СОЛНЕЧНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
SOLAR STORAGE WATER HEATER

Изобретение относится к гелиотехнике, конкретно - к гелиоагрегатам нагрева жидкостей посредством солнечного лучистого потока (солнечным водонагревателям, коллекторам, поглотителям).
Известны гелиоагрегаты - емкостные водонагреватели, обеспечивающие преобразование лучистого потока от солнца в тепло для нагрева жидкости - см., например, С.Уделл «Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии», М., Знание, 1980, стр.44-47; патент РФ №2250420 «Гелионагреватель», приоритет от 22.05.2003, МПК F24J 2/00.
В качестве ближайшего аналога представляемого технического решения выбран солнечный водонагреватель - плоский солнечный коллектор, приведенный в монографии Н.В.Харченко «Индивидуальные солнечные установки», М., Энергоатомиздат, 1991, стр.25-29, рис.8, 9, 10. Основными элементами ближайшего аналога являются емкость для воды (абсорбер) с селективным («лучепоглощающим») покрытием освещаемой солнцем наружной поверхности, теплоизолирующий корпус со световым окном и светопрозрачным ограждением, подводящая и отводящая коллекторные трубы.
К недостаткам аналогов следует отнести относительную технологическую сложность изготовления, сборки и герметизации жидкостных абсорберов (см., например, ближайший аналог, рис.10) при реализации высокого коэффициента полезного действия солнечного водонагревателя.
Целью предлагаемого изобретения является переход к новому конструктивно-технологическому облику плоского солнечного емкостного водонагревателя, позволяющему на 10…30% снизить трудоемкость его изготовления, сборки и герметизации (в т.ч. в мелкосерийном и крупносерийном производстве) при сохранении высокого коэффициента полезного действия устройства.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом солнечном водонагревателе емкость для воды (абсорбер) выполнена из 2…20 параллельных профилей замкнутого сечения из алюминиевого сплава с толщиной стенки 1,0…3,0 мм, с длиной каждого профиля 0,5…3,5 м, профили объединены с обоих торцов фланцами, совмещенными с подводящим и отводящим каналами для каждого профиля и подводящей и отводящей коллекторными трубами, при этом между торцами профилей и фланцами выполнены зазоры в 0,2…3,0 мм, которые заполнены высокотемпературным клеем-герметиком. Сечение (замкнутое) профилей выполнено прямоугольным (в т.ч. квадратным), или трапецеидальным, или эллиптическим (в т.ч. круглым). Внутри профилей могут быть установлены съемные или несъемные экраны. Теплоизолирующий корпус водонагревателя выполнен из профилей алюминиевого сплава и отдельного днища, с внутренней теплоизоляцией между профилями корпуса, его днищем и абсорбером (емкостью для воды), с апертурой светового окна не менее 90% освещаемой солнцем (лицевой) поверхности корпуса, светопрозрачное ограждение выполнено из силикатного стекла толщиной 2…10 мм или сотового поликарбоната толщиной 4…12 мм, при этом воздушный зазор между емкостью для воды и светопрозрачным ограждением составляет 3…50 мм. Дополнительно пространство (зазор) между емкостью для воды и светопрозрачным ограждением может быть заполнено прозрачной теплоизоляцией. Корпус водонагревателя может быть снабжен регулируемыми или нерегулируемыми установочными опорами. Дополнительно корпус водонагревателя может быть снабжен 1…4 силовыми кронштейнами с 1…4 транспортно-установочными катками (колесами), а также 1…4 такелажными рукоятями, в т.ч. съемными. Также данный солнечный емкостной водонагреватель может быть снабжен съемным теплоизолирующим одеялом (чехлом).
На фиг.1 представлен общий вид солнечного емкостного водонагревателя по предлагаемому техническому решению, на фиг.2, 3 показаны принципиальные конструктивно-компоновочные особенности данного устройства.
Приняты обозначения:
1 - емкость для воды (абсорбер),
2 - корпус,
3 - светопрозрачное ограждение,
4 - фланец,
5 - подводящий (отводящий) канал,
6 - теплоизоляция,
7 - селективное покрытие,
8 - рабочая жидкость (вода),
9 - установочная опора (регулируемая либо нерегулируемая),
10 - силовой кронштейн,
11 - каток (колесо) транспортно-установочный,
12 - такелажная рукоять,
13 - экран,
14 - днище корпуса,
15 - коллекторная труба (подводящая либо отводящая).
Устройство по предлагаемому техническому решению работает следующим образом.
