کاربرد استیل در ساخت آبگرمکن خورشیدی

استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی به‌دلیل دوام بالا، مقاومت در برابر خوردگی، ایمنی تماس با آب و پایداری محیطی آن رایج است. آبگرمکن‌های خورشیدی در سال‌های اخیر به‌عنوان یکی از راهکارهای اصلی برای کاهش مصرف انرژی‌های فسیلی و استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مطرح شده‌اند. این سیستم‌ها با جذب انرژی خورشید و تبدیل آن به گرما، نیاز منازل و صنایع به آب گرم را به‌صورت پایدار و اقتصادی تامین می‌کنند.

یکی از عوامل کلیدی در حفظ کیفیت و طول عمر آبگرمکن خورشیدی، جنس ورق و متریالی است که برای ساخت مخازن و اجزای اصلی آن به‌کار می‌رود. استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی موجب افزایش بازدهی، دوام و مقاومت این تجهیزات می‌شود. در ادامه این مقاله از استیل رخ درمورد این ساخت این آبگرمکن‌ها و مزایای استفاده از ورق استیل بیشتر توضیح می‌دهیم. 

مروری بر فناوری آبگرمکن خورشیدی

به‌طور کلی آبگرمکن‌های خورشیدی در دو گروه اصلی دسته‌بندی می‌شوند:

1. سیستم‌های ترموسیفون (Thermosyphon):
   در این نوع سیستم‌ها گردش آب به‌صورت طبیعی و بدون نیاز به پمپ انجام می‌شود. کلکتور در پایین و مخزن ذخیره در بالا قرار دارد تا بر اساس اختلاف چگالی آب گرم و سرد، جریان به‌صورت طبیعی برقرار گردد. این مدل به‌دلیل سادگی، هزینه کم و عدم نیاز به تجهیزات برقی، بیشترین کاربرد را در منازل دارد.
2. سیستم‌های پمپی یا فشرده (Forced Circulation):
   در این روش، یک پمپ الکتریکی آب را بین کلکتور و مخزن به گردش درمی‌آورد. این سیستم‌ها بازدهی بیشتری دارند و امکان نصب در ساختمان‌های چندطبقه یا مجتمع‌های صنعتی را دارند.

طبق گزارش (European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF، راندمان جذب انرژی در سیستم‌های پمپی حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد بالاتر از مدل‌های ترموسیفون است.

اجزای اصلی آبگرمکن خورشیدی

• کلکتور خورشیدی: وظیفه جذب انرژی خورشید و انتقال آن به آب یا سیال را دارد. کلکتور خورشیدی معمولا از ورق‌های استیل یا آلومینیوم با پوشش جاذب ساخته می‌شود.
• مخزن ذخیره آب گرم: نقش کلیدی در حفظ دمای آب دارد. استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی بیشترین کارایی و دوام را به همراه دارد.
• عایق حرارتی: برای جلوگیری از اتلاف گرما، معمولاً از عایق پلی‌اورتان یا پشم سنگ استفاده می‌شود.
• سیستم لوله‌کشی: شامل لوله‌های مسی یا استیل زنگ نزن برای انتقال حرارت با حداقل افت انرژی است.

بر اساس مطالعات Journal of Renewable Energy Systems، کیفیت متریال به‌ویژه در مخزن و کلکتور می‌تواند راندمان کلی سیستم را تا ۳۰ درصد تحت تاثیر قرار دهد.

دلایل استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی

استیل زنگ نزن به دلیل مقاومت داشتن معیارهای مقاومت به خوردگی، تغییرات دمایی و فشار داخلی، یکی از بهترین انتخاب‌ها برای ساخت مخازن و اجزای آبگرمکن خورشیدی محسوب می‌شود. برخلاف ورق‌های آهنی یا آلومینیومی که در شرایط رطوبت و دمای بالا دچار زنگ‌زدگی می‌شوند، استیل ماندگاری بسیار بالاتری دارد. استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی، علاوه بر افزایش عمر مفید، هزینه‌های تعمیر و نگهداری را نیز به حداقل می‌رساند.

طبق داده‌های ASM International، استیل‌های سری 304 و گرید 316 بیشترین کاربرد را در صنایع حرارتی و تجهیزات ذخیره‌سازی آب دارند. این گریدها به‌ویژه در برابر کلر موجود در آب شهری مقاومت بالایی نشان می‌دهند و این ویژگی آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل در تولید مخازن آبگرمکن خورشیدی تبدیل کرده است.

معیار PREN یا Pitting Resistance Equivalent Number:

معیار پیش‌بینی مقاومت در برابر خوردگی موضعی که به اختصار معیار PREN  نامیده می‌شود با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

PREN = %Cr + 3.3·%Mo + 16·%N

• گریدهایی از استیل با PREN > 32 برای محیط‌های شور و PREN > 40 برای محیط‌های دریایی توصیه می‌شود.

