются на смягчающие прокладки (должны быть в комплекте). После этого к системе необходимо подвести водные коммуникации здания — для этого обычно используют фитинги и трубы из полипропилена, такая арматура достаточно вынослива, долговечна и легко меняется при выходе из строя. Трубы должны выдерживать температуру до 95 градусов.

lazy placeholder

Когда водопровод подключен, в накопительный бак заливают воду и несколько часов проверяют герметичность комплекса. При нахождении утечек их следует немедленно устранить. Финальный этап — монтаж нагревающих модулей. В вакуумную стеклянную колбу помещают медную трубку, снизу конструкция фиксируется чашкой и резиновым пыльником. В латунный конденсатор до упора задвигают наконечник медной трубки, затем фиксирующий механизм защелкивается на кронштейне.

Установка остальных трубок выполняется по тому же принципу.

После этого к системе подсоединяется монтажный блок (если предусмотрен). На него заводится электропитание от сети 220 В. Также подключаются вспомогательные модули — температурный датчик, отвод воздуха и ТЭН. На финальном этапе монтируется управляющий контроллер комплекса (также если предусмотрен). В него вносятся необходимые настройки, после чего новая система обогрева запускается в работу в обычном режиме.

lazy placeholder

Все основные детали можно собрать самостоятельно. Но при отсутствии опыта слесарно-монтажных работ лучше обратиться к заводским комплектующим, поскольку собранный «с нуля» комплекс может содержать существенные огрехи и не давать требуемой эффективности. На рынке Москвы готовый комплект подключаемого к холодному водопроводу нагревателя на 30 вакуумных трубок с баком объемом в 260 литров стоит около 90 тысяч рублей.

Где лучше размещать

Для эффективной и полноценной работы вакуумный солнечный коллектор должен быть правильно размещен и сориентирован по сторонам света. В северных широтах желательно ставить устройство на солнечной стороне земельного участка или в южной части крыши. Если сориентировать точно на юг возможности нет, следует выбрать максимально освещенную позицию в направлении запада или востока.

Важно: гелиоэнергетический комплекс не должен перекрываться деревьями, дымоходами, декоративными частями кровли, соседними домами и прочими строениями. Это способно существенно снизить эффективность. При правильном расположении обогреватель обеспечит отличную теплоотдачу на весь год вне зависимости от сезона.

lazy placeholder

Заключение

Солнечный коллектор — интересная и технологичная альтернатива как традиционным способам получения тепла, так и современным экологически чистым, наподобие фотоэлектрических панелей или ветряков. Все, что требуется такой системе — наличие холодной воды и света, все остальное она сделает сама или с помощью простого управляющего блока и насоса, которые не обязательны.

Вакуумный уловитель солнечной энергии автономен, не производит вредных выбросов, прост в устройстве и надежен: если систему собрать из качественных компонентов и следить за ней, она прослужит до четверти века и дольше. Её отличают высокие показатели преобразования света и невидимого теплового излучения в полезное тепло и малый коэффициент потерь — используется до 95 % поступившей энергии. Такое сочетание эксплуатационных свойств делает данный класс устройств привлекательным для широких кругов потенциальных владельцев, от оборудующих дом/участок частных лиц до крупного бизнеса. А с учетом нестабильной ситуации с ценами на энергоносители и тарифами ЖКХ, можно рассчитывать, что популярность вакуумных коллекторов будет лишь расти.

Видео по теме

Источник

Еще раз о кустарном изготовлении тепловых трубок

Наверно все-таки нужно напомнить принцип работы тепловой трубки. Непосредственным предшественником тепловой трубки был термосифон, поэтому полезно рассмотреть вначале принцип действия этого устройства. Берется трубка. Внутрь трубки вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и запаивают. При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения – может наступить кризис кипения. Вся жидкость испарится и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Недостатком термосифона является возможность работы только в вертикальном положении. Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле какой-нибудь другой силой. Это и было осуществлено при изобретении новой системы. В качестве сил, поднимающих конденсат против сил гравитации, были использованы капиллярные силы, возникающие при смачивании рабочей жидкостью капиллярно-пористого материала – фитиля.

Существуют очень интересные серийные корпуса с бесшумным охлаждением на базе тепловых трубок. Например, всем известный Zalman TNN500AF. Обзор этого корпуса есть на сайте.

