СНИЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

Ключевые слова: солнечный водонагреватель, антифриз, герметик, давление, теплоноситель, расширительный бак.

Введение. Солнечная энергия по своим масштабом значительно превосходит другие виды возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Заметим также, что солнечное излучение, поступающее на Землю, является абсолютно экологически чистым. Солнечная энергия может быть преобразована в тепло, и она находит в мире практическое применение. Преобразование солнечной радиации в тепло осуществляется с помощью достаточно простых технологических средств (солнечных водонагревателей), поэтому оно получило наибольшее распространение. Но в их конструкции имеются несовершенные технические элементы предусмотренные для защиты установки от перегрева и безопасности при эксплуатации. Также в этих конструкциях не полностью учитываются требования к микроклимату помещении и вопросы обеспечения энергоэффективности этих установок. Проведенный нами анализ появляющихся неисправностей солнечных водонагревательных установок (СВНУ), способов их устранения показал, что наиболее целесообразным методом устранения отказа, является ремонт на месте возникновении неполадки. Разборка установки и её перемещение в ремонтной мастерской связано с дополнительными затратами времени и материальных ресурсов. Значительная часть отказов, в том числе и нарушение герметичности в первом контуре солнечных водонагревателей может быть устранен на месте без их разборки. Для устранения таких отказов как появление микротрещин в системе трубопроводов, по которым циркулирует теплоноситель-антифриз необходимы специальные технологии и средства, которые позволяют без специального оборудования выявлять и предотвращать аварийную течь. Аварийная течь антифриза в змеевике и трубопроводах в солнечных водонагревательных установках часто происходит при их эксплуатации. Чтобы снизить риск этого отказа разработана новая конструкция СВНУ. В виду того что в известных солнечных коллекторах возможны высокие температуры, трубопроводы теплоносительной системы делают из медных труб, и они соединяются между собой твердой пайкой. Эти материалы склонны к появлению микротрещин от высоких температур. Теплообменники обычно бывают встроенные в баки-аккумуляторы и имеют змеевиковую форму. Исходя из разнообразия климатических условий в разных территориальных районах Азербайджана, имеется риск влияния на работу СВНУ при низких отрицательных и высоких положительных температур. В результате этих возмущающих факторов возникают трещины в медных трубах.

Постановка задачи и теплоноситель. В основу настоящей работы, представленной на конференции поставлена техническая задача - создание СВНУ, позволяющей предотвратить аварийной течи антифриза без разборки устройства и обеспечить безопасность и эффективность эксплуатации.

Способ герметизации [1] микротечей в теплоносительной системе заключается в химической обработка места течи медных трубопроводов, работающих под давлением. В технологии теплоносительных систем герметизации используется герметик, который оправдал свою надежность на практике [2]. В случае появления утечки теплоносителя из-за неисправностей, специально разработанным устройством герметик смешивается с антифризом и при циркуляции данная добавка быстро устраняет утечку и этим защищает воду бойлера от возможного попадания в нее антифриза.

В качестве теплоносительной жидкости для системы нагревания воды в СВНУ применяют антифриз. Он обладает высокой теплоёмкостью, теплопроводимостью обеспечивающий хороший отвод и передачу тепла, имеет антикоррозионную присадку. Антифриз низкозамерзающая жидкость, которая содержит 50-65% этиленгликоля. Этиленгликолевая жидкость имеет коэффициент объемного расширения больше, чем вода поэтому ее заливают в количества 92-95% объема теплоносительной системы СВНУ. Зная эту характеристику антифриза можно решить вопросы вливания в него герметика для создания условий устранение трещин в медных трубопроводах. Для обоснования потребности в безопасной эксплуатации СВНУ рассмотрим еще некоторые особенности антифриза. Этиленгликоль ядовит, поэтому ядовиты и низкозамерзающие жидкости (этиленгликолевая). Даже небольшое количество жидкости, случайно попавший внутрь организма, может вызвать тяжёлое отравление. В организме антифриз быстро всасывается, вызывая внешние признаки, напоминающие опьянение. Прямую угрозу для жизни представляет и небольшая доза антифриза. При благоприятном исходе возникают тяжелые поражения почек и нервной системы. Для кожи этиленгликолевая жидкость безвредно.