مزایای استفاده از استیل در ساخت آبگرمکن خورشیدی

• مقاومت در برابر خوردگی: استنلس استیل‌ 316L می‌تواند در آب با سختی بالا بیش از ۲۰ سال بدون خوردگی دوام بیاورد.
• دوام و طول عمر بالا: مخازن استیل ساخته شده با ورق استیل دمای بالا تا ۹۰ درجه سانتی گراد و ۱۰ بار فشار را تحمل می‌کنند و بیش از ۲۵ سال عمر مفید دارند، در حالی‌که مخازن معمولی ۱۰ تا   ۱۵ سال کار می‌کنند.
• بهداشت آب: استیل هیچ‌گونه طعم یا بوی نامطلوب به آب منتقل نمی‌کند و ریسک آلودگی ثانویه آب را تا ۹۰٪ کاهش می‌دهد.
• کاهش هزینه نگهداری: هزینه چرخه عمر (LCC) آبگرمکن‌های استیل حدود ۳۰٪ کمتر از نمونه‌های آهنی یا پلاستیکی است.
• سازگاری با محیط زیست: استیل قابلیت بازیافت 100 درصد دارد و بیش از ۸۵٪ استیل پس از پایان عمر بازیافت می‌شود و انتشار CO₂ را تا ۲۵٪ کاهش می‌دهد.
• راندمان بالاتر: کلکتورهای استیل براق، راندمانی ۵ تا ۸٪ بیشتر نسبت به آلومینیوم دارند.

آمارها چه می گویند؟

بر اساس گزارش (International Energy Agency (IEA تا سال ۲۰۲۳ بیش از ۴۸۰ گیگاوات‌حرارتی، ظرفیت جهانی سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی نصب شده است و پیش‌بینی می‌شود این عدد تا سال ۲۰۳۰ بیش از دو برابر شود. در این میان، استفاده از مواد مقاوم و بادوام مانند استیل زنگ نزن برای مخازن و کلکتورها به‌شدت اهمیت دارد، زیرا مستقیما بر بازدهی و طول عمر محصول تاثیر می‌گذارد.

نحوه ساخت اجزای آبگرمکن خورشیدی با استیل

ساخت اجزای مختلف آبگرمکن خورشیدی شامل مخزن ذخیره، کلکتور، لوله‌ها و پوشش‌ها نیازمند طراحی و اجرای فرآیندهای دقیق صنعتی است. برای تولید مخازن آبگرمکن خورشیدی، ورق استیل زنگ نزن با ضخامت مشخص (معمولاً بین ۱ تا ۲ میلی‌متر) توسط دستگاه‌های پرس و جوشکاری لیزری به شکل استوانه‌ای یا بیضوی فرم داده می‌شود. سپس با استفاده از روش‌های پوشش‌دهی حرارتی، مقاومت سطح داخلی و خارجی آن افزایش می‌یابد.

در مرحله ساخت کلکتورها، از ورق استیل پولیش شده استفاده می‌شود که قابلیت جذب بالای انرژی خورشیدی و انتقال آن به آب داخل لوله‌ها را دارد. 

مراحل تولید آبگرمکن خورشیدی

1. برش و شکل‌دهی: ابتدا ورق‌های استیل در ابعاد مورد نیاز برش داده می‌شوند و سپس با دستگاه‌های رول‌فرمینگ یا پرس به شکل استوانه‌ای یا قطعات منحنی در می‌آیند.
2. جوشکاری: برای اتصال قطعات به هم از روش‌های جوشکاری TIG، MIG یا لیزر استفاده می‌شود تا درزها کاملاً محکم و بدون نشتی باشند.
3. پرداخت سطحی: بعد از جوشکاری، سطح استیل با روش‌های شیمیایی مانند اسیدشویی و الکتروپولیش تمیز می‌شود تا هیچ لایه اکسیدی روی سطح باقی نماند. سپس فرآیند پسیواسیون انجام می‌شود تا یک لایه محافظ روی استیل ایجاد شود و مقاومت آن در برابر خوردگی افزایش پیدا کند.

روش تولید مخازن آبگرمکن خورشیدی

در ساخت مخزن، ابتدا درب‌های عدسی‌شکل (Dish end)، صفحه‌های داخلی برای هدایت جریان آب (Baffle) و ورودی و خروجی‌های آب (Nozzles) ساخته و به بدنه جوش داده می‌شوند. سپس، از کل مخزن تست نشتی گرفته می‌شود تا از ایمنی و آب‌بندی کامل آن اطمینان حاصل شود.

