АВТОНОМНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована для отопления помещений, нагревания жидкостей, например, воды в бассейне, и для аккумуляции тепла в заполненных теплоносителем емкостях.
Известны многочисленные варианты нагревателей, например, описанный в [1], в котором теплоноситель размещен в емкости, а дно емкости нагревается продуктами сгорания топлива. Недостаток известных технических решений такого типа заключается в низком коэффициенте полезного действия - много тепла, образующегося при сгорании топлива, теряется впустую.
Известны различные варианты устройств для передачи тепловой энергии от продуктов сгорания топлива к теплоносителю с помощью пучка теплообменных трубок [2]. В дымогарных (огнетрубных) системах такого типа теплоноситель омывает теплообменные трубки, по которым движутся продукты сгорания топлива, в водотрубных системах по теплообменным трубкам движется теплоноситель, а продукты сгорания топлива проходят между трубками. Недостаток таких систем заключается в низкой эффективности, так как теплообмен между продуктами сгорания и теплоносителем осуществляется только через поверхность теплообменных трубок.
Известны различные варианты устройств, в которых получение электрической энергии осуществляется солнечными батареями, например, [3]. Использование подобных устройств для получения тепловой энергии сопряжено с большими энергетическими потерями, так как в данном случае осуществляется двойное преобразование энергии: вначале энергия лучистого потока преобразуется в электрическую энергию, после чего электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию.
Известны различные варианты устройств для преобразования лучистой энергии в тепловую энергию, например, [4], в которых данное преобразование осуществляется путем передачи энергии от нагреваемой
пластины к встроенным в нагреваемую пластину теплообменным трубкам, по которым циркулирует теплоноситель. Недостаток известных устройств заключается в низкой эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую энергию за счет того, что передача тепловой энергии происходит только через стенку нагревателя.
Известны различные варианты солнечных нагревателей, например, [5, 6], в которых используются прозрачные окна, чехлы, кожухи и т.п. В этих устройствах прозрачные элементы используются для снижения тепловых потерь а передача тепловой энергии теплоносителю происходит только через стенку нагревателя. Недостаток известных устройств заключается в низкой эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую энергию за счет того, что передача тепловой энергии происходит только через стенку нагревателя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому автономному нагревателю является техническое решение, описанное в [7] и содержащее связанные в циркуляционный контур первую емкость в виде канала в нагревательном элементе, вторую емкость в виде бака-аккумулятора и циркуляционные трубопроводы. Поток лучистой энергии нагревает нагревательный элемент, который, в свою очередь, нагревает подвижный поглощающий тепловую энергию теплоноситель. Нагретый подвижный поглощающий теплоноситель направляется в бак-аккумулятор, а из него - к потребителям. Охлажденный подвижный поглощающий теплоноситель попадает в канал нагревательной пластины, после чего цикл работы повторяется. Недостаток известного технического решения заключается в низком коэффициенте полезного действия, так как вначале поток лучистой энергии нагревает нагревательную пластину, затем эта тепловая энергия переходит к подвижному поглощающему теплоносителю через стенки канала, в котором находится подвижный поглощающий теплоноситель.
Задачей полезной модели является повышение коэффициента полезного действия.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в автономный нагреватель (п.1 формулы полезной модели), содержащий связанные в циркуляционный контур первую емкость, вторую емкость и нижний
циркуляционный трубопровод, при этом циркуляционный контур заполнен подвижным поглощающим теплоносителем, внесены следующие усовершенствования: первая стенка первой емкости снабжена прозрачным окном, верхние части первой и второй емкостей соединены между собой и снабжены циркуляционным отверстием, а нижний циркуляционный трубопровод снабжен вентилем.
Такое построение автономного нагревателя обеспечивает поглощение лучистой энергии подвижным поглощающим теплоносителем, находящимся в первой камере, в результате чего повышается эффективность использования лучистой энергии по сравнению с прототипом, в котором поглощение лучистой энергии осуществляется стенкой нагревательной камеры, которая, в свою очередь, нагревает подвижный поглощающий теплоноситель. Таким образом, заявленное техническое решение обладает более высоким коэффициентом полезного действия, чем прототип.
