Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение исследований в обоснование технических решений для производства высокоэффективных солнечных водонагревательных установок из современных композиционных материалов

Номер контракта: 14.607.21.0036

Руководитель: Фрид Семен Ефимович

Должность: зав. лаб.

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
солнечная водонагревательная установка, емкостный солнечной коллектор, интегрированная солнечная водонагревательная установка, солнечная водонагревательная установка аккумуляционного типа, композиционные материалы, селективное покрытие, гибридный солнечный водонагреватель

Цель проекта:
Основная задача, на решение которой направлен реализуемый проект - расширение гелиотехнического рынка России за счет организации массового производства солнечных водонагревательных установок (СВУ) минимальной стоимости, имеющих приемлемые теплотехнические параметры. Целями проекта являются разработка и оптимизация конструкции СВУ из полимерных композиционных материалов, выработка и обоснование технических решений для обеспечения подготовки организации серийного производства таких установок.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта ожидается разработка, изготовление и испытания экспериментальных образцов солнечных водонагревательных установок аккумуляционного типа, изготовленных из полимерных и композиционных материалов с использованием новых технических решений, что должно обеспечить их высокую конкурентоспособность на российском рынке по отношению к активно продвигаемым на него образцам зарубежного оборудования. На основе разработки возможно создание современного высокотехнологичного и высокорентабельного производства СВУ для применения в жилищно-коммунальном хозяйстве страны с объемом выпуска до 10000 установок в год. Конкурентными преимуществами разрабатываемых СВУ будут сниженная сухая масса и меньшая стоимость (в 2…2,5 раза по сравнению со средней стоимостью традиционных СВУ) при сохранении высоких показателей теплотехнического совершенства.
В ходе выполнения проекта:
– разрабатываются математические модели (численные и упрощенные) СВУ аккумуляционного типа, методики моделирования их работы и оптимизации их параметров;
– оптимизируется конструкция, изучаются характеристики и определяются рациональные режимы эксплуатации СВУ аккумуляционного типа;
– выполняется сравнительный расчётный и экспериментальный анализ эффективности селективных покрытий в аккумуляционной СВУ;
– разрабатывается высокотеплопроводный композиционный материал и поглощающая панель с селективным покрытием и коррозионно-стойким слоем высокотеплопроводного композита.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом являются экспериментальные образцы СВУ, изготовленные на основе пригодных для серийного производства технических решений. 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 отличие от наиболее распространённых в настоящее время, установка выполняется по аккумуляционной схеме, в которой функции солнечного коллектора и бака-аккумулятора совмещены в едином устройстве. Использование полимерных и композиционных материалов позволяет упростить конструкцию установки и снизить её стоимость путём замены сварки, пайки, механообработки и сборки сложной конструкции формованием крупных деталей из полимерного композита и их склейкой. В результате установка состоит всего из трёх деталей (остекления, поглощающей панели и совмещённого с тыльной стенкой бака СВУ несущего корпуса, которые склеиваются при сборке, и тыльной теплоизоляции из вспениваемого материала. Отказ в конструкции от отдельного несущего корпуса СВУ и изготовление уста-новки всего из трёх основных деталей позволяет снизить себестоимость продукции благодаря повышению технологичности производства и сокращению числа операций. В мировой практике такие конструкции не встречаются, применение полимерных материалов ограничивается в основном термопластичными материалами.
В проекте решаются задачи обеспечения высокой эффективности СВУ, её прочности и гидролитической стойкости. Срок службы корпуса разрабатываемой установки, поглощающей панели и клеевых соединений составит не менее 7 лет, а себестоимость – 70...90 долларов за 1 м2 приёмной поверхности при объёме производства не менее 5 тыс. шт. в год.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая СВУ является индивидуальной установкой и предназначена для снабжения горячей водой летних дач, коттеджей, гаражей, временных построек, строящихся объектов, бытовок, предприятий общественного питания, полевых объектов ВПК. Установка масштабируется (несколько СВУ могут работать совместно), укрупненная установка может снабжать горячей водой туристические и курортные объекты, фермы, а также промышленные объекты, офисные помещения, детские сады и лечебные учреждения. Прежде всего, это объекты с отсутствием горячей воды, сети горячего водоснабжения с регулярными перебоями, объекты с повышенным потреблением горячей санитарной воды (детские учреждения, больницы, объекты соцкультбыта) или с повышенным сезонным потреблением горячей воды
(рекреационные зоны). Использование солнечных водонагревателей позволяет повысить энергоэффективность горячего водоснабжения, осуществить децентрализованную выработку тепла в труднодоступных местах, улучшить экологическую ситуацию в регионе и снизить расходы на производство тепла.
Дальнейшим 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 70…90 долларов за кв. м.

