Солнечный воздухонагревательный коллектор

Устройство относится к теплотехнике, а именно к солнечным низкотемпературным воздухонагревателям.
Известна "Солнечная панель" (RU №2113661, МПК F24J 2/50 20.06.1998), которая имеет корпус с прозрачной верхней стенкой и плоский поглотитель, расположенный в корпусе, которая содержит два прозрачных экрана и корпус. Внутренний, обращенный к объекту обогрева экран имеет селективное светопрозрачное покрытие с малой степенью черноты, причем для улучшения тепловой защиты объекта экраны солнечной панели расположены друг относительно друга на оптимальном расстоянии, а селективное светопрозрачное покрытие нанесено на внутренний экран со стороны, обращенной к внешнему экрану.
Для уменьшения потерь тепла в данном изобретении светопрозрачная поверхность выполняется двухслойной, верхний слой которой ориентирован к солнцу, а нижний слой выполнен с селективным покрытием с малой степенью черноты. Недостатком такой конструкции является усложнение и удорожание изделия.
Известный также "Солнечный воздухонагреватель" (RU №134301, МПК F24J 2/24 10.11.2013) - наиболее близкий по технической задачи и достигаемому результату, и выбранным в качестве прототипа, включающий корпус, светопрозрачное покрытие, теплопровод, теплоноситель в виде воздуха. Согласно полезной модели корпус воздухонагревателя выполнен герметичным и с внутренней стороны изолирован негорючей теполоизоляцией с низкой степенью теплопроводности, дополнительно снабжен камерами ввода и вывода теплоносителя, при этом входное и выходное отверстие для теплоносителя расположены с тыльной стороны воздухонагревателя, а теплопровод выполнен в виде прямолинейных металлических труб, расположенных параллельно и герметично соединенных с камерами ввода и вывода теплоносителя.
3
3
2
Выполнение воздухонагревателя из отдельных параллельных труб и герметически соединенных с входными и выходными патрубками (воздуховодами) увеличивает металлоемкость и усложняет конструкцию воздухонагревателя. Наряду с этим не используется тыльная сторона воздухонагревателя, т.к. он теплоизолирован. Конструкция прототипа установлена под углом 45-90° по направлению Юг-Север и не сориентирована по направлению восхода и захода солнца. Кроме того, она рассчитана на естественную тягу воздуха и не может использоваться для сушки сельскохозяйственной продукции, т.к. при этом необходимо принудительная вентиляция с производительностью вентилятора по воздуху от 1500 м/ч до 3000 м/ч и площадью коллектора 10 м и более.
В основу технического решения поставлена задача создания солнечного воздухонагревательного коллектора, который позволяет повысить КПД нагревателя и его теплоотдачу нагреваемому воздуху, и увеличить снятие тепловой энергии.
Поставленная задача решается тем, что в солнечном воздухонагревательном коллекторе, включающем корпус из теплоизоляционного материала с боковыми, нижними и верхними стенками, прозрачную крышку и плоское дно, поглотитель в виде листа волнистого материала, снабженного покрытием с низкой теплоизлучающей способностью и подставку для ориентировки коллектора на Солнце. Верхняя стенка корпуса имеет входные отверстия, которые обеспечены заслонками и выполнены совместно с каналами, образованными волнами поглотителя, а на нижней стенке корпуса смонтирован выходной патрубок, расположенный в его центре, при этом между нижней стенкой и выходными отверстиями поглотителя сформирован сборный воздушный коллектор, соединенный с выходным патрубком, шарнирно соединенным с всасывающим воздухопроводом, а подставка имеет вилку, шарнирно соединенную с цапфой.
Наличие отверстий в верхней стенке корпуса обеспечивает всасывание воздуха через каналы поглотителя, что интенсифицирует процесс распределения потока подогреваемого воздуха вдоль как внешних, так и внутренних каналов, сформированных волнами поглотителя, а наличие заслонки у отверстий для регулирования подаваемого воздуха улучшает теплозабор за счет выравнивания скорости потоков воздуха, направленных вдоль каналов как с лицевой, так и с тыльной стороны волнистого поглотителя.
Изготовление стенок корпуса из теплоизоляционного материала позволяет уменьшить потерю тепла.
Кроме того, для обеспечения возможности ручного или автоматического ориентирования коллектора на Солнце, выходной патрубок коллектора расположенный в центре нижней стенки корпуса, выполнен с возможностью его шарнирного соединения с всасываемым воздухопроводом, верхняя стенка корпуса оснащена цафпой, смонтированной совместно с выходным патрубком, а подставка имеет вилку, шарнирно соединеную с той же цафпой.
