Coletor solar de tubo de vácuo em U: uma solução eficiente de água quente para engenharia com suporte de pressão

No campo da utilização do calor da energia solar, a tecnologia de tubo de vácuo devido ao seu excelente desempenho térmico e à ampla aplicação. Entre eles, o coletor solar de tubo de vácuo em U, como um produto de última geração na família dos tubos de vácuo, combina perfeitamente as vantagens da recolha eficiente de calor dos tubos de vácuo e do funcionamento com pressão dos sistemas de placas planas, e tornou-se uma escolha importante para projetos de água quente solar de grande e média dimensão. Este artigo irá aprofundar o princípio, as características e o valor da aplicação de engenharia desta tecnologia.

 

I. Princípio de funcionamento e estrutura do sistema

O coletor de tubo de vácuo em forma de U adota um design único de tubo metálico em "U". A sua estrutura central inclui:

 

Conjunto de tubo de vácuo 

1. Tubo exterior: tubo de vidro de alto borossilicato, garantindo uma elevada transmitância de luz (≥91%) 

2. Tubo interior: Também fabricado em vidro, com um revestimento de absorção seletiva (α≥0,93) revestido na superfície 

3.º Camada de vácuo: O grau de vácuo entre os tubos interior e exterior atinge 10⁻³Pa, suprimindo eficazmente a perda de calor convectiva e condutiva 

Tubos de troca de calor metálicos em forma de U 

1.Um tubo de cobre roxo é dobrado em forma de U e passado através do interior do tubo de vácuo 

2. A superfície foi submetida a tratamento antioxidante para garantir estabilidade térmica a longo prazo 

3.º Meio de trabalho anticongelante de circulação interna (solução de propilenoglicol, etc.) 

Sistema coletor 

1. Vários tubos de vácuo em U estão ligados em paralelo para formar uma matriz coletora 

2. Ligue cada tubo em forma de U através do cabeçalho para formar um circuito de circulação completo 

3. Equipado com suportes de perfil em alumínio para garantir a estabilidade estrutural

 

Processo de trabalho:A luz solar → penetra no tubo de vidro exterior → é captada pelo revestimento de absorção → energia térmica → é transferida para as alhetas do tubo em forma de U através de radiação → é conduzida para o meio de trabalho no interior do tubo em forma de U → O meio de trabalho aquecido é transportado para o permutador de calor do depósito de água pela bomba de circulação.

 

Ii. Cinco vantagens principais

1. Capacidade de funcionamento do suporte de pressão 

O design do canal de fluxo totalmente metálico permite que a pressão de trabalho atinja 0,6-1,0 MPa 

Pode ser ligado diretamente à rede de abastecimento de água do edifício e a pressão de saída da água é estável 

Suporta o fornecimento simultâneo de água em vários pontos para satisfazer os requisitos das aplicações de engenharia 

2. Desempenho de recolha de calor de alta eficiência

O isolamento a vácuo garante uma perda mínima de calor e uma curva de eficiência de recolha de calor plana 

Pode ainda manter um bom desempenho mesmo em ambientes com pouca luz solar e baixa temperatura 

A eficiência no inverno é significativamente maior do que a dos coletores de placa plana

3. Excelente capacidade anticongelante 

O próprio tubo de vácuo não retém água, eliminando completamente o risco de congelamento

O ponto de congelação do meio de trabalho anticongelante pode ser tão baixo como -35℃

É especialmente adequado para utilização em regiões frias

4. Design modular

Cada tubo opera de forma independente e as falhas locais não afetam o funcionamento do sistema

Suporta a substituição hot-swappable, tornando a manutenção simples e conveniente

A área de recolha de calor pode ser expandida de forma flexível de acordo com a procura

5. Resistência à luz solar direta

Os tubos de vácuo têm uma excelente resistência a altas temperaturas e podem suportar uma exposição à luz solar acima de 400℃

Não há risco de rutura de tubos e é altamente seguro e fiável

Iii. Parâmetros Técnicos e Indicadores de Desempenho

Parâmetros de desempenho típicos (tubo único ∅58×1800mm):

Área de receção de luz: 0,12 m² por peça

Capacidade do meio de trabalho: 0,15-0,2 L por tubo

Temperatura de funcionamento: -30℃ a 150℃

Eficiência instantânea: η=0,75-0,05×(Δt/G) (Δt é a diferença de temperatura, G é a irradiância)

Coeficiente de perda de calor: ≤1,5W/m²K

Sugestões de configuração do sistema

A capacidade do reservatório de água deve ser de 60 a 80 litros por metro quadrado de área de recolha de calor

A concentração do meio de trabalho anticongelante é determinada com base na temperatura ambiente mínima local

A altura manométrica da bomba de circulação deve ter em conta a resistência do sistema e a diferença de elevação

 

Iv. Soluções de Aplicação de Engenharia

1. Projetos de água quente de grande e média dimensão

Sistema de hotelaria e pensões: Área de recolha de calor de 200 a 500 metros quadrados, equipada com depósitos de água isolados de 30 a 100 toneladas

