ГЕЛИОУСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F24J2/04 

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в системах горячего водоснабжения и отопления.

Известна гелиоустановка, содержащая последовательно расположенные расходный бак холодной воды с поплавковым регулятором уровня, гелиоколлектор, на выходе из которого установлен вентиль, а ниже располагается емкость (бак-аккумулятор), в которую поступает нагретая вода, что обеспечивает поступление воды самотеком без использования насосов (Тонака С., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплоснабжением. - М.: Стройиздат, 1989, с. 14, рис. 1.4а, SU 836466 1981, CH 676746 1991, DE 3934535 1991, FR 2568990 1986, US 4960105 1990).

Основными недостатками этой гелиоустановки являются: большие капитальный затраты, связанные с тем, что гелиоколлектор целиком выполнен из дорогостоящих элементов, например НПК-2 или СПК-2, позволяющих нагреть воду до требуемой температуры; невозможность надежной работы, т.к. получение нагретой воды с заданной температурой невозможно регулированием лишь с помощью вентиля.

Известна гелиоустановка, содержащая многоступенчатый коллектор солнечной энергии /гелиоколлектор/, каждая ступень которого имеет контур принудительной /насосной/ циркуляции и связана с одной из температурных зон бака-аккумулятора. В нижнюю зону бака-аккумулятора подается холодная вода из расходного бака, горячая воды забирается из верхней зоны бака-аккумулятора. Первая ступень гелиоколлектора состоит из ряда последовательно соединенных элементов с неселективной поверхностью, теплоизоляцией и одинарным остеклением. Вторая ступень состоит из таких же элементов с двойным остеклением. Третья ступень состоит из элементов с селективной поверхностью, теплоизоляцией и двойным остеклением /Зоколей С. Солнечная энергия и строительство: Пер. с англ. /Под ред. Ю.Н. Малевского: - М.: Стройиздат, 1979, с. 31, рис. 2.14/.

Основными недостатками являются:
- большие эксплуатационные затраты на привод нескольких циркуляционных насосов,
- большие капитальные затраты на дорогостоящие элементы гелиоколлектора, достаточно высокого бака-аккумулятора, необходимого для создания трех характерных температурных зон, и сложную систему регулирования расхода в каждом из циркуляционных контуров,
- низкая надежность работы, т.к. даже при кратковременном отключении электроэнергии прекращается циркуляция воды в контурах, что может привести к значительному перегреву и разрушению гелиоколлектора.

Задача изобретения - повышение экономичности и надежности работы гелиоустановки.

Технический результат достигается последовательным соединением ступеней гелиоколлектора, располагающегося между расходным баком холодной воды и баком-аккумулятором, обеспечивающим подогрев и безнасосное перетекание воды из расходного бака холодной воды в бак-аккумулятор. Первая по ходу движения воды ступень гелиоколлектора изготавливается из наиболее простых и дешевых элементов - абсорберов, позволяющих осуществить подогрев воды до температуры 35-40^oC. Вторая ступень гелиоколлектора изготавливается из элементов, имеющих одинарное остекление и теплоизоляцию и позволяет произвести подогрев воды до температуры 50-55^oC. Третья ступень гелиоколлектора состоит из элементов, имеющих двойное остекление, теплоизоляцию, и позволяет произвести подогрев воды до температуры 60-65^oC. Регулирующий вентиль, регулятор температуры и емкость постоянного уровня, расположенная в верхней части бака-аккумулятора, позволяют при изменении поступления солнечной энергии на гелиоколлектор и уровня горячей воды в баке-аккумуляторе поддерживать постоянную /изменяющуюся в небольшом заданном диапазоне/ температуру горячей воды.

На чертеже изображена принципиальная схема гелиоустановки.

Гелиоустановка состоит из расходного бака холодной воды 1 с поплавковым регулятором уровня 2, первой ступени гелиоколлектора 3, второй ступени гелиоколлектора 4, третьей ступени гелиоколлектора 5, регулирующего вентиля 6, регулятора температуры 7, емкости постоянного уровня 8, бака-аккумулятора 9.

