Гелиоустановка горячего водоснабжения - RU2268444C1
Код документа: RU2268444C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую с использованием последней для коммунальных и бытовых нужд населения.
Известна из патента Российской Федерации №2045714, кл.6 F 24 J 2/42, 1992 двухконтурная гелиосистема горячего водоснабжения, содержащая циркуляционный контур теплоносителя в виде установленных последовательно коллекторного поля, нагревательного элемента емкостного теплообменника, циркуляционного насоса, и контур нагреваемой воды в виде последовательно соединенных напорного трубопровода холодной воды, межтрубного пространства скоростного теплообменника и трубопровода горячей воды, в которых трубный пучок скоростного теплообменника по ходу теплоносителя включен перед нагревательным элементом емкостного теплообменника, а полость последнего включена по ходу нагреваемой воды перед межтрубным пространством скоростного теплообменника.
Недостатками этой двухконтурной гелиосистемы горячего водоснабжения являются низкая термическая эффективность работы и использование резервного нагревателя.
Известна так же из патента Российской Федерации № 2187050, кл.7 F 24J 2/42, 2001г. система солнечного теплоснабжения, содержащая солнечные коллекторы, бак-аккумулятор с размещенным в нем теплообменником, насос для прокачки теплоносителя и соответствующие трубопроводы и приборы, причем коллекторы установлены ниже теплообменника в виде емкости с развитой наружной поверхностью, трубопроводы, соединяющие коллекторы с теплообменником и насосом, имеют запорные элементы, обеспечивающие поочередное образование контура коллекторы -теплообменник или контура насос - коллекторы - теплообменник - расширительный бак.
Недостатками этой система солнечного теплоснабжения являются ограниченная область применения, низкая экономичность и отсутствие возможности функционирования в теплое время года за счет естественной циркуляции теплоносителя при его нагреве, без использования насоса.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предложенной гелиоустановке горячего водоснабжения является известная из поданной в Федеральный институт промышленной собственности Российской Федерации заявки на изобретение № 2003100291, кл.7 F 24 J 2/42, формула изобретения которой опубликована 10.08.2004 г., гелиоустановка горячего водоснабжения, содержащая, по крайней мере, одну солнечную батарею из тепловых коллекторов в виде теплоизолированных плоских коробчатых корпусов с расположенными перпендикулярно направлению солнечной радиации верхними плоскими светопрозрачными панелями, расположенными над параллельными им поглощающими солнечную радиацию и имеющими температурные датчики мембранами-абсорберами с параллельными поперечными металлическими трубками для жидкого теплоносителя, объединенными в каждой мембране-абсорбере продольными трубчатыми коллекторами, соединенными друг с другом посредством патрубков последовательно через приводные запорные клапаны, подключенные к трубопроводу отбора нагретого жидкого теплоносителя, связанного с верхней зоной теплоаккумулирующей емкости, при этом нижняя зона упомянутой емкости связана посредством трубопровода подачи остывшего жидкого теплоносителя через циркуляционный насос с продольным трубчатым коллектором мембраны-абсорбера одного из крайних тепловых коллекторов, размещенные в верхней зоне теплоаккумулирующей емкости один над другим теплообменники системы отопления и горячего водоснабжения для бытовых нужд, подключенные соответственно к трубопроводу центрального отопления и трубопроводу подачи нагретой для бытовых нужд проточной воды, и связанное с температурными датчиками мембран-абсорберов программное электронное устройство управления тепловыми датчиками, электродвигателем циркуляционного насоса и приводами запорных клапанов.
Недостатками этой гелиоустановки горячего водоснабжения являются ее низкая эффективность вследствие малого и неравномерного съема тепловой энергии с единицы теплопоглощающей поверхности солнечных коллекторов в течение светлого периода суток и отсутствие средств, замедляющих процессы остывания жидкого теплоносителя в темный период суток в рабочей полости теплоаккумулирующей емкости.
Задачами предлагаемого изобретения является повышение эффективности процессов нагрева жидкого теплоносителя и замедление скорости его остывания в рабочей полости теплоаккумулирующей емкости.
