СОЛНЕЧНЫЙ ОПРЕСНИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/14 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным установкам, например, для получения дистиллированной воды при опреснении соленой воды.

Известен солнечный опреснитель, содержащий корпус и размещенные в нем концентратор солнечного излучения и испарительную камеру, заполненную опресняемой жидкостью и имеющую одну из стенок с конденсирующей пар поверхностью.

В этом солнечном опреснителе емкости испарительной камеры и конденсатора совмещены, причем скрытая теплота конденсации полезно не используется, а конденсирующая пар поверхность стенки испарительной камеры расположена под поглощающей солнечное излучение стенкой, что снижает количество приходящей солнечной радиации. Кроме того, солнечный опреснитель не содержит самонаводящей системы слежения концентрата за солнцем в зенитальной и азимутальной плоскостях в течение светового дня, а испарительная камера не содержит селективно пропускающего в ИК-области спектра солнечного излучения, что в совокупности с имеющимися конструктивными недостатками значительно снижает КПД и надежность солнечного опреснителя.

Наиболее близким техническим решением (пpототипом) является солнечный опреснитель, установленный на опорно-поворотном устройстве слежения за солнцем, содержащий корпус и размещенный в нем концентратор солнечного излучения и испарительную камеру, заполненную жидкостью, нижняя стенка которой образует с корпусом емкость и ее наружная поверхность служит конденсирующей поверхностью, центральная полость камеры снабжена селективным покрытием со стороны концентратора, а со стороны емкости поглотителем солнечного излучения, и паропроводом, введенным в емкость, сообщенную трубопроводом со сборником дистиллята.

Этот солнечный опреснитель не содержит самонаводящей системы слежения концентрата за солнцем в зенитальной и азимутальной плоскостях в течение светового дня, центральная полость испарительной камеры содержит поглощающее селективное покрытие, которое уступает по эксплуатационным показателем селективное пропускающее в ИК-области солнечного излучения интерференционное покрытие, обеспечивающее более эффективное поглощение солнечного излучения поглотителем и, как следствие, перепаду тепла опресняемой жидкости. Кроме того, при нагреве и дальнейшем испарении опресняемой жидкости растворенные в ней газы выходят из жидкости и попадают через паропровод в емкость и в сборник дистиллята, что в этом замкнутом объеме приводит через некоторое время к созданию избыточного давления, затрудняя тем самым сбор дистиллята в сборнике, и может привести к повреждению солнечного опреснителя без периодического стравливания избыточного давления газов из сборника дистиллята в атмосферу. Все вышесказанное приводит к снижению надежности и КПД солнечного опреснителя.

Цель изобретения повышение КПД солнечного опреснителя путем повышения его надежности и обеспечения самонаведения концентратора в нем на солнце.

Цель достигается тем, что в солнечный опреснитель, содержащий корпус, установленный на опорном устройстве, размещенные в нем концентратор солнечного излучения и испарительную камеру, заполненную жидкостью, нижняя стенка которой образует с корпусом емкость, центральная часть испарительной камеры установлена в фокусе концентратора и снабжена селективным покрытием со стороны концентратора, а со стороны емкости поглотителем солнечного излучения, и паропроводом, введенным в емкость, сообщенную трубопроводом со сборником дистиллята, причем внутренняя поверхность емкости служит конденсирующей поверхностью, введены воздухоотводной клапан, установленный в верхней части сборника дистиллята, и система слежения за солнцем, включающая расположенные симметрично относительно оси симметрии концентратора сверху центральной части испарительной камеры, по крайней мере, три баллона с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубопроводов с полостями соответствующих гидроцилиндров по числу баллонов, причем гидроцилиндры установлены на нерабочей поверхности корпуса для ориентации концентратора на опорном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров и жестко закреплены на соответствующих неподвижных поплавковых элементах, и юстировочные вентили, соединяющие посредством трубопроводов баллоны.

Селективное покрытие может быть выполнено в виде интерференционного покрытия двойной системы слоев с высоким и низким коэффициентом преломления, пропускающего в ИК-области солнечного спектра, или горячепрессованного фторида лантана.

На чертеже представлена принципиальная схема солнечного опреснителя.

