СОЛНЕЧНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК F24J2/04 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности предназначено для использования в устройствах для нагревания жидкости (воды) с помощью энергии солнечного излучения, например, в душевых установках для дачных и фермерских владений, а также в установках обогрева помещений, в том числе для обогрева специальных объектов жидкостными теплоносителями.

Известен солнечный водонагреватель, который выполнен в виде бака с прозрачной для солнечных лучей перегородкой, разделяющей входной и выходной патрубки с зазором для пропускания жидкости. На торце перегородки в зоне зазора, образованного этой перегородкой с боковой стенкой бака, установлены вертикальные пластины, образующие гидрозатвор. Указанный бак со стороны падающих солнечных лучей перекрыт проницаемой для них изоляцией, а днище его покрыто поглотителем энергии излучения солнца [1].

Недостатки описанного водонагревателя обусловлены образованием отложений, содержащихся в воде солей и примесей, на контактирующие с водой поверхности днища и прозрачной перегородки, снижающие КПД водонагревателя.

Кроме того, устройство может эксплуатироваться только в режиме непрерывного потока воды.

В качестве прототипа выбран солнечный нагреватель жидкости, содержащий теплоизолированный заполняемый жидкостью металлический бак с входным и выходным патрубками, перекрытый со стороны падающих солнечных лучей одним или несколькими слоями оптически прозрачной изоляции. Обращенная к солнцу тепловоспринимающая поверхность бака, выполняющая функции преобразователя энергии солнечного излучателя в тепловую, зачернена либо покрыта селективно поглощающим слоем [2].

Нагреватель может эффективно эксплуатироваться только при полном заполнении бака жидкостью, т.е. в условиях непрерывного ее протекания под напором.

Недостатки прототипа обусловлены снижением КПД преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию нагрева жидкости в тех случаях, когда уровень заполняемой бак жидкости снижается и она перестает контактировать с тепловоспринимающей поверхностью преобразователя. Это ограничивает применение солнечного нагревателя, например, в душевых установках, в которых в частично заполненном водой баке она нагревается неэффективно из-за образования при эксплуатации теплоизолирующей воздушной прослойки, отделяющей аккумулирующую тепло поверхность преобразователя от поверхности воды.

Задачей изобретения является повышение КПД солнечного нагревателя жидкости при одновременном расширении его функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что в солнечном нагревателе жидкости, содержащем заполненный этой жидкостью бак с входным и выходными патрубками, закрытый со стороны солнечных лучей по меньшей мере одним слоем прозрачной для лучей изоляцией, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней поглощающей энергию солнечных лучей поверхности крышки бака, указанная крышка выполнена в виде противня, плавающего в баке, причем крышка изготовлена из теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам, покрыта лучепоглощающим материалом.

Технический результат достигается и тем, что крышка размещена с возможностью полного экранирования обращенной к солнцу поверхности жидкости, а дно крышки выполнено гофрированным.

Достижению результата способствует и то, что на дне крышке выполнены погружаемые в жидкость теплопередающие ребра, а также то, что на дне крышки со стороны жидкости установлены поплавки.

Еще одним средством достижения технического результата является то, что боковые стенки крышки выполнены скошенными под углом, лежащим в пределах 0-12^o относительно горизонтальной плоскости, при этом бак установлен с расположением каждой скошенной стенки в плоскости, проходящей через меридиан.

Технический результат достигается также тем, что прозрачный для солнечных лучей слой изоляции закреплен на боковых стенках крышки.

Кроме того, прозрачный для солнечных лучей слой изоляции выполнен из оптически прозрачного, устойчивого к воздействию солнечной радиации органического материала, например из целлофана или из листового стекла, и установлен на отбортовке стенок бака параллельно дну крышки.

Достижению технического результата способствует и то, что крышка выполнена из черненого тонколистового алюминия или его сплавов.

Кроме того, по меньшей мере, часть наружной боковой поверхности и дно бака покрыты теплозащитным материалом.

И, наконец, еще одним средством достижения технического результата является то, что в дне бака выполнен дополнительный выходной патрубок, который снабжен краном, причем на патрубке расположена сетчатая насадка с образованием душевой установки.

На фиг. 1 изображен солнечный нагреватель жидкости со слоем изоляции, установленным на плавающем противне, вид сбоку, частично в разрезе меридиональной плоскостью; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - солнечный нагреватель жидкости со слоем изоляции, установленным на отбортовке стенок бака, вид сбоку, частично в разрезе меридиональной плоскостью; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3.

