Гелиоводонагреватель

Полезная модель относится к области преобразования солнечной энергии в тепловую, с использованием последней на технологические и бытовые нужды населения. Может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения. Может применяться в системах с естественной (термосифонного типа) или принудительной циркуляцией теплоносителя.
Известен плоский солнечный коллектор (патент RU №102768 F24J 2/46, F24J 2/24), содержащий теплопоглощающую панель, выполненную из прозрачного или непрозрачного сотового поликарбоната или любого аналогичного полимерного материала, имеющего внутренние продольные каналы и стойкого к воздействию ультрафиолета, прозрачную теплоизоляцию, выполненную из листа прозрачного сотового поликарбоната или любого аналогичного полимерного материала, имеющего внутренние продольные каналы и стойкого к воздействию ультрафиолета, и прикрепленную поверх теплопоглощающей панели внутреннюю теплоизоляцию, выполненную из вспененного материала с низкой теплопроводностью, внутренние продольные каналы теплопоглощающей панели объединены в систему сообщающихся сосудов, образуя по меньшей мере два дополнительных канала поперек существующих, выполненных внутри листа теплопоглощающей панели и исполняющих функции коллекторных труб для возможности сквозной прокачки теплоносителя, при этом крайние продольные каналы теплопоглощающей панели используются в качестве дополнительной теплоизоляции, прозрачная теплоизоляция выполнена снаружи солнечного коллектора, кроме того, торцы листа теплопоглощающей панели и наружной прозрачной теплоизоляции герметизированы, а в теплопоглощающей панели выполнено не менее двух отверстий, в каждом из которых организован узел для подведения и стока нагреваемой жидкости, выполненный из стойкого к ультрафиолетовому излучению и погодным условиям полимерного материала.
Недостатками данного плоского солнечного коллектора являются:
1. Узлы подводки и стока воды выполнены в плоскости коллектора, что может снижать прочность коллектора и приводить к перегреву воды.
2. Установка подводки и стока воды в плоскости коллектора приводит к нарушению целостности и усложняет работы по замене рабочего органа коллектора.
3. Теплоизолятор абсорбера не защищен от механических повреждений и охлаждения наружным воздухом.
Известен  плоский солнечный коллектор (патент RU № 94676 F24J 2/24, F24J 2/46), состоящий из светопроницаемого прозрачного покрытия и абсорбера, выполненных из полимерного светопроницаемого материала с внутренними каналами, системы теплообмена, содержащей внутренние каналы абсорбера и герметично надетые на торцевые стороны листа абсорбера коллекторные трубы, отверстий, сообщающих внутренние полости с атмосферой, теплоизоляции абсорбера, светопроницаемое прозрачное покрытие выполнено с двух сторон абсорбера и отстоит от него по всей своей плоскости на расстояние, предотвращающее конвективный теплообмен между абсорберами прозрачным покрытием, по периметру абсорбера и прозрачного покрытия расположено ограждение, между абсорбером и светопроницаемым покрытием равномерно расположены ограничивающие штифты с малой теплопроводностью, по наружному периметру солнечного коллектора герметично закреплен П-образный профиль с высотой полки, равной толщине коллекторной трубы и двойного листа прозрачного покрытия на расстоянии, обеспечивающем зазор между ограждением и полкой, достаточный для размещения теплоизоляции.
Недостатками данного плоского солнечного коллектора являются:
1. Низкая производительность установки из-за низкой теплопроводности и малого объема воды в абсорбере.
2. Сложная и ненадежная конструкция за счет применения нескольких слоев поликарбоната, что приводит к снижению производительности в процессе его эксплуатации, за счет загрязнения внутренних каналов поликарбоната.
Известен  плоский солнечный коллектор-сэндвич (патент RU № 170464 U1 F24J 2/24, F24J 2/46), состоящий из защитного светопроницаемого прозрачного слоя системы теплообмена, выполненного из полимерного светопроницаемого материала с внутренними каналами, системы теплообмена, содержащей внутренние каналы с абсорбером, на торцевые стороны которой герметично надеты коллекторные трубы, теплоизоляции системы теплообмена, герметично закрепленного П-образного профиля, изготовленного из полимерного материала с малой теплопроводимостью, отличающийся тем, что защитное светопроницаемое прозрачное покрытие выполнено с одной стороны системы теплообмена, изготовлено из листа сотового поликарбоната с размером внутренних каналов 4 мм, системой теплообмена, изготовленной из листа сотового поликарбоната с размером внутренних каналов 10 мм с абсорбером, выполненным их ПВХ-пленки черного цвета, покрывающей внутреннюю сторону листа сотового поликарбоната системы теплообмена, торцы которого закреплены в коллекторных трубах, водонепроницаемость соединения обеспечена силиконовым уплотнителем, за которым установлен теплоизолятор, выполненный из вспененного утеплителя с отражающим слоем толщиной 6 мм, отражающая сторона которого направлена к системе теплообмена, за теплоизолятором установлен лист сотового поликарбоната с размером каналов 6 мм.