Солнечный опреснитель содержит корпус 1, установленный на опоре 2, и размещенные в нем концентратор 3 солнечного излучения и испарительную камеру 4, заполненную жидкостью 5, нижняя стенка 6 которой образует с корпусом 1 емкость 7, внутренняя поверхность 8 емкости 7 служит конденсирующей поверхностью, центральная часть 9 испарительной камеры 4 установлена в фокусе концентратора 3 и снабжена селективным покрытием 10, выполненным в виде интерференционного покрытия двойной системы слоев с высоким и низким коэффициентами преломления, пропускающего в ИК-области солнечного спектра, или горячепрессованного фторида лантана, со стороны концентратора 3, а со стороны емкости 7 поглотителем 11 солнечного излучения, и паропроводом 12, введенным в емкость 7, сообщенную трубопроводом 13 со сборником дистиллята 14, в верхней части которого установлен воздухоотводной клапан 15. Система слежения за солнцем включает расположенные симметрично относительно оси симметрии концентратора 3, по крайней мере, три баллона 16 с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубопроводов 13 с полостями соответствующих гидроцилиндров 17 по числу баллонов 16, установленных на нерабочей поверхности корпуса 1 для ориентации концентратора 2, на опорном устройстве 2 при перемещении штоков гидроцилиндров 17, жестко закрепленных на соответствующих неподвижных поплавковых элементах 18 и юстировочные вентили 19, соединяющие посредством трубопроводов 13 баллоны 16.

В качестве концентратора 3 используют, например, параболические оптические элементы из сплава АМГ-6, обработанные по стандартной технологии, например, методом свободного абразива с оптической чистотой (Р) У. Концентратор 3 выполнен в виде смещенных друг относительно друга соосных, например, параболоидальных зон 20, образованных частями параболоидов вращения, для которых фокальный радиус-вектор точек поверхности больше фокусного расстояния (0,5-2 м) соответствующей параболы. Концентратор 3 установлен в верхней части корпуса 1, имеющего полушаровую форму, и крепится к нему трубчатым каркасом 21. Испарительная камера 4 выполнена в виде полой крышки 22 с центральной шаровой формы частью 9, лежащей в фокусе концентратора 3. Центральная часть 9 испарительной камеры 4 со стороны концентратора 3 снабжена селективным покрытием 10, выполненным, например, в виде интерференционного покрытия двойной системы слоев с высоким и низким коэффициентами преломления, пропускающего в ИК-области солнечного спектра, например, 15-слойное покрытие интерференционное теплопропускающее в диапазоне длин волн 0,4-2,5 мкм в виде двойной системы (В^I H^I B^I H^I B^I H^I B^I) x (H^II B^II H^II B^II H^II B^II H^II B^II), где B^I и H^I слои соответственно с высоким и низким коэффициентами преломления и оптической толщиной λ'/4 от длины волн минимального пропускания λ' 489-500 нм; B^II и H^II аналогичные слои, настроенные на длину волны максимального отражения ( минимального пропускания) λ'' 560-580 нм из вакуумосажденных пленок ZnS и MgF₂; для ZnS- -SeF₃ аналогичное интерференционное 8-слойное теплопропускающее покрытие в диапазоне длин волн 0,7-8 мкм или горячепрессованный фторид лантана в диапазоне длин волн 0,7-10 мкм.

Со стороны емкости 7 центральная часть 9 снабжена поглотителем 11, выполненным, например, в виде зачерненного поглощающего в ИК-области спектра материала (графита, металлических стружек и т.п.), который может быть покрыт со стороны емкости 7 теплоизоляцией 23.

Воздухоотводный клапан 15 предназначен для стравливания избыточного давления отходящих при нагревании опресняемой жидкости 5 растворенных в ней газов из емкости 7 и сборника дистиллята 14. В качестве воздухоотводного клапана используют, например, обычную трубку, соединяющую емкость 7 с атмосферой, или обратный клапан, обеспечивающий стравливание воздуха при достижении в емкости 7 и сборнике дистиллята 14 давления определенной заданной на обратном клапане величины (например, давления столба жидкости над сборником дистиллята 13 и столба атмосферного давления).

В качестве юстировочного вентиля 19, гидроцилиндров 17 и трубопроводов 13 используют, например, стандартные, непроницаемые для используемой легкокипящей жидкости соответствующие аналоги.

В качестве поплавковых элементов 18 используют, например, обычные плавающие материалы с малым удельным весом типа пенопласта устойчивой формы и не взаимодействующие с опресняемой жидкостью.

В качестве легкокипящей жидкости используют жидкость, имеющую большой коэффициент теплового расширения или низкую температуру кипения, а также преимущественно негорючую и озононеразрушающую, например, фреон 114В2.

Солнечный опреснитель работает следующим образом.

Для приведения солнечного опреснителя в рабочее положение открывают юстировочные вентили 19, соединяющие баллоны 16, и тем самым разблокируют гидроцилиндры 17, ответственные за ориентацию концентратора 3, за счет выравнивания давления и количества легкокипящей жидкости в системе слежения за солнцем.