Для обоснования того, что заявляемое устройство обладает указанным преимуществом по сравнению с прототипом, можно выбрать в качестве критерия эффективности действия источника тепловой мощности заданной величины достижимый перегрев подвижного теплоносителя ϑ:
f
c
где t - температура подвижного теплоносителя, t - температура окружающей среды.
Сопоставим перегрев подвижного поглощающего теплоносителя в канале при нагреве лучистой энергией внешней стенки плоского канала (вариант 1) и при нагреве жидкости внутренним источником, создаваемым поглощением излучения в его объеме.
С целью упрощения анализа можно ввести следующие допущения:
1. Рассматривается стационарный тепловой режим;
2. Подвижный теплоноситель в канале принимается неподвижным, возможное медленное движение снизу вверх под действием архимедовой силы можно не учитывать, как не вносящее качественное искажение в тепловой баланс;
3. Ввиду малой ширины канала по сравнению с двумя другими измерениями (длиной и шириной) его можно рассматривать как бесконечно протяженный, поэтому реализуется одномерный перенос тепла - только в поперечном направлении;
4. Вследствие малой ширины канала нагрев подвижного поглощающего теплоносителя по толщине канала считается равномерным.
Рассмотрим поочередно два варианта нагрева подвижного теплоносителя (прототип и заявленное техническое решение), а затем сопоставим полученные результаты.
1. Прототип
2
2
c1
c2
c1
с2
1
2
На внешнюю стенку канала с координатой х=0 (фиг.1) падает удельный тепловой поток q [Вт/м]. На внешних стенках канала - на поверхностях х=0 и х=L+2Δ осуществляется теплоотдача - при х=0 - в первую среду с температурой t, а при x=L+2Δ - во вторую среду с температурой t. Теплоотдача в первую и вторую среды характеризуется величинами коэффициентов теплоотдачи соответственно α и α [Вт/мK]. Толщина стенки Δ для упрощения принимается незначительной и тепловое сопротивление стенки мало. На внутренних стенках канала теплообмен с подвижным поглощающим теплоносителем характеризуется коэффициентами теплоотдачи α и α.
s1
s2
Тепловую модель рассмотренного объекта (канал с подвижным поглощающим теплоносителем - фиг.1) можно представить в виде эквивалентной тепловой цепи [8, 9], представленную на фиг.2, где t и t - соответственно температуры стенок слева и справа от подвижного поглощающего теплоносителя.
2
c2
2
Для упрощения расчетов представим удельные проводимости (коэффициенты теплоотдачи α и α) в правой части цепи в виде эффективного коэффициента теплопередачи k [10]:
s1
В свою очередь, все элементы правее узла t на схеме на фиг.2 можно объединить одной эффективной величиной:
s1
Тогда баланс потоков в левом и правом относительно узла t плече схемы можно представить в виде системы уравнений:
s1
0
Из решения системы уравнений (4) можно получить величину температуры стенки t и потока q:
Из рисунка, приведенного на фиг.2, видно, что
1
откуда можно определить конечную искомую величину достижимого перегрева подвижного поглощающего теплоносителя для прототипа ϑ:
0
Подставив в (8) величину q из (6), окончательно получим:
2. Заявленное техническое решение
s1
f
При внутреннем тепловыделении источник теплового потока подводится не к точке t, а к точке t (фиг.3).
2
1
f
Для упрощения расчетов кроме величины ϑ введем коэффициент теплопередачи k для левой относительно узла t части схемы
Тогда баланс потоков в тепловой схеме упрощается:
f
2
2
Решение системы позволяет получить выражение для t и ϑ (ϑ - искомая величина достижимого перегрева подвижного поглощающего теплоносителя для заявленного технического решения):
3. Сопоставление прототипа и заявленного технического решения
Проведем сопоставление для простейшего случая симметрии условий теплообмена на левой и правой стенках в обоих вариантах, то есть будем считать, что
Тогда (9) и (13) упростятся до вида:
2
1
Отношение ϑ к ϑ равно:
Как видно из (16), всегда выполняется условие
с
то есть задача полезной модели действительно решается в заявленном техническом решении, причем, чем лучше теплоизолирована система (чем меньше α), тем больший выигрыш обеспечивает заявляемый автономный нагреватель по сравнению с прототипом.
