Система солнечного теплоснабжения Советский патент 1992 года по МПК F24J2/42 F24J2/32 

Изобретение относится к системам, преобразующим солнечную энергию в тепловую, и может быть использовано в атомных системах солнечного теплоснабжения жилых и других помещений.

Известна система солнечного теплоснабжения (1), содержащая солнечные коллекторы, параллельно соединенные между собой и заполненные теплоносителем. Солнечные коллекторы посредством прдающе- го и возвратного трубопроводов соединены с теплообменником с образованием замкнутого контура, причем, каждый из коллекторов со стороны подающего и возвратного трубопроводов снабжен камерами, сообщенными при помощи обратных клапанов с полостью коллектора. Данная система позволяет обеспечить естественную циркуляцию теплоносителя и передачу тепла без использования дополнительных средств, потребляющих энергию,-за счет пульсаций давления в коллекторах. Для этого последние размещаются на разных уровнях в поле тяжести, а степень заполнения системы такова, что верхний коллектор заполнен частично. К числу недостатков такой системы относятся, во-первых, недостаточные надежность и ресурс, обусловленные наличием подвижных исполнительных элементов-клапанов, подверженных механическому износу. Во-вторых, ограниченность условий использования, требующих строго определенного положения коллекторов друг относительно друга в гравитацион- ном поле, а также необходимость равномерной плотности солнечного облучения. В-третьих, недостаточная эффективность и стабильность прокачивающего механизма, каковым являются пульсации давления, для прокачки однофазной среды, когда для передачи достаточно большого количества тепла требуется поддерживать весьма высокий расход жидкости.

Известна также гелиосистема, наиболее близкая к предлагаемому техническому решению, предназначенная для солнечного теплоснабжения (2), которая содержит солнечный коллектор с отражателем, имеющий жидкостную и паровую зоны с подключенным к последней конденсатором. Коллектор посредством подающего и возвратного трубопроводов с образованием замкнутого контура сообщен с теплообменниками, по крайней мере, один из которых расположен в баке-аккумуляторе. Причем, коллектор снабжен установленной в жидкостной зоне трубкой с выведенным из коллектора нижним концом, подключенным при помощи трехходового вентиля к контуру между коллектором, баком-аккумулятором и теплообменником. Рассматриваемая система также позволяет обеспечить естественную циркуляцию теплоносителя без использования дополнительной энергии на его прокачку.

Недостатки такой системы солнечного

теплоснабжения заключается, во-первых, в том, что она обладает недостаточно высокой теплопередающей способностью. Это связано с тем, что величина создаваемого движущего напора, обусловленная разностью плотностей жидкости и парожидкостной смеси, а также длиной и углом наклона коллектора, является относительно небольшой. Это можно показать на следующем примере

для системы мощностью 1 кВт с фреоном- 113 в качестве теплоносителя при рабочей температуре в паровой зоне коллектора 50° С.

Если принять, что объемная доля паровой фазы в парожидкостной смеси равна 30 % (величина характерная для развитого пузырькового кипения) и ее плотностью пренебречь по сравнению с плотностью жидкости, а длину коллектора выбрать 0.5 м

и угол наклона его к горизонтальной плоскости задать равным 45°, то величина напора может быть определена так: ДР (р ж - 0,7х х/) ж) I sin р (1503 - 1052) х 0,5 х 0,7 х 9,8 1,5 кПа.

где уОж- плотность жидкости, кг/м3; I - длина коллектора, м; р - угол наклона, град; а - ускорение свободного падения, м/с.

Если также принять, что общая длина циркуляционного контура системы равна 10 м, то гидравлическое сопротивление его за счет только вязкостных потерь при внутреннем диаметре трубопровода 8 х м согласно формуле Гагена-Пуазейля будет равно:

АРж

8/4ж Сж L 8 х 0,502 х х 4,9 х 10 х 10

/ЭжЛт

-1,6кПа,

1503хЗ,14х256х 10

-12

где - коэффициент динамической вязко- сти, Па-с;

L - длина контура, м;

г - радиус трубопровода, м;

Сж - массовый расход теплоносителя, определенный по формуле:

6ж Q/c At 17(0.674x30) 4,9x10 2 кг/с, где Q - мощность. кДж/с (кВт);

с - удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг-град);

At - разность между начальной и конечной температурами теплоносителя в коллекторе.

