СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР КАК ЭЛЕМЕНТ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2005 года по МПК F24J2/24 F24J2/46 

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к устройству солнечных жидкостных нагревателей, и может быть использовано как в конструкции индивидуальных солнечных установок, так и в гелиотехнических системах коммунально-бытового и хозяйственного назначения.

Известны конструкции солнечных коллекторов, содержащие корпус с прозрачным остеклением, теплоизоляцию, а также поглотитель, включающий лучепоглощающую поверхность с нагревательными трубами и входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемого теплоносителя /1, 2/.

Известные устройства могут устанавливаться как на земле, так и на различных частях жилых домов, общественных зданий и промышленных сооружений, но только на специальных, устойчивых опорно-крепежных конструкциях, наличие которых в целом отрицательно сказывается на стоимостных показателях и в ряде случаев не всегда удовлетворяет существующим архитектурно-эстетическим требованиям.

Интеграция солнечного коллектора в строительную конструкцию дает возможность комплексно решать указанные проблемы, а также позволяет снизить требования к тепло- и гидроизоляции тыльной поверхности коллектора и соединительных трубопроводов ввиду отсутствия прямого контакта последних с внешней окружающей средой.

Известен солнечный коллектор как элемент строительной конструкции, включающий корпус в виде опорного элемента с профилированной рамой и прозрачным остеклением, теплоизоляцию и поглотитель с каналами для протока теплоносителя /3/.

Наиболее близким техническим решением является известная конструкция солнечного коллектора, совмещенная со строительной конструкцией, содержащая корпус из профилированного материала с прозрачным остеклением, тыльную теплоизоляцию, а также поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб, соединенных между собой металлическими ребрами в плоскости последних и с входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости /4/.

Ключевым звеном в этих двух устройствах является использование в конструкции корпуса коллектора опорно-крепежных профилированных материалов для его сопряжения с несущими элементами строительных конструкций, но при этом отсутствует единая цепь унифицированных звеньев, основанная на отработанных общих технологиях изготовления, сборки и монтажа.

К общему недостатку аналогов и прототипа, использующих в качестве поглотителя лучепоглощающую поверхность с нагревательными трубами и входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости, влияющему на их технико-эксплуатационные качества, можно отнести возможность образования в процессе заполнения и эксплуатации воздушных пробок в их гидравлической системе, вызывающих прекращение циркуляции нагреваемой жидкости в солнечных установках, работающих по принципу термосифонного эффекта, либо уменьшение расхода теплоносителя в гелиотехнических системах с принудительной подачей.

Наиболее вероятными точками образования воздушных пробок являются сужения проходных каналов в местах стыковки нагревательных труб с входным гидравлическим коллектором для подвода нагреваемой жидкости, так как на практике в описанных гелиотехнических устройствах проходной диаметр нагревательных труб в 2-3 раза меньше проходного диаметра входного и выходного гидравлических коллекторов /1, 5/.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является унификация свойств, повышение технологичности изготовления, сборки и монтажа, а также улучшение технико-эксплуатационных качеств солнечного коллектора как элемента строительной конструкции.

Поставленная задача решается следующим образом. В конструкции известного солнечного коллектора, включающей корпус из профилированного материала с прозрачным остеклением, тыльную теплоизоляцию, а также поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб, соединенных между собой металлическими ребрами в плоскости последних и с входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости, используются элементы оконной системы алюминиевых профилей, совместимые с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций.

Указанные системы алюминиевых профилей находят в настоящее время широкое применение при строительстве гражданских объектов жилого и хозяйственного назначения /6/. Их отличает глубина проработки технических решений, связанных с «технологией изготовления, сборки и монтажа различных конструкций, применяемых в гражданском строительстве. Основными разработчиками, изготовителями и поставщиками этих систем являются такие крупные компании как «Schueco» и «Hueck» (Германия), «New Tec» и «Indinwest» (Италия), «Nordic» (Финляндия»), «Reynaers» (Бельгия), «Агрисовгаз», «ВСМПО», «МОСМЕК» и «Расстал» (Россия).

Системы профилей этих разработчиков и производителей принципиально похожи и различаются по отдельным деталям и товарному ассортименту.

Сам коллектор состоит из светопрозрачной и лучепоглощающей частей, связанных по периметру друг с другом через клейкую прокладку посредством винтовых разъемных соединений.