В частном случае (п.2 формулы полезной модели) вторая емкость снабжена теплообменной системой. Такое построение автономного нагревателя расширяет область его применения: наличие второго контура позволяет, например, использовать в нем воду, предназначенную для приготовления пищи и проведения гигиенических процедур, так как в воде, проходящей через второй контур, отсутствуют поглощающие добавки, входящие в состав подвижного поглощающего теплоносителя, циркулирующего в первом циркуляционном контуре.
В частном случае (п.3 формулы полезной модели) внутренняя поверхность третьей стенки первой емкости снабжена отражателем. Такое построение первой емкости позволяет ту часть лучистой энергии, которая не поглотилась при ее проходе через подвижный поглощающий теплоноситель и попала на отражатель, отразить обратно, при этом снова будет происходить поглощение лучистой энергии подвижным поглощающим теплоносителем, в результате чего повышается коэффициент полезного действия автономного обогревателя.
В частном случае (п.4 формулы полезной модели) циркуляционный контур снабжен теплоизоляцией. Такое построение автономного нагревателя позволяет снизить потери тепловой энергии в процессе эксплуатации и тем самым повысить коэффициент полезного действия.
В частном случае (п.5 формулы полезной модели) автономный нагреватель содержит циркуляционный насос. Применение циркуляционного насоса позволяет уменьшить время выхода автономного нагревателя на рабочий режим и тем самым повысить его потребительские свойства.
В частном случае (п.6 формулы полезной модели) прозрачное окно первой стенки первой емкости содержит раму и N листов из прозрачного материала, где N=2, 3, 4, ..., причем листы из прозрачного материала установлены в раме друг за другом с зазорами. Такое построение прозрачного окна снижает потери тепловой энергии через него за счет того, что между листами из прозрачного материала находится воздух, являющийся теплоизолятором.
В частном случае (п.7 формулы полезной модели) циркуляционный контур снабжен тепловым аккумулятором. Такое построение автономного нагревателя позволяет увеличить время его работы после прекращения действия потока лучистой энергии.
Сущность полезной модели поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявленное техническое решение, варианта выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг.1-3 приведены рисунки, иллюстрирующие обоснование преимущества заявленного технического решения по сравнению с прототипом;
- на фиг.4 приведен поперечный разрез автономного нагревателя;
- на фиг.5 приведен разрез варианта конструктивного выполнения прозрачного окна.
Автономный нагреватель содержит (фиг.4) первую емкость 1, вторую емкость 2, нижний циркуляционный трубопровод 3, при этом верхние части первой 1 и второй 2 емкостей соединены между собой и снабжены циркуляционным отверстием 4. Первая емкость 1, вторая емкость 2 и нижний циркуляционный трубопровод 3 связаны в циркуляционный контур, который заполнен подвижным поглощающим теплоносителем 5. Первая стенка первой емкости 1 снабжена прозрачным окном 6, а внутренняя поверхность третьей стенки первой емкости 1 снабжена отражателем 7. Вторая емкость 2 содержит теплообменную систему 8. Нижний
циркуляционный трубопровод 3 снабжен вентилем 9. Первая емкость 1, вторая емкость 2 и нижний циркуляционный трубопровод 3 снабжены теплоизоляцией 10.
Автономный нагреватель содержит циркуляционный насос, включающий солнечную батарею 11 и электрические лампы 12, причем выход солнечной батареи 11 соединен со входом электрических ламп 12. Электрические лампы 12 размещены внутри первой емкости 1 в ее нижней части.
Циркуляционный контур снабжен тепловым аккумулятором 13. Поток лучистой энергии обозначен на фиг.4 позицией 14.
