СОЛНЕЧНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2003 года по МПК F24J2/04 F24J2/28 

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике, в частности к средствам получения тепла, холода и электричества с помощью солнечной энергии.

Известна система солнечного теплоснабжения здания, содержащая гелиоприемник, связанный с ним прямыми и обратными трубопроводами аккумулятор тепла, теплообменник передачи тепла, циркуляционный насос, регулирующий подвижный экран, эжектор, установленный в воздушном объеме аккумулятора тепла, запорно-регулирующая арматура [1].

К недостаткам известного устройства относятся наличие циркуляционного насоса и регулирующего экрана, что снижает эффективность и КПД устройства, а также зависимость температуры охлаждаемого агента от температуры наружного воздуха, что ограничивает параметры получаемого энергоносителя.

Более близким к предлагаемому устройству является солнечная установка кондиционирования воздуха, состоящая из гелиоприемника, выполненного из гелиопокрытия с каналами для теплоносителя, циркуляционного насоса, компрессора, испарителя, конденсатора, аккумулятора тепла, дросселя, теплообменников, запорно-регулирующей аппаратуры (магнитных вентилей), соединенных между собой системой трубопроводов, которая работает в режиме получения тепла в холодный период и в режиме получения холода в теплый период [2, с. 323] .

Недостатками известного устройства являются необходимость использования циркуляционного насоса и компрессора, что усложняет его конструкцию, снижает эффективность и надежность, а также невозможность одновременного получения разных видов энергии: тепла, холода, электричества, что ограничивает функциональный диапазон устройства.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности использования солнечной энергии и расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная задача реализуется в солнечном энергетическом комплексе, содержащем гелиоприемник, выполненный из гелиопокрытия с каналами, которые разделены поперечными перегородками, образующими ступени подъема, выполненными из пористого материала с порами в виде вертикальных конических капилляров, обращенных вершиной усеченного конуса вверх, высотой, равной или меньшей высоты подъема жидкости силами поверхностного натяжения, и полые паровые камеры высотой, равной диаметру парового пузырька рабочей жидкости, а нижние и верхние торцы каналов гелиоприемника снабжены нижним коллектором и верхним барабаном, соответственно, эжектор, конденсатор, аккумулятор тепла, испаритель, аккумулятор холода, дроссель, турбогенератор с конденсатором, соединенные между собой системой трубопроводов, снабженной запорно-регулирующей аппаратурой и гидрозатвором, причем турбогенератор связан электропроводом с электрическим аккумулятором.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является одновременное получение посредством солнечной энергии тепла, холода и электричества.

На чертеже представлен предлагаемый солнечный энергетический комплекс. Солнечный энергетический комплекс (СЭК) содержит гелиоприемник 1, состоящий из гелиопокрытия 2, каналов 3 циркуляции рабочего тела (парожидкостной смеси), которые разделены поперечными перегородками, образующими ступени подъема 4, выполненными из пористого материала с порами в виде вертикальных конических капилляров 5 высотой равной H₁, и полые паровые камеры с высотой, равной Н₂, причем нижние и верхние торцы каналов 3 гелиоприемника 1 соединены с нижним коллектором 7 и верхним барабаном 8 соответственно, который в свою очередь связан трубопроводами через вентиль 9 с эжектором 10, конденсатором 11, аккумулятором тепла 12, испарителем 13, аккумулятором холода 14 и через дроссель 15 и гидрозатвор 16 высотой h с нижним коллектором 7, а через вентиль 17 с турбогенератором 18 и конденсатором 19, также соединенных с остальной системой трубопроводов, причем турбогенератор 18 соединен электропроводом с электрическим аккумулятором 20.

В основу работы предлагаемого СЭК наряду с использованием солнечной энергии, принципов действия эжекторной холодильной машины и турбогенератора положено свойство жидкости создавать в капиллярах капиллярное давление, определяемое по формуле Лапласа

где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
r' - средний радиус кривизны мениска жидкости в капилляре, м;
и подъем жидкости за счет этого давления на высоту (принятую за высоту ступени подъема)

где g - ускорение свободного падения, м/с²;
θ - угол смачивания, град;
r - радиус капилляра, м;
r=r'cosθ (в случае полного смачивания cosθ=1).

Для обеспечения движения парожидкостной смеси в ступени подъема 4 только вверх капилляры 5 должны обладать положительным капиллярным потенциалом, для чего выполнены в форме вертикальных усеченных конусов (нижний радиус r₁ больше верхнего радиуса r₂ [3, с. 303, 304].