Водонагреватель, включающий абсорбер поз.1 в корпусе поз.2 (включая днище корпуса поз.14), устанавливается, например, посредством установочных опор поз.9 таким образом, чтобы солнечный лучистый поток, проникая через световое окно и светопрозрачное ограждение поз.3, нагревал лицевую поверхность профилей и рабочую жидкость поз.8 (например, воду) в абсорбере поз.1 (см. фиг.1). При этом селективное покрытие поз.7 профилей абсорбера и теплоизоляция поз.6 корпуса повышают коэффициент полезного действия водонагревателя, а экраны поз.13 внутри профилей абсорбера (вблизи стенки с селективным покрытием) увеличивают скорость прогрева воды поз.8. Подвод и отвод воды поз.8 осуществляется посредством соответствующих коллекторных труб поз.15 и каналов поз.5, конструктивно совмещенных с торцевыми фланцами поз.4 (см. фиг.2, 3). Для облегчения транспортировки и установки водонагреватель может снабжаться катками (колесами) поз.11, которые устанавливаются на силовые кронштейны поз.10, а также такелажными рукоятями поз.12 (как съемными, так и несъемными). Количество катков и рукоятей - 1…4 шт.
С целью повышения прочности и жесткости абсорбера поз.1, возможности варьировать его габаритами без изменения базовой технологии изготовления, сборки и монтажа - он выполняется из 2…20 параллельных профилей замкнутого сечения (прямоугольного, в т.ч. квадратного, или трапецеидального, или эллиптического, в т.ч. круглого) из обладающего высокой теплопроводностью, коррозионной стойкостью, имеющего малый удельный вес алюминиевого сплава с толщиной стенки 1…3 мм, с длиной каждого профиля 0,5…3,5 м (выбрано из условия удобства транспортировки и монтажа в месте эксплуатации).
Профили абсорбера поз.1 с обоих торцов объединяются фланцами поз.4. При этом между торцами профилей и ответной поверхностью фланца выполняются монтажные зазоры в диапазоне 0,2…3,0 мм, которые в последующем заполняются высокотемпературным (выдерживающим «сухой» нагрев водонагревателя) клеем-герметиком. Данное соединение позволяет технологически несложно получить высококачественный герметичный стык с большой прочностью и стойкостью к термоциклированию независимо от количества профилей абсорбера (см. фиг.3) и тем самым существенно снизить его себестоимость по сравнению со сварными и паяными конструкциями.
Интенсификация нагрева воды поз.8 может быть достигнута путем размещения внутри профилей абсорбера поз.1 съемных или несъемных экранов поз.13 (подтверждено экспериментально для времени экспонирования до нескольких часов). При этом, вследствие низких скоростей перемещения рабочего тела в емкостном нагревателе, наличие экранов поз.13 будет мало влиять на общее гидросопротивление жидкостного контура устройства.
С целью многолетней бесперебойной работы водонагревателя в условиях интенсивной инсоляции, взаимного соответствия температурных расширений его элементов, рационального облегчения конструкции и условий сборки изделия, оптимизации применяемого парка технологического оборудования - корпус поз.2 водонагревателя набирается из профилей алюминиевого сплава. Между профилями корпуса поз.2 и абсорбера поз.1 размещается слой термостойкой теплоизоляции поз.6 (например, минеральной ваты или пенополиуретана). Термостойкая теплоизоляция поз.6 размещается также в пространстве между абсорбером поз.1 и днищем поз.14 корпуса. При этом конструктивно жесткая теплоизоляция поз.6 может быть закреплена на днище поз.14 по типу т.н. сэндвич-панели (см. фиг.2).
Для максимизации солнечного лучистого потока, на абсорбер поз.1 - апертура светового окна должна составлять не менее 90% освещаемой лицевой стороны водонагревателя. На основании опыта эксплуатации экспериментальных образцов воздушный зазор между лицевой стороной с селективным покрытием поз.7 абсорбера поз.1 и светопрозрачным ограждением поз.3 выбран в диапазоне 3…50 мм. При этом светопрозрачное ограждение поз.3 выполняется из силикатного стекла толщиной 2…10 мм либо из более легкого и с меньшим уровнем теплопотерь сотового поликарбоната толщиной 4…12 мм (указанные толщины светопрозрачного ограждения при незначительном ослаблении лучистого потока обладают достаточной для эксплуатационных условий в габаритах светового окна конструкционной прочностью и жесткостью). В качестве перспективного варианта устройства, обеспечивающего уменьшение тепловых потерь на переходе светопрозрачное ограждение - абсорбер, может быть предложена прозрачная теплоизоляция (например, на основе пористых или трубчатых структур поликарбонатов), размещаемая в данном промежутке (зазоре). При этом, в зависимости от характеристик прозрачной теплоизоляции, допускается простая доработка базовой конструкции путем ее плотной установки в зазор.
Дополнительно солнечный емкостной водонагреватель по предложенному техническому решению может снабжаться съемным теплоизолирующим одеялом (чехлом). Основное назначение теплоизолирующего одеяла - снижение теплопотерь водонагревателя в ночное время. Тем самым рабочая жидкость поз.8 длительное время остается нагретой и пригодной к бытовому или промышленному использованию (в данном случае уместна определенная аналогия с термосом).
Создание солнечного емкостного водонагревателя по предлагаемому техническому решению позволит перейти к новому современному конструктивно-технологическому облику изделия, снизить на 10…30% трудоемкость изготовления, сборки и герметизации плоских водонагревателей как в мелкосерийном, так и в крупносерийном производстве при сохранении общего высокого коэффициента полезного действия устройства.