Указанные цели достигаются тем, что гелиоустановка горячего водоснабжения, содержащая, по крайней мере, одну солнечную батарею из тепловых коллекторов в виде теплоизолированных плоских коробчатых корпусов с расположенными перпендикулярно направлению солнечной радиации верхними плоскими светопрозрачными панелями, расположенными над параллельными им поглощающими солнечную радиацию и имеющими температурные датчики мембранами-абсорберами с параллельными поперечными металлическими трубками для жидкого теплоносителя, объединенными в каждой мембране -абсорбере продольными трубчатыми коллекторами, соединенными друг с другом посредством патрубков последовательно через приводные запорные клапаны, подключенные к трубопроводу отбора нагретого жидкого теплоносителя, связанного с верхней зоной теплоаккумулирующей емкости, при этом нижняя зона упомянутой емкости связана посредством трубопровода подачи остывшего жидкого теплоносителя через циркуляционный насос с продольным трубчатым коллектором мембраны-абсорбера одного из крайних тепловых коллекторов, размещенные в верхней зоне теплоаккумулирующей емкости один над другим теплообменники системы отопления и горячего водоснабжения для бытовых нужд, подключенные соответственно к трубопроводу центрального отопления и трубопроводу подачи нагретой для бытовых нужд проточной воды, и связанное с температурными датчиками мембран-абсорберов программное электронное устройство управления тепловыми датчиками, электродвигателем циркуляционного насоса и приводами запорных клапанов, снабжена размещенными равномерно в нижней зоне теплоаккумулирующей емкости герметичными теплоаккумулирующими элементами, заполненными жидкостью с положительной температурой застывания, программное электронное устройство - механизмами слежения перпендикулярности солнечной радиации поверхности верхних светопрозрачных панелей тепловых коллекторов, теплоизолированные плоские коробчатые корпуса которых выполнены поворотными относительно горизонтальных осей, расположенных в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, каждая мембранами-абсорбер - в виде тонкостенной металлической пластины с гофрами, охватывающими параллельные поперечные металлические трубки для жидкого теплоносителя, причем объем V теплоизолированной рабочей полости теплоаккумулирующей емкости превышает суммарный объем Vсум полостей мембран-абсорберов тепловых коллекторов для жидкого теплоносителя, объем V1 теплообменника горячего водоснабжения для бытовых нужд, объем V2 теплообменника системы отопления и общий объем Vтэ теплоаккумулирующих элементов соответственно в 50-400, 100-120, 20-30 и 10-20 раз, а общая площадь Sобщ наружных поверхностей вышеупомянутых теплообменников превышает сумму площадей Sм верхних поверхностей вышеуказанных жестких мембран-абсорберов в 3-8 раз, а температура Т застывания жидкости, заполняющей герметичные теплоаккумулирующие элементы, составляет 35-60°С.
Кроме того, в гелиоустановке горячего водоснабжения каждый теплообменник может быть выполнен в виде змеевика, на верхнюю поверхность каждой поглощающей солнечную радиацию мембраны-абсорбера может быть нанесено селективное покрытие и/или окрашена в черный цвет, а объем V1 теплообменника горячего водоснабжения для бытовых целей может быть меньше объема V2 теплообменника системы отопления в 2,5-6,0 раз, при этом в качестве жидкого теплоносителя может быть использована вода, а герметичные теплоаккумулирующие элементы заполнены парафином.
На фиг.1 схематично изображена гелиоустановка горячего водоснабжения; на фиг.2 - общий вид теплового коллектора в увеличенном масштабе; на фиг.3 -поперечный разрез на фиг.2.