реклама

Есть еще несколько подобных корпусов. Например, Atech 6000

Но пока такие корпуса очень дороги и труднодоступны. Самодельщики всего мира пытаются сделать нечто подобное. Например, небезызвестный Нумано давно и плодотворно трудится в этом направлении.

И на нашем Overclockers.ru был подобный проект. Автор в своем проекте заменил тепловые трубки водяным охлаждением. Но при всей моей любви к водяному охлаждению, мечтается о компьютере без помпы.

реклама

А как же иначе, трубки являются несущей конструкцией кулера. Поэтому они и должны быть жесткими. Иначе он бы расползался в руках. Неразогнутые трубки коротки, неудобны. К тому же стоимость кулера довольно высока. И если с такой длиной трубок еще можно попробовать отвести тепло от процессора, то от видеокарты это будет сделать проблематично. Не хватит длины трубок.

Я уже около года работаю в этом направлении, но кроме как сделать самому тепловые трубки нужной длины и диаметра, ничего придумать не смог. Купить негде. Заказать некому. Были попытки самостоятельного изготовления, вылившиеся в пару статей (Тепловая трубка своими руками, дома, «на коленке», Тепловая трубка своими руками, дома, «на коленке». Часть вторая). Но это были примитивные эксперименты с получением вакуума методом кипячения. Все мои изделия имели жесткую конструкцию. То есть зона конденсации и зона испарения жестко скреплены друг с другом, что осложняло крепление к процессору и увеличивало риск повреждения процессора и материнской платы, в случае, если кто-то случайно заедет локтем по торчащей над корпусом зоне конденсации. Все-таки наиболее оптимальную конструкцию придумали инженеры Zalman – медные теплоотводы, соединенные с массивным корпусом-радиатором относительно гибкими тепловыми трубками.

В этой статье я коснусь только процесса изготовления тепловых трубок. Конструкцию корпуса-радиатора я здесь рассматривать не буду. Причина кроется в том, что я сам еще не определился с конструкцией корпуса. Хочется что-то подобное Zalman TNN500AF или Atech 6000, но, что мне больше нравится, я никак не выберу. Да и где взять радиаторы такого размера, я не определился. Видел в одном радиомагазине, но по просто фантастической цене. Судя по сумме, которую за них просят, они минимум платиновые. А может и алмазные. Заказать на заводе, кончено можно, но мастер панически боится попасться с такой железякой в проходной. Он и так недавно с моими деталями погорел. В общем, пока вопрос остается открытый.

Поэтому здесь я опишу только технологию изготовления тепловых трубок, а нужно ли это кому-нибудь и как их использовать, пусть каждый решает для себя сам.

Толчком для ускорения работ послужило мое неожиданное увлечение системами фазового перехода. В процессе изучения материалов по теме, приобретения комплектующих и инструментария выяснилось, что с помощью того же инструмента и материалов можно попытаться изготавливать и тепловые трубки.

На всасывание я припаял фильтр-осушитель для удаления влаги из откачиваемого воздуха. Это сделано как попытка исключения насыщения масла внутри компрессора влагой из воздуха. Надеюсь, это даст возможность не менять масло, когда я соберусь использовать этот компрессор для фреонки. Так же, для удобства подключения манометрической станции, я припаял к компрессору клапаны Шредера. Аналог этих клапанов можно увидеть в газовых зажигалках. В холодильных системах эти клапаны используются для заправки и диагностики.

Так вот, заимев такую штуку, я тут же вспомнил о тепловых трубках. Разглядывая тепловые трубки из Zalman ZM-2HC, я обратил внимание на их конструкцию и, как мне кажется, примерно понял технологию их изготовления. Трубка с одной стороны выглядела как запаянный конус. Видимо при изготовлении берется трубка, в нее вставляется фитиль. В Залмановских трубках используется фитиль очень похожий на металлическую оплетку экранированного провода. Это можно увидеть на Фото7. Запаивается. Потом в трубку заливается теплоноситель и из трубки удаляется воздух. После чего трубка пережимается, следы отчетливо видны, и опять запаивается.

Я решил попробовать повторить этот процесс в домашних условиях. И придумал такую штуку. Взять медную трубку, припаять к ней клапан Шредера. Это делается для подключения трубки через манометрическую станцию к компрессору, для вакуумизации. По манометру можно проконтролировать глубину вакуума.

Засунуть в трубку экран от провода.

Капнуть в трубку воды. Потом специальным инструментом – закусывателем, пережать трубку и запаять конец трубки для верности.

