ТРУБКА СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к гелиоэнергетике и может быть использована в солнечных установках для преобразования солнечной энергии в тепловую.
Уровень техники
Существуют различные виды гелиоустановок, задачей которых является использование энергии солнца для приготовления горячей воды и отопления помещений. К одному из них относят гелиоколлекторные сплит-системы на основе использования вакуумных солнечных коллекторов. Такие сплит-системы состоят из бака-аккумулятора тепла, устанавливаемого в помещении, одного или нескольких солнечных вакуумных коллекторов, устанавливаемых на улице, например на крыше дома, циркуляционного насоса и контроллера управления.
При прекращении попадания солнечных лучей на поверхность трубки гелиоколлекторной сплит-системы (например, наступление ночи) процесс нагрева теплоносителя останавливается и работа гелиоколлекторной сплит-системы прекращается. В результате этого потребитель может использовать для своих нужд только ту энергию, которая была накоплена за солнечный день в баке-аккумуляторе. При расходовании же этой тепловой энергии приходится ждать следующего дня для осуществления нового цикла накопления энергии от солнца.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели можно отнести солнечный коллектор, раскрытый в патентном документе CN 203249413 U, опубл. 23.10.2013. Согласно данному документу солнечный коллектор представляет собой конструкцию, которая включает вакуумные трубки в виде стеклянных колб. Стеклянная колба выполнена по технологии колбы термоса - две стенки, а между ними вакуум. Наружная стеклянная стенка прозрачная для солнечных лучей. На наружной поверхности внутренней стеклянной стенки нанесено селективное покрытие, задачей которого является поглощение солнечных лучей и нагрев внутренней стенки колбы. В стеклянной колбе размещена емкость с теплоаккумулирующим веществом.
Указанная конструкция вакуумных трубок имеет существенный недостаток, а именно используемое теплоаккумулирующее вещество размещено внутри стеклянной колбы так, что не позволяет обеспечить эффективное аккумулирование внешней тепловой энергии из-за имеющихся воздушных зазоров между контактирующими элементами конструкции, т.к. они препятствуют эффективной передаче тепла.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в увеличении продолжительности (периода) отдачи тепловой энергии заявленной конструкцией трубки солнечного коллектора.
Эта задача решается путем создания вакуумной трубки солнечного коллектора, выполненной в виде стеклянной колбы, которая имеет внешнюю и внутреннюю стенки, а также центральную полость колбы, образованную поверхностью внутренней стенки, причем пространство между внешней и внутренней стенками заполнено вакуумом, а внутри центральной полости колбы с помощью пробки конструктивно закреплена тепловая медная трубка, при этом сама центральная полость колбы вокруг тепловой медной трубки без воздушных зазоров заполнена теплоаккумулирующим веществом, причем пробка закреплена в верхней части центральной полости стеклянной колбы так, что внутреннее пространство центральной полости закрыто относительно внешней среды.
В одном из вариантов заявленного решения теплоаккумулирующее вещество представляет собой алюминиевую пудру.
Таким образом, заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет увеличить КПД элемента солнечного коллектора и, соответственно, продолжительность отдачи тепловой энергии потребителю.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан общий вид солнечного коллектора.
На фиг. 2 - общий вид трубки солнечного коллектора с теплоаккумулирующим веществом.
На фиг. 3 - график изменения температуры на конденсаторе медной тепловой трубки в зависимости от времени дня и используемой конструкции трубки.
Осуществление полезной модели
Стеклянная колба (1) (или по иному вакуумная трубка (11), выполненная в виде стеклянной колбы) является основным элементом солнечного коллектора. В ней происходит преобразование солнечного излучения в тепло. Устройство коллектора приведено на фиг. 1.
Согласно фиг. 1 коллектор представляет из себя конструкцию, смонтированную на раме (12). В верхней части рамы закреплен манифолд (10) - короб из металла, внутри которого проходит медный канал для теплоносителя. В этот канал вварены гильзы, в которые вставляются конденсаторы (9) тепловой трубки. Между каналом теплоносителя и коробом манифолда проложен утеплитель. Полость канала для теплоносителя и полость гильз не сообщаются друг с другом.