Если иметь также в виду, что при учете плотности паровой фазы, а также снижении ее объемной доли в парожидкостной смеси величина движущего напора может снизиться на 25-30 %. то из этого примера видно, что для обеспечения работоспособности системы следует либо увеличивать длину коллектора, либо увеличивать диаметр трубопровода, либо сокращать длину контура, либо снизить величину передаваемого теплового потока. Произведение двух последних величин составляет теплопере- дающую способность, которая должна быть снижена, а первые две характеристики связаны с увеличением материалоемкости и массогабаритных характеристик системы.

Во-вторых, к числу существенных недостатков рассматриваемой системы относится наличие дополнительных потерь тепла, связанных с необходимостью конденсации той части паровой фазы теплоносителя, которая создает парожидкостную смесь в кол- лекторе и которая не успевает сконденсироваться в недогретой жидкости. Через специальный конденсатор-теплообменник это тепло, являющееся частью солнечной энергии.поглощенной коллектором, бесполезным образом рассеивается в окружающую среду. В зависимости от объемно- го паросодержаник паровой фазы в парожидкостной смеси величина этих потерь изменяется, составляя примерно 2-3 % при объемном паросодержании 30 %, что является достаточно заметной величиной при относительно невысоких КПД гелиосистем.

Кроме того, к числу недостатков можно отнести также и то, что рассматриваемая система не является полностью автономной, поскольку нуждается в периодических дозаправках теплоносителя при работе с открытым верхним клапаном.

Целью изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии системой солнечного теплоснабжения без затрат дополнительной энергии путем использования капиллярных сил, создаваемых в коллекторе, и передачи тепла теплоносителем в паровой фазе.

Поставленная цель достигается тем, что система солнечного теплоснабжения содержит солнечный коллектор-насос, подающий и возвратный трубопроводы которого соединены с теплообменником, установленным в баке-аккумуляторе с образованием циркуляционного контура, причем

коллектор-насос имеет паровую и жидкостную зоны, разделенные капиллярно-пористой вставкой, жидкостная зона снабжена гидроаккумулятором, подающий трубопро- 5 вод подключен к паровой зоне, а возвратный - к гидроаккумулятору. Система может быть снабжена также дополнительным циркуляционным контуром, состоящим из теплообменника, размещенного в

0 баке-аккумуляторе, и одним или несколькими раздающими теплообменниками. Циркуляция теплоносителя в дополнительном контуре осуществляется путем естественной конвекции независимо от основного

5 контура. Система солнечного теплоснабжения может содержать также солнечный коллектор, выполненный в виде секций, состоящих из параллельно включенных коллекторов-насосов с индивидуальными или

0 общим гидроаккумуляторами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1: на фиг. 3 -вариант солнечного коллектора в

5 виде секций из параллельно соединенных насосов; на фиг. 4 - то же, в виде секций из встречно-параллельно соединенных насосов; на фиг. 5 - то же, из насосов с общим гидроаккумулятором; на фиг. 6 и 7 - конст0 руктивные варианты солнечных коллекторов-насосов.

Система солнечного теплоснабжения содержит солнечный коллектор 1, выполненный в виде насоса, снабженного капил5 лярно-пористой вставкой 2, на поверхности которой, плотно прилегающей к обогреваемой стенке солнечного коллектора 1, выполнены продольные пароотводные каналы 3, образующие вместе с резьбовыми канавка0 ми 4 на внутренней поверхности коллектора 1 систему каналов для отвода пара испаряющей поверхности вставки 2. Вставка 2 имеет также центральный канал 5, образующий впитывающую поверхность 6. Солнеч5 ный коллектор-насос 1 снабжен также гидроаккумулятором 7, расположенным между его торцовой поверхностью и вставкой 2 со стороны центрального канала 5, имеющим тепловую изоляцию 8 и заправочный штен0 гель 9. Выходной конец возвратного трубопровода 10 размещен в гидроаккумуляторе 7, а входной конец подающего трубопровода 11 сообщен с выходными отверстиями пароотводных каналов 3. Солнечный коллектор 1