Недостатками данного плоского солнечного коллектора являются:
1. Низкая производительность установки из-за низкой теплопроводности и малого объема воды в абсорбере.
2. Низкая надежность конструкции из-за применения в нем клея.
3. Сложная и ненадежная конструкция за счет применения нескольких слоев поликарбоната, что приводит к снижению производительности в процессе его эксплуатации, за счет загрязнения внутренних каналов поликарбоната.
Наиболее близким аналогом к заявленному гелиоводонагревателю относится гелиоводонагреватель (Патент РФ RU 187433 U1 F24S 10/70), содержащий защитный прозрачный светопроницаемый слой, систему теплообмена в виде внутренних каналов, на торцевых сторонах которых герметично закреплены коллекторные трубы с входными и выходными отверстиями, теплоизоляцию системы теплообмена, выполненную из вспененного утеплителя с отражающим слоем, отражающая сторона которого направлена к системе теплообмена, снабжен корпусом и фигурной пластиной, выполненной из металла с высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью, имеющей выемки в виде полуцилиндров и установленной в корпусе между защитным прозрачным светопроницаемым слоем и теплоизоляцией, при этом система теплообмена выполнена из параллельных между собой металлических трубок с высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью и внутренним диаметром трубок 8 мм, сваренных с коллекторными трубами и размещенных в выемках фигурной пластины, при этом внутренний диаметр выемок равен наружному диаметру металлических трубок, а расстояние между центральными осями выемок равно расстоянию между центральными осями металлических трубок.
Недостатками данного плоского солнечного коллектора являются:
узкий диапазон приёма солнечных лучей за счет плоской конструкции фигурной пластины, что приводит к снижению времени работы гелеоводонагревателя, как следствие, к снижению производительности.
Технической задачей полезной модели является повышение производительности теплодопередачи.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что:
Гелиоводонагреватель, содержащий корпус, крышка которого выполнена из защитного прозрачного светопроницаемого слоя, систему теплообмена, выполненную из параллельных между собой металлических трубок с высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью, на торцевых сторонах которых герметично закреплены коллекторные трубы с входными и выходными отверстиями, теплоизоляцию системы теплообмена, выполненную из вспененного утеплителя с отражающим слоем, отражающая сторона которого направлена к системе теплообмена. Металлические трубки установлены на одной центральной оси на равном расстоянии друг от друга и с жёстким креплением в полуцилиндрических выемках  фигурных пластин,  сопряжённых со своими равными между собой и направленными в одну сторону свободными концами фигурных пластин, которые чередуются между собой с разворотом на 180°, выполнены из металла с высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью, установлены в корпусе между прозрачным светопроницаемым слоем и теплоизоляцией, свободные концы фигурных пластин, расположены  под острым углом к центральной оси коллекторных труб, причём наружный диаметр металлических трубок равен внутреннему диаметру полуцилиндрических выемок.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид спереди гелиоводонагревателя; на фиг. 2 изображены проекция гелиоводонагревателя с сечением А-А; на фиг. 3 представлены сечение Б-Б гелиоводонагревателя; на фиг. 4 представлены сечение В-В гелиоводонагревателя; на фиг. 5 представлено расположение трубок и фигурных пластин.
Геливодонагреватель состоит из защитного светопроницаемого слоя 1, например, стекла. Система теплообмена содержит металлические трубки 2, которые параллельны между собой и обладают высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью. Торцевые стороны металлических трубок 2 сваренных с коллекторными трубами 3, которые имеют входные 4 и выходные 5 отверстия. Теплоизоляция системы теплообмена, выполненная из вспененного утеплителя 6 с отражающим слоем 7, отражающая сторона которого направлена к системе теплообмена. Между прозрачным светопроницаемым слоем 1 и теплоизоляцией установлены металлические фигурные  пластины, имеющую выемку 8  в виде полуцилиндров с возможностью размещения в них металлических трубок 2. Металлические трубки 2 установлены на одной центральной оси на равном расстоянии друг от друга и жестким креплением в выемках 8, сопряженных со своими равными между собой равными и направленными в одну сторону свободными концами 9, которые чередуются между собой с разворотом 180° и расположеными под острым углом α к центральной оси коллекторных труб 3. Металлические трубки 2 жёстко закреплены в выемках 8 фигурных пластин, например, с помощью пайки.  Гелиоводонагреватель установлен в корпусе 10.
