СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция солнечного водонагревателя относится к устройствам, преобразующим энергию солнечного излучения в низкопотенциальное тепло, в частности, в тепло нагреваемой воды.
Известен солнечный водногреватель (Казанджан Б.И. Водонагревательная гелиоустановка. Патент РФ RU 87502 U1), содержащий бак-аккумулятор с нанесенным на его верхнюю стенку поглощающим покрытием, прозрачный кожух, охватывающий бак-аккумулятор, причем бак-аккумулятор выполнен цилиндрической формы и расположен на основании вертикально, на боковую цилиндрическую стенку бака-аккумулятора дополнительно нанесено поглощающее покрытие, а прозрачный кожух выполнен из двухслойного ячеистого поликарбоната цилиндрической формы с верхней крышкой.
Основным недостатком такого солнечного водонагревателя является низкая эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло нагретой воды вследствие неоптимальных формы и ориентации теплопоглощающих поверхностей бака-аккумулятора по отношению к направлению поступающего солнечного излучения, а также вследствие увеличенных тепловых потерь к наружному воздуху через поверхность прозрачного кожуха, охватывающего бак-аккумулятор. Другим недостатком является малая прочность и жесткость конструкции, обусловленная использованием в качестве прозрачного ограждения ячеистого поликарбоната цилиндрической формы с верхней крышкой из того же материала.
Наиболее близким к предлагаемой конструкции является солнечный водонагреватель [Гончаренко В.П. Солнечный водонагреватель. Патент РФ RU 99122 U1], содержащий аккумулирующую емкость, тепловоспринимающую поверхность, прозрачное покрытие, теплоизоляцию, автоматический регулятор уровня воды, размещенный в аккумулирующей емкости, причем аккумулирующая емкость установлена в корпусе, верхняя стенка аккумулирующей емкости выполнена из прозрачного материала (пленки) и в поперечном своем сечении имеет выпуклую серповидную форму, а нижняя стенка аккумулирующей емкости служит тепловоспринимающей поверхностью.
Предложенная конструкция солнечного водонагревателя обеспечивает более высокую эффективность преобразования энергии солнечного излучения в тепло нагреваемой в водонагревателе воды вследствие улучшенной геометрической формы и использования теплоизолированного корпуса. Вместе с тем, серьезными недостатками остаются низкие прочность, жесткость и эксплуатационные характеристики конструкции. Исполнение верхней стенки аккумулирующей емкости из малопрочного и нежесткого прозрачного материала (пленки), находящегося в контакте с заполняющей емкость водой, приводит к необходимости соединения полости аккумулирующей емкости с атмосферой и применения автоматического регулятора уровня воды, ограничивающего давление нагреваемой в аккумулирующей емкости воды атмосферным. При этом для подачи нагретой воды потребителю требуется размещение водонагревателя на некоторой высоте, обеспечивающей требуемый гидравлический напор для эффективного смешения с холодной водой в смесителе. Малая жесткость и прочность конструкции связана также с выбранной выпуклой серповидной формой верхней стенки аккумулирующей емкости и прозрачного покрытия.
Предлагаемая конструкция решает техническую задачу повышения эффективности работы солнечного водонагревателя и улучшения его эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат достигается в солнечном водонагревателе, содержащем аккумулирующую емкость с верхней стенкой, тепловоспринимающую поверхность, теплоизолированный корпус, закрепленное на корпусе прозрачное покрытие, причем аккумулирующая емкость выполнена герметичной в результате плотного соединения по периметру верхней стенки и ее внутренних плоских поверхностей с плоскими поверхностями теплоизолированного корпуса с образованием внутренней герметичной полости, верхняя стенка изготовлена из тонкостенного жесткого теплопроводного материала, наружная поверхность верхней стенки является тепловоспринимающей поверхностью, верхняя стенка и прозрачное покрытие, расположенное над ней с зазором, имеют в поперечном сечении волнообразную форму с плоскими участками.
Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность работы солнечного водонагревателя за счет более эффективного поглощения солнечного излучения тепловоспринимающей поверхностью верхней стенки аккумулирующей емкости и организации зазора контролируемой толщины между верхней стенкой емкости и прозрачным покрытием, уменьшающего интенсивность конвективного теплообмена с наружным воздухом, и улучшить его эксплуатационные характеристики, в том числе обеспечить повышение прочности, жесткости и долговечности конструкции в результате выполнения верхней стенки аккумулирующей емкости из непрозрачного тонкостенного жесткого теплопроводного материала и придания верхней стенке и прозрачному покрытию, расположенному над ней с зазором, волнообразной формы с плоскими участками. Выполнение аккумулирующей емкости герметичной без соединения ее полости с атмосферой позволяет содержать нагреваемую в ней воду под давлением, что снимает жесткие ограничения по высоте расположения водонагревателя и улучшает его эксплуатационные характеристики.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Солнечный водонагреватель содержит аккумулирующую емкость 1 с верхней стенкой 2, тепловоспринимающую поверхность 3, теплоизолированный корпус 4, закрепленное на корпусе прозрачное покрытие 5, причем аккумулирующая емкость 1 выполнена герметичной в результате плотного соединения по периметру 9 верхней стенки 2 и ее внутренних плоских поверхностей 10 с плоскими поверхностями 6 теплоизолированного корпуса 4 с образованием внутренней герметичной полости 7, верхняя стенка 2 изготовлена из непрозрачного тонкостенного жесткого теплопроводного материала, наружная поверхность верхней стенки 2 является тепловоспринимающей поверхностью 3, верхняя стенка 2 и прозрачное покрытие 5, расположенное над ней с зазором 8, имеют в поперечном сечении волнообразную форму с плоскими участками.
Солнечный водонагреватель работает следующим образом.
Солнечное излучение, падающее на ориентированную на солнце поверхность солнечного водонагревателя, проходит через закрепленное на корпусе 4 прозрачное покрытие 5 и зазор 8, поглощается тепловоспринимающей поверхностью 3, которая нагревается и передает тепло через верхнюю стенку 2 воде, заполняющей аккумулирующую емкость 1, образованную верхней стенкой 2 и теплоизолированным корпусом 4. Нагретая внутри аккумулирующей емкости вода направляется непосредственно потребителю.
Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе математического моделирования работы солнечного водонагревателя при различных геометрических характеристиках и условиях освещенности.
Полученные результаты моделирования показали преимущества предлагаемой конструкции солнечного водонагревателя, позволяющей на 5…10% повысить эффективность его работы по сравнению с аналогом и улучшить эксплуатационные характеристики.