ГЕЛИОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F24J2/26 F24J2/48 

Изобретение относится к области использования солнечной энергии для обеспечения энергетических нужд в быту и на производстве, а именное для обеспечения потребностей в тепловой энергии.

Известен гелиотермический преобразователь US 2133649, содержащий прямоточную стеклянную трубу теплоносителя, проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку, и упругие элементы в виде гофров на части трубы теплоносителя, сделанные для компенсации теплового расширения трубы.

Известный преобразователь не имеет специального поглощающего слоя. Поглощение солнечного излучения происходит непосредственно в теплоносителе, поэтому эффективность его преобразования в тепловую энергию оказывается невысокой. Ввиду низких механических свойств стекла, стенки трубы теплоносителя необходимо изготовлять толстыми. Это обстоятельство, в сочетании с низким значением коэффициента теплопроводности стекла, приводит к низкой теплопроводности трубы в целом и также ухудшает эффективность преобразователя. Эффективность преобразователя при высоких рабочих температурах будет понижаться еще и потому, что при повышении температуры повышается давление в вакуумной полости. А при повышении давления ухудшаются теплоизолирующие свойства вакуумного промежутка. Данный преобразователь из-за низкой температуры размягчения стекла невозможно использовать в системах с концентрацией излучения для получения высоких температур теплоносителя.

Наиболее близким по техническому решению является гелиотермический преобразователь US 4628905 - содержащий металлическую трубу теплоносителя, проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку. На поверхности трубы теплоносителя нанесено селективное поглощающее слоистое покрытие (три различных слоя).

Данный преобразователь имеет более высокую эффективность преобразования, однако его нельзя использовать при температурах выше 100-150^oC, так как он не содержит упругий элемент для компенсации теплового расширения трубы теплоносителя. Кроме того, многослойное покрытие будет деградировать в результате взаимной диффузии слоев и отшелушиваться при повышении температуры из-за различных коэффициентов теплового расширения различных слоев. Недостатком известного преобразователя является также необходимость использовать для изготовления трубы преобразователя только титан и нержавеющую сталь. Эффективность преобразователя снижается из-за того, что многослойное покрытие обладает высоким поглощением только при падении солнечных лучей в диапазоне углов, близких к нормали, примерно в области 0-30^o.

Технический результат изобретения заключается в увеличении рабочей температуры гелиотермического преобразователя, повышении эффективности преобразования, расширении номенклатуры металлов и сплавов, используемых для изготовления трубы теплоносителя.

Технический результат достигается благодаря тому, что поглощающий селективный оптический слой выполнен на внешней поверхности трубы в виде слоя с развитым рельефом, а труба теплоносителя сочленяется со стеклянной оболочкой через упругие элементы. С целью предотвращения повышения давления под стеклянной оболочкой во время работы при высоких температурах преобразователь до герметизации оболочки подвергнут термической обработке в вакууме с целью обезгаживания.

Слой может содержать 1 - 20 ат.% иного металла, более тугоплавкого, чем материал трубы или 60 - 90 ат.% металла, менее тугоплавкого, чем материал трубы. Труба теплоносителя может быть выполнена из металлического сплава, в этом случае поглощающий слой содержит те же компоненты, что и труба теплоносителя. Диаметр трубы теплоносителя и стеклянной оболочки, а также степень обезгаживания стеклянной оболочки могут быть выбраны такими, чтобы наименьшее расстояние между трубой теплоносителя и стеклянной оболочкой было меньше длины свободного пробега молекул в вакуумном промежутке. Упругие элементы выполняют в виде металлических цилиндрических сильфонов или плоских гофрированных мембран.

Введение в поверхностный слой трубы преобразователя в процессе нагрева и ионной бомбардировки инородных атомов способствует развитию рельефа и, тем самым, увеличивает поглощение солнечных лучей и обеспечивает селективные оптические свойства поверхности. Высокий уровень поглощения сохраняется в широком диапазоне углов падающего излучения, и этим объясняется повышение эффективности преобразования при использовании рельефного поглощающего слоя по сравнению с нанесенными гладкими слоями. В качестве материала трубы может быть выбран любой металл или сплав.

Например, при бомбардировке нагретой до 300^o медной трубы термического преобразователя ионами инертного газа (аргона) с одновременным осаждением на нее атомов железа удается сформировать рельеф, обеспечивающий поглощение 80 - 95% падающего излучения. А его собственное излучение меняется от 7 до 15% от излучения черного тела при изменении концентрации железа в слое в диапазоне от 2 до 30%. Поглощающая структура представляет собой систему близкорасположенных микровыступов высотой до 5 мкм, и поперечными размерами 1-1,5 мкм, состоящих из еще более мелких выступов. Такая структура обеспечивает примерно одинаковое поглощение света в диапазоне углов от 0 до 60^o относительно нормали.

В случае содержания в поверхностном слое до 90 ат.% элемента, менее тугоплавкого, чем материал трубы, удается получить примерно такие же технические параметры, но температуру процесса формирования поглощающего слоя при этом становится возможным снизить. Например, при введении до 90% алюминия в поверхностный слой трубы из меди удается получить гелиотермический преобразователь с такими же показателями, как в предыдущем примере. В то же время температура процесса формирования рельефа поддерживается равной 100- 150^oC. Если же трубу теплоносителя выполнить из сплава, то технический результат изобретения достигается просто бомбардировкой нагретой поверхности трубы в вакууме ионами инертного газа. Например, поглощающий слой на трубе из сплава медь-никель, содержащего 80% меди и 20% никеля, формируется бомбардировкой поверхности сплава ионами аргона в диапазоне температур Т=300-400^oC.