Sistema de hospital escolar: adota estratégia de fornecimento de água temporizado e controlo de temperatura constante

Sistema de piscina: mantém a temperatura da água entre 26-28℃, reduzindo significativamente os custos operacionais

2. Sistema de integração de aquecimento

Combinado com o sistema de aquecimento por piso, proporciona um aquecimento básico no inverno

Está equipado com uma fonte de calor auxiliar para garantir um aquecimento estável em condições climatéricas extremas

Dar prioridade ao fornecimento de água quente sanitária e utilizar o calor residual para aquecimento

3. Aplicações de pré-aquecimento industrial

Fornece pré-aquecimento para indústrias que requerem calor de processo de 40-80℃

Galvanoplastia, processamento de alimentos, impressão e tingimento têxtil e outros campos

O período de retorno do investimento é geralmente de 2 a 4 anos

4. Sistema de secagem agrícola

Secagem de culturas, secagem de materiais medicinais chineses, etc.

Fornece ar quente estável para melhorar a qualidade da secagem

Reduzir o consumo de combustíveis tradicionais e diminuir os custos de produção

V. Pontos-chave do projeto do sistema

1. Otimize o design do ângulo de inclinação

Faça ajustes com base na latitude local

Ênfase na utilização no inverno: Latitude +10°-15°

Utilização durante todo o ano: igual à latitude local

Ênfase na utilização no verão: latitude -10°-15°

2. Proteção contra sobreaquecimento

Defina o limite superior do ciclo de diferença de temperatura (geralmente ≤90℃)

Adotar medidas de emergência como radiadores ou arrefecimento de água subterrânea

Considere esquemas de oclusão sazonal

3. Design anticavitação

Certifique-se de que um dispositivo de exaustão está instalado no ponto mais alto do sistema

O projeto da conduta evita a formação de bolsas de ar

Uma válvula de escape automática é adotada

4. Medidas anti-escala

Preparar o meio de trabalho com água amolecida

Monitorize regularmente as alterações no valor do pH

Considere adicionar inibidores de corrosão

Vi. Guia de instalação e manutenção

Especificações de instalação

O espaçamento dos tubos não deve ser inferior a 0,8 metros para garantir que os bancos traseiros não são bloqueados pelos bancos dianteiros

A capacidade de carga da fundação é ≥30kg/m²

Evite instalar na zona de saída de ar

Requisitos de manutenção

Verifique a concentração do meio de trabalho e o valor do pH todos os anos

Limpe a superfície do tubo de vácuo a cada trimestre

Verifique o estado de funcionamento da bomba de circulação todos os meses

Tratamento de avarias comuns

Declínio da eficiência: Verifique o grau de vácuo do tubo de vácuo e substitua o tubo com defeito

Fugas: Localize a parte envelhecida do anel de vedação e substitua o componente de vedação

Má circulação: Expulse o gás e verifique o funcionamento da bomba

 

VII. Análise Económica

Composição do investimento (tomando como exemplo um projeto de 1000m²):

Sistema de recolha: 45%-50%

Sistema de armazenamento de calor: 25%-30%

Sistema de controlo: 10%-15%

Projeto da instalação: 10%-15%

Análise de ganhos

Economia anual de energia por metro quadrado de coletor: 350-550kWh

 Período de retorno: 3 a 6 anos (dependendo dos preços locais de energia)

Retorno ao longo da vida: 3 a 8 vezes o investimento inicial

VIII. Comparação com os coletores de tubos de vácuo tradicionais 

O coletor de tubo em U apresenta os tradicionais tubos de vácuo totalmente em vidro 

Capacidade de suporte de pressão: funcionamento de suporte de pressão (0,6-1,0 MPa), sem suporte de pressão 

Excelente desempenho anticongelante (circulação do meio de trabalho) e bom (a água no tubo pode congelar) 

O tubo de ramal único de manutenção pode ser substituído se for necessária drenagem 

É altamente eficiente e estável, mas é afetado pela qualidade da água 

O custo é relativamente elevado ou baixo 

É adequado para projetos domésticos de média e grande dimensão, bem como projetos de pequena escala

 

Conclusão 

O coletor solar de tubo de vácuo em U, através de um design estrutural inovador, superou com sucesso as limitações dos coletores solares tradicionais em termos de funcionamento sob pressão, manutenção do sistema e aplicabilidade de engenharia, tornando-se a solução preferida para projetos de aquecimento solar de água de grande e média dimensão. O seu excelente desempenho térmico, as características operacionais fiáveis ​​e a boa escalabilidade tornam-no vantajoso em locais com procura de água quente, como hotéis, escolas e fábricas.

Com o contínuo amadurecimento da tecnologia de utilização da energia solar térmica e a acumulação de experiência em engenharia, os coletores de tubo de vácuo em U continuarão a desempenhar um papel significativo na transição energética, proporcionando um caminho técnico fiável para a redução do consumo de energia fóssil e a redução das emissões de carbono. Escolher um sistema de tubo em U não se trata apenas de selecionar um dispositivo de água quente; trata-se também de investir num futuro energético fiável, eficiente e sustentável.