Сворачиваемый солнечный водонагреватель
COLLAPSIBLE SOLAR WATER HEATER

Изобретение относиться к гелиотехнике, в частности к солнечным нагревателям, используемым в теплоснабжении зданий и сооружений.
Известен солнечный водонагреватель (патент 2539936, МКИ E04D 13/18, F24J 2/22, 2015), содержащий гелиоприемник, выполненный из металлических нижнего и верхнего штампованных полотен, которые между собой сварены по контуру. Верхнее полотно имеет волновой профиль и светопоглощающее покрытие, что позволяет использовать устройство как кровельный модуль.
Отсутствие светопрозрачного полотна, защищающего гелиоприемник от внешнего воздействия окружающей среды, а также не достаточно плотное прилегание тепловой изоляции, размещенной на обрешетке кровли, к нижнему металлическому полотну, приводят к значительным потерям тепла, что снижает кпд устройства и, соответственно, температуру теплоносителя на выходе из него. Подсоединение гелиоприемника к системе горячего водоснабжения через четыре резьбовых штуцера не обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по каналам, тем самым ухудшая условия отвода энергии, полученной посредством трансформации солнечного излучения. Наряду с этим, применение резьбовых штуцеров при длительной эксплуатации увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций из-за возможных протечек. Использование энергозатратной аргонно-дуговой сварки для изготовления гелиоприемника повышает стоимость устройства. Кроме того, достигаемая значительная масса при применении металла как для нижнего, так и для верхнего полотен, затрудняет монтажные работы на кровле.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является сворачиваемый солнечный водонагреватель (патент 1307174, МКИ F24J 2/36, 1981), содержащий сборный коллектор и гелиоприемник с эластичными верхним светопрозрачным полотном и нижним полотном, имеющем теплопоглощающие элементы и каналы для прохода нагреваемой среды. Для обеспечения устойчивой формы сборного коллектора, выполненного из эластичного материала, в нем установлены жесткие кольца.
В процессе эксплуатации циркуляция теплоносителя в системе горячего водоснабжения и, соответственно, в каналах, образованных светопрозрачным верхним полотном и нижним полотном, приведет к загрязнению их внутренней поверхности. Пропускная способность для солнечного излучения по мере возрастания отложений в каналах будет сокращаться, снижая эффективность процесса нагревания теплоносителя. Отсутствие тепловой изоляции для нижнего полотна приведет к высоким потерям теплоты в окружающую среду. В результате совокупности указанных недостатков кпд водонагревателя будет характеризоваться достаточно низкими показателями. Кроме того, эластичные полимерные материалы без дополнительно предусмотренных средств защиты интенсивно стареют и разрушаются под воздействием солнечного излучения, что повлияет на срок службы устройства и приведет к значительному его сокращению.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы водонагревателя за счет использования в гелиоприемнике полимерного материала, нанесенного с тыльной стороны на металлические листы теплопоглощающих элементов, а так же полимера разной по толщине плотности для нижнего полотна, обеспечивающих возможность при изготовлении устройства формирования увеличенного количества каналов меньшего диаметра, в том числе сообщающихся между собой, улучшающих процесс отвода полученного полезного тепла и снижающих потери в окружающую среду.
Эта задача решается тем, что в сворачиваемом солнечном водонагревателе, содержащем сборные коллекторы и гелиоприемник с верхним светопрозрачным полотном и эластичным нижним полотном, имеющий теплопоглощающие элементы и каналы для прохода нагреваемой среды, отличительными от прототипа признаками являются жестко установленные для подсоединения каналов на сборных коллекторах, покрытых тепловой изоляцией, штуцеры, снабженные фланцевыми рейками для закрепления между коллекторами положения гелиоприемника с теплопоглощающими элементами, выполненными из тонких металлических листов с полимером на тыльной стороне, при этом нижнее эластичное полотно, выполненное из полимера разной плотности по толщине со вспененным нижним слоем и с плотным верхним слоем, соединено с образованием каналов для нагреваемой среды с полимером теплопоглощающих элементов, имеющих на внешней стороне металлических листов искусственную шероховатость и светопоглощающее покрытие.
Предлагаемая конструкция сворачиваемого солнечного водонагревателя позволяет достичь более высокой степени улавливания солнечной энергии за счет выполнения теплопоглощающих элементов из тонких металлических листов с искусственной шероховатостью и светопоглощающим покрытием на облучаемой стороне. Нанесенный с тыльной стороны металлических листов полимер при соединении с полимером нижнего полотна посредством термической сварки, позволяет получить каналы любого заданного диаметра, оптимального выбранного для конкретной климатической зоны. Кроме того, каналы для нагреваемой среды могут быть выполнены сообщающимися между собой. Организованные по технологичному способу изготовления каналы меньшего диаметра, но с более частым размещением в гелиоприемнике, обеспечивают равномерное распределение теплоносителя и эффективный отвод полезного тепла. Нижнее полотно, имеющее разную по толщине плотность за счет вспененного нижнего слоя, выполняет функцию тепловой изоляции, что снижает потери тепла в окружающую среду и повышает кпд устройства. Сборная конструкция водоподогревателя позволяет снизить его стоимость и устанавливать устройство на любое предварительно обустроенное основание, но наиболее целесообразным является монтаж на обрешетке кровли. Следует так же отметить, что если водоподогреватель устанавливается на временном сооружении, то в дальнейшем его можно демонтировать, перевезти отдельными узлами и вновь собрать и подсоединить к системе теплоснабжения другого здания.