реклама

Потом сунуть трубку на балкон в сугроб. Как вода замерзнет, откачать через клапан воздух своим новоиспеченным вакуумным насосом. Потом у клапана Шредера пережать трубку и опять запаять. И, пожалуйста, готовая тепловая трубка. Гибкая, в холодильной технике применяются трубки из отожженной меди, до диаметра 8мм они довольно гибкие и любой длины.

Как видно из фотографий, все это я проделал. За исключением того, что запаять трубку я не смог. Сначала думал, что от нагрева вода в трубке закипает и пар разрывает место зажима. Но потом я опустил конец трубки в таз с водой и стал паять.

Пар стал тут же вырываться и «выплевывать» припой. В любом случае образовывалась раковина, трубка свистела паром и текла. Скорее всего, по фитилю вода поднималась до верха трубки и там от пайки закипала. Пар разжимал зажатую трубку и вырывался наружу. Идея была хорошая, но надо придумать другой способ герметизации. Фитиль же из оплетки получился отличный.

Спустя какое-то время до меня дошло. Я, специально предназначенным для этих целей инструментом – закусывателем, зажимаю трубку, потом, как последний фонарь, расщелкиваю его и начинаю паять. Для чего на нем сделана защелка? Конечно для того, чтобы паять трубку с защелкнутым закусывателем! Трубка-то мягкая. Пар, расширяясь, без труда разжимает трубку.

реклама

Прочувствовав в очередной раз глубину своего невежества, стал паять по-новому. На этот раз пайка прошла успешно. Один момент. Пайка усложняется тем, что закусыватель играет роль теплоотвода и прогреть трубку горелкой до нужной температуры становится гораздо сложнее. К тому же, на всякий случай, я поместил трубку в таз с водой и обмотал низ трубки мокрой тряпкой. Все это тоже усложнило процедуру пайки, но ненамного.

После пайки я положил трубку на балкон. Температура на улице была около 16 градусов мороза. В дальнейшем для заморозки воды можно будет приспособить фреонку. Прижал трубку к испарителю струбциной, включил фреонку и за какие-то минуты заморозил. Но, пока фреонка не готова, приходится ждать. К холодильнику меня с моими трубками не пустили. Брильянтовая сказала, что он для продуктов, а не для грязных, кривых железок. Такие вот темные личности и тормозят оверклокерский прогресс.

Для замедления таяния воды в трубке я заморозил ее в алюминиевом стаканчике с водой. Вместе с примороженным стаканчиком прикручиваю трубку к манометрической станции.

реклама

Все готово к «бою». Осталось вытащить резиновую пробку из патрубка нагнетания и включить компрессор. Я все-таки пытаюсь беречь компрессор и затыкаю патрубок пробкой. Два других закрыты припаянными клапанами Шредера. Включаю компрессор. Стрелка левого на фото манометра поползла вниз. Интересное явление – компрессор сначала работал довольно громко, а потом все тише и тише.

Компрессор откачивает из трубки воздух. Закручиваю кран на манометрической станции и выключаю компрессор. Кстати, работает он сейчас совсем тихо. Потом закусывателем пережимаю трубку. Откручиваю от станции. И, не удержавшись, без пайки, сразу начинаю проверять, что же получилось. Была уже глубокая ночь, а завтра на работу. Но разве можно самое интересное откладывать на завтра?

Для тестов использую цифровой термометр, добытый из Hardcano. Прикручиваю термопару от него к концу трубки из изделия Zalman ZM-2HC, а другой опускаю в стакан с горячей водой. Вода в стакане получилась очень горячей и через 15 секунд трубка прогрелась до 51 градуса. То есть до температуры воды.

реклама

Теперь очередь самоделки. Приматываю малярным скотчем термопару, и дрожащей рукой опускаю в стакан. Трубка прогрелась до 50 градусов за 20 секунд.

Для успокоения повторяю тест с этой же трубкой, но с отрезанным верхом. За пять минут она так и не нагрелась выше 30 градусов. А вода в стакане совсем остыла. Даже фотографировать это зрелище не захотелось.

Но не это главное. Главное теперь можно делать тепловые трубки. Можно откачивать воздух из любого изделия. Не надо больше, обжигаясь, кипятить свои поделки над газом. И возможность изготовления самодельного Zalman TNN500AF теперь не кажется такой уж фантастичной.

реклама

Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Здоровая спина
Adblock
detector