Солнечный опреснитель устанавливают на опоре 2 в открытом водоеме на огражденном от волн морском мелководье вместе с закрепленным под водой сборником дистиллята 14 таким образом, чтобы солнечное излучение от параболоидных зон 20 концентратора 3 фокусировалось на центральную часть 9 испарительной камеры 4. При этом солнечный опреснитель погружают в морскую воду на глубину, обеспечивающую поступление воды в испарительную камеру 4 без попадания в паропровод 12, и ее поддержание на плаву обеспечивается поплавковыми элементами 18. После чего закрываются юстировочные вентили 19. При этом без взаимодействия с фокусом параболоидных зон 20 концентратора 3 и при дрейфе температуры окружающей среды в сторону увеличения или уменьшения, легкокипящая жидкость, находящаяся в баллонах 16, в случае установленного в них равенства давлений под действием юстировочных вентилей 19 увеличивает или уменьшает свой объем (на равную величину в каждом из баллонов). Изменение объема жидкости компенсируется изменением объема полостей соответствующих гидроцилиндров 17 на равную величину, которая регулируется при необходимости смещением поплавковых элементов 18 вниз (вверх) вдоль корпуса 1. При этом никакого перемещения концентратора 3 не происходит.

Сконцентрированное параболоидными зонами 20 концентратора 3 солнечное излучение попадает на селективное покрытие 10 центральной части 9 испарительной камеры 3, которое пропускает ИК-область солнечного спектра на опресняемую жидкость 5 в центральной части 9, после чего происходит поглощение ИК-области солнечного спектра поглотителем 11. При этом происходит прогрев опресняемой жидкости 5 как пропущенным через селективное покрытие 10 ИК-излучением солнечного спектра, так и при передаче тепла жидкости 5 от поглотителя 11 в виде поглощенного ИК-излучения солнечного спектра. Теплоизоляция 23 способствует полной отдаче тепла от поглотителя 11 к опресняемой жидкости 5, и, как следствие, к интенсивному испарению жидкости 5 (морской воды). Образующийся пар через паропровод 12 поступает в емкость 7, где конденсируется преимущественно на наружной поверхности 8 нижней стенки 6 испарительной камеры 4, на внутренних стенках корпуса 1, Дистиллят стекает через трубопровод 13 в сборник дистиллята 14. При этом несконденсировавшиеся газы, растворенные ранее в опресняемой воде 5 и остающиеся в объеме емкости 7 после концентрации жидкости 5 в увеличенном объеме, в результате нагревания создают избыточное давление, которое стравливается постоянно или периодически по достижении определенной величины избыточного давления через воздухоотводный клапан 15 для устранения трудностей при поступлении дистиллята из емкости 7 в сборник дистиллята 14 и возможного разрушения испарительной камеры при чрезмерно большом увеличении избыточного давления в емкости 7.

В дальнейшем при смещении солнца по небосклону на запад и при перемещении фокуса параболоидных зон 20 концентратора 3 с боковой поверхности центральной части 9 испарительной камеры 4 на один из баллонов 16 легкокипящая жидкость в нем приобретает температуру выше температуры окружающей среды, в результате чего объем жидкости в нагреваемом баллоне 16 увеличивается по сравнению с объемом жидкости в других баллонах 16. За счет этого увеличивается давление на поршень соответствующего гидроцилиндра 17, объем полости этого гидроцилиндра 17 возрастает. Происходит разворот концентратора 3 за счет увеличения величины штока гидроцилиндра 17, находящегося вне объема гидроцилиндра 17 и опоры штока гидроцилиндра 17 в неподвижный поплавковый элемент 18 с которым шток жестко скреплен, таким образом, что фокус вновь войдет в пространство между баллонами 16 на центральную часть 9 испарительной камеры 4. И такая ориентация концентратора 3 продолжается в течение всего периода эксплуатации в течение светового дня тем или иным из баллонов 16 в зависимости от положения солнца на небосводе и соответствующего отклонения фокуса при перемещении Солнца в сторону того или иного баллона 16. При этом поплавковые элементы 18 устанавливают таким образом относительно корпуса 1, чтобы при упоре штока гидроцилиндра 17 на него он оставался неподвижным (на одном и том же расстоянии от корпуса при минимальном его погружении под действием штока) и одновременно обеспечивалась бы ориентация концентратора 3 на солнце. Это может обеспечиваться, например, жесткой связью поплавкового элемента 18 с корпусом 1 металлический стержень, один конец которого жестко соединен с поплавковым элементом, а другой может перемещаться в пазу на поверхности корпуса 1. Кроме этого, поплавковые элементы обеспечивают устойчивость солнечного опреснителя и его устойчивую работу, эффективно удерживая его на плаву при наличии волн на необходимом заданном уровне. Также в течение всего периода эксплуатации работает солнечный опреснитель по вышеописанному принципу. Количество гидроцилиндров 17 равно числу баллонов 16 и составляет в случае параболоида, сфероида и т.п. как минимум, три баллона 16, расположенных симметрично относительно оси симметрии концентратора 3 на верхней части центральной полости 9 испарительной камеры 4 под углом 60^о друг к другу. Количество баллонов 16 может превышать число 3, например, может быть 4,6 и т.д. установленных попарно и симметрично для повышения быстроты и точности ориентации концентратора. Размещение баллонов 16 осуществляется на возможно более близком расстоянии от фокальной области центральной части 9 испарительной камеры 4 от концентратора 3, чтобы исключить инерционность ориентации концентратора 3 при смещении его фокуса в зазор между фокальной частью 9 и баллонами 16. Объем легкокипящей жидкости выбирают таким, чтобы ее расширение было достаточным для осуществления поворота концентратора 3 в необходимом диапазоне углов в течение всего светового дня.