Для обеспечения подъема парожидкостной смеси и повышения давления пара в каналах 3 гелиоприемника 1 от давления рабочей жидкости Р_к на I-ой ступени 4 до давления Р₀ на верхней предусмотрен ступенчатый подъем парожидкостной смеси на высоту Н₁ на каждой ступени 4, для чего на входе в капилляры 5 каждой ступени подъема 4 создается свободная поверхность жидкости за счет ее свойства при кипении образовывать пузырьки пара диаметром

где d₀ - диаметр пузырька пара, м;
f - частота образования пузырьков пара, 1/с;
ρ′, ρ″ - плотность жидкости и пара, соответственно, кг/м³ [4, с. 153], размер которого принят за расстояние Н₂ между ступенями подъема жидкости 4 и, соответственно, высоту паровой камеры 6.

В качестве рабочей жидкости СЭК могут быть использованы вода, аммиак, различные виды хладонов в зависимости от назначения получаемого пара и параметров теплоносителя.

СЭК работает следующим образом.

Перед началом работы контур СЭК заполняется таким образом, чтобы были заполнены ступени подъема 4, паровые камеры 6 в каналах 3 гелиоприемника 1 до заполнения наполовину верхнего барабана 8. По мере нагрева гелиоприемника 1 рабочая жидкость нагревается и начинает двигаться в каналах 3 вверх, а в циркуляционном контуре, образованном опускным трубопроводом с гидрозатвором 16, высота которого h обеспечивает сопротивление равное разности рабочих давлений в верхнем барабане 8, Р₁ и конденсаторе 11, Р₂ и участком конденсатопровода от дросселя 15 до нижнего коллектора 7, вниз за счет сил естественного циркуляционного давления Р_e аналогично движению жидкого теплоносителя в системах отопления [5, с. 300], создавая тем самым общее движение жидкости в контуре циркуляции гелиоприемника 1 и выделяя пар из нагреваемой жидкости. По мере нагрева рабочей жидкости у стенок каналов 3, примыкающих к гелиоприемному покрытию 2, начинается ее кипение, что влечет за собой образование паровых пузырьков, которые локализуются в паровых камерах 6, высота которых Н₂ обусловлена диаметром парового пузырька d₀ и определяется по уравнению (3). При этом часть паровых камер 6, удаленная от гелиопокрытия 2, еще заполнена рабочей жидкостью, и здесь продолжается движение жидкости за счет естественного циркуляционного давления Р_е. При увеличении потоков тепла от гелиопокрытия 2 ширина паровой прослойки в паровых камерах 6 увеличивается до значения S, величину которой принимают в зависимости от интенсивности солнечного облучения и свойств гелиопокрытия 2.

Паровые прослойки в паровых камерах 6 обусловливают создание на входе в каждую ступень подъема 4 и, соответственно, на входе в каждый капилляр 5 свободную поверхность жидкости, образованную наружной пленкой парового пузыря, обеспечивая тем самым подъем паровой смеси за счет капиллярных сил в каждой ступени подъема 4 через капилляры 5, форма которых в виде сужающегося к верху конуса с радиусами r₁ и r₂, соответственно, определяет движение парожидкостной смеси только вверх в сторону вершины конуса (угол конусности принимается по рекомендациям для конических насадков [6, с. 298]. При этом в капиллярах 5 создается капиллярное давление, что позволяет поднять парожидкостную смесь в каждой ступени 4 на высоту, меньшую или равную H₁, определяемую по формуле (2) и уточненное значение которой принимают по конструктивным соображениям. В результате давление на каждой вышеследующей ступени 4 возрастает по сравнению с давлением на предыдущей ступени на величину капиллярного давления Р_с, определяемого по формуле (1), и, таким образом, давление пара на выходе из барабана 8 будет больше давления на входе жидкости в нижний коллектор 7 гелиоприемника 1 на величину
ΔP=P_cn...(4),
где n - число ступеней капиллярного подъема, шт.

Полное давление пара P₁ на выходе верхнего барабана 8 будет равно
Р₁=Р_к+ΔР...(5),
где р_к - давление жидкости на входе в нижний коллектор 7.

Перенос жидкости и пара в паровых камерах 6 от верхней поверхности нижней ступени подъема 4 к нижней поверхности вышерасположенной ступени 10 и, соответственно, к входу в капилляры 11 осуществляется диффузией и конвекцией в соответствии с законом тепломассобмена [7, с. 132, 262].

