СОЛНЕЧНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ
SOLAR AIR HEATER

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для круглосуточного нагрева воздуха солнечной энергией с целью использования его в бытовых условиях, например, в сушильных установках или для обогрева помещений.
Известен солнечный воздухонагреватель (Авторское свидетельство RU №2193147, 20.11.2002 г.) [1], включающий коллектор, светопрозрачное покрытие, двухслойный песчано-гравийный аккумулятор тепла.
Недостатками данного воздухонагревателя является низкая энергетическая эффективность теплоемкостного теплового аккумулятора, который обладает значительно низкой плотностью аккумулируемого тепла по сравнению с фазопереходным тепловым аккумулятором.
Известен солнечный аккумулятор тепла (Авторское свидетельство RU №2252374, 20.05.2005 г.) [2], содержащий светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель и съемный контейнер с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом, поджатый к теплоприемной панели.
Недостатками данного технического решения являются:
- невозможность непосредственной и прямой передачи тепла (нагретого воздуха) потребителю, периодичность работы и низкий коэффициент загруженности установки по времени, т.к. контейнер с теплоаккумулирующим материалом является переносным;
- наличие отдельной тепловоспринимающей поверхности, от которой тепло передается контейнеру теплопередачей, что создает дополнительное тепловое сопротивление.
Известен солнечный коллектор (Авторское свидетельство RU №2003130667 А, 10.04.2005 г.) [3], содержащий теплопоглощающую панель листотрубной конструкции, образованную из отдельных параллельных элементов, которые состоят из трубы с теплоносителем, соединенной с теплопоглощающей поверхностью элемента. Отдельные элементы коллектора соединяют гидравлически между собой с помощью переходных муфт. Нагрев теплоносителя, поступающего в трубу отдельного элемента, осуществляется по наружной поверхности трубы через ее стенки за счет тепла солнечного излучения или за счет тепла, накопленного в теплоаккумулирующем веществе.
Недостатками данного технического решения являются:
- невозможность технического получения сплошной тепловоспринимающей поверхности, т.к. вся тепловоспринимающая поверхность коллектора образована из отдельных поверхностей каждого элемента. В предложенной конструкции коллектора каждое ребро, в основном, предназначено только для соединения каждого элемента к внешнему каркасу сооружения, что затрудняют использование его для участия зарядки и разрядки теплоаккумулирующего материала, находящегося в полости вокруг трубы с теплоносителем соседнего отдельного элемента;
- в периоды отсутствия солнечного излучения нагрев теплоносителя, проходящего по внутреннему объему полости трубы, осуществляется через стенки трубы наружной поверхности, находящейся только в непосредственном соприкосновении с теплоаккумулирующим материалом. Так как только часть наружной поверхности трубы отдельного элемента находится в непосредственном соприкосновении с теплоаккумулирующим материалом, то и эффективность нагрева теплоносителя при отсутствии солнечного излучения будет заметно снижаться.
Известен солнечный коллектор (Авторское свидетельство SU №1665201 А1, 23.07.1991 г.) [4], содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для циркуляции теплоносителя, прозрачное покрытие и установленные в корпусе параллельно покрытию абсорбер и тепловой аккумулятор, выполненный из параллельных абсорберу теплопоглощающих секций. Температурный режим теплоносителя обеспечивается теплопоглощающими секциями, установленными с возможностью перемещения до соприкосновения между собой и абсорбером.
