Солнечный коллектор интенсифицированного теплообмена с независимым контуром нагрева

Полезная модель относится к области теплотехники, а именно к гелиотехнике, и может использоваться для нагрева жидкостей в контурах отопления и горячего водоснабжения.
Известен солнечный коллектор с щелевидной полостью для циркуляции жидкости (см. патент RU 2037107 C1, F24J 2/20, опубликовано 09.06.1995), недостатком которого является низкая площадь поверхности теплообмена и образование участков с повышенной теплопроводностью в слое изоляции, ввиду устройства каналов для перемещения теплоносителя. За счет образования полости между пластинами, совмещенной с основным циркуляционным контуром. Общее гидравлическое сопротивление повышается и снижается надежность системы в целом, что выражается в наличии значительных местных сопротивлений и сопутствующей возможности возникновения слоя отложений на внутренних поверхностях панели.
Известен солнечный коллектор с образуемой двумя пластинами полостью для циркуляции текучей среды и помещенными в эту полость трубками с теплоносителем (см. патент RU 2042088 C1, F24J 2/20, опубликовано 20.08.1995). Недостатками данной модели являются низкая площадь лучеприемной поверхности и поверхности теплообмена с рабочей средой, а также большой теплоаккумуляционный объем рабочей среды.
Известен солнечный коллектор с применяемой в его устройстве системой панелей, образующих свободную для перемещения текучей среды полость (см. патент RU 2521523 C1, F24J 2/20, опубликовано 28.07.2011). Причем одна из панелей (верхняя) выполнена из светопрозрачного материала (стекла). Недостатком данной модели является совмещенный с системой циркуляции объем нагревательного элемента, что создает дополнительные потери давления в системе в этом участке, ввиду наличия между панелями ограничивающих элементов. А также вероятность значительного снижения эффективности работы установки ввиду возникновения слоя отложений солей жесткости на поверхности абсорбирующей панели, дополнительно являющейся нагревательным элементом.
Технической задачей изобретения является интенсификация теплообмена между абсорбирующей поверхностью и теплоносителем.
Техническую задачу - интенсификацию теплообмена получаем за счет того, что солнечный коллектор содержит теплоизолированный корпус и помещенный в него нагревательный элемент, выполненный из двух тонкостенных панелей, образующих замкнутую полость, в которую помещено съемное теплообменное устройство, при этом, между панелями встроены дополнительные конвективные поверхности теплообмена в виде стержневидных элементов, а абсорбирующая панель устроена с образованием сферических сегментов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве, состоящем из теплоизолированного корпуса и помещенного в него нагревательного элемента, для интенсификации процесса теплообмена нагревательный элемент выполнен из двух тонкостенных панелей, сваренных между собой, при помощи ультразвуковой сварки, с образованием замкнутой полости для циркуляции текучей среды. При этом между панелями устроены дополнительные конвективные поверхности
теплообмена в виде стержневидных элементов. Также верхняя панель, являющаяся абсорбирующей, устроена с образованием сферических сегментов, увеличивающих площадь лучеприемной поверхности. А циркуляция текучей среды происходит по замкнутому объему, образованному верхней и нижней панелью нагревательного элемента. Нагрев теплоносителя в системе отопления или горячего водоснабжения осуществляется при помощи помещенного в полость панели, образующую независимый контур нагрева, съемного теплообменного устройства, выполненного из оребренных труб.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вертикальный фронтальный разрез солнечного коллектора Б-Б.
На фиг. 2 изображен горизонтальный разрез солнечного коллектора В-В.
На фиг. 3 изображено устройство панелей нагревательного элемента.
На фиг. 4 представлен вертикальный продольный разрез солнечного коллектора А-А.
На фиг. 5 изображена оребренная труба теплообменного контура в изометрии с вырезом третей части.
На фиг. 6 изображена конфигурация съемного теплообменного устройства.
На фиг. 7 представлен нагревательный элемент, уложенный на изоляционный слой, в изометрии с вырезом четверти.
Нагревательный элемент (на фиг. не обозначен), состоящий из двух панелей: абсорбирующей панели 1 с селективным покрытием и основания 2 теплообменной панели, ограничивающего объем щелевидной полости 3 для текучей среды, помещен в теплоизолированный корпус 7 солнечного коллектора. Солнечный коллектор имеет по меньшей мере одно светопрозрачное покрытие с антирефлектирующей поверхностью 4, накрывающее его корпус и создающего воздушную полость поверх абсорбирующей панели 1, слой светоотражающего покрытия 5, уложенного под основание 2 теплообменной панели и отражающего теплоту, излучаемую нагретым основанием 2 теплообменной панели, слой теплоизоляции 6, предотвращающий тепловые потери, и уложенный поверх корпуса 7 солнечного коллектора. При этом абсорбирующая панель 1 по всей площади, кроме области над теплообменным устройством (на фиг. не обозначено), содержит сферические сегменты 8, увеличивающие поверхность лучевосприятия и теплообмена с текучей средой. В самой полости 3 между абсорбирующей панелью 1 и основанием 2, для увеличения площади поверхности теплообмена, вертикально расположены стержневидные элементы 9.