Солнечный нагреватель жидкости выполнен в виде прямоугольного металлического бака 1, заполненного жидкостью 2, например водой. Бак 1 имеет входной патрубок 3 с краном и два выходных патрубка 4 и 5, один из которых (патрубок 4) может быть использован для непрерывного стока подогреваемой жидкости, а другой (патрубок 5) также имеет кран 6 и сопряжен с насадкой 7, образуя душевую установку.

Со стороны падающих солнечных лучей 8 бак 1 перекрыт верхней крышкой с закрепленным на ее боковых стенках прозрачным для солнечных лучей слоем изоляции 9. Этот слой изоляции образует воздушный зазор 10 с указанной крышкой, выполненной в виде плавающего противня 11. Последний установлен в баке 1 с некоторым погружением, но непотопляемо на поверхности жидкости 2.

Противень 11 изготовлен из легкого теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам 8, покрыта лучепоглощающим материалом 12. В рассматриваемых вариантах использования противень изготовлен из черненого алюминия или легких сплавов на его основе. Внутренняя часть противня 11 покрыта со стороны подающих солнечных лучей матированным слоем черной краски или копотью сажеобразующих горючих веществ. Противень 11 установлен в баке 1 с возможностью полного экранирования обращенной к солнцу поверхности жидкости, уменьшая тем самым испарение до минимума. Однако при этом обеспечивается перемещение противня вверх и вниз при заполнении бака 1 жидкостью и при снижении уровня жидкости 2 в результате ее расходования. Для увеличения поверхности контакта противня 11 с жидкостью 2 и как следствие повышения теплопередачи, его дно имеет гофры 14, т.е. выполнено гофрированными (см. фиг. 2). Во втором варианте использования на дне противня 15 изготовлены погружаемые в жидкость теплопередающие ребра 16 (см фиг. 3 и 4), которые еще более усиливают эффект передачи аккумулируемого противнем тепла в объем жидкости, ускоряя ее прогревание.

Глубина погружения противней 11 и 15 в жидкость рассчитывается с учетом массы выбранного материала, рода нагреваемой жидкости и поверхности контакта с ней, а его боковые стенки не должны превышать 15-30 мм над уровнем поверхности жидкости в рабочем состоянии устройства.

Для уменьшения глубины погружения противня в жидкость, что равнозначно снижению материалоемкости, на его дне со стороны контакта с ней установлены поплавки 17 (см. фиг. 3 и 4). Поплавки могут быть размещены на периферии противня и закреплены на теплопередающих ребрах 16.

Противни 11 и 15 в обоих вариантах исполнения устройства (см. фиг. 1 и 3) в меридиональном сечении плоскостью с севера на юг, что соответствует предпочтительной ориентации устройства при эксплуатации его в северных широтах, выполнены с боковыми стенками, скошенными в выбранных пределах от 0 до 12^o относительно горизонтальной плоскости, соответствующими изменению угла наклона его дна, за счет смещения центра тяжести в сторону увеличенной высоты его боковых стенок.

В первом варианте исполнения солнечного нагревателя жидкости (см. фиг. 1 и 2) прозрачный для солнечных лучей слой изоляции 9 установлен через уплотнение непосредственно или в специальной оправке на боковых стенках плавающего противня, образуя воздушный зазор 10 с покрытым лучепоглощающим материалом 12 дном 13. Слой изоляции 9 размещен на стенках противня 11 таким образом, чтобы исключить попадание пыли и осадков на лучепоглощающий материал 12. Стравливание избыточного давления воздуха, возникающего при нагревании плавающего противня 11, может быть осуществлено через капиллярные каналы (не показаны), выполненные в боковых стенках противня 11 выше уровня погружения его в жидкость 2, либо через устройство традиционного сапуна (не показано).

Во втором варианте исполнения (см. фиг. 3 и 4) прозрачный для солнечных лучей слой изоляции 19 установлен на отбортовке стенок бака 18 параллельно дну плавающего противня 15.

Оба варианта исполнения устройства предусматривают использование в качестве слоя изоляции 9 и 19 оптически прозрачного, устойчивого к воздействию солнечной реализации целлофана или листового стекла.

Для устройства, показанного на фиг. 1 и 2, предпочтение следует отдавать использованию в качестве слоя изоляции 9 целлофана, натянутого на облегченную оправку 20, устанавливаемую на скошенные стенки противня 11 под небольшим углом к горизонту, обеспечивающим сток дождевой воды в зазоры между стенками противня и бака.

Кроме того, бак 1 может быть дополнительно перекрыт листовым стеклом (не показан), увеличивающим тепловую изоляцию радиационно нагреваемого дна плавающего противня 11 и защищающим его от загрязнения.

