Регистрация / Вход
Прислать материал

Обоснование технических решений для производства высокоэффективных солнечных водонагревательных установок из современных композиционных материалов

Докладчик: Фрид Семен Ефимович

Должность: зав. лаб.

Цель проекта:
Подготовка к организации серийного производства солнечных водонагревательных установок, обеспечивающего выпуск качественно новой импортозамещающей научно-технической продукции с высоким экспортным потенциалом, основанной на инновационных технологиях использования композиционных материалов. Задачами ПНИ, направленными на достижение поставленной цели, являются: моделирование солнечной водонагревательной установки и оптимизация ее формы с целью улучшения теплотехнических характеристик; оптимизация конструкции СВУ по критериям удельной материалоёмкости и стоимости; анализ и разработка технических решений изготовления высокотеплопроводного композиционного материала поглощающей панели; разработка технических решений формования поглощающей панели; разработка и отработка технических решений для изготовления корпуса СВУ из композиционных материалов; разработка технических решений для обеспечения высокого ресурса конструкционных материалов и клеевых соединений; создание оснастки для отладки технологии изготовления СВУ; разработка гидравлических схем подключения СВУ; изготовление и экспериментальное исследование экспериментальных образцов СВУ.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом заявляемого проекта является изготовление экспериментальных образцов СВУ на основе пригодных для серийного производства технических решений и использования композиционных материалов. Созданная СВУ должна вырабатывать в климатических условиях средней полосы России в теплый период года 50…150 л воды питьевого качества в сутки с температурой не ниже 40°С, обеспечивая при этом существенный выигрыш по стоимости и материалоёмкости по сравнению с установками из традиционных материалов. В целом проект должен сформировать научно-технический задел для освоения серийного производства данной импортозамещающей продукции с высоким экспортным потенциалом.
В результате выполнения проекта предполагается также:
– разработка математических моделей (численных и упрощенных) СВУ аккумуляционного типа, методики имитационного моделирования их работы и оптимизации их параметров;
– оптимизация конструкции, изучение характеристик и определение рациональных режимов эксплуатации СВУ аккумуляционного типа;
– выполнение сравнительного расчётного и экспериментального анализа эффективности селективных покрытий в аккумуляционной СВУ;
– создание высокотеплопроводного композиционного материала с коэффициентом теплопроводности не ниже 1 Вт/мК.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результатом реализации проекта будет являться вывод на рынок новой научно-технической продукции, базирующейся на разработанных технологиях мирового уровня, освоение современного высокотехнологичного и высокорентабельного производства солнечных водонагревательных установок объемом 5000 штук в год в первые два года выпуска и более 10000 штук в последующие годы на производственной базе индустриального партнера. Последующий объем выпуска может быть увеличен за счет передачи технологии заинтересованным предприятиям и организации у них аналогичного производства. Долгосрочной перспективой от реализации проекта будет выход на внешний рынок, а также прогрессивные структурные сдвиги и создание новых рабочих мест в области ВИЭ.
Таким образом, на отечественном гелиотехническом рынке будет сформирована и освоена новая рыночная ниша индивидуальных высокоэффективных СВУ из теплостойких полимерных композитов с улучшенными эксплуатационными свойствами (срок службы 20…25 лет) и себестоимости продукции на уровне не более 50% от себестоимости аналогов, т.е. не более 100…140 евро за кв. м.

