СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОГО ПОТОКА В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ
METHOD OF UTILISATION OF SOLAR FLOW TO THERMAL ENERGY

Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к способу преобразования энергии светового потока в тепло, и предназначено для получения горячей воды для бытовых нужд. При этом используется ресурсосберегающая и малоотходная технология утилизации солнечной энергии.
В качестве аналога принят способ аккумулирования солнечной энергии и устройство для его осуществления. Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к гелиотеплицам с грунтовым водоносным аккумулятором тепла. В этом способе выбирается местность, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли. Там устанавливаются вертикальные скважины с забоем для снижения уровня грунтовых вод. Регулирование температуры воздуха теплицы и корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляционным контуром, нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляют за счет солнечной энергии. Изобретение должно обеспечить высокую эффективность использования солнечной радиации и ее аккумулирования в водоносном грунте для круглогодичного энергоснабжения культивационных сооружений, увеличения вегетационного периода, снижения себестоимости продукции. Способ аккумулирования солнечной энергии, включающий преобразование солнечной радиации в тепло на принципе парникового эффекта, передачу посредством циркуляционного контура этого тепла в грунтовый аккумулятор в теплый период года и обратно в холодный период, дублирование на время резкого похолодания традиционным источником теплоснабжения, отличающийся тем, что аккумулирование солнечной энергии осуществляют в водоносном грунте, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли, под огражденным шатром гелиотеплицы поверхностным слоем земли, для чего располагают уровень грунтовых вод ниже корнеобитаемого слоя грунта, выкачивают грунтовую воду из водоносного слоя грунта, нагревают ее в гелиотеплице за счет солнечной радиации, закачивают нагретую воду в водоносный слой грунта, а зону действия центральной выкачивающей скважины и периферийных и периферийных закачивающих скважин, над которой установлена геотеплица, формируют в виде перевернутого конуса с заданным радиусом основания, а вершина конуса совпадает с забоем скважины, при этом регулирование температуры воздуха в гелеотеплице и температуры корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляцией воды грунтового аккумулятора, теплопередачей через корнеобитаемый сой грунта аккумулированного тепла [1].
Недостатком предлагаемого способа аккумулирования солнечной энергии является то, что солнечный поток используется только для регулирования температуры воздуха в теплице и корнеобитаемого слоя.
Наиболее близким по технической сущности является бытовой солнечный водонагреватель, служащий для получения горячей воды для бытовых нужд с помощью солнечного излучения (прототип). Бытовой солнечный водонагреватель выполнен в виде трехгранной призмы, в объеме которого содержится бак-аккумулятор воды, а теплоприемной поверхностью (тепловой коллектор) выполнен в виде наклонной грани призмы. Кроме того, внутри бака-аккумулятора, параллельно теплоприемной поверхности установлена специальная разделительная панель, играющая роль дефлектора и выполненная из жесткого теплоизолированного материала (например, твердый пенопласт). Разделительная панель примыкает к боковым (треугольным) граням бака и имеет зазоры с другими поверхностями для обеспечения конвективных потоков. Изобретение должно обеспечить улучшение эксплутационных и потребительских свойств (компактность, простоту изготовления и эксплуатации, дешевизну), повышение эффективности использования светового излучения путем снижения тепловых потерь в облачную погоду и ночью [2].
Одним из вариантов является устройство для аккумулирования солнечной энергии, отличающееся тем, что патрубок для отвода горячей воды находится на уровне верхней кромки разделительной панели.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие эффективных теплообменных устройств, что приводит к довольно низкому к.п.д. использования светового потока;
- неудобство эксплуатации, заключающееся в том, что отсутствие незамерзающего теплоагента может приводить к нарушению работы устройства при низких температурах окружающего воздуха.
Задачей данного изобретения является разработка нового способа утилизации солнечного потока в тепловую энергию с использованием новой энергосберегающей технологии. Кроме того, повышение к.п.д. основного устройства технологической схемы преобразования солнечного потока в горячую воду.
