КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА СОЛНЕЧНОГО ВАКУУМНОГО КОЛЛЕКТОРА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и предназначена для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения.
Известна конструкция солнечного коллектора, содержащая вакуумную трубку, выполненную из двух трубок, одна из них, внутренняя, вставлена во внешнюю с большим диаметром, причем вакуумная трубка снабжена отражающим элементом, регулирующим ее тепловую мощность и выполненным в виде пластины из непрозрачного теплостойкого и стойкого к ультрафиолету материала, установленной на наружной поверхности одной из сторон внешней трубки параллельно оси вакуумной трубки и с возможностью поворота вокруг нее, или отражающим элементом вакуумной трубки, выполненным в виде полосы, нанесенной на наружную поверхность внутренней трубки. Вакуумная трубка солнечного коллектора может устанавливаться с возможностью поворота вокруг своей оси (Патент РФ №2527220 от 25.10.2012 г.)[3].
К недостаткам указанной конструкции следует отнести необходимость дополнительного оснащения вакуумной трубки механизмом, обеспечивающим периодическое перемещение отражающих элементов вокруг вакуумной трубки. Все это значительно удорожает конструкцию, а также исключает использование стандартных серийно выпускаемых вакуумных трубок.
Известна также конструкция теплообменника, содержащего вакуумную трубку с наружной стенкой и внутренней стенкой и расположенный внутри вакуумной трубки вдоль ее длины (соосно с ней) узел съема тепла, состоящий из коаксиально расположенных трубок, причем между наружной поверхностью узла съема тепла и внутренней поверхностью вакуумной трубки размещены теплопроводные элементы, выполненные с опорой на внешнюю стенку узла съема тепла (или прикрепленные к указанной внешней стенке) и прижатые с предварительным напряжением к внутренней стенке вакуумной трубки (Патент РФ №2382294 от 15.03.2005 г.)[4].
К недостаткам указанной конструкции следует отнести сложность сборки элементов теплообменника, обусловленную необходимостью прецизионного размещения теплопроводных элементов внутри вакуумной трубки. Все это приводит к увеличению эксплуатационных расходов конструкции теплообменника.
Известен также теплообменник солнечного вакуумного коллектора, включающий трубку коллектора, выполненную в виде стеклянной колбы, имеющей внешнюю и внутреннюю стенки, а также центральную полость колбы, образованную поверхностью внутренней стенки, причем пространство между внешней и внутренней стенками заполнено вакуумом, а внутри центральной полости колбы размещен абсорбер тепла, внутри которого в контакте с ним закреплен прямоточный тепловой U-образный канал (медная тонкостенная трубка), в качестве теплоносителя, нагреваемого абсорбером, используется вода, а в качестве абсорбера тепла используют алюминиевую цилиндрическую вставку, на внутренней стенке которой и закреплен U-образный канал (Вакуумный трубчатый коллектор «Meibes MVK 001»; - URL: http://www.meibes.ru/system/documents/files/000/001/502/original/ Meibes_Flamco_2015_188.pdf?1435963598.)[5].
Солнечный коллектор представляет собой набор из вакуумных стеклянных трубок с абсорбером (алюминиевой цилиндрической вставкой), внутри каждой вакуумной трубки располагается U-образный прямоточный теплообменник. По теплообменнику протекает теплоноситель (в данной конструкции - вода), который и получает тепло от нагреваемого солнечной энергией абсорбера. Для большей концентрации солнечных лучей вакуумные трубки смонтированы на зеркальной подложке.
Цилиндрическая форма трубок позволяет по максимуму собирать солнечные лучи, которые в любое время дня и года направлены перпендикулярно к оси трубки - это значительно повышает эффективность работы всей системы и позволяет даже при очень слабом солнечном освещении нагревать воду в системе горячего водоснабжения.
Каждый отдельный блок солнечного коллектора подключается (посредством фитинговых соединений) к коллектору (манифолду) который и транслирует нагретый теплоноситель к накопителю тепла (емкости-аккумулятору), имеющему теплообменник. В этой емкости и происходит дальнейшая отдача энергии теплоносителя внешним потребителям тепла.
Наибольшую эффективность солнечная панель показывает при ярком дне, когда преобладают ультрафиолетовые лучи. В облачную погоду коллектор в основном работает на инфракрасном излучении, которое менее мощное, но при этом коллектор будет в силах поддерживать воду в нужных температурных режимах.