Оба предложенных варианта исполнения устройства предусматривают покрытие по крайней мере части наружной боковой поверхности и днища бака 1 и 18 теплозащиты материалом 21 и 22 соответственно, например пенопластом, защищенным фольгой с наружной стороны.

Функционирование солнечного нагревателя жидкости осуществляется следующим образом.

При заполнении бака 1 или 18 (см. фиг. 1 и 3) жидкостью через входной патрубок 3 плавающие противни 11 и 15 соответственно всплывают и поднимаются в крайнее верхнее положение в баке, которое определяется уровнем выходного патрубка 4.

Солнечные лучи 8 проходят через прозрачный для них слой изоляции 9 и 19 и поступают на внутреннюю покрытую лучепоглощающим материалом 12 поверхность плавающего противня 11, нагревая ее до температуры, достигающей 70-80^oC. За счет кондуктивной теплопередачи и высокой теплопроводности материала дна плавающего противня 11 энергия солнечного излучения, преобразованная в тепловую, передается в объем жидкости (воды), в которую частично погружен противень, нагревая ее. При этом за счет перекрытия объема противня 11 (или бака 18) слоем оптически прозрачной изоляции 9 и 19 образуются воздушные зазоры, существенно снижающие конвективный теплообмен дна противня 11 или 15 с окружающей средой (проявляется "парниковый эффект"), что способствует быстрому накоплению тепла и эффективному нагреву жидкости. Последнему способствует также удовлетворительный кондуктивный и конвективный теплообмен между дном плавающего противня 11 и 15 и жидкостью за счет имеющихся на дне гофр или теплопередающих ребер.

Предлагаемый нагреватель эффективно функционирует как в режиме непрерывного подогрева слабопроточной жидкости через выходной патрубок 4 при открытом входном патрубке 3 и перекрытом краном 6 выходном патрубке 5, так и в режиме дискретного подогрева жидкости в заполненных баках 1 или 18 и перекрытых патрубках 3 и 5.

Оба варианта исполнения устройства предусматривают как стационарную подачу жидкости (воды) через входной патрубок 3 от водопровода, так и ручное заполнение бака через воронку (не показано), сопрягаемую с указанным входным патрубком.

Преимущества предлагаемого нагревателя вытекают из возможности эффективного нагрева жидкости с более высоким КПД независимо от условий его использования, непрерывного или кратковременно (дискретного), и как следствие в расширении его функциональных возможностей (для душа, обогрева и т.п.).

Изобретение относится к гелиотехнике. Солнечный нагреватель жидкости содержит заполненный жидкостью бак 1 с входным 3 и выходным 4 патрубками. Бак закрыт со стороны солнечных лучей по меньшей мере одним слоем прозрачной для лучей изоляцией 9, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию солнечных лучей поверхности крышки бака. Крышка изготовлена в виде противня 11, плавающего в баке, причем крышка выполнена из теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам, покрыта лучепоглощающим материалом. 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Солнечный нагреватель жидкости, содержащий заполненный жидкостью бак с входным и выходными патрубками, закрытый со стороны солнечных лучей по меньшей мере одним слоем прозрачной для лучей изоляции, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию солнечных лучей поверхности крышки бака, отличающийся тем, что крышка изготовлена в виде противня, плавающего в баке, причем крышка выполнена из теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам, покрыта лучепоглощающим материалом. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что крышка размещена с возможностью полного экранирования обращенной к солнцу жидкости, а дно крышки выполнено гофрированным. 3. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что на дне крышки выполнены погружаемые в жидкость теплопередающие ребра. 4. Нагреватель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что на дне крышки со стороны жидкости установлены поплавки. 5. Нагреватель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что боковые стенки крышки выполнены скошенными под углом 0 - 12^o относительно горизонтальной плоскости, при этом бак установлен с расположением каждой скошенной стенки в плоскости, проходящей через меридиан. 6. Нагреватель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что прозрачный для солнечных лучей слой изоляции закреплен на боковых стенках крышки. 7. Нагреватель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что прозрачный для солнечных лучей слой изоляции выполнен из оптически прозрачного, устойчивого к воздействию солнечной радиации органического материала, например из целлофана или из листового стекла, и установлен на отбортовке стенок бака параллельно дну крышки. 8. Нагреватель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что крышка выполнена из черненого тонколистового алюминия или его сплавов. 9. Нагреватель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что по меньшей мере часть наружной боковой поверхности и дно бака покрыты теплозащитным материалом. 10. Нагреватель по пп.1 - 9, отличающийся тем, что в дне бака выполнен дополнительный входной патрубок, который снабжен краном, причем на патрубке расположена сетчатая насадка с образованием душевной установки.