Солнечный опреснитель может работать и без погружения в водоем, при этом большую часть торца полости крышки 26 закрывают, а в оставшееся отверстие подают опресняемую воду. При этом поплавковые элементы 18 устанавливают неподвижно, например, на землю или иную более высокую опору, чтобы происходила беспрепятственная ориентация концентратора 3 на солнце при перемещении штоков соответствующих гидроцилиндров 17 под действием легкокипящей жидкости из баллонов 16.

Использование в качестве конденсирующей поверхности наружной поверхности 8 нижней стенки 6 испарительной камеры 4 позволяет производить дополнительный нагрев опресняемой жидкости 5 скрытой теплотой конденсации, а размещение конденсатора под испарительной камерой 4 обеспечивает максимальное поступление солнечной радиации к поглотителю 11, что в конечном счете в совокупности повышает КПД солнечного опреснителя и его надежность за счет конструктивно введенного воздухоотводного клапана 15 и пропускающего селективного покрытия 10, а также самонаводящейся системы слежения концентратора 3 за солнцем.

Достигаемым техническим результатом изобретения является:
повышение КПД солнечного опреснителя не менее чем на 15% путем повышения надежности сбора дистиллята и самонаводящейся системы слежения концентратора за солнцем, а также за счет повышения качества прогрева центральной полости испарительной камеры путем использования селективного пропускающего интерференционного покрытия;
повышение надежности солнечного опреснителя не менее чем на 10-15% за счет наличия самонаводящейся системы слежения и возможности стравления избыточного давления из сборника дистиллята;
повышается качество прогрева опресняемой жидкости в испарительной камере за счет введения селективного пропускающего в ИК-области спектра покрытия.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к солнечным опреснительным установкам для получения дистиллированной воды. Сущность изобретения: солнечный опреснитель снабжен воздухоотводным клапаном, установленным в верхней части сборника дистиллята и системой слежения за солнцем, включающей расположенные симметрично относительно оси симметрии концентратора на верхней части центральной полости испарительной камеры, по крайней мере, три баллона с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубопроводов с полостями соответствующих гидроцилиндров по числу баллонов, закрепленных со стороны их полостей на нерабочей поверхности корпуса с возможностью ориентации концентратора на опорном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров, жестко закрепленных на соответствующих поплавковых элементах, и юстировочные вентили, соединяющие посредством трубопроводов баллоны, а селективное покрытие выполнено в виде интерференционного покрытия двойной системы слоев с высоким и низким коэффициентом преломления, пропускающего в ИК-области солнечного спектра или горячепрессованного фторида. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СОЛНЕЧНЫЙ ОПРЕСНИТЕЛЬ, содержащий корпус, установленный на опорном устройтсве, размещенные в нем концентратор солнечного излучения и испарительную камеру, заполненную жидкостью, нижняя стенка которой образует с корпусом емкость, центральная часть испарительной камеры установлена в фокусе концентратора и снабжена селективным покрытием со стороны концентратора, а со стороны емкости поглотителем солнечного излучения и паропроводом, введенным в емкость, сообщенную трубопроводом со сборником дистиллята, причем наружная поверхность емкости является конденсирующей поверхностью, отличающийся тем, что он снабжен воздухоотводным клапаном, установленным в верхней части сборника дистиллята, и системой слежения за солнцем, включающей расположенные симметрично относительно оси симметрии концентратора сверху центральной части испарительной камеры по крайней мере три баллона с легкокипящей жидкостью, соединенные посредством трубопроводов с полостями соответствующих гидроцилиндров по числу баллонов, причем гидроцилиндры установлены на нерабочей поверхности корпуса для ориентации концентратора на опорном устройстве при перемещении штоков гидроцилиндров и жестко закреплены на соответствующих неподвижных поплавковых элементах, и юстировочные вентили, установленные на трубопроводах, соединяющих баллоны. 2. Опреснитель по п. 1, отличающийся тем, что селективное покрытие выполнено в виде интерференционного покрытия двойной системы слоев с высоким и низким коэффициентом преломления, пропускающего в ИК-области солнечного спектра, или горячепресованного фторида лантана.