Указанная техническая задача решается с помощью разработки новой технологической схемы использования солнечного потока в горячую воду. Эта технологическая схема включает следующие блоки: источник светового потока - I, теплообменник светового потока (ТСП) - II, управляющий элемент схемы (бойлер) - III, потребители теплой воды (душ, кондиционеры, обогрев в номерах гостиниц) - IV. (Фиг. 1). Световой поток (1) воздействует на ТСП. В ТСП в рабочем состоянии создается технический вакуум. Для его поддержания требуется достаточное изолирование ТСП. Поток водопроводной воды (2) подается в кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения полученной в ТСП горячей воды. Из этого теплообменника поток горячей вода подается в гостиничный комплекс. Поток циркулирующей воды (тосол) (3) из бойлера подается в ТСП, в котором нагревается под действием солнечного потока. Из ТСП поток воды (4) (тосол) возвращается в кожухотрубный теплообменник.
Поток циркулирующей воды (тосола) подается в бойлер для нагревания водопроводной воды. Водопроводная вода из управляющего элемента схемы подается потребителям горячей воды (5). В управляющем элементе схемы (бойлере) температура воды доводится до 70°C. ТСП имеет следующие габаритные размеры: 2 м, 0,12 м. Внутри теплообменника установлены десять медных трубок, которые имеют диаметр 0,006 м. В этих трубках течет вода (тосол), которая нагревается световым потоком (6). Кроме того, в ТСП используются эллиптическая крышка из ПВХ (8) и теплообменный элемент (7). Коробка теплообменника светового потока должна изготавливаться из сплава алюминия (9) [3-5]. Предусмотрена работа ТСП как самотеком, так и с использованием нагнетательного насоса. В ТСП используются алюминиевые входные-выходные штуцеры (10-12) (Фиг. 2). Кроме того, в предлагаемом способе предусмотрено отдельное нагревание каждой трубки. Эта трубка окружена стеклянной трубкой (ПВХ), которая имеет эллиптическое сечение (13).
Теплообменный элемент ТСП (14) служит для интенсификации теплообменного процесса и имеет стальные ситчатые пластинки (4 шт.), что приводит к турбулизации потока воды и ликвидации застойных зон (Фиг. 3). Установка ситчатых пластинок в теплообменном элементе существенно изменяет гидродинамику в нем. Наиболее эффективно выравнивает профиль скорости первая ситчатая пластинка, тогда как ближе к выходу одной секции теплообменного элемента вновь начинает формироваться неравномерный профиль скорости.
Таким образом, предложенный метод моделирования теплообмена теплообменного элемента с ситчатыми пластинками позволяет достаточно строго рассчитывать гидродинамику в нем и на ее основе прогнозировать протекание теплообмена [6].
В технологической схеме используется кожухотрубчатый теплообменник (управляющий элемент), который в настоящее время является самым распространенным аппаратом в химической (нефтехимической) промышленности (Фиг. 4). Теплопередающая поверхность аппарата может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Для улучшения работы этого теплообменника предусматривается использование вальцованных внутренних трубок. Это приводить к турбулизации потоков воды, что приводит к снижению габаритов теплообменника. В результате теплообмена, обеспечивающего температуру воды во внутренних трубках - 70°C, жидкость в межтрубном пространстве может закипать и приводить к сбою работы теплообменника. Для исключения этого предусмотрена специальная запорная арматура (гидросифон, входные и выходные запорные клапаны и термопары).
Расчет экономического эффекта технологической схемы получения тепловой энергии представлен в таблице 1.
Резюмируя вышеизложенное, можно заключить:
1) на предлагаемой установке преобразования солнечного потока в тепловую энергию можно провести опытно-промышленные эксперименты в течение летнего периода;
2) для отработки конструкции трубчатого теплообменника требуются лабораторные эксперименты;
3) для исследования запорной и другой арматуры теплообменника необходима предварительная проектная проработка. Кроме того, такая же проработка требуется для контрольно-измерительной аппаратуры.
Источники информации
2
1. Патент N RU 2275560, М. кл F24J 2/34, 2006.
2
2. Патент N RU 2350853, М. кл F24J 2/34, 2008.
3. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Теплопередача в солнечных батареях. // Демидовские чтения - Тула. 2012. С. 257-259.
4. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Математическое моделирование процессов в солнечных батареях. // Международный журнал экспериментального образования. М., изд-во РАЕ. С. 138-140.
5. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. / М., изд-во Энергоиздат. 1981. С. 24.
6. Федоров А.Я. Математическое моделирование химических реакторов с быстрыми жидкофазными реакциями. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук // Тула, изд-во ТулГУ. 1995. С. 26.