СОЛНЕЧНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F24J2/20 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным жидкостным нагревателям, и может быть использовано для нагрева различных жидкостей в одно- и двухконтурных системах горячего водоснабжения и отопления.

Известны солнечные нагреватели с каналами для прохода жидкости (теплоносителя). В одних конструкциях используют принцип "труба в листе", применяемый в холодильной технике, когда каналы отштампованы в теле нагревательного элемента. В других конструкциях трубы накладываются на металлическую пластину либо с передней, открытой солнцу стороны, либо с задней, тыльной по отношению к солнцу. Фирма "Олинбрасс" выпускает нагревательный элемент типа "Ролл-Бонд" [1] Схема формирования каналов в этом нагревательном элементе намечается расположением мест точечной сварки двух металлических листов. А сами каналы образуются за счет раздутия листов после точечной сварки при повышении давления выше рабочего и сохраняются вследствие остаточной деформации материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [2] содержащее нагревательный элемент с входным и выходным патрубками и со щелевидной полостью для прохода теплоносителя, размещенный в теплоизолированном корпусе, одна поверхность которого покрыта светопрозрачным покрытием и обеспечивает поступление солнечной энергии на нагревательный элемент.

Общим недостатком как аналогов, так и прототипа является невысокий коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к жидкости. Это объясняется следующими причинами. В известном солнечном водонагревателе нагреваемая жидкость проходит по щелевидной полости, нагреваясь от стенки, обращенной к солнцу. Другая стенка изолирована. Расстояние между названными стенками (ширина щелевидной полости) не велико (10 мм) и скорость движения жидкости также мала. Это характерно для солнечных жидкостных нагревателей. Обе эти причины, а также низкая плотность поступающей солнечной энергии (0,5-1,0 кВт на 1 м² облучаемой поверхности) не позволяют поднять значение коэффициента теплоотдачи от греющей поверхности к нагреваемой жидкости до более высоких значений. Расход жидкости через нагреватели данной конструкции составляет не более 0,02 кг/с на 1 м² облучаемой поверхности. Все эти причины вместе создают вязкостно-гравитационный режим движения жидкости в данной конструкции водонагревателя, т.е. режим движения жидкости с наименьшей интенсивностью теплообмена и, следовательно, малым коэффициентом теплоотдачи от греющей поверхности к жидкости.

В основу изобретения поставлена задача создания такой конструкции солнечного жидкостного нагревателя, которая позволила бы увеличить коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к жидкости в щелевидной полости.

Поставленная задача решается тем, что в солнечном жидкостном нагревателе, содержащем теплоизолированный корпус и установленный в нем нагревательный элемент с входным и выходным патрубками и со щелевидной полостью, выполненной расширяющейся в сторону выходного патрубка, причем щелевидная полость от уровня входного патрубка имеет уклон со стороны стенки нагревательного элемента, обращенной к изоляции на длину не менее одной трети расстояния между входным и выходным патрубками, и снабжена канавками, высота которых не превышает высоты полости на уровне входного патрубка. Кроме того, каждая канавка выполнена шириной не менее 1/5 расстояния между осями рядом расположенных канавок.

Щелевидную полость в нагреваемом элементе от уровня входного патрубка выполняют расширяющейся в сторону его выходного патрубка. Щелевидную полость нагревательного элемента, расширяющуюся со стороны стенки нагревательного элемента, выполняют обращенной к изоляции. Кроме того, на расширяющейся части щелевидной полости нагревательного элемента выполняют канавки, высота которых не превышает высоты щелевидной полости на уровне входного патрубка нагревательного элемента. Выполнение каждой канавки шириной не менее 1/5 расстояния между осями двух рядом расположенных канавок позволяет значительно поднять коэффициент теплоотдачи в узкой части (нижней) щелевидной полости нагревательного элемента за счет создания в нем переменного по высоте количества жидкости, организации интенсивного вихреобразования, которое оказывает существенное влияние на рост интенсификации теплообмена и в широкой (верхней) части щелевидной полости нагревательного элемента.

Следовательно, за сет выполнения щелевидной полости нагревательного элемента, расширяющейся от входного патрубка (снизу) к выходному патрубку (вверх) и наличия продольных канавок, поддерживается высокий коэффициент теплоотдачи по всей высоте нагревательного элемента, снижается инерционность системы и время выхода на режим полной мощности.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. Благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать солнечный жидкостный нагреватель с повышенным коэффициентом теплоотдачи от греющей поверхности к жидкости в полости настолько, что например, вода может быть доведена до кипения в зимних условиях.

На фиг.1 изображен солнечный жидкостный нагреватель с частичным вырезом, в аксонометрии; на фиг.2 нагревательный элемент солнечного жидкостного нагревателя, вид со стороны листа, обращенного к слою изоляции; на фиг.3 нагревательный элемент, вид сбоку; на фиг.4 то же, второй вариант; на фиг.5 разрез А-А на фиг.4; на фиг.6 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.7 график изменения температуры воды в солнечном жидкостном нагревателе предлагаемой конструкции площадью 0,8 м² и массой воды 10,6 мг (линия 1 при температуре атмосферного воздуха плюс 0,5^оС; линия 2 при температуре атмосферного воздуха минус 8^оС; на графике обозначены t_ж температура жидкости; τ время в часах.

