ТЕПЛОВАЯ ПАНЕЛЬ
HEAT PANEL

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, а также в приборах отопления и охлаждения коммунально-бытового и промышленного назначения.
Известна тепловая панель солнечного коллектора, выполненная в виде находящейся в тепловом контакте с теплоносителем неподвижной теплопоглощающей пластины, рабочая поверхность которой выполнена в форме чередующихся треугольных выступов и впадин (патент RU №2032861, публ. 1995 г.).
Недостатком этой конструкции является низкая прочность и невысокая долговечность конструкции, обусловленная применением пластины в качестве корпуса для теплоносителя. Другим недостатком является небольшая теплопоглощающая поверхность.
Наиболее близкой по технической сути к заявляемой является тепловая панель солнечного коллектора, содержащая каналы для теплоносителя в виде ряда оребренных труб, элементы оребрения труб в форме плотно охватывающей трубу обечайки с двумя продольными ребрами, расположенными в одной плоскости. Элемент оребрения трубы выполнен из двух листовых пластин с выемками полуцилиндрической формы, плотно охватывающих трубу по периметру. Плоские части листовых пластин соединены сваркой и образуют два продольных ребра (патент RU №23489, публ. 2002 г.).
Недостатком данной конструкции является низкая способность к теплопоглощению рассеянной энергии из-за малой площади поглощающей поверхности и невысокая эффективность при боковом облучении.
Целью изобретения является повышение КПД тепловой панели за счет увеличения поверхности, поглощающей лучевую и рассеянную энергию в течение светового дня, повышения равномерности нагрева теплоносителя в трубах в течение светового дня при использовании тепловой панели в солнечных коллекторах за счет улучшения условий теплообмена при использовании тепловой панели в приборах отопления и охлаждения.
Для достижения цели в тепловой панели, содержащей каналы для теплоносителя в виде ряда оребренных труб, элементы оребрения, выполненные в виде обечайки, плотно охватывающей трубу для теплоносителя, и имеющей продольные ребра, размещенные по окружности обечайки симметрично плоскости, проходящей через продольную ось трубы, элементы оребрения расположены на трубе относительно элементов оребрения на соседних трубах со смещением в направлении продольной оси трубы, выполнены с торцами, скошенными под углом к продольной оси трубы, и содержат, по меньшей мере, три продольных ребра.
В частном случае элементы оребрения, установленные на одной трубе, расположены относительно элементов оребрения на соседней трубе со смещением вдоль продольной оси трубы и дополнительно вокруг продольной оси трубы, при этом продольные ребра элементов оребрения размещены по окружности обечайки симметрично двуя плоскостям, проходящим через продольную ось трубы.
В частном случае элементы оребрения, установленные на одной трубе, расположены относительно соседних элементов оребрения со смещением вокруг продольной трубы.
Заявленная совокупность признаков, а именно расположение элементов оребрения на трубе относительно элементов оребрения на соседних трубах со смещением в направлении продольной оси трубы, выполнение элементов оребрения с торцами, скошенными под углом к продольной оси трубы, при наличии на обечайках элементов оребрения, по меньшей мере, трех продольных ребер, размещенных по окружности обечайки симметрично плоскости, проходящей через продольную ось трубы, позволяет:
- при использовании в солнечных коллекторах открыть теплопоглощающие поверхности элементов оребрения большей площади для одновременного доступа солнечных лучей и рассеянной энергии для бокового облучения с любой стороны, благодаря тому что теплопередающая панель имеет симметричную развитую пространственную структуру, минимизирующую тени, накладываемые элементами оребрения друг на друга, что повышает эффективность поглощения как лучевой, так и рассеянной энергии, повышает равномерность нагрева труб для теплоносителя в течение светового дня и, таким образом, повышает КПД;
- при использовании в приборах отопления и охлаждения открыть теплообменные поверхности элементов оребрения для доступа конвективных потоков воздуха и для передачи инфракрасных излучений, что улучшает условия теплообмена на поверхностях элементов оребрения и, соответственно, повышает КПД.
Расположение элементов оребрения на одной трубе относительно элементов оребрения на соседней трубе со смещением вокруг их продольной оси позволяет еще более минимизировать тени от бокового облучения, делает более открытыми теплообменные поверхности элементов оребрения для поглощения рассеянной энергии, для доступа воздуха, конвектирующего вдоль ребер, и для передачи инфракрасных излучений. При этом можно сократить расстояние между соседними трубами, тем самым увеличить количество элементов оребрения на единице площади, и, следовательно, увеличить суммарную площадь теплообменных поверхностей и КПД. Выполнение элементов оребрения с ребрами, симметричными двум плоскостям, позволяет увеличить количество ребер, то есть увеличить площадь теплообменной поверхности, что также повышает КПД.
Расположение элементов оребрения, установленных на одной трубе со смещением вокруг продольной оси трубы относительно рядом расположенных элементов оребрения позволяет значительно увеличить количество элементов оребрения на трубе и тем самым увеличить суммарную площадь теплообменных поверхностей ребер, а значит и КПД тепловой панели.
На фиг.1 представлена тепловая панель с элементами оребрения, имеющими одну плоскость симметрии. На фиг.2 представлен элемент оребрения с семью ребрами, симметричными одной плоскости симметрии (поперечное сечение). На фиг.3 представлен элемент оребрения с тремя ребрами, симметричными одной плоскости симметрии (поперечное сечение). На фиг.4 показана тепловая панель с элементами оребрения, имеющими три ребра (вид сбоку). На фиг.5 показана тепловая панель с элементами оребрения, расположенными на соседних трубах с разворотом на 180° (вид сбоку). На фиг.6 представлен элемент оребрения с ребрами, симметричными двум плоскостям симметрии (поперечное сечение). На фиг.7 показана труба тепловой панели с установленными на нее элементами оребрения, поперечный вид которых показан на фиг.2. Элементы оребрения расположены относительно соседних элементов оребрения со смещением вокруг продольной оси трубы на 90 градусов.