Гелиоустановка горячего водоснабжения состоит из солнечной батареи 1, образованной из нескольких тепловых коллекторов, каждый из которых выполнен в виде поворотного в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях теплоизолированного плоского коробчатого корпуса 2 с механизмом 3 слежения программного электронного устройства управления 4 его перпендикулярности относительно направления солнечной радиации верхней светопрозрачной панели 5 теплоизолированного плоского коробчатого корпуса 2. Под светопрозрачной панелью 5 в теплоизолированном плоском коробчатом корпусе 2 параллельно ей с минимальным зазором расположена имеющая температурные датчики 6 мембрана-абсорбер в виде поглощающей солнечную радиацию тонкостенной металлической пластины 7 с гофрами 8 и охватываемых последними параллельными поперечными трубками 9 для пропуска жидкого теплоносителя. На нижнюю поверхность мембраны-абсорбера нанесен слой 10 теплоизоляции, причем торцы параллельных поперечных трубок 9 каждой мембраны-абсорбера объединены в единое целое продольными трубчатыми коллекторами 11. Между светопрозрачной панелью 5 и тонкостенной металлической пластиной 7 по периметру размещены уплотнения 12. Трубчатые коллекторы 11 посредством патрубков 13 последовательно соединены друг с другом через приводные запорные клапаны 14, подключенные к трубопроводу 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя. Трубопровод 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя соединен с верхней зоной теплоизолированной полости 16 теплоаккумулирующей емкости 17, при этом нижняя зона упомянутой полости 16 соединена посредством трубопровода 18 подачи остывшего жидкого теплоносителя через циркуляционный насос 19 с патрубком 13 продольного трубчатого коллектора 11 набора параллельных поперечных металлических трубок 9 мембраны-абсорбера одного из крайних тепловых коллекторов. В верхней зоне теплоизолированной полости 16 теплоаккумулирующей емкости 17 установлены один над другим теплообменник 20 системы отопления и теплообменник 21 горячего водоснабжения для бытовых нужд, подключенные соответственно к трубопроводу 22 центрального отопления и трубопроводу 23 подачи проточной воды, нагретой для бытовых нужд. В нижней зоне теплоизолированной полости 16 теплоаккумулирующей емкости 17 размещены равномерно по периметру герметичные теплоаккумулирующие элементы 24, заполненные жидкостью 25 с положительной температурой застывания. Объем V теплоизолированной рабочей полости 16 теплоаккумулирующей емкости 17 превышает суммарный объем Vсум полостей наборов параллельных поперечных металлических трубок 9 для пропуска жидкого теплоносителя мембран-абсорберов нагревательных коллекторов, объем V1 теплообменника 21 горячего водоснабжения для бытовых нужд, объем V2 теплообменника 20 системы отопления и общий объем Vтэ теплоаккумулирующих элементов 24 соответственно в 50-400, 100-120, 20-30 и 10-20 раз. Общая площадь Sобщ наружных поверхностей вышеупомянутых теплообменников 20 и 21 превышает сумму площадей Sм верхних поверхностей жестких мембран в 3-8 раз. Температура Т застывания жидкости, заполняющей герметичные теплоаккумулирующие элементы 24, составляет 35-60С°.
Работает гелиоустановка горячего водоснабжения следующим образом. Предварительно перед началом ее эксплуатации устанавливают корпуса 2 тепловых коллекторов с помощью механизма 3 слежения программного электронного устройства управления 4 перпендикулярности относительно направления солнечной радиации. В летнее время оптимальный угол наклона тепловых коллекторов к горизонту составляет 30-40°, а зимой - 60-70° для средних широт Северного полушария Земли. Следующим этапом включения в работу гелиоустановки горячего водоснабжения является заполнение жидким теплоносителем теплоаккумулирующей емкости 17, трубопровода 18 подачи остывшего жидкого теплоносителя через циркуляционный насос 19 в полости мембран тепловых коллекторов для жидкого теплоносителя и трубопровода 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя. Затем заполняют водой трубопровод 22 центрального отопления с теплообменником 20 и трубопровод 23 подачи проточной воды нагретой для бытовых нужд теплообменником 21. После чего отключают циркуляционный насос 19. Солнечная радиация, проходя через светопрозрачные панели 5 корпусов 2, падает на имеющие температурные датчики 6 мембраны-абсорберы в виде поглощающих солнечную радиацию тонкостенных металлических пластин 7 с гофрами 8 и нагревает заполняющий параллельные поперечные металлические трубки 9 жидкий теплоноситель. Когда температура жидкого теплоносителя в каком-либо тепловом коллекторе достигает заданной положительной температуры, которая фиксируется температурным датчиком 6, срабатывает программное электронное устройство управления 4. Это программное электронное устройство управления 4 включает циркуляционный насос 19 и открывает приводной запорный клапан 14, подключенный к трубопроводу 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя соответствующего патрубка 13, таким образом нагретый жидкий теплоноситель отводится по последнему в теплоаккумулирующую емкость 17. Одновременно холодный жидкий теплоноситель заполняет тепловой коллектор, из которого отводится нагретый жидкий теплоноситель. После заполнения этого теплового коллектора жидким теплоносителем циркуляционный насос 19 отключается, а приводной запорный клапан 14 возвращается в исходное положение, то есть его патрубок 13 становится проходным, а трубопровод 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя блокируется этим приводным запорным клапаном 14. Таким образом теплоаккумулирующая емкость 17 постепенно заполняется нагретым жидким теплоносителем, который циркулируя в теплоаккумулирующей емкости 17, нагревает одновременно размещенные в ее полости теплообменник 20 системы отопления, теплообменник 21 горячего водоснабжения для бытовых нужд, подключенные соответственно к трубопроводу 22 центрального отопления и трубопроводу 23 подачи проточной воды, нагретой для бытовых нужд, и герметичные теплоаккумулирующие элементы 24. Расход тепловой энергии для нужд отопления и бытового водоснабжения регулируется вентилями 26, установленными на трубопроводе 22 центрального отопления и трубопроводе 23 подачи проточной воды, нагретой для бытовых нужд.