Таким образом, имеющиеся отличительные признаки и сама совокупность признаков находятся в причинно-последовательной связи с достигнутым техническим результатом, а именно КПД солнечного воздухонагревателя повышается за счет снятия тепла с наружной и тыльной стороны поглотителя.
Солнечный воздухонагревательный коллектор схематично представлен на чертежах, где фиг. 1 дан общий вид коллектора; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 на верхнюю стенку и шарнирное соединение цапфы с вилкой подставки; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 на корпус нагревателя; на фиг. 4 - поперечный разрез В-В на фиг. 3.
Солнечный воздухонагревательный коллектор состоит (фиг. 1) из корпуса 1, выполненного из теплоизоляционного материала, с боковыми 2, верхней 3 и нижней 4 стенками, днищем 5 и прозрачной крышкой 6. На днище 5 расположен поглотитель 7, выполненный в виде листа волнистого материала, преимущественно металлического, который имеет покрытие 8 с низкой теплоизлучающей способностью, внутри корпуса расположены перегородки, соосные каналам поглотителя 7, а между нижней стенкой 4 и перегородкой  сформирован сборный коллектор 11 для нагретого воздуха, закрытый пластиной 12 (фиг. 1, 4).
В верхней стенке 3 выполнены отверстия 13 для подачи воздуха, которые оснащены заслонками 14 и выполнены совместно с каналами, образованными волнами поглотителя 7, отверстиями и перегородкой. Заслонки 14 используются для регулирования проходного перереза отверстия 13. В середине стенки 3 закреплена цапфа 15, которая шарнирно взаимодействует с вилкой 16 подставки 17 (фиг. 2, 3).
По центру нижней стенки 4 корпуса 1 смонтирован патрубок 18, шарнирно взаимодействующий с оголовком 19 всасывающего воздухопровода 20. При этом цапфа 15 и патрубок 18 размещены соосно друг другу, а всасывающий воздухопровод 20 соединен с подставкой 17 в одно всасывающее устройство.
Объем между поглотителем 7 и прозрачным покрытием 6, а также каналы между поглотителем 7 и теплоизоляционным материалом заполнены большой зачерненной металлической стружкой для увеличения турбулентности потока и увеличения теплоотдачи, а подставка 17 установлена на поворотные колеса для осуществления более точного ориентирования устройства на Солнце.
На одной подставке устанавливаются несколько нагревателей, которые работают на общий всасывающий воздухопровод.
Солнечный воздухонагревательный коллектор работает следующим образом.
Солнечный нагреватель 1 устанавливают его нижним патрубком 18 на оголовок 19 всасывающего воздухопровода 20 и цапфу 15, соединенную с вилкой 16 подставки 17, устройство ориентируют на Солнце и подключают к потребителю тепловой энергии (на чертеже не показаны).
Поглотитель 7 разогревается солнечными лучами, а благодаря вакууму, образованному во всасывающем воздухопроводе при работе устройства, внешний воздух всасывается сквозь отверстия 13 верхней стенки 3 корпуса 1, проходит вдоль каналов, образованных волнами поглотителя 7, и забирает тепло от обеих нагретых поверхностей поглотителя 7, который имеет высокую теплоотдачу благодаря выполнению его из окрашенного в черный цвет металла, собирается в сборном коллекторе 11 и через патрубок 18 попадает во всасывающий воздухопровод 20, а оттуда - к потребителю тепла, преимущественно в сушилку (на чертеже не показаны)
Скорость воздушных потоков в каналах по всей ширине поглотителя 7 выравнивается с помощью заслонок 14 на отверстиях 13 верхней стенки 3 корпуса 1, которые изменяют диаметр этих отверстий, что обеспечивает более равномерное снятия тепла со всей поверхности поглотителя 7.
Плоскость нагревателя установлена перпендикулярно солнечным лучам при его среднем положении на подставке 17.
Нагреватель вращают ранним утром - в направлении рассвета, к вечеру - в направлении заката, при этом увеличивается угол падения солнечных лучей на поверхность поглотителя 7, а, следовательно, увеличивается снятие тепловой энергии. К этому приводит и то, что при повороте вокруг оси наклоненной горизонтально площади увеличивается также угол между горизонтальной плоскостью и плоскостью поглотителя 7, то есть нагреватель размещается под более выгодным углом к низко расположенному при рассвете и закате Солнцу.
Устройство обеспечивает повышение КПД нагревателя и его теплоотдачу нагреваемому воздуху, и увеличение снятия тепловой энергии.