Светопрозрачная часть содержит корпус из фрагментов «теплого» рамного алюминиевого профиля фасадного окна с двумя термоизоляционными вставками и внешним уплотнителем, угловыми соединителями, пристыкованным профилем штапика с внутренним уплотнителем, остекление из одного, двух или трех слоев прозрачной изоляции, а также пластиковые подкладки под остекление и крепится с использованием термовлагостойкого герметика через внешний уплотнитель с влагоизоляционной клейкой лентой и внутренний уплотнитель между ригельно-стоечными профилями и прижимными планками фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций, включающей также прозрачное, из двух или трех слоев остекления, или непрозрачное заполнения световых проемов, внешний и внутренний уплотнители и пластиковые подкладки под заполнение, кронштейны крепления ригельно-стоечных профилей, профили защитных крышек для вертикального и наклонного фасадов, а также терморазъемные проставки между прижимными планками и ригельно-стоечными профилями, связанные друг с другом посредством самонарезных винтовых соединителей.

Лучепоглощающая часть также включает корпус из фрагментов «теплого» рамного алюминиевого профиля оконной системы алюминиевых профилей с двумя термоизоляционными вставками, угловыми соединителями и пристыкованными с одной стороны профилированными защелками, с другой стороны профилем штапика с закрепленной через внутренний уплотнитель тыльной теплоизоляцией, а также поглотитель, в котором входной и выходной гидравлические коллекторы для подвода и отвода нагреваемой жидкости и нагревательные трубы имеют одинаковый проходной диаметр, при этом внутри последних коаксиально установлен полый или цельнотельный цилиндрический обтекатель с обоюдоострыми концами, выполненный из температуростойкого, влагонепроницаемого или влагозащищенного материала и обеспечивающий посредством дистанционирующих ребер требуемый кольцевой зазор для прохода теплоносителя, при этом значение внешнего диаметра цилиндрического обтекателя D_обт. определяется соотношением:

где n - количество нагревательных труб в солнечном коллекторе;

D_прох - значение проходного диаметра нагревательных труб и гидравлических коллекторов для подвода и отвода нагреваемой жидкости.

В основу данного соотношения положено условие, чтобы при равенстве проходных диаметров нагревательных труб и гидравлических коллекторов, а следовательно, при отсутствии сужений (мест возможного образования воздушных пробок) обеспечивалась эквивалентность гидравлического диаметра нагревательных труб предлагаемого устройства с гидравлическим диаметром нагревательных труб устройства, выбранного в качестве прототипа,

Для последнего характерно то, что площадь поперечного сечения проходного канала гидравлических коллекторов равна общей площади поперечных сечений проходных каналов нагревательных труб:

F_прох=nf_прох,

здесь - площадь поперечного сечения проходного канала гидравлических коллекторов;

- площадь поперечного сечения проходного канала нагревательных труб.

Тогда значение проходного диаметра нагревательных труб d_прох Можно определить как:

Гидравлический диаметр d_г нагревательных труб равен:

где P_прох=πd_прох - периметр проходного канала нагревательных труб.

Гидравлический диаметр d_г нагревательных труб с обтекателем будет равен:

здесь - площадь поперечного сечения цилиндрического обтекателя;

P_прох=πD_прох - периметр проходного канала нагревательных труб;

Р_обт=πD_обт - внешний периметр поперечного сечения цилиндрического обтекателя.

Из условия эквивалентности гидравлических диаметров и вытекает приведенное ранее соотношение для определения значения внешнего диаметра цилиндрического обтекателя D_обт.

Для обеспечения прочности сборки корпусов светопрозрачной и лучепоглощающей частей солнечного коллектора фрагменты «теплого» рамного алюминиевого профиля фасадного окна и фрагменты «теплого» рамного профиля оконной системы алюминиевых профилей могут быть скреплены между собой посредством опрессовки угловых соединителей.

При остеклении светопрозрачной части из двух или трех слоев прозрачной изоляции, а также при прозрачном, из двух или трех слоев остекления, заполнении световых проемов пространственных строительных алюминиевых конструкций могут быть использованы, соответственно, однокамерный или двухкамерный клееные стеклопакеты, выполненные согласно требованиям государственного стандарта /7/ и состоящие, соответственно, из двух или трех гладких листов прозрачного стекла, скрепленных по контуру клейкой лентой с одной или двумя распорными рамками, имеющими дегидратационные отверстия для доступа воздуха из межстеколъного промежутка во внутренний объем последних, заполненный влагопоглощающим молекулярным ситом, с образованием между листами герметически замкнутых камер с прослойкой осушенного воздуха, при этом торцы стеклопакетов обработаны влагонепроницаемым, вулканизирующимся герметиком.