Обезгаживание элементов преобразователя путем прогрева в вакууме привело к тому, что при длительной эксплуатации преобразователя при температуре 100-120^oC давление в вакуумной полости преобразователя поднималось не более чем на 7-8% и после охлаждения возвращалось к исходному значению. Сравнительные испытания показали, что эффективность вакуумированного преобразователя (то есть отношение тепловой энергии, идущей на нагрев теплоносителя, к энергии приходящегося на трубу преобразователя солнечного излучения) начинает превосходить эффективность невакуумированного, начиная примерно с 50^oC. Эта разница достигает примерно 30% при температуре 90^oC.

Используемые упругие элементы позволили поднять температуру поверхности трубы преобразователя до 350-400^oC. При этом разница температур трубы и стеклянного кожуха достигала 250-300^oC.

На фиг. 1 изображен пример выполнения гелиотермического преобразователя; на фиг. 2 - тот же преобразователь с концентратором солнечного излучения.

Гелиотермический преобразователь содержит металлическую трубу теплоносителя 1 с поглощающим солнечное излучение слоем 2, заключенным в вакуумированную оболочку из стекла 3, ограничивающим вакуумную полость 4. Упругие элементы 5 выполнены в виде сильфонов. Для обеспечения эффективной работы преобразователь дополняется концентратором солнечного излучения 7.

Гелиотермический преобразователь работает следующим образом. Преобразователь крепится вдоль фокусной линии цилиндрического зеркального концентратора, обеспечивающего фокусировку солнечного излучения на поглощающую поверхность. Один конец трубы преобразователя подключается к системе, обеспечивающей поступление к нему холодного термоносителя - воды, масла и т.п. (на фиг. не показана) Другой конец трубы подключают к устройству, потребляющему нагретый теплоноситель, или к аккумулирующему устройству (на фиг. не показано). Солнечное излучение, сконцентрированное на поверхности трубы 1, греет ее и протекающий сквозь нее теплоноситель. Упругий компенсирующий элемент 5, служит для компенсации удлинения трубы 1 при ее нагреве, исключая таким образом поломку стекла вакуумированной оболочки 3. Вакуумированное пространство между трубой 1 и стеклянной оболочкой 3 уменьшает тепловые потери трубы за счет уменьшения теплопроводности и исключения конвекции воздуха. Это позволяет успешно использовать преобразователь даже в условиях неинтенсивного солнечного излучения в утренние и вечерние часы, в осенний, весенний и зимний периоды года. Благодаря способности поглощающего слоя работать без потери свойств при высоких температурах, а также использованию компенсирующего элемента, удается поднять равновесную температуру преобразователя до нескольких сот градусов. Это дает возможность не только греть воду до 100^oC, опреснять ее, получать пар и горячий воздух с температурой до 300-400^oC. С помощью разработанных гелиотермических преобразователей можно за счет солнечной энергии обеспечить работу холодильных устройств, кондиционеров, получать электроэнергию, использовать тепло гелиоустановок в технологических целях.

Изобретение относится к области использования солнечной энергии для обеспечения энергетических нужд в быту и на производстве, а именно для обеспечения потребностей в тепловой энергии, и может быть использовано при изготовлении высокотемпературных гелиотермических установок. Гелиотермический преобразователь состоит из металлической прямоточной трубы 1 теплоносителя с оптическим селективным поглощающим слоем 2 на внешней поверхности, проходящим сквозь стеклянную вакуумированную оболочку 3, и упругих элементов 5, компенсирующих тепловое расширение трубы 1 и установленных между трубой 1 и стеклянной оболочкой 3. Труба 1 теплоносителя, стеклянная оболочка 3, и упругие элементы 5, обезгажены прогревом в вакууме для того, чтобы предотвратить ухудшение вакуума в вакуумной полости 4 при работе в области высоких температур. Поглощающий слой 2, сформирован развитием рельефа на различных металлах и сплавах и не теряет своих свойств при высоких температурах. Слой 2, созданный на поверхности меди, обеспечивает поглощение до 95% солнечных лучей в широком диапазоне углов падения от 0 до 60^o относительно нормали. Собственное излучение составляет 2 - 15% от излучения черного тела. При использовании с концентраторами солнечного излучения преобразователь позволяет доводить температуру теплоносителя до 300 - 400^oС. Его можно использовать для нагрева воды, получения пресной воды, пара, горячего воздуха и т.п. 6 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Гелиотермический преобразователь, содержащий прямоточную трубу теплоносителя, выполненную из металла с поверхностным селективным оптическим поглощающим слоем и проходящую с зазором сквозь стеклянную вакуумированную оболочку, отличающийся тем, что поверхностный селективный оптический поглощающий слой образован развитием рельефа на внешней поверхности трубы, труба теплоносителя и стеклянная оболочка соединены через упругие элементы, а преобразователь до герметизации стеклянной оболочки подвегнут термической обработке в вакууме с целью обезгаживания. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поглощающий слой содержит 1 - 20 ат.% иного металла, более тугоплавкого, чем материал трубы. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что поглощающий слой содержит 60 - 90 ат.% иного металла, менее тугоплавкого, чем материал трубы. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что труба теплоносителя выполнена из металлического сплава, и поглощающий слой содержит те же компоненты, что и труба теплоносителя. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что наименьшее расстояние между трубой теплоносителя и стеклянной оболочкой меньше длины свободного пробега молекул в вакуумном промежутке. 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде цилиндрических сильфонов. 7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены в виде плоских гофрированных металлических мембран.