5 посредством трубопроводов 10и 11 соединен с теплообменником 12, размещенным в баке- гидроаккумуляторе 13. В баке-гидроаккумуляторе может быть также размещен теплообменник 14 дополнительного циркуляционного контура с раздающими теплообменниками 15. Для включения дополнительного контура служит вентиль 16. Солнечный коллектор, выполненный в виде секций из параллельно или встречно-параллельно соединенных насосов 1 с индивидуальными или общими гидроаккумуляторами 7 сопряжен с теплоприемной панелью 17 или солнечным отражателем (не показан).

Основной и дополнительный контуры отвакуумированы и заправлены теплоносителем, например, аммиаком. Заправка теплоносителем контура осуществляется в таком количестве, что его уровень в нерабочем состоянии находится в контакте с нижним торцом капиллярно-пористой вставки 2 .пропитанной теплоносителем, а объем гидроаккумулятора равен суммарному внут- реннемуобъему трубопровода 11 и теплообменника 12.

Система солнечного теплоснабжения работает следующим образом.

Под действием теплового потока солнечного излучения, подводимого к солнечному коллектору 1, происходит испарение теплоносителя из капиллярно-пористой вставки 2 с ее поверхности, находящейся в тепловом контакте с нагреваемой поверхностью коллектора 1. Отвод пара с поверхности вставки 2 осуществляется по пароотводным каналам 3 и 4, Температура, а следовательно, и давление пара над испаряющими менисками вставки 2 в пароотводных каналах 3 и 4 выше, чем температура пара над впитывающей поверхностью 6 в центральном канале 5. Это обусловлено тем, что пропитанный теплоносителем капиллярно-пористый слой вставки 2, разделяющий обе эти поверхности (испаряющую и впитывающую), выполняет роль теплового затвора, обладая определенным термическим сопротивлением, соответствующим толщине стенки и эффективной теплопроводности вставки 2. За счет возникающего при этом перепада давлений пар, выходящий из пароотводных каналов 3 и 4 и поступающий в подающий трубопровод 11, вытесняет жидкость из этого трубопровода и теплообменника 12, освобождая в последнем поверхность для конденсации, Вытесняемый теплоноситель по возвратному трубопроводу 10 поступает в гидроаккумулятор 7, затем в центральный канал 5, впитывается в капиллярно-пористую вставку 2 через поверхность 6 и восполняет тем самым потерю испаряющегося теплоносителя. Такой процесс двухфазной циркуляции теплоносителя в контуре возможен лишь в том случае, если наряду с функцией теплового затвора вставка выполняет также фун- кцию гидравлического затвора. Эта

функция обусловлена тем, что за счет капиллярных (поверхностных) сил, возникающих в пропитанной теплоносителем вставке 2, последняя является непроницаемой для пара, оставаясь проницаемой для жидкости, предотвращая тем самым перетечки горячего пара от испаряющей поверхности к впитывающей. Таким образом, за счет действия капиллярных сил и наличия термического

0 сопротивления вставки 2 реализуется функция капиллярного насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в контуре.

Поскольку в рабочем состоянии, когда теплоноситель заполняет центральный ка5 нал 5 и часть гидроаккумулятора 7, неободи- мо поддерживать перепад давлений между поверхностью испарения в каналах 3 и 4 и поверхностью раздела пэр-жидкость в гидроаккумуляторе 7, последнюю необходимо

0 защитить от излишних теплопритоков, например, путем ее теплоизоляции 8 от прямого солнечного излучения и от теплового воздействия окружающего воздуха. Для организации теплоснабжения в ночное время

5 или пасмурную погоду служит дополнительный контур, включающий теплообменник 14, получающий тепло от бака-аккумулятора, и раздающие теплообменники 15, устанавливаемые в обогреваемых помещениях.

