ГЕЛИООПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК C02F1/14 F24J2/04 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к опреснителям морской воды, использующим солнечную энергию.

Известны гелиоопреснители, включающие вертикальные многосекционные дистилляторы и солнечные коллекторы [1] В этих опреснителях используются солнечные трубчатые коллекторы с круглой, овальной или другой формой поперечного сечения трубок теплоносителя.

Недостатком данных опреснителей является то, что эффективная площадь теплопоглощающей поверхности трубок, омываемая теплоносителем и освещаемая Солнцем из-за зазора между ними, составляет лишь 50-70% от общей площади коллектора, что снижает его эффективность. Кроме этого, в дистилляторе опреснителя разделение секций происходит с помощью водяного затвора по поверхности оросителя, что затрудняет регулирование давления и расхода.

Из известных гелиоопреснителей наиболее близким по технической сущности является опреснитель, описанный в работе [2] в котором используется солнечный коллектор, собранный из панелей с круглыми солнечными трубками теплоносителя, и многосекционный вертикальный дистиллятор. Трубки теплоносителя коллектора помещены в вакуумные стеклянные трубки. Вакуумный зазор между трубками теплоносителя и стеклянными трубками устраняет конвективный теплообмен между ними и повышает эффективность коллектора.

Недостатком данного опреснителя является то, что эффективная площадь коллектора, омываемая теплоносителем и освещаемая Солнцем, существенно меньше общей площади коллектора из-за наличия зазоров между трубками. Такой коллектор весьма дорог и его стоимость составляет большую часть стоимости опреснителя.

Задачей изобретения является увеличение производительности, повышение надежности работы и уменьшение стоимости опреснителя.

Техническим результатом изобретения является выполнение более простой конструкции коллектора при сохранении высокой эффективности его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в гелиоопреснительной установке, содержащей солнечный плоский остекленный коллектор и многосекционный с вертикальным расположением секций дистиллятор испарительного типа, соединенных между собой по теплоносителю с помощью прямого и обратного трубопроводов, каждая панель коллектора выполнена в виде плоской неваккуумированной остекленной панели с щелевыми каналами, образованными двумя пластинами, расположенными на расстоянии 3-10 мм друг от друга с перегородками между ними.

На фиг.1 изображена схема предлагаемой гелиоопреснительной установки; на фиг. 2 конструктивная схема панели коллектора; на фиг.3 влияние высоты щелевого канала коллектора на мощность, требуемую для прокачки теплоносителя; на фиг. 4 зависимость перепада температуры между стенкой коллектора и теплоносителем от высоты щелевого канала; на фиг.5 зависимость, отражающая влияние величины зазора между теплопоглощающей поверхностью и стеклом и вакуумирования коллектора на эффективность его работы.

Гелиоопреснительная установка (фиг. 1) содержит солнечный коллектор 1, дистиллятор 2, состоящий из нескольких секций, оросители 3, теплообменники 4, влагоуловители 5, перегородки 6 с дросселями регулирования расхода солнечной воды 7, вакуумные дроссели 8, змеевик солнечной воды 9, насосы для прокачки теплоносителя и откачки дистиллятора и рассола 10, 11, 12 и 13, вакуумный насос 14 и трубопровод 15 для слива дистиллята. Число секций дистиллятора зависит от назначения и производительности опреснителя. На фиг.1, для примера, показана 5-ти секционная установка.

Гелиоопреснительная установка работает следующим образом.

Теплоноситель, как правило, дистиллированная вода, циркулирующая в контуре солнечного коллектора 1 с помощью насоса 13, нагревается Солнцем до ≈ -100^oC и нагревает трубки теплообменника 4 верхней секции дистиллятора 2 (фиг.1). Соленая вода насосом 11 подается на верх дистиллятора 2 по змеевику 9 и, проходя через ороситель 3, разбрызгивается на поверхности трубок теплообменника 4. Часть воды испаряется, а часть через регулируемый дроссель 7 в перегородке 6 стекает в нижерасположенную секцию и там разбрызгивается на поверхности трубок теплообменника 4. Образуемый в верхней секции пар отводится через влагоуловитель 5 в нижерасположенную секцию и там конденсируется внутри трубок теплообменника 4, испаряя текущую по поверхности трубок соленую воду. Дистиллят стекает по трубопроводу 15 в нижнюю секцию и откачивается насосом 10. Такая процедура повторяется во всех секциях, кроме нижней. В нижней секции происходит конденсация пара на поверхности змеевика 9. Рассол из предпоследней секции откачивается насосом 12. Дистиллятор работает при давлении, меньше атмосферного. Вакуумный насос 14 обеспечивает удаление неконденсирующихся газов из каждой секции. Интенсивность удаления неконденсирующих газов из каждой секции регулируется с помощью дросселей 8. Регулирование расхода соленой воды через оросители производится с помощью дросселей 7, установленных в перегородках 6.