Непрозрачное заполнение световых проемов пространственных строительных алюминиевых конструкций может быть выполнено в виде клееной или наборной сэндвич-панели, внутренний слой которой из вспененного материала обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, а внешние, в зависимости от материала и его толщины, обеспечивают панели требуемую конструктивную прочность и стойкость к воздействиям негативных факторов окружающей среды.

Тыльная теплоизоляция лучепоглощающей части солнечного коллектора может быть выполнена в виде наборной сэндвич-панели, внутренний слой которой из стекловолокнистого материала с хорошими теплоизоляционными свойствами с одной стороны примыкает к поглотителю, а с другой стороны защищен от механических воздействий слоем листового материала, также обладающего хорошими теплоизоляционными свойствами.

Цилиндрический обтекатель может быть выполнен в виде металлической трубки, к которой с двух сторон герметично, посредством сварки или пайки, присоединены металлические конические оконцовки с дистанционирующими ребрами, заглубленными в последние и зачеканенными в пазы нагревательных труб.

На фиг.1 представлен общий вид солнечного коллектора; на фиг.2 схематично показана пространственная строительная алюминиевая конструкция с интегрированным в нее солнечным коллектором; на фиг.3 представлен разрез А-А солнечного коллектора с остеклением из одного слоя прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с непрозрачным заполнением световых проемов; на фиг.4 - разрез А-А солнечного коллектора с остеклением из двух слоев прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с прозрачным, из двух слоев остекления, заполнением световых проемов; на фиг.5 - разрез А-А солнечного коллектора с остеклением из трех слоев прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с прозрачным, из трех слоев остекления, заполнением световых проемов; на фиг.6 представлен разрез Б-Б солнечного коллектора с остеклением из одного слоя прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с непрозрачным заполнением световых проемов; на фиг.7 - разрез Б-Б солнечного коллектора с остеклением из двух слоев прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с прозрачным, из двух слоев остекления, заполнением световых проемов; на фиг.8 - разрез Б-Б солнечного коллектора с остеклением из трех слоев прозрачной изоляции и пространственной строительной алюминиевой конструкции с прозрачным, из трех слоев остекления, заполнением световых проемов; на фиг.9 показаны узел I крепления фрагментов «теплого» рамного алюминиевого профиля фасадного окна и узел II крепления фрагментов «теплого» рамного профиля оконной системы алюминиевых профилей; на фиг.10 изображены однокамерный (узел III) и двухкамерный (узел IV) клееные стеклопакеты; на фиг.11 представлен вариант выполнения (узел V) цилиндрического обтекателя.

Солнечный коллектор включает корпус 1 из профилированного материала с прозрачным остеклением 2, тыльную теплоизоляцию 3, а также поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб 4, соединенных между собой металлическими ребрами 5 в плоскости последних и с входным 6 и выходным 7 гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости.

В конструкции коллектора используются элементы оконной системы алюминиевых профилей, совместимые с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций.

Солнечный коллектор состоит из светопрозрачной 8 и лучепоглощающей 9 частей, связанных по периметру друг с другом через клейкую прокладку 10 посредством винтовых разъемных соединений 11.

Светопрозрачная часть 8 содержит корпус из фрагментов 12 «теплого» рамного алюминиевого профиля фасадного окна с двумя термоизоляционными вставками 13 и внешним уплотнителем 14, угловыми соединителями 15, пристыкованным профилем штапика 16 с внутренним уплотнителем 17, остекление 2 из одного, двух или трех слоев 18 прозрачной изоляции, а также пластиковые подкладки под остекление 19, 20, 21 и крепится с использованием термовлагостойкого герметика 22 через внешний уплотнитель 23 с влагоизоляционной клейкой лентой 24 и внутренний уплотнитель 25 между ригельно-стоечными профилями 26, 27, 28 и прижимными планками 29 фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций, включающей также прозрачное, из двух или трех слоев 30 остекления, или непрозрачное заполнения световых проемов, внешний 31 и внутренний 32 уплотнители и пластиковые подкладки 33, 34, 35 под заполнение, кронштейны 36 крепления ригельно-стоечных профилей, профили защитных крышек 37, 38 для вертикального и наклонного фасадов, а также терморазъемные проставки 39 между прижимными планками 29 и ригельно-стоечными профилями 26, 27, 28, связанные друг с другом посредством самонарезных винтовых соединителей 40.