ساخت کویل یا مبدل حرارتی

داخل بسیاری از مخازن، یک کویل به شکل مبدل حرارتی از جنس استیل یا مس وجود دارد. این کویل‌ها وظیفه انتقال حرارت جذب شده از خورشید به آب داخل مخزن را دارند. از آنجا که استیل و مس ویژگی‌های متفاوتی از نظر انبساط حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی دارند، اتصال آنها باید با دقت بالا و به روش‌های کنترل‌شده انجام شود تا در طول زمان دچار شکستگی یا نشتی نشوند.

اصول استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی

• انتخاب گرید:
  • آب کم‌کلراید: 304 یا 304L.
  • آب با کلراید بالا یا خورندگی بالا: 316/316L یا گریدهای با PREN بالاتر (مانند گرید 444)؛ بر اساس راهنمای Nickel Institute.
• پارامترهای طراحی: فشار کاری، ضخامت ورق، تست هیدرواستاتیک، کنترل خوردگی تنشی (SCC)، انبساط حرارتی.
• پرداخت سطح و پسیواسیون: برای افزایش مقاومت سطحی، پس از جوشکاری، اسیدشویی و پسیواسیون انجام می‌شود.

استانداردها، کدها و گواهی‌ها

• ISO 9806: آزمون‌های عملکرد و دوام کلکتورهای خورشیدی.
• NSF/ANSI/CAN 61: استاندارد تماس با آب شرب؛ اطمینان از ایمنی بهداشتی مخازن استیل.
• ASTM A240: مشخصات ورق 304/316L برای کاربردهای تحت فشار.
• مراجع صنعتی: نظیر Nickel Institute برای راهنمای انتخاب گرید بر اساس کیفیت آب.

نگهداری، بازرسی و طول عمر آبگرمکن خورشیدی

برای افزایش طول عمر آبگرمکن خورشیدی، رعایت این نکات ضروری است:

• کنترل رسوب و کیفیت آب: اگر آب منطقه سختی بالایی داشته باشد، باید مرتباً وضعیت رسوب‌ها بررسی و تمیز شوند. در برخی سیستم‌های ترکیبی نیز از آندهای فداشونده استفاده می‌شود تا از خوردگی داخلی جلوگیری شود.
• بازرسی دوره‌ای: بایستی مخزن و لوله‌ها به صورت دوره‌ای از نظر وجود ترک، نشتی یا خوردگی بررسی شوند تا در صورت بروز مشکل، سریعاً رفع شوند و به کل سیستم آسیب نرسد.
• بررسی‌های پس از نصب: پس از نصب دستگاه، باید ضخامت ورق‌ها، آب‌بندی اتصالات و تست نشتی به‌طور دقیق کنترل شود. همچنین توصیه می‌شود حداقل یک بار در سال عملکرد کلی سیستم ارزیابی شود تا بازدهی آن ثابت بماند.

نکته پایانی کاربرد ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی

استفاده از ورق استیل در آبگرمکن خورشیدی نه‌تنها به بهبود دوام و عملکرد این سیستم‌ها کمک می‌کند، بلکه از منظر بهداشتی، زیست‌محیطی و اقتصادی نیز مزایای قابل‌توجهی دارد. استیل‌های زنگ نزن سری 304 و 316L با مقاومت بالا در برابر خوردگی، قابلیت تحمل فشار و دمای بالا و خاصیت بازیافت‌پذیری، انتخابی بهینه برای تولید مخازن آبگرمکن خورشیدی به شمار می‌روند. مطالعات نشان داده‌اند که طول عمر این مخازن بیش از ۲۵ سال است و هزینه نگهداری آن‌ها تا ۳۰٪ کمتر از مخازن معمولی می‌باشد 

علاوه بر این، سازگاری استیل با استانداردهای بهداشتی و کاهش خطر آلودگی آب، موجب افزایش اعتماد مصرف‌کنندگان شده است. از سوی دیگر، بازیافت‌پذیری بالای استیل نقش مهمی در کاهش اثرات زیست‌محیطی دارد.

در مجموع، می‌توان گفت که به کارگیری استیل در تولید آبگرمکن خورشیدی نه‌تنها از نظر فنی و اقتصادی منطقی است، بلکه در راستای اهداف توسعه پایدار و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی نیز اهمیت ویژه‌ای دارد. بنابراین انتخاب استیل برای اجزای کلیدی آبگرمکن خورشیدی، یک راهکار مطمئن برای افزایش طول عمر، راندمان و پایداری این فناوری به شمار می‌آید.

منابع 

• IEA SHC – Solar Heat Worldwide 2024/2025 Solar Heat Europe
• Nickel Institute
• RENEWABLES Global Status Report REN21
• Solar Heat Europe: SHIP Solar Heat Europe