Недостатком настоящего технического решения является то, что коллекторы, использующие прямоточные тонкостенные медные U-трубки, не могут работать под высоким давлением, быстро теряют накопленное тепло и обеспечивают качественную теплоотдачу теплоносителю только в период теплого сезона.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция теплообменника вакуумного солнечного коллектора, включающего трубку солнечного коллектора, выполненную в виде стеклянной колбы, которая имеет внешнюю и внутреннюю стенки, а также центральную полость, образованную поверхностью внутренней стенки, причем пространство между внешней и внутренней стенками заполнено вакуумом, а внутри центральной полости колбы с помощью пробки конструктивно закреплена медная тепловая трубка (термотрубка). При этом сама центральная полость колбы вокруг тепловой медной трубки заполнена. Для обеспечения более длительного периода работы системы внутренняя полость трубки (а именно пространство вокруг тепловой трубки, которая размещена во внутренней полости колбы), заполняется тепловым абсорбером (8) - теплоаккумулирующим веществом (алюминиевой пудрой). Заполнение внутреннего пространства колбы теплоаккумулирующим веществом таково, что внешняя поверхность тепловой медной трубки полностью соприкасается и окружена данным веществом, причем указанное вещество полностью прилегает к внутренней поверхности внутренней стенки стеклянной колбы. Задачей этого вещества является накопление в своей массе тепловой энергии в то время, когда трубка находится в рабочем состоянии, т.е. освещена солнцем. Количество накапливаемой энергии будет определяться произведением массы теплоаккумулирующего вещества на его удельную теплоемкость.
После прекращения освещения трубки солнечным светом и, соответственно, прекращения поступления энергии извне, накопленная в теплоаккумулирующем веществе энергия будет передаваться через тепловую трубку теплоносителю, обеспечивая тем самым процесс работы всей системы.
Трубка с аккумулятором тепла сохраняет свою работоспособность и при отсутствии солнца, а значит, позволяет сохранить работоспособность всей гелиосистемы без солнца определенное количество времени.
К недостаткам рассмотренного технического решения следует отнести невысокую тепловую энергоэффективность конструкции теплообменника, обусловленную тем, что теплообменник быстро теряет накопленное тепло, и обеспечивают приемлемый уровень теплоотдачи теплоносителю в основном только в период теплого сезона.
С другой стороны, используемый в качестве теплоносителя этиленгликоль имеет температуру кипения 197,3°С, и в целях безопасности эксплуатации солнечного коллектора (предотвращение взрыва тепловой трубки из-за закипания теплоносителя) температура абсорбера тепла теплообменника принудительно ограничивается этой величиной.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение максимальной температуры нагрева теплового абсорбера и увеличение продолжительности отдачи тепловому каналу тепла, накопленного тепловым абсорбером.
Это достигается за счет того, что в конструкции теплообменника солнечного вакуумного коллектора, включающей трубку коллектора, выполненную в виде стеклянной колбы, имеющей внешнюю и внутреннюю стенки, а также центральную полость колбы, образованную поверхностью внутренней стенки, причем пространство между внешней и внутренней стенками заполнено вакуумом, а внутри центральной полости колбы размещен тепловой абсорбер, внутри которого в контакте с ним закреплен тепловой канал, характеризующейся тем, что в качестве теплового канала используют U-образную стеклянную трубку, в качестве теплоносителя используют воздух, в качестве теплового абсорбера используют размещенные на тепловом канале цилиндрические шайбы из талькохлорита, а стеклянная колба размещена внутри защитного алюминиевого цилиндра, имеющего продольную щель вдоль поверхности, через которую осуществляют нагрев теплового абсорбера сфокусированным световым пучком размещенной над цилиндром линзы Френеля.
Технический результат заключается в увеличении максимальной температуры нагрева теплового абсорбера и увеличении продолжительности отдачи тепловому каналу тепла, накопленного тепловым абсорбером.
Элементы конструкции теплообменника заявляемой полезной модели и последовательность основных операций сборки теплообменника (схематично) приведены на чертеже (фиг.2), где:
1 - вакуумная трубка (стеклянная колба);
4 - наружная стенка вакуумной трубки;
6 - тепловой канал (U-образная стеклянная трубка);
7 - пробка;
8 - тепловой абсорбер (пакет шайб из талькохлорита);
9 - сквозные отверстия в шайбах под тепловой канал;
10 - пружинящая цилиндрическая скоба;
11 - алюминиевый цилиндр;
12 - продольная щель.
