СИСТЕМА СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F24J2/42 F24J2/34 

Изобретение относится к гелиотехнике, конкретно к системам горячего водоснабжения круглогодичного действия.

Известна гелиосистема, содержащая солнечный коллектор, бак-аккумулятор, теплообменники, насосы, трубопроводы и дополнительные устройства (SU 1374000 А1, MПK⁴ F 24 J 2/42, 1988).

Технический недостаток системы: повышенная сложность, в частности наличие нескольких насосов и теплообменников, при ограниченной области применения.

Известна также система солнечного теплоснабжения, содержащая солнечные коллекторы, бак-аккумулятор с размещенным в нем теплообменником, насос для прокачки теплоносителя и соответствующие трубопроводы и приборы (SU 1548617 А1, МПК⁵ F 24 J 2/34, F 24 J 2/42, 1990).

Технический недостаток данной системы - повышенная сложность, ограниченная область применения и недостаточная экономичность, в том числе отсутствие возможности функционирования в теплое время года за счет естественной циркуляции теплоносителя при его нагреве - без применения насоса.

Техническая задача - упрощение системы, расширение ее функциональных возможностей и повышение экономичности за счет возможности работы как в насосном режиме, так и за счет естественной циркуляции при круглогодичном действии.

Согласно изобретению в системе солнечного теплоснабжения коллекторы установлены ниже теплообменника, который выполнен в виде емкости с развитой наружной поверхностью, трубопроводы, соединяющие коллекторы с теплообменником и насосом, снабжены запорными элементами с возможностью поочередного образования двух контуров: коллекторы - теплообменник; насос - коллекторы - теплообменник, сообщающийся с дополнительно введенным расширительным баком; бак-аккумулятор снабжен периодически действующим электронагревателем; насос выполнен с возможностью изменения производительности.

На чертеже изображена схема системы солнечного теплоснабжения.

Система солнечного теплоснабжения содержит солнечные коллекторы 1, их количество и общая площадь гелиополя зависят от мощности системы. Коллекторы установлены лицевой стороной на юг и наклонены к горизонту на угол, оптимальный для данной географической широты. В состав системы входит бак-аккумулятор 2 с размещенным в нем теплообменником 3. Бак-аккумулятор выполнен с термоизоляцией стенок, а теплообменник имеет развитую наружную поверхность. Коллекторы 1 установлены ниже теплообменника 3. Коллекторы соединены между собой внизу охватывающим крайние стороны более длинным трубопроводом 4, а вверху - коротким трубопроводом 5, соединяющим ближние стороны коллекторов. Коллекторы посредством указанных трубопроводов 4 и 5 и транзитных трубопроводов 6, 7 и 8, 9 сообщаются соответственно с нижним и верхним отсеками теплообменника 3, проходя (с соответствующим уплотнением) через стенку бака-аккумулятора 2. Трубопроводы 6 и 8 снабжены запорными элементами 10 и 11.

Параллельно трубопроводу 6 смонтирован трубопровод 12 с электроприводным насосом 13 и своим запорным элементом 14, а параллельно трубопроводу 8 - трубопровод 15 с запорным элементом 16 и с регулируемым дросселем 17. Насос 13 выполнен с возможностью изменения производительности. На пересечении трубопроводов 9 и 15, сообщающихся с верхним отсеком теплоприемника 3, установлен дополнительно введенный расширительный бак 18. Донная часть бака-аккумулятора 2 снабжена периодически действующим электронагревателем 19, а также трубопроводом 20 с запорным элементом 21 для закачки воды. На определенной высоте в стенку бака 2 вмонтирован трубопровод 22 со своим запорным элементом 23 для забора горячей воды. Система снабжена датчиками давления 24-26, температуры 27-28 и скорости потока 29; их места установки показаны на чертеже. Для заправки системы циркуляции предусмотрен трубопровод 30 с запорным элементом 31 и обратным клапаном 32. Все запорные элементы 10, 11, 14, 16, 21, 23, 31 выполнены преимущественно полнопроходными - в виде шаровых кранов.

Система солнечного теплоснабжения работает следующим образом.

Заправку закрытой системы циркуляции, включающей коллекторы 1, теплообменник 3, расширительный бак 18 и трубопроводы 4-9, 12 и 15 производят при открытых запорных элементах 10, 11, 14, 16, 31 и дросселе 17 путем закачки теплоносителя посредством трубопровода 30 с преодолением усилия пружины обратного клапана 32. В качестве теплоносителя используют незамерзающую жидкость, например антифриз. Заправку заканчивают после выпуска из системы воздуха (не показано) и достижения некоторого избыточного давления (контролируется датчиками давления 24-26). Истечению жидкости из системы препятствует обратный клапан 32, для надежности запорный элемент 31 закрывают. Закачку в бак-аккумулятор 2 "сырой" (холодной) воды производят через трубопровод 20 после открытия запорного элемента 21.