Тепловая панель содержит каналы для теплоносителя в виде ряда труб 1, на которых расположены элементы оребрения 2, размещенные на соседних трубах со смещением вдоль продольной оси трубы (фиг.1). Элементы оребрения 2 выполнены в виде обечайки 3, плотно охватывающей трубу 1 для теплоносителя и имеющей продольные ребра 4, 5, 6, 7. Торцы элементов оребрения 2 выполнены под углом α и β к продольной оси трубы 1 (фиг.1, 4, 5). Такое выполнение торцов элементов оребрения, размещенных на одной трубе, в совокупности со смещением элементов оребрения относительно элементов оребреиия, расположенных на соседних трубах, при использовании в солнечных коллекторах открывает пространство для прямого и рассеянного облучения поверхности нижних ребер 7, средних ребер 5, 6 и верхних ребер 4 элементов оребрения 2 и открывает пространство для бокового облучения ребер элементов оребрения, размещенных на соседних трубах; при использовании в отопительных и охлаждающих приборах открывает теплообменные поверхности элементов оребрения для доступа конвективных потоков воздуха и для передачи инфракрасных излучений.
Ребра элементов оребрения могут быть расположены по окружности оболочки 3 симметрично одной (фиг.2, 3) или двум (фиг.6) плоскостям, проходящим через продольную ось трубы 1. Выполнение элементов оребрения с одной плоскостью симметрии необходимо для равномерности нагрева теплоносителя в течение светового дня и предпочтительно при использовании в плоских коллекторах, а также в отопительных и охлаждающих приборах.
Выполнение элементов оребрения с двумя плоскостями симметрии (фиг.5, 6) позволяет без снижения равномерности облучения и теплопередачи теплообменных поверхностей увеличить количество ребер, устанавливать элементы оребрения на одной трубе с разворотом вокруг продольной оси трубы относительно элементов оребрения на соседних трубах. При этом уменьшается расстояние между трубами 1 и, соответственно, увеличивается плотность размещения теплопоглощающих элементов. Такая тепловая панель предпочтительна при использовании в солнечных коллекторах с концентраторами, обеспечивающими боковое либо всестороннее облучение элементов оребрения, а также в отопительных и охлаждающих приборах.
Выполнение соседних элементов оребрения на одной трубе со смещением вокруг продольной оси (фиг.7) позволяет увеличить количество элементов оребрения на трубе, а значит и суммарную площадь теплообменных поверхностей. Такая тепловая панель предпочтительно может быть использована в отопительных и охлаждающих приборах, а также в плоских солнечных коллекторах.
При использовании тепловой панели в солнечных коллекторах величины продольного и углового смещения элементов оребрения, значения углов α и β зависят от угла наклона плоскости коллектора к горизонту, от ориентации коллектора к сторонам света. При оптимальном наклоне плоскости коллектора к горизонту и южной его ориентации оптимальное значение углов α и β составляет 45°, а смещение элементов оребрения в соседних рядах - половину их длины. В том случае когда плоскость коллектора установлена с ориентацией, отличной от оптимального положения, соответствующего максимальному зенитальному положению солнца, элементы оребрения на трубах могут быть развернуты вокруг продольной оси трубы с направлением плоскости симметрии элемента оребрения в сторону максимального зенитального положения солнца.
Тепловые панели могут быть изготовлены различными способами.
Монтаж тепловых панелей, изображенных на фиг.1, 2, 7, осуществляется следующим образом. Элементы оребрения 2, изготовленные из алюминиевого профиля, наклеивают на поверхность стальной трубы 1 посредством теплопроводного клея. Благодаря тому что внутренний диаметр обечайки 3 немного меньше диаметра трубы 1, обеспечивается упругий тепловой контакт, который необходим для компенсации разницы в тепловом расширении материала трубы и материала элементов оребрения. Фиксацию элемента оребрения 2 в направлении, поперечном оси трубы 1, обеспечивают выполнением поверхности контакта длиной, большей половины окружности трубы.
Для изготовления сборных элементов оребрения (фиг.3) тепловой панели (фиг.4) используют две гнутые пластины. Обечайка элемента оребрения образована концевыми участками 8 верхней пластины и центральной выемкой 9 нижней пластины. Ребра элемента оребрения образованы концевыми участками 10 нижней пластины и центральной частью 11 верхней пластины. При монтаже приваривают или припаивают к трубе плотно прижатую нижнюю пластину. Затем концевые участки верхней пластины приваривают по линии 12 к нижней пластине и трубе. После этого производят сжатие в поперечном направлении ребра, образованного центральной частью верхней пластины, чем достигают плотный тепловой контакт с трубой и производится приваривание к трубе торцевых кромок пластины.
При изготовлении элементов оребрения тепловой панели (фиг.5, 6) алюминиевый профиль разрезают под углом. В элементы оребрения вставляют трубу, и производят дорнование трубы с раздачей трубы по диаметру до плотного упругого контакта с внутренней поверхностью обечайки.
В качестве элемента оребрения может быть использована также отливка из алюминиевого сплава.
При небольшой длине труб, например при изготовлении радиаторов отопления, элементы оребрения могут быть получены в сборе с трубой одновременной заливкой алюминия на трубу литьем под давлением. При этом элементы оребрения, расположенные на одной трубе, могут быть соединены между собой по краевым ребрам либо с помощью перемычек.