Солнечный водонагреватель
SOLAR WATER HEATER

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для нагревания воды за счет преобразования солнечной энергии в тепловую и может быть использовано в биотехнологической, пищевой, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности, а также в быту.
Известен солнечный водонагреватель, содержащий вертикально расположенный прозрачный корпус, внутри которого размещена емкость, окрашенная в черный цвет, с подводящим и отводящим патрубками для воды, емкость для воды образована поверхностями двух коаксиально расположенных цилиндров, крышкой и днищем, внутри емкости расположена спиралевидная вставка, а внутренний полый цилиндр с открытым верхним концом выполнен удлиненным и имеет отверстия, расположенные внутри корпуса под днищем емкости, см. RU Патент №2555611, МПК F24J 2/04 (2006.01), 2014.
Недостатком известного устройства является то, что в середине дня, когда солнце находится в верхней точке (зените), эффективность работы солнечного водонагревателя снижается, т.к. плоская крышка водонагревателя имеет незначительную поверхность по сравнению с поверхностью внешнего обогреваемого цилиндра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является солнечный водонагреватель, выполненный в виде призмы и содержащий аккумулирующую емкость и рекуперативную емкость, аккумулирующая емкость выполнена с лицевой наклонной поглощающей поверхностью и тыльной теплоизоляцией, за которой расположена рекуперативная емкость, имеющая общую поверхность с тыльной теплоизоляцией, и соединена трубопроводами с аккумулирующей емкостью, см. RU Патент №2078290, МПК F24J 2/06 (1995.01), F24J 2/34 (1995.01), 1997 г
Указанный солнечный водонагреватель работает следующим образом:
Аккумулирующую и рекуперативную емкости водонагревателя заполняют водой через соответствующие заливные отверстия. Солнечные лучи проходят через прозрачное покрытие, попадают на лицевую наклонную поглощающую поверхность аккумулирующей емкости и полученное тепло нагревает воду в этой емкости. Часть теплового потока, пройдя через стенку аккумулирующей емкости, тепловую изоляцию и стенку рекуперативной емкости нагревает воду, находящуюся в рекуперативной емкости.
Недостатком данного устройства является длительность нагрева воды. Поскольку солнечный водонагреватель, содержащий аккумулирующую емкость и рекуперативную емкость, выполнен в виде призмы, поток солнечного излучения будет плохо поглощаться в утреннее и вечернее время, т.к. светопоглощающая поверхность призмы в силу своей геометрии наиболее эффективно поглощает солнечные лучи, когда солнце находится в зените, и эффективность нагревания воды существенно снижается, если лучи солнца падают на светопоглощающую поверхность не под прямым углом.
Нагрев воды в рекуперативной емкости, за счет теплового потока, аккумулирующей емкости, проходящего через тепловую изоляцию и стенку рекуперативной емкости малоэффективен, так как тепловая изоляция, существенно ослабляет тепловой поток, к тому же, рекуперативная емкость не имеет наружной теплоизоляции, поэтому нагревание воды в этой емкости сопровождается ее быстрым охлаждением при отсутствии солнечных лучей.
Задачей изобретения является повышение эффективности солнечного водонагревателя за счет сокращения времени нагрева воды до заданной рабочей температуры.
Техническая задача решается тем, что солнечный водонагреватель, содержащий аккумулирующую и рекуперативную емкости, согласно изобретению аккумулирующая и рекуперативная емкости образованы поверхностями двух коаксиально расположенных цилиндров со сферическим верхом, аккумулирующая емкость дополнительно снабжена светопрозрачной оболочкой, а рекуперативная емкость имеет штуцер по оси цилиндров с отверстием внутри аккумулирующей емкости, при этом аккумулирующая емкость имеет патрубок для ввода воды, а рекуперативная емкость - для ее вывода.
Решение технической задачи позволяет повысить эффективность солнечного водонагревателя за счет сокращения времени нагрева воды до заданной температуры.
Солнечный водонагреватель, см. Фиг. 1, содержит аккумулирующую емкость 1, рекуперативную емкость 2. Аккумулирующая и рекуперативная емкости образованы поверхностями двух коаксиально расположенных цилиндров 3 и 4 со сферическим верхом 3' и 4', соответственно. Аккумулирующая емкость 1 дополнительно снабжена светопрозрачной оболочкой 5. Рекуперативная емкость 2 имеет штуцер 6, расположенный по оси двух коаксиально расположенных цилиндров, штуцер имеет отверстие 7 внутри аккумулирующей емкости 1. Аккумулирующая емкость имеет патрубок 8 для ввода холодной воды, а рекуперативная емкость имеет патрубок 9 для вывода нагретой воды. Патрубки для ввода и вывода воды могут быть снабжены вентилями для регулирования скорости слива и налива, подвода и отвода воды (на Фиг. 1 не показаны).
Устройство предназначено для непрерывного нагрева воды до заданной рабочей температуры в течение светового дня и работает следующим образом.
Аккумулирующую емкость 1 через патрубок 8 заполняют водой до сливного отверстия 7 (или частично) для нагрева ее солнечными лучами. Солнечные лучи проходят через светопрозрачную оболочку 5 и поглощаются поверхностью аккумулирующей емкости 1. Полученная от солнца теплота нагревает воду в аккумулирующей емкости. Для ускорения нагрева воды до заданной температуры объем аккумулирующей емкости 1 выбирают таким, чтобы он был меньше объема рекуперативной емкости 2. Скорость подачи воды (или объем поступающей воды) в аккумулирующую емкость 1 выбирают такой, чтобы к моменту ее слива в рекуперативную емкость 2 через отверстие 7 штуцера 6 вода имела заданную температуру.
При заполнении рекуперативной емкости 2 водой воздух, находящийся в рекуперативной емкости, через штуцер 6 выходит наружу.
Отбор нагретой воды осуществляют из рекуперативной емкости 2 через патрубок 9.
Большая поверхность цилиндрической части аккумулирующей емкости со сферическим верхом обеспечивает быстрый нагрев воды в утренние и вечерние часы, когда интенсивность потока солнечного излучения невелика, а лучи солнца падают на эту поверхность практически под прямым углом. По мере подъема солнца над горизонтом солнечные лучи падают на сферический верх аккумулирующей емкости 1. В середине дня, когда лучи солнца имеют максимальный угол над горизонтом, сферическая поверхность аккумулирующей емкости эффективно воспринимает весь поток солнечного излучения и передает тепло воде.
Благодаря цилиндрической поверхности со сферическим верхом аккумулирующей емкости 1 обогреваемая поверхность водонагревателя не зависит от поворота земли относительно солнца.
Потери тепла нагретой воды в окружающее пространство минимальны, т.к. водонагреватель дополнительно снабжен светопрозрачной оболочкой 5. Наличие светопрозрачной оболочки позволяет не только снизить теплопотери в окружающее пространство, но и увеличить скорость нагрева воды в аккумулирующей емкости за счет конвекции воздуха, находящего между светопрозрачной оболочкой и стенкой аккумулирующей емкости.
Совокупность признаков заявляемого объекта, обладающего простой конструкцией по сравнению с прототипом, позволяет повысить эффективность солнечного водонагревателя за счет сокращения времени нагрева воды до заданной температуры.