КОМБИНИРОВАННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОВОЗДУШНЫЙ КОЛЛЕКТОР
COMBINED SOLAR AIR-AND-WATER MANIFOLD

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для подогрева газообразной среды (воздуха) и жидкого теплоносителя (воды) за счет солнечной энергии с целью экономии природного топлива и улучшения экологии окружающей среды.
Известен солнечный воздухонагреватель, содержащий корпус с прозрачной верхней стенкой и плоский поглотитель, установленный в корпусе с образованием воздушного канала между стенкой и рабочей поверхностью поглотителя, причем рабочая поверхность выполнена в виде капиллярной структуры с тупиковыми капиллярами, ориентированными перпендикулярно плоскости поглотителя (авторское свидетельство СССР №1495595, кл. F24J 2/28, 1989).
Однако развитие поверхности, воспринимающей солнечное излучение за счет создания в поглотителе развитой капиллярной структуры, неизбежно приводит к увеличению аэродинамического сопротивления и, следовательно, к снижению КПД воздухонагревателя.
Известен солнечный водонагреватель, выполненный в виде солнечного коллектора, содержащего прозрачные каналы с селективным покрытием для поглощения солнечного излучения (патент RU 2172902, кл. F24J 2/22, 1999). Каналы объединены в верхний и нижний пеналы, разделенные общей средней стенкой, при этом каналы верхнего пенала обращены к Солнцу, а каналы нижнего пенала, размещенные за общей средней стенкой, имеют селективное покрытие, выполненное в виде гофрированных полос. Солнечный водонагреватель может быть выполнен в виде солнечного коллектора, содержащего прозрачные каналы с селективным покрытием для поглощения солнечного излучения. Каналы выполнены в виде коаксиальных труб, размещенных одна в другой, при этом внутренняя труба имеет селективное покрытие, выполненное в виде гофрированной трубы или гофрированной полосы, причем трубы, размещенные с зазором, обеспечивающим свободную циркуляцию воды.
Недостатком данной конструкции является возможность подогрева за счет солнечной энергии только жидкого теплоносителя, в данном случае - воды, а, также, громоздкое и технологически сложное исполнение конструкции коаксиальных труб, выполненных в виде гофров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее корпус с прозрачной верхней стенкой и поглотитель, установленный в корпусе с образованием воздушного канала между стенкой и рабочей поверхностью поглотителя, причем в поглотителе со стороны рабочей поверхности выполнены углубления в форме шаровых сегментов, центральный угол которых находится в диапазоне 45°<α<180° (патент RU 2044227, кл. F24J 2/22, 1993).
Недостатком данного устройства является возможность нагрева только одного вида теплоносителей, в данном случае - газовой среды.
Задачей изобретения является обеспечение одновременного нагрева двух и более видов теплоносителей с обеспечением повышенной интенсификации теплообмена.
Технический результат изобретения заключается в использовании регенеративной схемы теплообмена, обеспечивающей одновременный нагрев двух видов теплоносителей.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом комбинированном солнечном водовоздушном коллекторе, содержащем верхнюю стенку в виде прозрачного окна, воздухонагревательную полость с солнцевоспринимающей поверхностью внутри, формованной полусферическими углублениями, в солнцевоспринимающуюся поверхность углублены наполовину по диаметру трубки для транспортировки жидкого теплоносителя, при этом внутренняя и внешняя поверхности трубок для транспортировки жидкого теплоносителя, по всей их длине сформованы полусферическими углублениями, существенно интенсифицирующими теплообмен и снижающими гидродинамическое сопротивление в трубках при транспортировке в них жидкого теплоносителя, а геометрические параметры полусферических углублений h, Dл и Z на солнцевоспринимающей поверхности и на внутренней и внешней поверхностях трубок, для транспортировки жидкого теплоносителя, определяются из соотношений: h=0,2·r,
где h - глубина полусферического углубления, r - радиус полусферического углубления;
Dл=2h/tgα/4,
где Dл - диаметр полусферического углубления, h - глубина полусферического углубления, α - основополагающий угол полусферического углубления, при этом 45°<α<180°;
Z~10·h,
где Z - расстояние между полусферическими углублениями, h - глубина полусферического углубления.
В газо-(воздухо)нагревательной полости коллектора размещается солнцевоспринимающая поверхность с нанесенными на нее полусферическими углублениями, а также встроенными в нее трубками, утопленными на 50% по диаметру, с жидким теплоносителем. Эти трубки, изнутри по всей поверхности и снаружи, также формованы специальным рельефом из полусферических углублений (авторское свидетельство СССР №247798, 1987). Такое выполнение полусферических углублений на солнцевоспринимающей поверхности коллектора и на внутренней и внешней поверхности трубок, транспортирующих жидкий теплоноситель, существенно интенсифицирует теплообмен и снижает аэро-гидродинамическое сопротивление в энергообменных каналах за счет возникновения вихревых образований над полусферическими углублениями, создающих устойчивый закрученный поток газовой среды и жидкости, перпендикулярный направлению движения основной массы сплошной среды.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 представлен общий вид комбинированного солнечного водовоздушного коллектора в разрезе.
На фиг.2 - то же, вид А-А.
На фиг.3 - вид полусферических углублений в увеличенном размере. Комбинированный солнечный водовоздушный коллектор содержит корпус 1 с прозрачным окном 2, сформированным двумя стеклянными пластинами 3 и теплоизоляционным слоем 4 между ними; газо-(воздухо)нагревательную полость 5 с размещенной в ней солнце-воспринимающей поверхностью 6 и утопленными в этой поверхности наполовину по диаметру, трубками для транспортировки жидкого теплоносителя (вода) 7, на которых сформованы, внутри и снаружи, полусферические углубления 8. Геометрические параметры полусферических углублений (h и Dл), а также шаг Z, с которым эти углубления размещаются на поверхностях, определяются из соотношений:
- h=0,2·r,
- Dл=2h/tgα/4, где 45°<α<180°,
- Z~10·h.
Солнечный коллектор работает следующим образом. Излучение Солнца, пройдя через окно 2, нагревает газообразную среду (воздух), движущуюся в газо-(воздухо)нагревательной полости 5, при этом полусферические углубления 8 на солнцевоспринимающей поверхности 6 будут способствовать существенной интенсификации теплообмена, а поскольку в ней находятся утопленные наполовину по диаметру трубки, для транспортировки жидкости, то они будут нагреваться, а полусферические углубления, нанесенные на внутреннюю поверхность трубок, будут способствовать интенсификации теплообмена.