Далее в верхнем барабане при давлении P₁ из парожидкостной смеси выделяется пар, который делится на две части, а отделившаяся жидкость опускается в контур циркуляции. При этом одна часть полученного пара из верхней части барабана 8 через регулировочный вентиль 9 поступает в эжектор 10, который засасывает вторичный пар из испарителя 13, создавая там разрежение Р₃ и снижая давление до Р₂, откуда пар направляется в конденсатор 11, где кондиционируется, отдавая тепло конденсации теплоносителю, который направляют потребителю и в аккумулятор тепла 12, а полученный конденсат с давлением Р_к≈Р₂ (без учета сопротивлений) частично поступает в нижний коллектор 7, смешиваясь в циркуляционном контуре с котловой жидкостью, частично же через дроссель 15, где дросселируется до давления разрежения Р₃, в испаритель 13, где при разрежении Р₃, снижается температура кипения рабочей жидкости, происходит ее испарение при низкой температуре с образованием вторичного пара, засасываемого эжектором 10, охлаждение хладоагента, который далее направляют потребителю и в аккумулятор холода 14.

Другую часть полученного пара с давлением Р₁ из верхнего барабана 8 через регулировочный вентиль 17 направляют в турбогенератор 18, вырабатывающий электрический ток, который отправляют потребителю и в электрический аккумулятор 20, а "мятый пар" после турбогенератора 18 с давлением Р₃ поступает в конденсатор 19, где конденсируется, отдавая тепло теплоносителю, направляемому далее в тепловой аккумулятор 12, образовавшийся конденсат смешивается с остальным конденсатом, поступающим в испаритель 13 после дросселя 15.

Количество и параметры пара, получаемого в гелиоприемнике 1 и, соответственно, количество и параметры всех видов энергии, вырабатываемых СЭК, зависят от интенсивности солнечного облучения, числа ступеней подъема 4 и площади их сечения в каналах 3 гелиоприемника 1, количественных и качественных характеристик гелиоприемного покрытия 2 и другого оборудования, а также свойств рабочей жидкости.

Таким образом, предлагаемый СЭК обеспечивает одновременное получение тепла, холода и электричества с использованием сил поверхностного натяжения, что увеличивает эффективность и расширяет диапазон применения солнечной энергии.

Источники информации
1. А.с. СССР 1657895, М.кл. F 24 J 2/42, 1991.

2. В.Н. Богословский и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М.: Стройиздат, 1985, 367 с.

3. А.В. Лыков, Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978, 480 с.

4. А.М. Кутепов и др. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. М. : Высш. школа, 1977, 352 с.

5. В.Н. Богословский, А.Н. Сканави. Отопление. М.: Стройиздат, 1991, 736 тс.

6. А. Д. Альтшуль, П.Г. Киселев. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975, 328 с.

7. А.И. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1972, 496 с.

Устройство относится к гелиотехнике, а именно к средствам получения тепла, холода и электричества с помощью солнечной энергии. Устройство содержит гелиоприемник, состоящий из гелиопокрытия с каналами, которые разделены поперечными перегородками, образующими ступени подъема, выполненными из пористого материала высотой, равной высоте поднятия жидкости в капилляре, и полые паровые камеры высотой, равной диаметру парового пузырька, и снабжены нижним коллектором и верхним барабаном, эжектор, конденсатор, аккумулятор тепла, испаритель, аккумулятор холода, дроссель, турбогенератор с конденсатором, соединенные между собой системой трубопроводов с гидрозатвором, причем турбогенератор связан электропроводом с электрическим аккумулятором. Технический результат достигается за счет повышения эффективности и расширения функциональных возможностей устройства. 1 ил.

Солнечный энергетический комплекс, содержащий гелиоприемник, состоящий из гелиопокрытия с каналами, испаритель, конденсатор, аккумулятор тепла, дроссель, эжектор, соединенных между собой системой трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, отличающийся тем, что каналы гелиоприемника разделены поперечными перегородками, образующими ступени подъема, выполненными из пористого материала, с порами в виде вертикальных конических капилляров, обращенных вершиной усеченного конуса вверх, высотой, равной или меньшей высоты подъема жидкости силами поверхностного натяжения, и полые паровые камеры высотой, равной диаметру парового пузырька рабочей жидкости, нижние и верхние торцы каналов снабжены нижним коллектором и верхним барабаном, соответственно, соединенных с остальным оборудованием, в которое также включены аккумулятор холода, турбогенератор с конденсатором, системой трубопроводов с гидрозатвором, причем турбогенератор связан электропроводом с электрическим аккумулятором.