В качестве вакуумной трубки (1) использовалась серийно выпускаемая вакуумная трубка фирмы «Shentai» модели VTUBE_58/1800_EM [7]:
- длина трубки 1800 мм;
- внутренний диаметр 58 мм;
- абсорбирующее покрытие наружной поверхности внутренней стенки вакуумной трубки: SS-CU-AIN/ALN.
В качестве теплового канала (6) использовалась стандартная U-образная стеклянная трубка из боросиликатного стекла, толщина стенки трубки - 1 мм, наружный диаметр - 18 мм. Расстояние между осями параллельных плеч U-образной стеклянной трубки - 25 мм.
- конструкция теплового канала изготовлена из стекла вместо дорогостоящего материала - меди;
- в качестве энергоносителя теплового канала вместо токсичного этиленгликоля используется дешевое и безопасное вещество - воздух.
Однако основным преимуществом конструкции является использование в качестве теплового абсорбера цилиндрических шайб из талькохлорита вместо алюминиевой пудры.
Из таблицы видно, что практически при тождественных величинах плотности и удельной теплоемкости материалов абсорбера заявляемая полезная модель характеризуется более низкой теплопроводностью по сравнению с прототипом.
Следствием этого является более медленный процесс отдачи тепла абсорбером, т.е. большая длительность сохранения накопленного теплообменником количества тепла.
Данный вывод подтверждается результатами сравнительных испытаний заявляемой конструкции с прототипом - теплообменником, изготовленным с использованием вакуумной трубки с тепловым каналом в виде коаксиальной медной трубки «Heat Pipe» (Патент РФ №171104 от 13.06.2016 г. – прототип) [6].
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе определялись максимальные значения температур нагрева абсорберов тепла теплообменников прототипа и заявляемой полезной модели (ПР и ПМ соответственно).
2
Теплообменники подвергались инсоляции (прямому солнечному облучению), при этом уровень инсоляции составлял ~(0,6÷10,7)кВт⋅ч/м.
Теплообменник ПР подвергался прямому солнечному облучению и облучению отраженным солнечным светом от размещенного под ним полуцилиндрического зеркала, а теплообменник ПМ подвергался облучению сфокусированным световым пучком (от размещенной над цилиндром линзы Френеля) через щель в защитном алюминиевом цилиндре.
Температура воздуха окружающей среды при инсоляции составляла 12°С±1°С. ри этом массы абсорберов тепла обеих конструкций были приблизительно одинаковы и составляли соответственно 9,6 кг и 7,9 кг.
Испытания проводились в условиях, близких к режимам стационарного теплообмена: принудительный отбор накопленного в тепловых аккумуляторах тепла через тепловые каналы испытуемых теплообменников отсутствовал, а потери тепла за счет переизлучения через стенки вакуумных трубок были пренебрежимо малы и не оказывали существенного влияния на результаты испытаний.
1
Измеренное значение температура T(пр) объекта ПР уже через ~2 часа достигла предельно допустимой величины ~200°С, после чего инсоляция объекта ПР была прекращена.
Примерно через такое же время установился стационарный режим нагрева объекта ПМ. При этом максимальное значение температуры объекта Т(пм) достигло величины ~380°С, и в процессе дальнейшей инсоляции не увеличивалось.
На втором этапе испытаний определялось время, за которое происходит полное остывание тепловых абсорберов объектов ПР и ПМ от максимальных температур 200°С и 380°С до температуры окружающей среды, т.е. полная отдача накопленного тепловыми абсорберами тепловой энергии тепловым каналам объектов.
ПР
ПМ
Рассчитанные значения накопленной абсорберами тепловой энергии составили соответственно Q=1793,3 кДж и Q=1875 кДж.
СР
Испытания проводились в помещении при температуре окружающей среды Т=20°С.
СР
Измеренные значения длительности отдачи тепла объектами ПР и ПМ (т.е. остывание до температуры воздуха окружающей среды Т составили соответственно 2,0 часа и 3,9 часов.
Результаты испытаний позволяют констатировать, что энергоэффективность теплообменника заявляемого технического решения существенно превышает энергоэффективность теплообменника прототипа: максимальная температуры нагрева теплового абсорбера увеличилась в 1,9 раза, при этом так же почти вдвое возросла продолжительность отдачи тепловому каналу тепла, накопленного тепловым абсорбером.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в теплообменниках солнечного вакуумного коллектора для увеличения аккумуляции тепла в качестве теплового абсорбера цилиндрических шайб из талькохлорита.