Colector solar de tubos de vacío en forma de U: una solución eficiente para agua caliente con ingeniería de soporte de presión

En el campo del aprovechamiento térmico de la energía solar, la tecnología de tubos de vacío se distingue por su excelente rendimiento térmico y su amplia aplicación. Entre ellos, el colector solar de tubos de vacío en U, un producto de alta gama dentro de la familia de tubos de vacío, combina a la perfección las ventajas de la eficiente captación de calor de los tubos de vacío y el funcionamiento a presión de los sistemas de placa plana, convirtiéndose en una opción clave para proyectos de agua caliente solar de tamaño grande y mediano. Este artículo profundizará en el principio, las características y el valor de las aplicaciones de ingeniería de esta tecnología.

 

I. Principio de funcionamiento y estructura del sistema

El colector de tubos de vacío en forma de U adopta un diseño único de tubo metálico en forma de U. Su estructura principal incluye:

 

Conjunto de tubo de vacío 

1. Tubo exterior: Tubo de vidrio de borosilicato de alta calidad, que garantiza una alta transmitancia de luz (≥91%) 

2. Tubo interior: También fabricado en vidrio, con un revestimiento de absorción selectiva (α≥0,93) recubierto en la superficie 

3. Capa de vacío: El grado de vacío entre los tubos interior y exterior alcanza 10⁻³Pa, suprimiendo eficazmente la pérdida de calor por convección y conducción. 

Tubos intercambiadores de calor metálicos en forma de U 

1. Se dobla un tubo de cobre violeta en forma de U y se pasa a través del interior del tubo de vacío. 

2. La superficie ha sido sometida a un tratamiento antioxidante para garantizar la estabilidad térmica a largo plazo. 

3. Medio de trabajo anticongelante de circulación interna (solución de propilenglicol, etc.) 

Sistema colector 

1. Múltiples tubos de vacío en forma de U se conectan en paralelo para formar un conjunto de colectores. 

2. Conecte cada tubo en forma de U a través del cabezal para formar un circuito de circulación completo. 

3. Equipado con soportes de perfil de aluminio para garantizar la estabilidad estructural.

 

Proceso de trabajo:La luz del sol → penetra en el tubo de vidrio exterior → es capturada por el revestimiento de absorción → la energía térmica → se transfiere a las aletas del tubo en forma de U a través de la radiación → se conduce al medio de trabajo dentro del tubo en forma de U → el medio de trabajo calentado se transporta al intercambiador de calor del tanque de agua mediante la bomba de circulación.

 

ii. Cinco ventajas fundamentales

1. Capacidad de operación que soporta presión 

El diseño del canal de flujo totalmente metálico permite que la presión de trabajo alcance entre 0,6 y 1,0 MPa. 

Se puede conectar directamente a la red de suministro de agua del edificio y la presión de salida de agua es estable. 

Admite el suministro simultáneo de agua en múltiples puntos para satisfacer los requisitos de las aplicaciones de ingeniería. 

2. Rendimiento de recolección de calor de alta eficiencia.

El aislamiento al vacío garantiza una pérdida mínima de calor y una curva de eficiencia de recolección de calor plana. 

Aún puede mantener un buen rendimiento incluso en entornos con poca luz solar y baja temperatura. 

La eficiencia en invierno es significativamente mayor que la de los colectores planos.

3. Excelente capacidad anticongelante 

El tubo de vacío en sí no retiene agua, lo que elimina por completo el riesgo de congelación.

El punto de congelación del medio de trabajo anticongelante puede ser tan bajo como -35 ℃

Es especialmente adecuado para su uso en regiones frías.

4. Diseño modular

Cada tubería funciona de forma independiente y las fallas locales no afectan el funcionamiento del sistema.

Admite reemplazo en caliente, lo que hace que el mantenimiento sea simple y conveniente.

El área de recolección de calor se puede ampliar de forma flexible según la demanda.

5. Resistencia a la luz solar directa

Los tubos de vacío tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y pueden soportar la exposición a la luz solar por encima de 400 ℃.

No existe riesgo de rotura de tuberías y es altamente seguro y confiable.

iii. Parámetros técnicos e indicadores de rendimiento

Parámetros de rendimiento típicos (tubo único ∅58×1800 mm):

Área de recepción de luz: 0,12 m² por pieza

Capacidad del medio de trabajo: 0,15-0,2 L por tubo

Temperatura de funcionamiento: -30℃ a 150℃

Eficiencia instantánea: η=0,75-0,05×(Δt/G) (Δt es la diferencia de temperatura, G es la irradiancia)

Coeficiente de pérdida de calor: ≤1,5 ​​W/m²K

Sugerencias de configuración del sistema

La capacidad del tanque de agua debe ser de 60 a 80 litros por metro cuadrado de área de recolección de calor.

La concentración del medio de trabajo anticongelante se determina en función de la temperatura ambiente mínima local.

La altura de la bomba de circulación debe tener en cuenta la resistencia del sistema y la diferencia de elevación.

 

Iv. Soluciones de aplicación de ingeniería

1. Proyectos de agua caliente de tamaño grande y mediano

Sistema de hoteles y casas de huéspedes: área de recolección de calor de 200 a 500 metros cuadrados, equipada con tanques de agua aislados de 30 a 100 toneladas

Sistema de hospital escolar: adopta una estrategia de suministro de agua temporizado y control de temperatura constante.