Лучепоглощающая часть 9 также включает корпус из фрагментов 41 «теплого» рамного алюминиевого профиля оконной системы алюминиевых профилей с двумя термоизоляционными вставками 42, угловыми соединителями 43 и пристыкованными с одной стороны профилированными защелками 44, с другой стороны профилем штапика 45 с закрепленной через внутренний уплотнитель 46 тыльной теплоизоляцией 3, а также поглотитель, в котором входной 6 и выходной 7 гидравлические коллекторы для подвода и отвода нагреваемой жидкости и нагревательные трубы 4 имеют одинаковый проходной диаметр, при этом внутри последних коаксиально установлен полый или цельнотельный цилиндрический обтекатель 47 с обоюдоострыми концами, выполненный из температуростойкого, влагонепроницаемого или влагозащищенного материала и обеспечивающий посредством дистанционирующих ребер 48 требуемый кольцевой зазор для прохода теплоносителя.

Фрагменты 12 «теплого» рамного алюминиевого профиля фасадного окна и фрагменты 41 «теплого» рамного профиля оконной системы алюминиевых профилей могут быть скреплены между собой посредством опрессовки угловых соединителей 15 и 43 (фиг.9).

При остеклении 2 светопрозрачной части 8 из двух или трех слоев 18 прозрачной изоляции, а также при прозрачном, из двух или трех слоев 30 остекления, заполнении световых проемов пространственных строительных алюминиевых конструкций могут быть использованы, соответственно, однокамерный или двухкамерный клееные стеклопакеты (фиг.10), состоящие, соответственно, из двух или трех гладких листов 49 прозрачного стекла, скрепленных по контуру клейкой лентой 50 с одной или двумя распорными рамками 51, имеющими дегидратационные отверстия 52 для доступа воздуха из межстекольного промежутка во внутренний объем последних, заполненный влагопоглощающим молекулярным ситом 53, с образованием между листами герметически замкнутых камер с прослойкой осушенного воздуха, при этом торцы стеклопакетов обработаны влагонепроницаемым, вулканизирующимся герметиком 54.

Непрозрачное заполнение световых проемов пространственных строительных алюминиевых конструкций может быть выполнено в виде клееной или наборной сэндвич-панели, внутренний слой 55 которой из вспененного материала обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, а внешние 56 и 57, в зависимости от материала и его толщины, обеспечивают панели требуемую конструктивную прочность и стойкость к воздействиям негативных факторов окружающей среды.

Тыльная теплоизоляция 3 лучепоглощающей части 9 солнечного коллектора может быть выполнена в виде наборной сэндвич-панели, внутренний слой 58 которой из стекловолокнистого материала с хорошими теплоизоляционными свойствами с одной стороны примыкает к поглотителю, а с другой стороны защищен от механических воздействий слоем листового материала 59, также обладающего хорошими теплоизоляционными свойствами.

Цилиндрический обтекатель (фиг.11) может быть выполнен в виде металлической трубки 60, к которой с двух сторон герметично, посредством сварки или пайки, присоединены металлические конические оконцовки 61 с дистанционирующими ребрами 48, заглубленными в последние и зачеканенными в пазы нагревательных труб 4.

Устройство работает следующим образом. Поток солнечного излучения 62 (фиг.2) падает на солнечный коллектор, интегрированный в пространственную строительную алюминиевую конструкцию. Остекление 2 солнечного коллектора обладает высокой пропускательной способностью по отношению к падающему потоку солнечного излучения и практически полностью поглощает собственное тепловое излучение коллектора. Поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб 4, соединенных между собой металлическими ребрами 5 в плоскости последних и с входным 6 и выходным 7 гидравлическими коллекторами, взаимодействуя с прошедшим через остекление 2 потоком солнечного излучения, нагревается и передает поглощенное тепло нагреваемой жидкости. Часть тепла при этом теряется за счет конвективного и радиационного теплообмена между солнечным коллектором и окружающей средой. Нагретая жидкость пригодна для последующего использования в индивидуальных солнечных установках и в гелиотехнических системах коммунально-бытового и хозяйственного назначения.