Солнечный жидкостный нагреватель содержит корпус 1 в виде поддона с основанием и боковыми стенками, размещенный на основании корпуса 1 слой изоляции 2, нагревательный элемент 3, помещенный в корпус 1 на слой изоляции 2, и стеклянное покрытие 4, закрывающее корпус 1 сверху (см. фиг.1).

Нагревательный элемент 3 изготовлен из двух металлических листов 5 и 6, сваренных по периметру с образованием между ними щелевидной полости, и имеет входной 7 и выходной 8 патрубки (см. фиг.2).

Щелевидная полость нагревательного элемента 3 выполнена расширяющейся от входного патрубка 7 в сторону выходного патрубка 8 со стороны, обращенной к слою изоляции (см. фиг.3, 4), причем расширяющаяся часть "а" щелевидной полости не должна быть меньше 1/3 расстояния между входным 7 и выходным 8 патрубками. На расширяющейся части "а" щелевидной полости в сторону изоляции выполнены канавки 9, высота которых на всей их длине не превышает высоты полости "б" у выходного патрубка 8 (см. фиг.3-6). Ширина "в" каждой канавки 9 не должна быть меньше 1/5 расстояния между осями двух рядом расположенных канавок 9. Сторона нагревательного элемента 3, образованная листом 5 и обращенная к стеклянному покрытию 4, выполнена плоской и окрашена черной матовой краской или селективным покрытием.

Солнечный жидкостный нагреватель работает следующим образом.

Нагреватель ориентируется стеклянным покрытием 4 на юг, отклоняется от горизонтальной оси на угол, ориентировочно равный географической широте места, и подключается к системе. Через входной патрубок 7 в нагревательный элемент 3 поступает теплоноситель (жидкость, например, вода). Через стеклянное покрытие 4 солнечные лучи поглощаются поверхностью нагревательного элемента 3, образованной листом 5 и покрытой черной матовой краской, и нагревают ее. Вода, находящаяся между листами 5 и 6 также нагревается. Щелевидная полость нагревательного элемента 3 у входного патрубка 7 имеет небольшую ширину и, следовательно, малое количество теплоносителя. В ней происходит интенсивный нагрев теплоносителя и за счет разности плотности теплоносителя в расширяющейся части "а" и у выходного патрубка 8 возникает подъемная сила, приводящая в движение теплоноситель снизу вверх. Одновременно в канавках 9 возникают вихри 8, которые, во-первых, приводят к интенсивному перемешиванию теплоносителя в самих канавках 9, во-вторых, за счет этого перемешивания теплоносителя в канавках 9, возникает дополнительное перемешивание части теплоносителя в общем объеме щелевидной полости. Это способствует тому, что к верхнему, более широкому участку щелевидной полости, поступает теплоноситель более прогретым и турбулизированным, что способствует дальнейшему движению теплоносителя вверх и увеличивает интенсивность теплоотдачи.

Такое конструктивное решение солнечного жидкостного нагревателя позволяет, кроме увеличения коэффициента теплоотдачи, снизить инерционность нагревателя и время выхода его на полный режим, что в совокупности позволяет увеличить эксплуатационную мощность солнечных нагревателей на 10-15% без увеличения поверхности нагревательного элемента. Достигнутые технические результаты подтверждаются расчетами, испытаниями и опытной эксплуатацией солнечных нагревателей данной конструкции (см. рис.7).

Использование: в солнечной энергетике. Для нагрева различных жидкостей в одно- и двухконтурных системах горячего водоснабжения. Сущность изобретения: солнечный жидкостный нагреватель в сборе содержит корпус 1 в виде поддона с основанием и бокобыми стенками, размещенный на основании корпуса 1 слой изоляции 2, нагревательный элемент 3, помещенный в корпус 1 на слой изоляции 2, и стеклянное покрытие 4, закрывающее корпус 1 сверху. Нагревательный элемент 3 изготовлен из двух металлических листов 5 и 6, сваренных по периметру с образованием между ними щелевидной полости, и имеет входной и выходной патрубки. Щелевидная полость нагревательного элемента 3 выполнена расширяющейся от входного патрубка в сторону выходного патрубка со стороны, обращенной к слою изоляции 2, и снабжена канавками, высота которых не превышает полости на уровне выходного патрубка. Ширина канавки - не менее 1/5 расстояния между их осями. 7 ил.

СОЛНЕЧНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус, установленный в корпусе нагревательный элемент с входным и выходным патрубками и щелевидной полостью для прохода теплоносителя, расширяющейся в направлении от входного к выходному патрубку, отличающийся тем, что расширяющийся участок щелевидной полости имеет длину не менее одной трети расстояния от входного до выходного патрубка и выполнен путем уклона стенки, обращенной в сторону изоляции, причем на упомянутом участке выполнены сужающиеся продольные канавки, высота которых со стороны входного патрубка не превышает высоты полости с той же стороны, а ширина составляет не менее 1/5 расстояния между осями двух рядом расположенных канавок.