Стеклянная колба (1) выполнена по технологии колбы термоса - две стенки, а между ними вакуум. Наружная (4) стеклянная стенка прозрачная для солнечных лучей. На наружной поверхности внутренней стеклянной стенки (5) нанесено селективное покрытие (3), задачей которого является поглощение солнечных лучей и нагрев внутренней стенки колбы. Внутри стеклянной колбы с помощью пробки (7) установлена тепловая медная трубка (6). Тепловая медная трубка представляет из себя полую трубку, внутри которой находится легко кипящая жидкость. Принцип работы вакуумной трубки следующий.
При освещении солнцем стенки трубки солнечные лучи проникают внутрь трубки и поглощаются селективным покрытием внутренней стенки колбы. Происходит нагрев внутренней стенки колбы. Тепло передается на тепловую медную трубку. Легкокипящая жидкость, находящаяся в тепловой трубке, закипает и превращается в горячий пар. Пар поднимается в конденсатор (9), который при сборке коллектора и монтаже трубки вставляется в вваренную в канал для теплоносителя гильзу. Гильза начинает нагреваться от горячего конденсатора. Протекающий по каналу теплоноситель омывает гильзы и «снимает» с них тепло, сам при этом нагреваясь. Остывающий пар в тепловой трубке конденсируется, превращается в жидкость и стекает в трубку.
Для обеспечения более длительного периода работы системы внутренняя полость трубки, а именно пространство вокруг тепловой трубки, которая размещена во внутренней полости колбы, стенки которой окружены вакуумом, заполняется теплоаккумулирующим веществом (8) (например, алюминиевой пудрой). Заполнение внутреннего пространства колбы теплоаккумулирующим веществом таково, что внешняя поверхность тепловой медной трубки полностью соприкасается и окружена данным веществом и, одновременно, указанное вещество полностью прилегает к внутренней поверхности внутренней стенки стеклянной колбы. Задача этого вещества накапливать в своей массе тепло в то время, когда трубка находится в рабочем состоянии - освещена солнцем. Количество накапливаемой энергии будет определяться произведением массы теплоаккумулирующего вещества на его удельную теплоемкость. После прекращения освещения трубки солнечным светом и, соответственно, прекращения поступления энергии извне накопленная в теплоаккумулирующем веществе энергия будет передаваться через тепловую трубку теплоносителю, обеспечивая тем самым процесс работы всей системы. Схема трубки с теплоаккумулирующим веществом приведена на фиг. 2.
На графике (см. фиг. 3) представлено изменение температуры на конденсаторе медной тепловой трубки в зависимости от времени дня.
Ряд А - голубой цвет - график температуры трубки без теплоаккумулирующего вещества.
Ряд Б, В - оранжевый и серый цвет - трубки с разными типами (материалом) аккумулирующего вещества.
Испытания проводились с постоянной регистрацией изменений температуры в течение нескольких дней (с 29.04.16 по 02.05.16).
Для справки: 01 мая 2016 года солнце взошло в 4,48 утра и зашло в 20,07 вечера.
Из графика видно, что в момент захода солнца трубка без теплоаккумулирующего вещества практически остыла и перестала «выдавать» тепло - температура на конденсаторе составляет порядка +45°С. А вот температура на конденсаторе у трубки с аккумулятором тепла в этот момент составляет (в лучшем варианте - серый график) порядка +139°С. В 4 часа ночи на трубке без теплоаккумулирующего вещества температура на конденсаторе составляет порядка +6°С, а на конденсаторе трубки с аккумулятором тепла +60°С.
Таким образом, из графиков видно, что трубка с аккумулятором тепла сохраняет свою работоспособность и при отсутствии солнца, а значит, позволяет сохранить работоспособность всей гелиосистемы без солнца определенное количество времени (определяется совершенством состава материала аккумулятора).
Для определения количественных показателей эффективности предлагаемой разработки достаточно определить площадь под кривой температуры в сравниваемый период времени за, например, сутки. Эта площадь будет прямо пропорциональна выдаваемой медной тепловой трубкой энергии. Проведенный расчет говорит о том, что трубка с аккумулятором тепла эффективнее модели без теплоаккумулирующего вещества до 30-40% (в зависимости от типа материала аккумулирующего вещества, наполненности трубки, солнечного излучения в рассматриваемое время).