Прозрачное окно 6 может быть выполнено (фиг.5) следующим образом. Оно содержит установленную в первой стенке 15 первой емкости 1 раму 16, в прорезях которой установлены N листов 17 из прозрачного материала, где N=2, 3, 4, ....
Автономный нагреватель работает следующим образом (фиг.4). Поток лучистой энергии 14, например, от Солнца, после прохождения через прозрачное окно 6 в первой емкости 1 проходит через подвижный поглощающий теплоноситель 5, где происходит поглощение лучистого потока 14. Та часть лучистого потока 14, которая не поглотилась подвижным поглощающим теплоносителем 5, попадает на отражатель 7, отражается от него и снова проходит через подвижный поглощающий теплоноситель 5, при этом тоже происходит поглощение энергии лучистого потока 14 подвижным поглощающим теплоносителем 5. Таким образом, лучистый поток 14 дважды проходит через подвижный поглощающий теплоноситель 5, в результате чего увеличивается количество поглощенной энергии.
Подвижный поглощающий теплоноситель 5, поглотив энергию лучистого потока 14, нагревается и движется в первой емкости 1 вверх, как показано на фиг.4 стрелкой, после чего нагретый подвижный поглощающий теплоноситель 5 через циркуляционное отверстие 4 попадает во вторую емкость 2, где он омывает теплообменную систему 8 и отдает проходящему через теплообменную систему 8 подвижному теплоносителю второго контура свою тепловую энергию. При этом подвижный поглощающий теплоноситель 5 охлаждается и движется вниз по второй емкости 2, как показано стрелками на фиг.4, затем проходит по нижнему циркуляционному
трубопроводу 3 в нижнюю часть первой емкости 1, после чего процесс повторяется. Вентиль 9 позволяет регулировать скорость движения подвижного поглощающего теплоносителя 5 в зависимости от условий эксплуатации.
Для повышения эффективности работы автономного нагревателя и ускорения его выхода рабочий режим может быть включен циркуляционный насос, который в описываемом варианте конструктивного выполнения работает следующим образом. Солнечная батарея 11 преобразует энергию лучистого потока в электрическую энергию, которая в электрических лампах 12 преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия передается подвижному поглощающему теплоносителю 5, в результате чего нагретый подвижный поглощающий теплоноситель 5 поднимается вверх по первой емкости 1, что увеличивает скорость циркуляции подвижного поглощающего теплоносителя 5 в циркуляционном контуре. Увеличение скорости циркуляции подвижного поглощающего теплоносителя 5 в циркуляционном контуре повышает эффективность работы автономного нагревателя и ускоряет его выход на рабочий режим.
Прозрачное окно 6 первой стенки первой емкости 1 работает следующим образом (фиг.5). Поток лучистой энергии 14 с малыми потерями проходит через N расположенных друг за другом листов 17 из прозрачного материала. Охлаждение подвижного теплоносителя 5 через прозрачное окно 6 снижается за счет того, что в зазорах между листами 17 из прозрачного материала находится воздух, который является хорошим теплоизолятором.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. М.: Наука, 1967. С.327.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. C.211, 419.
3. Солнечный генератор. Авт. свид. СССР №1825071, приор. от 04.04.90, публ. 20.02.96 Бюл. №5, МПК 6 F24J 2/00.
4. Солнечный коллектор. Авт. свид. СССР №1815526, приор. от 20.08.90, публ. 15.05.93 Бюл. №18, МПК 5 F24J 2/08, 2/38.
5. Бак солнечного коллектора с прозрачным кожухом. Патент США №4520795, публ. 04.06.85 т.1055 №1, МПК 3 F24J 3/02, НКИ 126-443.
6. Отопительная система, использующая солнечную энергию. Заявка Японии №60-25705, публ. 19.06.85 №5-643, МПК F24J 2/04.
7. Солнечный водонагреватель. Авт. свид. №1814003, приор. от 19.03.91, публ. 07.05.93 Бюл. №17, МПК 5 А 24 2/20.
8. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. М.: Энергия, 1968. - 360 с.
9. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.
10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. - 440 с.