Источники информации

1. Даффи Дж. А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии: Пер. с англ. - М.: Мир, 1977, 420 с.

2. Крепис И.Б. Солнце - людям. - Кишинев: Штиинца, 1989, с.24-37.

3. Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1981, с.44-45.

4. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.167-168.

5. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энергоатом-издат,1991, с.200-201.

6. Системные профили для окон и дверей: каталог-справочник. Выпуск 1 М.: ССК-Информ, 2001, 336 с.

7. ГОСТ 24866-89.

Изобретение может быть использовано для индивидуальных солнечных установок и гелиотехнических систем коммунально-бытового и хозяйственного назначения. Сущность изобретения заключается в том, что солнечный коллектор включает корпус из профилированного материала с прозрачным остеклением, тыльную теплоизоляцию, а также поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб, соединенных между собой металлическими ребрами в плоскости последних и с входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости, и состоит из светопрозрачной и лучепоглощающей частей, связанных по периметру друг с другом через клейкую прокладку посредством винтовых разъемных соединений. В его конструкции используются элементы оконной системы алюминиевых профилей, совместимые с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций. Изобретение должно обеспечить повышение технологичности изготовления, сборки и монтажа, а также улучшение технико-эксплуатационных качеств солнечного коллектора как элемента строительной конструкции. 5 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Солнечный коллектор, включающий корпус из профилированного материала с прозрачным остеклением, тыльную теплоизоляцию, а также поглотитель типа «труба в листе» в виде ряда нагревательных труб, соединенных между собой металлическими ребрами в плоскости последних и с входным и выходным гидравлическими коллекторами для подвода и отвода нагреваемой жидкости, отличающийся тем, что в его конструкции используются элементы оконной системы алюминиевых профилей, совместимые с элементами фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций, а сам коллектор состоит из светопрозрачной и лучепоглощающей частей, связанных по периметру друг с другом через клейкую прокладку посредством винтовых разъемных соединений, при этом светопрозрачная часть содержит корпус из фрагментов рамного алюминиевого профиля фасадного окна с двумя термоизоляционными вставками и внешним уплотнителем, угловыми соединителями, пристыкованным профилем штапика с внутренним уплотнителем, остекление из одного, двух или трех слоев прозрачной изоляции, а также пластиковые подкладки под остекление, и крепится с использованием термовлагостойкого герметика через внешний уплотнитель с влагоизоляционной клейкой лентой и внутренний уплотнитель между ригельно-стоечными профилями и прижимными планками фасадной системы профилей пространственных строительных алюминиевых конструкций, включающей также прозрачное, из двух или трех слоев остекление, или непрозрачное заполнение световых проемов, внешний и внутренний уплотнители и пластиковые подкладки под заполнение, кронштейны крепления ригельно-стоечных профилей, профили защитных крышек для вертикального и наклонного фасадов, а также терморазъемные проставки между прижимными планками и ригельно-стоечными профилями, связанные друг с другом посредством самонарезных винтовых соединителей, а лучепоглощающая часть также включает корпус из фрагментов рамного алюминиевого профиля оконной системы алюминиевых профилей с двумя термоизоляционными вставками, угловыми соединителями и пристыкованными с одной стороны профилированными защелками, с другой стороны профилем штапика с закрепленной через внутренний уплотнитель тыльной теплоизоляцией, а также поглотитель, в котором входной и выходной гидравлические коллекторы для подвода и отвода нагреваемой жидкости и нагревательные трубы имеют одинаковый проходной диаметр, при этом внутри нагревательных труб коаксиально установлен полый или цельнотельный цилиндрический обтекатель с обоюдоострыми концами, выполненный из температуростойкого, влагонепроницаемого или влагозащищенного материала и обеспечивающий посредством дистанционирующих ребер требуемый кольцевой зазор для прохода теплоносителя, при этом значение внешнего диаметра цилиндрического обтекателя D_обт. определяется соотношением:

где n - количество нагревательных труб в солнечном коллекторе;

D_прох. - значение проходного диаметра нагревательных труб и гидравлических коллекторов для подвода и отвода нагреваемой жидкости.