Текущие результаты проекта:
Подготовлен аналитический обзор современного состояния исследований и разработок в области создания СВУ аккумуляционного типа, анализ состояния разработок установок из полимерных и композиционных материалов. В традиционных СВУ полимерные материалы чаще всего используются в качестве тыльной теплоизоляции и остекления (7…12%) и элементов корпуса (2…3%). Создание полностью полимерных остеклённых солнечных коллекторов и СВУ сопряжено с поиском недорогих материалов, способных работать в аварийных режимах при температурах до 180°С и отработкой решений и методов аварийной тепловой защиты поглощающих панелей. Проанализировано состояние исследований гидродинамических процессов и теплообмена в баках СВУ. Баки-аккумуляторы чаще всего моделируются с применением зонной модели с небольшим числом зон. При численном моделировании, как правило, рассматривается лишь короткое (не более суток) время работы установки. СВУ обычно рассматривается как работающая без нагрузки. Это не позволяет оценить её производительность и провести оптимизацию её параметров. Выполнен анализ технологий изготовления высокотеплопроводных композиционных материалов. Известно множество методов создания высокотеплопроводных полимерных композитов с широким диапазоном значений коэффициента теплопроводности, в том числе превышающим его значение для меди. Вид полимерного материала, используемого в качестве матрицы, и способы получения композита и введения в него наполнителя существенного влияния на теплопроводность композита не оказывают. 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 и расчетная схема бака СВУ аккумуляционного типа для моделирования в пакете численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена ANES. Подтверждена применимость к СВУ аккумуляционного типа зонной модели, на её основе разработана упрощенная математическая модель. Выполнен расчет по оптимизации формы СВУ и толщины теплоизоляции корпуса установки. Оптимальное соотношение суточной нагрузки и площади СВУ –125…135 л/м2. При нагрузках, близких к оптимальным, ёмкость бака-аккумулятора, график нагрузки и форма бака на производительность СВУ влияют слабо. Для тыльной и боковых стенок достаточно слоя теплоизоляции из толщиной 40 мм. Дополнительно теплоизолировать верхнюю часть лицевой поверхности установки не целесообразно.
Разработана ЭКД на макеты СВУ аккумуляционного типа для лабораторных исследований гидродинамических процессов и теплообмена в баке СВУ и натурных исследований эффективности применения селективных покрытий на композитной поглощающей панели, а также на приспособления для изготовления макетов. Приспособления изготовлены, с их помощью изготовлен макет СВУ для лабораторных исследований, на котором выполнено исследование гидродинамических процессов и теплообмена в баке-аккумуляторе, показавшее хорошее согласие результатов численного моделирования и экспериментальных данных.
Проведено исследование по выбору оптимальных конструкционных материалов, адгезивов и оборудования для изготовления высокотеплопроводного полимерного композиционного материала поглощающей панели СВУ. Проведен сравнительный анализ традиционных материалов, пластиков со свойствами современных композитов. Показано, что за счет интеграции, сокращения количества деталей и технологических операций, возможно радикальное снижение цены на СВУ. Проведено исследование по выбору оптимальных селективных покрытий для нанесения на панель. Закуплены образцы покрытий для проведения сравнительных испытаний. Предложены технические решения по нанесению селективного покрытия на композитную поглощающую панель СВУ. Изготовлены два макета СВУ для исследования эффективности селективных покрытий на поглощающей панели из композиционного материала, проведены сравнительные испытания. Показано, что заметных преимуществ использование фольги с селективным покрытием по сравнению с селективными красками не даёт
Обоснован выбор композиционных материалов поглощающей панели и корпуса СВУ и способов обеспечения необходимого ресурса работы и гидролитической стойкости внутренних поверхностей корпуса и поглощающей панели. Проведен расчет прочности поглощающей панели, корпуса СВУ и клеевых соединений. Оптимальным по прочности является сужающийся книзу бак клиновидной (~4°) формы, разделённый на 7 секций. Использование плоской поглощающей панели в СВУ практически не возможно. Низкая прочность СВУ такой панели подтверждена экспериментально. Предложены технические решения по изготовлению поглощающей панели СВУ из полимерных композиционных материалов, обоснован выбор материала корпуса СВУ.
Разработана ЭКД на пресс-форму для изготовления корпуса экспериментального образца СВУ, приспособление для нанесения теплоизоляционного покрытия на корпус и кондукторы для сборки экспериментального образца СВУ.
Изготовлены образцы высокотеплопроводного полимерного композиционного материала поглощающей панели. Проведено исследование теплотехнических характеристик изготовленных образцов.
Разработана программа и методика испытаний СВУ на механическую и термическую прочность и натурных теплотехнических испытаний СВУ