Sistema de piscina: Mantiene la temperatura del agua a 26-28 ℃, reduciendo significativamente los costos operativos.

2. Sistema de integración de calefacción

Combinado con el sistema de calefacción por suelo radiante, proporciona calefacción básica en invierno.

Está equipado con una fuente de calor auxiliar para garantizar un calentamiento estable en condiciones climáticas extremas.

Dar prioridad al suministro de agua caliente sanitaria y utilizar el calor residual para calefacción.

3. Aplicaciones de precalentamiento industrial

Proporciona precalentamiento para industrias que requieren calor de proceso a 40-80 ℃

Galvanoplastia, procesamiento de alimentos, impresión y teñido de textiles y otros campos.

El período de recuperación de la inversión suele ser de 2 a 4 años.

4. Sistema de secado agrícola

Secado de cultivos, secado de material medicinal chino, etc.

Proporcionar aire caliente estable para mejorar la calidad del secado.

Reducir el consumo de combustibles tradicionales y bajar los costos de producción

V. Puntos clave del diseño del sistema

1. Optimizar el diseño del ángulo de inclinación

Realizar ajustes según la latitud local

Énfasis en el uso invernal: Latitud +10°-15°

Uso durante todo el año: igual a la latitud local

Énfasis en el uso en verano: latitud -10°-15°

2. Protección contra sobrecalentamiento

Establezca el límite superior del ciclo de diferencia de temperatura (normalmente ≤90 ℃)

Adoptar medidas de emergencia como radiadores o refrigeración por agua subterránea

Considere esquemas de oclusión estacional

3. Diseño anticavitación

Asegúrese de que haya un dispositivo de escape instalado en el punto más alto del sistema.

El diseño de la tubería evita la formación de bolsas de aire.

Se adopta una válvula de escape automática.

4. Medidas antical

Preparar el medio de trabajo con agua ablandada.

Monitorizar periódicamente los cambios en el valor del pH

Considere agregar inhibidores de corrosión

Vi. Guía de instalación y mantenimiento

Especificaciones de instalación

La distancia entre las tuberías no debe ser inferior a 0,8 metros para garantizar que los asientos traseros no queden bloqueados por los asientos delanteros.

La capacidad de carga de la cimentación es ≥30 kg/m²

Evite instalar en el área de salida de aire.

Requisitos de mantenimiento

Compruebe la concentración del medio de trabajo y el valor del pH cada año.

Limpie la superficie del tubo de vacío cada trimestre.

Compruebe el estado de funcionamiento de la bomba de circulación cada mes

Manejo de fallas comunes

Disminución de la eficiencia: Verifique el grado de vacío del tubo de vacío y reemplace el tubo defectuoso

Fuga: Localice la parte envejecida del anillo de sellado y reemplace el componente de sellado

Mala circulación: Expulsar el gas y comprobar el funcionamiento de la bomba.

 

Vii. Análisis económico

Composición de la inversión (tomando como ejemplo un proyecto de 1000m²):

Sistema colector: 45%-50%

Sistema de almacenamiento de calor: 25%-30%

Sistema de control: 10%-15%

Proyecto de instalación: 10%-15%

Análisis de ganancias

Ahorro energético anual por metro cuadrado de colector: 350-550kWh

 Periodo de recuperación: 3 a 6 años (dependiendo de los precios de la energía local)

Rentabilidad a lo largo de la vida: 3 a 8 veces la inversión inicial

Viii. Comparación con los colectores de tubos de vacío tradicionales

El colector de tubo en U presenta tubos de vacío tradicionales totalmente de vidrio. 

Capacidad de soportar presión: Funcionamiento con presión (0,6-1,0 MPa), sin presión 

Excelente rendimiento anticongelante (circulación del medio de trabajo) y bueno (el agua en la tubería puede congelarse). 

La tubería de mantenimiento de una sola rama se puede reemplazar si se requiere drenaje. 

Es muy eficiente y estable, pero se ve afectado por la calidad del agua. 

El costo es relativamente alto o bajo 

Es adecuado para proyectos domésticos de mediana y gran escala, así como para proyectos de pequeña escala.

 

Conclusión 

El colector solar de tubo de vacío en U, gracias a su innovador diseño estructural, ha superado con éxito las limitaciones de los colectores solares tradicionales en cuanto a funcionamiento bajo presión, mantenimiento del sistema y aplicabilidad de ingeniería, convirtiéndose en la solución preferida para proyectos de agua caliente solar de tamaño grande y mediano. Su excelente rendimiento térmico, sus características operativas fiables y su buena escalabilidad le confieren importantes ventajas en lugares con demanda de agua caliente, como hoteles, escuelas y fábricas.

Con el continuo desarrollo de la tecnología de aprovechamiento solar térmico y la acumulación de experiencia en ingeniería, los colectores de tubos de vacío tipo U seguirán desempeñando un papel fundamental en la transición energética, ofreciendo una vía técnica fiable para reducir el consumo de energía fósil y las emisiones de carbono. Elegir un sistema de tubos en U no se trata solo de seleccionar un dispositivo de agua caliente, sino también de invertir en un futuro energético fiable, eficiente y sostenible.