Текущие результаты проекта:
Подготовлен аналитический обзор современного состояния исследований и разработок в области создания солнечных водонагревательных установок (СВУ) аккумуляционного типа. Выполнен анализ состояния исследований гидродинамических процессов и теплообмена в баках СВУ. В связи с относительной распространенностью программных комплексов для численного моделирования гидродинамических процессов в баках различной формы в последнее время появился ряд работ по численному моделированию баков-аккумуляторов СВУ, в том числе и СВУ аккумуляционного типа. Из-за большого времени моделирования, сравнимого с продолжительностью реального процесса, авторы исследований, как правило, рассматривают лишь короткое (не более суток) время работы установки. При этом, моделируемая СВУ обычно рассматривается как работающая без нагрузки. Это не позволяет оценить производительность солнечного водонагревателя и, тем более, провести оптимизацию его параметров.
Выполнен анализ состояния разработок СВУ из полимерных и композиционных материалов в России и за рубежом. В традиционных солнечных водонагревательных установках на базе плоских солнечных коллекторов полимерные материалы наиболее часто используются в качестве тыльной теплоизоляции, прозрачной теплоизоляции лицевой поверхности солнечного коллектора, элементов корпуса. Доля полимерных материалов в солнечном коллекторе не велика и составляет от 2…3% для корпусов до 7…12% для прозрачной теплоизоляции и теплоизоляции тыльной. В СВУ аккумуляционного типа полимерные материалы применяются в корпусах, прозрачной теплоизоляции, конструкции баков. Встречаются теплообменные аппараты из полимерных материалов, декларируется непрерывное увеличение доли полимерных материалов в элементах гидравлической схемы СВУ. Мировая доля СВУ различных типов, изготовленных полностью из полимерных материалов в 2008 году составляла 12,4% преимущественно за счет низкотемпературных неостекленных установок. Создание полностью полимерных плоских солнечных коллекторов с прозрачной теплоизоляцией сопряжено с решением двух задач: отработки решений и методов аварийной тепловой защиты поглощающих панелей и поиска новых полимерных и композиционных материалов, способных работать в аварийных режимах при температурах до 180°С.
Выполнен анализ технологий изготовления высокотеплопроводных композиционных материалов. Показано, что создание полимерного композита с коэффициентом теплопроводности 1Вт/мК и более принципиально возможно.
Проведено патентное исследование. Основные подходы к конструкциям солнечных водонагревательных установок аккумуляционного типа сформулированы еще в патентах США конца XIX – начала XX века. Наиболее часто встречающимся в патентной документации способом использования солнечной энергии для нагрева воды с последующей организацией хранения являются применение бочек или прямоугольных баков, упакованных в ящики с прозрачным ограждением и теплоизоляцией. Используются и наборные баки, собранные из нескольких соединенных между собой труб. Реже встречаются конструкции с концентраторами энергии и ограждениями для уменьшения потерь в ночное время, а также мобильные водонагреватели.
Разработана принципиальная схема СВУ аккумуляционного типа. Установка представляет собой секционированную конструкцию, выполненную на основе несущего корпуса из SMC-композита, с нанесенной на тыльную сторону теплоизоляцией, поглощающей панели, прикрепляемой к корпусу клеевым соединением, и остекления – прозрачной теплоизоляции из тонкого листа поликарбоната, соединенного с корпусом также клеевым соединением.
Разработана двумерная расчетная схема численной модели бака СВУ аккумуляционного типа для моделирования в пакете численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена ANES, выполнены расчеты по оптимизации соотношений площади и объёма СВУ с нагрузкой потребителя. Для выполнения расчетов по прогнозированию производительности установки в различных климатических условиях разработана упрощенная математическая модель СВУ.
Разработана эскизная конструкторская документация на макеты СВУ для исследования гидродинамических процессов и теплообмена в баке-аккумуляторе и для исследования эффективности применения селективных покрытий на поглощающей панели, а также на приспособления для изготовления макетов. Изготовлены приспособления и макет СВУ для исследования гидродинамических процессов и теплообмена в баке-аккумуляторе.
Проведено исследование по выбору оптимальных конструкционных материалов, адгезивов и оборудования для изготовления высокотеплопроводного полимерного композиционного материала поглощающей панели СВУ. Сравнивались свойств традиционных материалов, пластиков со свойствами современных композитов. Сравнительный анализ материалов проведен не только по их прочностным, жесткостным и ресурсным характеристикам, но и с точки зрения технологий их обработки. Показано, что за счет интеграции, сокращения количества деталей и технологических операций, возможно радикальное снижение цены на СВУ. Исследовались также оптимальные адгезивы для СВУ. Сравнивались эпоксидные, полиуретановые, акрилатные типы адгезивов. Получены характеристики клеев при склеивании различных пар материалов, в том числе композитов SMC. Выбор оборудования для производства высокотеплопроводного материала проводился на основе анализа литературы. Коммерчески доступных производственных линий для производства материала с подходящими свойствами в настоящее время нет.
Обоснован выбор селективных покрытий композиционной поглощающей панели СВУ, заказана тонкая фольга с селективным покрытием.
Разработаны и предложены технические решения по нанесению селективного покрытия на композитную поглощающую панель СВУ. Проведено сравнение нескольких технологий: инфузии с последующей приклейкой фольги с покрытием, напыления селективных красок, нанесения покрытия в штампе (метод IMC – in mold coating). Показано, что наиболее простым для реализации является метод напыление красок. При большом объеме производства более эффективен метод IMC, однако его внедрение сопряжено с дополнительными инвестициями в оборудование для нанесения покрытия.
Поскольку исследования носили в основном обзорно-аналитический характер, новые научные решения и охраноспособные РИД не создавались.