На фиг.1 изображен вид сверху сворачиваемого солнечного водоподогревателя на обрешетке кровли без верхнего светопрозрачного полотна.
На фиг.2 показан фрагмент сечения водоподогревателя в разрезе 1-1.
На фиг.3 изображен фрагмент гелиоприемника с сообщающимися между собой каналами.
Сворачиваемый солнечный водоподогреватель состоит из двух сборных коллекторов 1, 2, имеющих тепловую изоляцию 3. На сборных коллекторах жестко установлены штуцеры 4 для подсоединения каналов 5 гелиоприемника 6 и патрубки для поступления 7 и удаления 8 нагреваемой среды. Для обеспечения герметичности соединения штуцеров 4 и каналов 5 используются фланцевые рейки 9 с уплотняющим материалом 10, требуемая плотность прилегания которых достигается посредством гаек 11 и болтов 12, входящих в специально выполненные отверстия, как на фланцевых рейках 9, так и на нижнем эластичном полотне 13 гелиоприемника 6. Для фиксации положения фланцевых реек 9, необходимой для проведения сборочных работ, на сборных коллекторах 1, 2 установлены направляющие 14, обеспечивающие только вертикальное перемещение реек 9 при выполнении подсоединения каналов 5 к штуцерам 4.
Над сборными коллекторами 1, 2 и нижним эластичным полотном 13 гелиоприемника 6 размещено верхнее светопрозрачное полотно 15, плотно прилегающее за счет прикрепленного по его периметру уплотняющего материала 16 к сборным коллекторам 1, 2 и к выступающим конструкциям 17 обрешетки крыши 18, к которым оно крепится посредством винтов. В качестве светопрозрачного полотна могут быть использованы поликарбонат, стекло или стеклопакет, или другие светопрозрачные листовые покрытия. Нижнее полотно 13 гелиоприемника 6 размещено на обрешетке крыши 18 и выполнено из полимера разной плотности по толщине с плотным верхним слоем 19 и вспененным нижним 20. Теплопоглощающие элементы 21 из тонких металлических листов с нанесенным на их тыльной стороне полимером 22 соединены посредством тепловой сварки с нижним полотном 13 гелиоприемника 6 с образованием каналов 5. Технологичный способ изготовления позволяет так же сформировать каналы 5, сообщающиеся между собой. В качестве полимера может быть использованы полиэтилен, полипропилен или другие материалы с подобными свойствами. На внешней стороне теплопоглощающих элементов 21, подвергаемой воздействию солнечного излучения, сформирована искусственная шероховатость и нанесено светопоглощающее покрытие. Оно может быть как селективным, так и черным окрасочным материалом.
На место монтажа устройство поступает отдельными узлами. Нижнее полотно 13 с теплопоглощающими элементами 21 и с уже сформированными каналами 5 доставляется к месту сборки в виде рулона или небольшой бухты. Затем производится его раскладка на обрешетке крыши 18 и подсоединение каналов 5 к сборным коллекторам 1, 2 посредством штуцеров 4 и фланцевых реек 9. В завершении на выступающих конструкциях 17 обрешетки крыши 18 закрепляется верхнее светопрозрачное полотно 15. При необходимости устройство может быть демонтировано, нижнее полотно 13 без деформации каналов 5 аккуратно свернуто в рулон и отдельными узлами перевезено на другое место установки.
Сворачиваемый солнечный водоподогреватель работает следующим образом.
Солнечное излучение проникает через верхнее светопрозрачное полотно 15 и нагревает теплопоглощающие элементы 21. Полученная тепловая энергия посредством теплопроводности металлических листов теплопоглощающих элементов 21 передается к каналам 5 и к нагреваемой среде, поступившей в устройство через патрубок 7 и сборный коллектор 1, распределяющий жидкость посредством штуцеров 4 равномерно по гелиоприемнику 6. При движении по каналам 5 температура нагреваемой среды повышается, и затем она отводится из устройства через сборный коллектор 2 и патрубок 8.
Сформированная на поверхности металлических листов теплопоглощающих элементов 21 искусственная шероховатость наряду со светопоглощающим покрытием расширяет область улавливания длинноволнового излучения. Исполнение каналов 5 меньшим диаметром, но с более частым расположением в нижнем полотне 13, а так же с дополнительным сообщением между собой обеспечивает равномерное распределение нагреваемой среды по гелиоприемнику 6, что способствует эффективному отводу полезного тепла. Использование в нижнем эластичном полотне 13 полимера разной плотности со вспененным нижним слоем 20 значительно сокращает потери теплоты. Все это в совокупности повышает кпд устройства, а, следовательно, и температуру среды на выходе из него.
Сворачиваемый солнечный водонагреватель может быть различной длины, соответствующей размерам обрешетки крыши, что обеспечивает его оптимальную интеграцию в кровельное покрытие. При необходимости водонагреватель может быть разобран на отдельные узлы, нижнее полотно свернуто 13 в рулон и, после перевозки на новое место установки, вновь смонтирован для дальнейшей эксплуатации.