Бак-аккумулятор 9 расположен ниже расходного бака холодной воды 1. Ступени гелиоколлектора соединены последовательно. После последней ступени гелиоколлектора размещены регулятор температуры 7 и регулирующий вентиль 6.

Гелиоустановка работает следующим образом. Холодная вода подается в расходный бак холодной воды. Под действием солнечного излучения вода, последовательно протекая через ступени гелиоколлектора 3, 4 и 5, нагревается и поступает в бак-аккумулятор 9. Из бака-аккумулятора 9 горячая вода подается потребителю. Разность уровней воды в расходном баке 1 и в емкости постоянного уровня 8, а также размеры отверстий в емкости постоянного уровня рассчитываются таким образом, чтобы при максимальном поступлении солнечного излучения в середине дня в летние месяца обеспечивался максимальный расход воды, поступающей в бак-аккумулятор 9, с максимально допустимой температурой, при этом регулирующий вентиль 6 должен быть полностью открытым. Разность уровней в баке холодной воды 1 и в емкости постоянного уровня 8 определяется по формуле

где
λ - коэффициент линейных потерь напора,
ξ_i - коэффициенты местных сопротивлений,
l, d - длина и диаметр соединительных патрубков, м,
ρ - плотность воды, кг/м³,
M_max - максимальный массовый расход в гелиосистеме, рассчитываемый по формуле:

где
n - количество ступеней гелиосистемы n = 3;
F_i - площадь поверхности i-й ступени гелиосистемы, м²;
ηmaxi

- максимальный КПД i-й ступени гелиоколлектора;
K_i - коэффициент теплопередачи i-й ступени гелиоколлектора, Вт/M²K;
конечная и средняя температура воды в i-й ступени гелиоколлектора, ^oC;
Т_в - температура окружающего воздуха, ^oC;
η_БП - коэффициент, учитывающий теплопотери в баке-аккумуляторе и соединительных патрубках,
C - удельная теплоемкость воды, Дж/кгK.

Суммарная площадь отверстий в емкости постоянного уровня 8 рассчитывается по формуле

где
μ - коэффициент расхода;
g - ускорение свободного падения, м/с².

Для регулирования температуры горячей воды, поступающей в бак-аккумулятор 9, используются регулировочный вентиль 6 и регулятор температуры 7, при этом шток регулировочного вентиля должен быть в положении, обеспечивающем минимальное число срабатываний исполнительного механизма регулятора температуры.

Гелиоустановка относится к гелиотехнике и может быть использована в системах горячего водоснабжения и отопления. Изобретение повышает экономичность и надежность работы гелиоустановки. Установка содержит последовательно соединенные ступени гелиоколлектора, обеспечивающего подогрев и безнасосное перетекание воды из расходного бака холодной воды в бак-аккумулятор. Первая по ходу движения воды ступень гелиоколлектора изготавливается из наиболее простых и дешевых элементов - абсорберов, позволяющих осуществить подогрев воды до температуры 35-40^oС. Вторая ступень гелиоколлектора изготавливается из элементов, имеющих одинарное остекление и теплоизоляцию, и позволяет произвести подогрев воды до 50-55^oС. Третья ступень гелиоколлектора состоит из элементов, имеющих двойное остекление, теплоизоляцию, и позволяет произвести подогрев воды до 60-65^oС. Регулирующий вентиль, регулятор температуры и емкость постоянного уровня, расположенная в верхней части бака-аккумулятора, позволяют при изменении поступления солнечной энергии на гелиоколлектор и уровня горячей воды в баке-аккумуляторе поддерживать постоянную температуру горячей воды. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гелиоустановка, содержащая многоступенчатый гелиоколлектор, расходный бак холодной воды с поплавковым регулятором уровня и бак-аккумулятор, отличающаяся тем, что бак-аккумулятор расположен ниже расходного бака холодной воды, ступени гелиоколлектора соединены последовательно и после последней ступени гелиоколлектора размещены регулирующий вентиль и регулятор температуры. 2. Гелиоустановка по п.1, отличающаяся тем, что первая ступень гелиоколлектора выполнена в виде абсорбера.