В теплое время года нагрев теплоносителя в теплообменнике 3 производится за счет естественной циркуляции - без использования насоса 13 и электронагревателя 19. Для этого запорные элементы 14 и 16 закрывают, а элементы 10 и 11 остаются открытыми. В этом случае теплоноситель за счет его разогрева посредством солнечных коллекторов 1 самопроизвольно циркулирует по "малому" контуру коллекторы 1 - теплообменник 3. Поскольку коллекторы расположены ниже теплообменника, то теплоноситель из нижнего менее нагретого отсека теплообменника опускается по трубопроводу 7, через открытый запорный элемент 10 поступает в трубопроводы 6 и 4 и заполняет коллекторы 1. Теплоноситель, нагреваясь в коллекторах, расширяется и его "избыточный" объем через короткий трубопровод 5 и магистральные трубопроводы 8 и 9 (с открытым запорным элементом 11) поступает в верхний более нагретый отсек теплообменника 3. Вследствие того, что длина трубопровода 4, соединяющего коллекторы снизу, больше длины верхнего трубопровода 5, то происходит диагональное перетекание теплоносителя по трубчатым элементам коллекторов, что приводит к более интенсивному разогреву теплоносителя. Тепло теплоносителя через развитую наружную поверхность теплообменника 3 разогревает воду в баке-аккумуляторе 2. Температура воды в транзитном трубопроводе 9 и на определенной высоте в баке 2 контролируется датчиками температуры 27 и 28. Быстрому остыванию воды в баке 2 препятствует его термоизоляция стенок. При необходимости срочного (первоначального) разогрева воды в баке 2 включают электронагреватель 19, после его отключения необходимая температура в баке 2 поддерживается системой циркуляции коллекторы 1 - теплообменник 3.

В холодное время года, когда система циркуляции по "малому" контуру не обеспечивает необходимый температурный режим в баке-аккумуляторе 2, циркуляцию теплоносителя переключают на "большой" контур: электроприводной насос 13 - коллекторы 1 - теплообменник 3, сообщающийся с дополнительно введенным расширительным баком 18. Для этого запорные элементы 14 и 16 открывают, а элементы 10 и 11 закрывают, регулируют дроссель 17 по принципу: чем ниже температура окружающей среды, тем меньше проходное отверстие. После этого насос 13 посредством трубопроводов 7 и 12 забирает теплоноситель из теплообменника 3 и через трубопровод 4 нагнетает его в коллекторы. Сочетание определенного действия солнечной теплоты (даже в холодное время) и нагрева жидкости за счет ее "продавливания" по трубчатым элементам коллекторов обеспечивает нагрев теплоносителя. Необходимую температуру теплоносителя (контролируется датчиком температуры 28) и воды в баке-аккумуляторе 2 (контролируется датчиком 27) поддерживают за счет варьирования производительностью насоса 13 и проходным сечением дросселя 17 (контролируется датчиком 29 скорости течения теплоносителя); дроссель способствует дополнительному нагреву воды. При необходимости периодически задействуют электронагреватель 19. Расширительный бак 18 предотвращает забросы давления в системе.

В любых режимах работы забор горячей воды из бака-аккумулятора 2 и ее подачу потребителю осуществляют посредством трубопровода 22 при открытии запорного элемента 23. При достижении в баке заданной температуры (обычно 63 ± 2^oС) датчик 27 посредством системы управления подает сигнал на отключение электродвигателя насоса 13 или электронагревателя 19. В случае использования горячей воды в системе отопления отработанную воду (с меньшей, но не комнатной температурой) посредством трубопровода 20 при открытом запорном элементе 21 возвращают в бак-аккумулятор 2.

Таким образом, система солнечного теплоснабжения при ее сравнительной простоте обладает более широкими функциональными возможностями и повышенной экономичностью. Это достигается за счет работы как в насосном режиме, так и за счет естественной циркуляции теплоносителя. Система приспособлена для круглогодичного действия, в необходимых случаях периодически задействуют электронагреватель воды. Экономичности и безопасности системы способствуют и датчики давления, температуры и скорости потока, которые соединены с общим пультом управления (не показан).

Область применения - гелиотехника круглогодичного действия. Система содержит солнечные коллекторы, бак-аккумулятор с размещенным в нем теплообменником, насос для прокачки теплоносителя и соответствующие трубопроводы и приборы. Коллекторы установлены ниже теплообменника, который выполнен в виде емкости с развитой наружной поверхностью, трубопроводы, соединяющие коллекторы с теплообменником и насосом, снабжены запорными элементами с возможностью поочередного образования двух контуров: коллекторы - теплообменник; насос - коллекторы - теплообменник - расширительный бак. Изобретение должно обеспечить упрощение системы, расширение ее функциональных возможностей и повышение экономичности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система солнечного теплоснабжения, содержащая солнечные коллекторы, бак-аккумулятор с размещенным в нем теплообменником, насос для прокачки теплоносителя и соответствующие трубопроводы и приборы, отличающаяся тем, что коллекторы установлены ниже теплообменника, который выполнен в виде емкости с развитой наружной поверхностью, трубопроводы, соединяющие коллекторы с теплообменником и насосом, снабжены запорными элементами с возможностью поочередного образования двух контуров: коллекторы - теплообменник; насос - коллекторы - теплообменник, сообщающийся с дополнительно введенным расширительным баком. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что бак-аккумулятор снабжен периодически действующим электронагревателем. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что насос для прокачки теплоносителя выполнен с возможностью изменения производительности.