0 Циркуляция теплоносителя в дополнительном контуре осуществляется путем естественной конвекции при открытом вентиле 16. Для вакуумирования и заправки системы теплоносителем служит штенгель 9.

5 Предлагаемая система солнечного теплоснабжения обеспечивает эффективное поглощение энергии солнечного излучения за счет полного испарения теплоносителя в солнечном коллекторе-насосе и циркуля0 цию в паровой и жидкой фазах за счет капиллярных сил без дополнительных потерь и источников энергии. Так. например, для передачи теплового потока величиной 1 кВт от солнечного коллектора, находящегося на

5 крыше строения, к теплообменнику, расположенному на этажах или в подвальном помещении, на расстояние 7 м по трубопроводам диаметром 8 мм требуется давление около 50 кПа (0,5 атм), Такое дав0 ление способна обеспечить специально созданная для этого капиллярная структура встзвки 2 с радиусом пор порядка 0,7 мкм, если в качестве теплоносителя используется аммиак при 40-50° С. Размеры солнечно5 го коллектора-насоса при этом могут быть относительно невелики: диаметр 25-30 мм, длина топлоприемной части 250-300 мм, объем гидроаккумулятора около 0,5 л.

Для увеличения мощности системы солнечного теплоснабжения солнечные коллекторы такого типа могут быть выполнены в виде секций из параллельно или встречно- параллельно включенных насосов. В этом случае целесообразно использовать специальное пэнели-теплосборники 16. которые собирая тепло солнечного излучения с большой поверхности, концентрируют его на солнечных коллекторах-насосах.

Поскольку рассматриваемая система обеспечивает теллосъем в солнечном кол- лекторе за счет полного испарения теплоносителя, подводимого капиллярными силами к нагреваемой поверхностей перенос энергии паром в виде скрытой теплоты парообразования, то в данном случае реализуется наиболее эффективный способ отвода тепла и передача его без каких-либо дополнительных потерь энергии, связанных с организацией движения теплоносителя в циркуляционном контуре.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемая система солнечного теплоснабжения позволяет более эффективно использовать солнечную энергию за счет интенсификации теплосьема и увеличения теплопередающей способности системы при одновременном снижении потерь тепла, связанных с организацией движения теплоносителя в циркуляционном контуре. Кроме того, данная система является полностью автономной, поскольку на требуется периодической дозаправки теплоносителя в течение всего ресурсного срока.

Формула изобретения

1.Система солнечного теплоснабжения, содержащая солнечный коллектор-насос, подающий и возвратный трубопроводы которого соединены с теплообменником, установленным в баке-аккумуляторе, с образованием замкнутого циркуляционного контура, причем коллектор-насос имеет паровую и жидкостную зоны, отличающаяся тем, что. с целью повышения эффективности использования солнечной энергии, паровая и жидкостная зоны разделены между собой капиллярно-пористой вставкой, жидкостная зона снабжена гидроаккумулятором, подающий трубопровод подключен к паровой зоне, а возвратный - к гидроаккумулятору.

2.Система по п. 1,отличающаяся тем, что гидроаккумулятор снабжен теплоизоляцией.

Сущность изобретения: солнечный коллектор 1 системы выполнен в виде капиллярного насоса-испарителя, снабженного капиллярно-пористой вставкой 2 и теплоизолированным гидроаккумулятором 7, и включен в тепло передающий циркуляционный контур, состоящий из подающего трубопровода - паропровода 11, возвратного трубопровода - конденсатопровода 10 и теплообменника - конденсатора 12, размещенного в баке-аккумуляторе 13. Вставка 2 выполняет функции теплового и гидравлического затворов. 1 з. п. ф-лы, 7 ил. - 9 сл VJ vj О О Сл V Фиг.}

8,

/7

А-А

7

4

Фиг. 2

Ю

10

Фиг Ј

Pur.7