В нижней части солнечного коллектора располагается патрубок 10 подачи холодной воды. Его устройство в корпусе 7 предусматривает герметичную прослойку 11, защищающую теплоизоляцию 6 от конденсата. В верхней части солнечного коллектора располагается система оребренных трубок 12, образующих собой элемент конвективного нагрева съемного блока теплообменного устройства, служащего для нагрева теплоносителя в контуре отопления или горячего водоснабжения, подключенного к коллекторной трубе 13. Циркуляция рабочей среды в полости 3 осуществляется за счет разности давлений. Дополнительно в верхней зоне солнечного коллектора предусмотрено автоматическое воздухоотводящее устройство 14 (воздухоотводчик, игольчатый клапан и др.), служащее для удаления воздуха в процессе заполнения объема полости 3. Оно устанавливается в патрубок идентичный патрубку 10 подачи холодной воды.
Работает устройство следующим образом.
Заполнение системы осуществляется следующим образом: через патрубок 10 подачи холодной воды в объем полости 3 нагнетается рабочая среда (вода, этиленгликоль и др.). Воздух, находящийся в полости 3, вытесняется через воздухоотводящее устройство 14. Затем подача холодной воды прекращается, при помощи запорной арматуры, установленной на патрубке 10 подачи холодной воды.
Съемный блок теплообменного устройства выполнен из корпуса 15 фиксирующего оребренные трубки 12 и с наличием креплений, образованных из кромок 16, размещенных на корпусе 15 теплообменного устройства и соответствующих им пазов 17, расположенных на краю поверхности абсорбирующей панели 1 и основания 2. Такое соединение подразумевает образование участков повышенной теплопроводности, поэтому на этом участке корпуса 7 солнечного коллектора необходимо расположить дополнительный слой теплоизоляции 6. После монтажа корпус 15 теплообменного устройства образует смежную поверхность с корпусом 7 солнечного коллектора. Дополнительно, в корпусе 15 теплообменного устройства устроены герметичные прослойки 11, обеспечивающие герметизацию корпуса 7 солнечного коллектора, надежную фиксацию оребренных трубок 12 и защиту их от деформации при нагрузке, возникающей с температурным расширением.
Установка теплообменного устройства осуществляется после расположения корпуса 7 солнечного коллектора в заданном проектом положении, без вспомогательных инструментов, с опорожненной системой. Кромки 16 помещаются в пазы 17, причем величина пазов 17 имеет больший размер кромок 16, для возможности легкого монтажа и снижения влияния термоциклического нагружения. В пазах 17 и у корпуса 7 солнечного коллектора содержатся герметичные прослойки 11 из силиконовой термостойкой резины. Фиксация теплообменного устройства осуществляется за счет штифтов 18, расположенных по бокам корпуса 7 солнечного коллектора, которые ввинчиваются и в корпус 7 солнечного коллектора, и в корпус 15 теплообменного устройства, удерживая последнее, и дополнительно за счет наклонного положения самого солнечного коллектора и герметичных прослоек 11, обеспечивающих жесткость усадки и герметичность соединения. После фиксации коллекторную трубу 13 присоединяют к контуру отопления или ГВС, обязательно выполненному из материалов, исключающих возникновение электрохимической коррозии металлов при контакте с медью. Во время эксплуатации системы образованные, несоответствием пазов 17 и кромок 16 друг другу, зазоры нивелируются температурным расширением. При возникновении необходимости замены теплообменного устройства, система опорожняется, коллекторная труба 13 отсоединяется, теплообменное устройство извлекается и на его место помещается новое по изложенному выше алгоритму.
Оребренные трубки 12 имеют ребра 19 усеченной эллиптической формы. Это позволяет сохранить неизменной высоту полости 3 и слоя теплоизоляции 6. Оребренные трубки 12 могут изготавливаться из любых высокотеплопроводных материалов, отвечающих заданным условиям эксплуатации. Наиболее подходящий - медь. Дополнительно на кромках ребер 19 образованы вырезы 20, снижающие материалоемкость и теплоаккумуляционный объем конструкции, а также увеличивающие поверхность теплообмена. Подобные элементы также могут быть устроены
на стержневидных элементах 9 и на внутренней поверхности абсорбирующей панели 1, в виде выступов или впадин. Количество оребренных трубок 12, частота нанесенных ребер 19 и вырезов 20 может варьироваться в соответствии с требуемой площадью поверхности теплообмена и возможностями производства. Для оптимизации процесса теплообмена высота полости 3, количество и габариты содержащихся в ней стержневидных элементов 9 между абсорбирующей панелью 1 и основанием 2 теплообменной панели, также могут варьироваться.
Таблица 1 – Высота полости нагревательного элемента
Высота
Обоснование
Объем воды (0,8х1м), м<sup>3</sup>
<8
Недостаточная высота. Низкий теплоаккумуляционный объем нагреваемой среды, но недостаточное пространство для размещения трубок теплообменного устройства
0,006
9-10
Оптимальная  высота. Возможно размещение трубок и сохранение теплоаккумуляционного объема, обеспечивающего эффективный теплообмен
0,0067-0,0075
>11
Большая высота. Размещение трубок возможно, но, ввиду повышенного теплоаккумуляционного объема нагреваемой среды, применение нецелесообразно.
0,0082
Таким образом, в представленном изобретении реализуется процесс нагрева теплоносителя в оребренных трубках 12 путем интенсификации теплообмена от абсорбирующей панели 1 с селективным покрытием к теплоносителю в циркуляционном контуре. Что достигается при помощи увеличения площади поверхности теплообмена в полости 3 нагревательного элемента, путем внедрения вертикальных стержневидных элементов 9, выступающих в качестве теплопроводящих частей, соединяющих абсорбирующую панель 1 с основанием 2 и дополнительно усиливающих ее. А также за счет увеличения площади лучеприемной поверхности абсорбирующей панели 1 и поверхности теплообмена с текучей средой, посредством создания сегментарной конфигурации абсорбирующей панели 1.