Работа гелиоводонагревателя.
Вариант использования гелиоводонагревателя в системе с естественной (термосифонной) циркуляцией воды:
В данном варианте использования необходимым условием работы системы является расположение бака накопителя (на Фиг. 1-5 не показан) выше выходного отверстия 5 гелиоводонагревателя. Крепление гелиоводонагревателя выполняется за корпус 10. Под воздействием с различных углов солнечной радиации свободные концы 9 фигурных пластин, расположенных под острым углом α относительно центральной оси коллекторных труб 3, воспринимают солнечную радиацию в широком диапазоне, разогреваются и передают тепло на выемки 8 и металлические трубки 2, из-за чего он разогревается до 65-85°С. Происходит нагрев металлических трубок 2 системы теплообмена. Холодная вода поступает из бака накопителя по системе труб (на Фиг. 1-5 не показаны) к нижнему входному отверстию 4 гелиоводонагревателя. По принципу сообщающихся сосудов вода равномерно заполняет весь объем внутренних каналов системы теплообмена гелиоводонагревателя. Система теплообмена, содержащая металлические трубки 2, которые параллельны между собой и обладают высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью, способна единовременно прогревать объем воды, равный двум с половиной литрам. Вследствие соприкосновения с нагретыми частями системы теплообмена, состоящая из металлических трубок 2 и фигурной пластины, вода начинает прогреваться. Плотность нагретой воды уменьшается. Нагретая вода самотеком поступает в верхнюю часть системы теплообмена 2, затем через выходное отверстие 5 коллекторной трубки 3 по системе труб поступает в верхнюю часть бака накопителя, а ее место занимает холодная вода, имеющая большую плотность. Циркуляция воды продолжается до момента, пока система не достигнет температурного равновесия. Потеря тепла с поверхности системы теплообмена гелиоводонагревателя снижается за счет теплоизоляции, выполненной из вспененного утеплителя 6 с отражающим слоем 7, отражающая сторона которого направлена к системе теплообмена.
Принцип работы теплоизоляции - это создание воздушной прослойки нагретого воздуха между корпусом и системой теплообмена, состоящей из металлических трубок 2 и фигурных пластин.
Для обеспечения жесткости конструкции гелиоводонагревателя и исключения его деформации под воздействием тепла и веса воды, конструкция выполнена из металлических деталей, сваренных между собой.
Вариант использования плоского солнечного гелиоводонагревателя в системе с принудительной циркуляцией воды:
В системах с принудительной системой циркуляции установка гелиоводонагревателя допускается выше бака накопителя (на Фиг. 1-4 не показан). Крепление гелиоводонагревателя выполняется за корпус 10. Под воздействием с различных углов солнечной радиации свободные концы фигурных пластин, расположенных под острым углом α относительно центральной оси коллекторных труб 3 воспринимают солнечную радиацию в широком диапазоне, разогреваются и передают тепло на выемки 9 фигурных пластин и металлические трубки 2,  из-за чего они разогреваются до 65-85°С. Холодная вода поступает из бака накопителя по системе труб (на Фиг. 1-5 не показаны) к нижнему входному отверстию 4 гелиоводонагревателя. Под воздействием давления, создаваемого водяным насосом (на Фиг. 1-5 не показан), вода равномерно заполняет внутренний объем металлических трубок 2 гелиоводонагревателя. Система теплообмена, содержащая металлические трубки 2, которые параллельны между собой и обладают высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью, единовременно прогревает объем воды, равный двум с половиной литрам. Нагретая вода под давлением, создаваемым водяным насосом, поступает в верхнюю часть системы теплообмена, затем через выходное отверстие 5 коллекторной трубки 3 по системе труб поступает в нижнюю часть бака накопителя, тем самым обеспечивается диффузный теплообмен. Циркуляция воды зависит только от режима работы водяного насоса. Данный вариант использования солнечного гелиоводонагревателя позволяет обеспечить большую производительность системы и снижает теплопотери в системе, исключая рассевание тепла через геливодонагреватель.
Для обеспечения жесткости конструкции гелиоводонагревателя и исключения его деформации под воздействием тепла и веса воды конструкция выполнена из металлических деталей, сваренных между собой.
Повышение производительности гелиоводонагревателя обусловлены: увеличенной площадью тепловоспринимающей поверхности гелиоводонагревателя за счет фигурных пластин предложенной формы, позволяющей воспринимать солнечную радиацию под разными углами с одинаковой эффективностью и использованием металла высокой тепловоспринимающей и теплопередающей способностью.