Предложенная гелиоустановка горячего водоснабжения позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую не только путем улучшения теплотехнических характеристик, но и за счет избирательной системы отвода нагретого жидкого теплоносителя из тепловых коллекторов через приводные запорные клапаны 14, подключенные к трубопроводу 15 отбора нагретого жидкого теплоносителя, и использования при этом циркуляционного насоса 19 для принудительной циркуляции жидкого теплоносителя в мембранах-абсорберах и компенсации потерь тепловой энергии при остывании жидкого теплоносителя в теплоаккумулирующей емкости 17 за счет отдачи тепловой энергии герметичными теплоаккумулирующими элементами 24.
Реферат
Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую с использованием последней для коммунальных и бытовых нужд населения. Технический результат: повышение эффективности процессов нагрева жидкого теплоносителя и замедление скорости его остывания в рабочей полости теплоаккумулирующей емкости. Гелиоустановка горячего водоснабжения, содержащая, по крайней мере, одну солнечную батарею из тепловых коллекторов в виде теплоизолированных плоских коробчатых корпусов с расположенными перпендикулярно направлению солнечной радиации верхними плоскими светопрозрачными панелями, расположенными над параллельными им поглощающими солнечную радиацию и имеющими температурные датчики мембранами-абсорберами с параллельными поперечными металлическими трубками для жидкого теплоносителя, объединенными в каждой мембране-абсорбере продольными трубчатыми коллекторами, соединенными друг с другом посредством патрубков последовательно через приводные запорные клапаны, подключенные к трубопроводу отбора нагретого жидкого теплоносителя, связанного с верхней зоной теплоаккумулирующей емкости, при этом нижняя зона упомянутой емкости связана посредством трубопровода подачи остывшего жидкого теплоносителя через циркуляционный насос с продольным трубчатым коллектором мембраны-абсорбера одного из крайних тепловых коллекторов, размещенные в верхней зоне теплоаккумулирующей емкости один над другим теплообменники системы отопления и горячего водоснабжения для бытовых нужд, подключенные соответственно к трубопроводу центрального отопления и трубопроводу подачи нагретой для бытовых нужд проточной воды, и связанное с температурными датчиками мембран-абсорберов программное электронное устройство управления тепловыми датчиками, электродвигателем циркуляционного насоса и приводами запорных клапанов. При этом гелиоустановка снабжена размещенными равномерно в нижней зоне теплоаккумулирующей емкости герметичными теплоаккумулирующими элементами, заполненными жидкостью с положительной температурой застывания, программное электронное устройство - механизмами слежения перпендикулярности солнечной радиации поверхности верхних светопрозрачных панелей тепловых коллекторов, теплоизолированные плоские коробчатые корпуса которых выполнены поворотными относительно горизонтальных осей, расположенных в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, каждая мембрана-абсорбер - в виде тонкостенной металлической пластины с гофрами, охватывающими параллельные поперечные металлические трубки для жидкого теплоносителя, причем объем V теплоизолированной рабочей полости теплоаккумулирующей емкости превышает суммарный объем Vсум полостей мембран-абсорберов тепловых коллекторов для жидкого теплоносителя, объем V1 теплообменника горячего водоснабжения для бытовых нужд, объем V2 теплообменника системы отопления и общий объем Vтэ теплоаккумулирующих элементов соответственно в 50-400, 100-120, 20-30 и 10-20 раз, а общая площадь Sобщ наружных поверхностей вышеупомянутых теплообменников превышает сумму площадей Sм верхних поверхностей вышеуказанных жестких мембран-абсорберов в 3-8 раз, а температура Т застывания жидкости, заполняющей герметичные теплоаккумулирующие элементы, составляет 35-60С°. 1 н. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.