В качестве коллектора опреснителя используется набор плоских остекленных панелей небольшой площади (порядка ≈ 1 м²), соединенных между собой трубопроводами. Вакуумирование полости стеклом и панелью не требуется. Панель выполняется в виде набора щелевых каналов, образованных перегородками 18 между верхней 16 и нижней 17 пластинами (фиг.2). На верхней пластине снаружи нанесено покрытие 19 с высоким коэффициентом α_c поглощения солнечных лучей и низким коэффициентом ε_w излучения. Снизу панель теплоизолирована, а сверху закрыта стеклом 20. В таком коллекторе вся площадь верхней поверхности является теплопоглощающей. Набор плоских щелевых каналов обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой поверхности к теплоносителю. Легко осуществляется замена или восстановление покрытий поверхности коллектора, которые со временем выгорают на Солнце и теряют требуемые свойства.

Определяющими параметрами при выборе размеров щелевых каналов является перепад температуры δT между стенкой коллектора и теплоносителем, перепад температуры ΔT теплоносителя в коллекторе и мощность N, затрачиваемая на прокачку теплоносителя.

На фиг.3, для примера, показано влияние высоты щели δ на требуемую мощность насоса, отнесенную к площади коллектора. Зависимости фиг.3 построены для случая, когда панели в коллекторе соединены параллельно, а каналы в панелях, объединенные в группы из n каналов, последовательно. При расчете зависимостей фиг. 3, из соображений организации течения в каналах без застойных зон, принималось, что теплоноситель из раздаточного коллектора поступает в n каналов общей шириной L, равной L=0,03 м (L=n•l). Видно, что для коллекторов с большей площадью поверхности мощность на прокачку теплоносителя сильно зависит от высоты щели d и может быть существенной.

Для определения требуемой высоты щели d на фиг.4 построены зависимости перепада температуры dT между стенкой панели и теплоносителем от высоты щели δ Вертикальный участок зависимости dT=f(δ) для ΔT=5^° соответствует критическому значению числа Re. Каждому значению величины δ фиг.4 соответствует значение мощности N фиг.3.

Будем выбирать высоту щели d исходя из того, что чем меньше перепад dT тем выше эффективность коллектора. Видно, что, если ограничиться перепадом δT≅ 2^° для реального случая ΔT = 10^° высота щели лежит в диапазоне 1-10 мм. При этом большему значению высоты δ соответствует меньшее значение мощности N. Нижний предел высоты щели из-за возможности закупорки каналов при d <3 мм, видимо, необходимо ограничить размером d 3 мм.

Перетечки тепла по перемычкам не играют большей роли и поэтому размер l следует выбирать из соображений прочности, технологии изготовления и возможности организации течения без застойных зон.

Использование коллектора, панели в котором выполнены в виде двух пластин с перегородками между ними, позволяет, по сравнению с прототипом, резко снизить стоимость. Отсутствие вакуумной изоляции не приводит к существенному снижению поглощаемого тепла. На фиг.5, для примера, показаны зависимости поглощаемого единицей площади коллектора тепла Q от величины зазора x между стеклом и теплопроводящей поверхностью для случая отсутствия (пунктирной линией) и присутствия (сплошной линией) воздуха. Плотность падающего потока g_c при расчете принималась равной g_c=800 Вт/м², коэффициент поглощения покрытия a_c равным 0,9, а коэффициент излучения ε_w равным 0,1 и 1. Видно, что вакуумирование зазора между стеклом и тепловоспринимающей поверхностью приводит к небольшому увеличению поглощаемого коллектором тепла (не больше ≈ 10% при зазоре ε_w= 0,1 и ξ=0,25 м). Очевидно, что такое увеличение поглощаемого тепла полностью компенсируется в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом увеличением более чем на 10% площади тепловоспринимающей омываемой теплоносителем поверхности. Изменение расстояния x между стеклом и тепловоспринимающей поверхностью в диапазоне 0,05-0,5 м к существенным изменениям эффективности не приводит.

Установка дросселей 7 и 8 (фиг.1) позволяет повысить надежность и оптимизировать режим работы дистиллятора за счет согласования расходов соленой воды через оросители, недопускающего осушения оросителей или переполнения секций соленной водой, и регулирования интенсивности отсоса неконденсирующихся газов из каждой секции.

Использование: в теплотехнике, а именно для опреснения морской воды с использованием солнечной энергии. Сущность изобретения: предлагаемая гелиоопреснительная установка содержит солнечный коллектор и многосекционный с вертикальным расположением секций дистиллятор испарительного типа. Каждая панель коллектора по всей теплопоглощающей поверхности содержит каналы, образованные двумя параллельными пластинами, расположенными на расстоянии 3 - 10 мм друг от друга, и перегородками между ними. 5 ил.

Гелиоопреснительная установка, содержащая солнечный плоский остекленный коллектор и многосекционный с вертикальным расположением секций дистиллятор испарительного типа, соединенные между собой по теплоносителю с помощью прямого и обратного трубопроводов, отличающаяся тем, что каждая панель коллектора по всей теплопоглощающей поверхности содержит каналы, образованные двумя параллельными пластинами, расположенными на расстоянии 3 10 мм друг от друга, и перегородками между ними.