У активных СВНУ всех типов, за исключением воздушных, применяется жидкостная система подогрева воды. Эффективность, надёжность и долговечность работ системы подогрева зависит от качества нагревания подогревающий жидкости-теплоносителя В частности от ее качества зависят надёжность работы системы подогревания при низких и высоких температурах окружающего воздуха, интенсивность отложений в теплоносительной системе, периодичность и объем работ, выполняемых при техническом обслуживании и ремонте солнечных водонагревателей. Чтобы теплонасительная жидкость для системы нагревания СВНУ полностью соответствовала своему назначению, она должна отвечать следующим требованиям:

• Быть дешёвой и недефицитной.
• Обладать высокой теплоёмкостью, теплопроводимостью и определённой вязкостью.
• Иметь высокую температуру кипения и низкую температуру замерзания.
• Не образовывать отложений на омываемых стенках и не загрязнять систему подогрева и охлаждения.

• Не вызывать коррозию и не разрушать резиновые детали.
• Иметь хорошие химическую и физическую стабильность.
• Не вызывать поломок деталей системы отопления при застывании, незначительно изменять объем при нагревании.
• Не обладать высокой токсичностью и не повышать пожарную опасность.

Выбор теплоносителя осуществляется по их теплофизическим свойствам. Несмотря на то, что имеются нетоксичные теплоносители пропиленгликолевой основы, они по основным параметрам уступают антифризу. Поэтому в технике массовом порядке используют антифриз.

Новая разработка. В связи с расширением масштабов строительства индивидуальных односемейных здании появилось большое количество разновидностей СВНУ. Они устроены в основном на одинаковом принципе. Для решения и осуществления постановленной технической задачи принята общеизвестная конструкция [3] двухконтурной СВНУ. Принципиальная схема этой базовой установки, с учётом добавления в него новых элементов с системой снижения технологических рисков и обеспечения безопасности СВНУ предложенной нами приведена на проиллюстрированном Рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема усовершенственной СВНУ

Порядок работы устройство. Коллекторный контур системы замкнут и заполняется незамерзающим теплоносителем. Обычно коллекторы устанавливаются на крышах здания. На выходе из солнечного коллектора (СК) устанавливается автоматический клапан воздухотводчик. Нагретый в СК теплоноситель проходит по трубопроводу и поступает в нижний теплообменник бака-аккумулятора (БА) где передает тепло воде бака, при этом сам охлаждается. После выхода из бака охлажденный теплоноситель по трубопроводу поступает через насос в нижнюю часть СК. Верхний теплообменник БА подключен к отопительному котлу, который используется как резервный источник нагревания воды при появлении потребности. С помощью отдельного насоса осуществляется циркуляция горячей воды из котла для нагревания БА. С целью постоянного обеспечения горячей водой, мест их отбора, в систему включена циркуляционная магистраль со своим насосом. Фактически БА, и система в целом всегда находится под давлением теплоносителя. Включение циркуляционного насоса коллекторного контура производится блоком управления, который по своей функции является дифференциальным реле, сравнивающим показание двух датчиков: датчика температуры установленного на выходе теплоносителя из СК, и датчика, установленного входе теплоносителя БА. Место установки второго датчика необходимо выбрать с учетом того, что оно влияет на параметры работы регулятора, определяющие теплопроизводительность системы и ее безопасность.

Передача тепла теплоносителя в бак происходит в случае если его температура на выходе из СК выше, чем температура воды в баке. Этот процесс осуществляется с помощью включения циркуляционного насоса. Такой процесс нагревание воды в БК имеет риск аварийных отклонений в теплоносительном кругообороте. Для исключения попадания антифриза в емкость бойлера предусмотрен узел предотвращения течи из медных труб теплоносителя, поплавковая камера которая сообщается с атмосферой и содержит поплавок с игольчатом клапаном и распылителем. Они функционально соединены с расширительным бачком. При появлении аварийной течи в первом контуре, происходит снижение давления. При этом герметик поступающий в поплавковую камеру через распределитель смешивается с антифризом и закрывает трещину в змеевике медного трубопровода. Своевременная подача герметика в циркуляционную систему теплоносителя осуществляется автоматически, специальным узлом функционально включенным в первый контур СВНУ.

Так как расширительный бачок является одним из составных основных элементов разработанного предложения приведём обобщённую информацию о его назначении и работе, которая хорошо отражена в работе [4] с приведенным рисунком 2 

Рисунок 2. Схема работы расширительного бачка [4]

Конструктивно расширительный мембранный бак представляет собой большой сосуд, разделённый внутри резиновой мембраной. Сосуд покрыт изнутри порошковый эмалью в одной половине сосуда находится штуцер с резьбой для подключения к системе отопления, вторая половина сосуда-газовая полость, которые имеют штуцер с ниппелем для закачки воздуха обычным автомобильным насосом. Производится расширительный мембранные баки уже заполненных давлением азотом. Азот как инертный газ уменьшает коррозию металла. Давление газовой полости является исходным для дальнейшей настройки его под систему нагревание воды. Крышка расширительного бачка — это элемент, который имеет в своей конструкции клапаны высокого и низкого давления. Крышка бачка фактически регулирует давление в закрытой системе. При нагревании антифриз расширяется, растет давление. По установленным нормам, давление не должно быть выше 1.5 бара. Повышение давления несет серьезные риски. Естественно, его надо «стравить», иначе теплоноситель начнет попросту выдавливать трубы и может его разорвать и.т.п. Поэтому в крышке стоит клапан для сброса давления. Понижение давления также опасно для системы. Если просто антифриз охлаждается, объём его уменьшается по мере остывания. В процессе понижения температуры и уменьшения в объеме давление также снижается, так как теплоносительная система закрыта и не сообщается с атмосферой, при этом начинает образовываться вакуум. В этом случае трубки сжимаются вовнутрь. Это также приведет к поломкам, если давление не выровнять до атмосферного. Клапан в крышке расширительного бачка сбрасывает высокое давление при нагреве, а также выравнивает давление при остывании антифриза. Это позволяет сохранить все элементы системы в целостности, избежать разрыва труб или образования трещин. Таким образом крышка расширительного бачка имеет два клапана: предохранительный для сброса давления и вакуумный клапан для выравнивания давления в случае его понижения. тогда, когда давление в системе в норме оба клапана закрыты. Предохранительный клапан крышки расширительного бачка служит для стравливания давления от высоких нагреваний, а вакуумный чтобы его нормализовать до нормального от низких значений давления. В большинстве случаев снижение давления происходит из-за появлений течи антифриза через трещин змеевика БА. По описанной технологии, посредством подачи герметика в нужное время осуществляется закрытие трещины.

Заключение. 1. Опыт применения СВНУ показывает, что солнечные системы теплоснабжения могут быть безопасными, эффективными и надежными для обеспечения горячего водоснабжения индивидуальных жилых зданий тогда, когда они будут иметь автоматизированную систему предотвращения аварийных отклонений в теплоносительной системе.

2. Для снижения технологических рисков и обеспечения безопасности СВНУ разработанный новый способ и совершенствованная конструкция, предназначенная для герметизации трещин труб теплоносительной системы,  имеющее особое значение в условиях растущих потребностей на эти установки, позволяющие защитить потребителей с помощью исключения попадания ядовитого антифриза в питьевую воду бойлера.

Список литературы:

1. Гофман В.Р., Мухортов И.В., Миловидова Т.Б., Нагорнов В.П., Аверкиев Л.А., Копылов А.А. Способ герметизации микротечей в металлических изделиях. // Патент России № C09K3/12. https://findpatent.ru/patent/182/1823479.html (дата обращения 21.06.2022)
2. Никишина О.С. Разработка метода герметизации радиаторов клеевым составом на предприятиях бытового обслуживания. Автореферат дис.  канд. техн. наук., Российский государственный университет туризма и сервиса, 2012. Москва. -24с.   
3. Солнечные системы теплоснабжения https://andi-grupp.ru/informatsiya/stati/solnechnye-sistemy-teplosnabzheniya (дата обращения 21.07.2022 )
4. Установка расширительного бака в системе отопления открытого и закрытого типа https://buildip.ru/ustanovka-rasshiritelnogo-baka-v-sisteme-otopleniya.html (дата обращения 18.08.2022 )