Недостатками данного технического решения являются:
- для нагрева теплоаккумулирующего материала используется только часть суммарной дневной солнечной радиации, поступающей на поверхность абсорбера и передаваемой тепловому аккумулятору только после нагрева абсорбера теплоотдачей от нижней поверхности (днища) абсорбера;
- низкая эффективность зарядки теплового аккумулятора и низкая производительность по выработке нагретого воздуха, связанные с непосредственным нагревом теплоаккумулирующего материала теплопередачей через двухслойную стенку (днище абсорбера и стенка верхней поверхности каждой секции или обе боковые стенки смежных секций), что создает дополнительное тепловое сопротивление при теплопередаче и сопряжено неизбежными дополнительными теплопотерями. Кроме того, при зарядке теплового аккумулятора, осуществляемого передачей тепла теплоаккумулирующему материалу теплоотдачей от наружных стенок секций, поверхность днища каждой секции исключается из этого процесса;
- невозможность использования наружной поверхности секций для круглосуточного теплосъема теплоносителем, поскольку до этого определенный период дневного времени занимает нагрев абсорбера до соответствующей температуры, перемещение секций теплового аккумулятора до соприкосновения одна с другой и днищем абсорбера, нагрев теплоаккумулирующего материала до соответствующей температуры и поочередное разъединение секций и их перемещение в исходное положение;
- невозможность обеспечения постоянной температуры нагретого воздуха на выходе из коллектора, связанная с возможным неравномерным нагревом отдельных секций по сравнению с остальными.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому воздухонагревателю является солнечная ветроустановка с коллектором (Авторское свидетельство RU №2234034, 10.08.2004 г.) [5] для нагрева воздуха с теплоизолированным асфальтобетонным основанием, содержащая тепловой аккумулятор, светопрозрачную галерею и прозрачную крышку коллектора. При этом теплоаккумулирующий состав расположен между поперечно гофрированной стенкой и асфальтобетонным основанием в виде горизонтально расположенных трубчатых герметичных каналов.
Недостатками данного технического решения являются:
- громоздкость и сложность конструкции;
- отбор тепла нагреваемым воздухом от теплового аккумулятора осуществляется только от поверхности гофр, обращенных к солнечным лучам, а нижняя поверхность аккумулятора (или нижняя грань канала с теплоаккумулирующим составом), плотно (без зазора) соприкасаемая с поверхностью асфальтобетонного основания, исключается из процесса теплообмена между тепловым аккумулятором и нагреваемым воздухом.
Целью предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков.
Указанная цель достигается тем, что в заявленном воздухонагревателе, содержащем теплоизолированный корпус с открытыми нижним и верхним торцами, остекление, тепловоспринимающую панель, являющуюся одновременно и тепловым аккумулятором, изготовленным в виде горизонтально расположенных трубчатых герметичных контейнеров, заполненных фазопереходным теплоаккумулирующим составом и соединенных друг с другом теплопередающими ребрами, а теплоноситель, проходящий по специально оставленным для свободного прохождения по верхней и нижней сторонам тепловоспринимающей панели зазорам, производит теплосъем непосредственно со всей наружной поверхности теплового аккумулятора.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение эффективного круглосуточного теплосъема теплоносителем со всей наружной поверхности тепловоспринимающей панели для непрерывной подачи потребителю нагретого воздуха с заданной постоянной температурой, используя только энергию солнечной радиации.
Постоянное поддержание оптимальной температуры нагретого воздуха обеспечивается фазопереходным тепловым аккумулятором. В периоды прямого солнечного излучения поступающая на тепловоспринимающую поверхность воздухонагревателя солнечная энергия расходуется на зарядку самого аккумулятора, т.е. на плавление теплоаккумулирующего материала во всех контейнерах, и на нагрев подаваемого потребителю воздуха по обе стороны поверхности теплового аккумулятора. При этом температура поверхности аккумулятора остается постоянной и равной температуре плавления выбранного теплоаккумулирующего состава. И в периоды отсутствия солнечного излучения температура нагретого воздуха, поступающего потребителю, также будет равной температуре кристаллизации теплоаккумулирующего состава. И пока вся масса теплоаккумулирующего состава не закристаллизуется, температура на поверхности контейнеров с теплоаккумулирующим составом, следовательно, и нагретого воздуха, останется постоянной.
Температура плавления состава выбирается из требований конкретно производимого процесса (сушка, обогрев помещения и т.д.)
Контейнеры теплового аккумулятора и теплопроводящие ребра изготавливаются из металлических сплавов с высокой теплопроводностью (из алюминия, меди и др.). Обращенная к Солнцу поверхность тепловоспринимающей панели покрыта специальным селективным слоем.
Т.к. контейнеры теплового аккумулятора соединены друг с другом теплопередающими ребрами, образуя сплошную тепловоспринимающую поверхность тепловоспринимающей панели, то поглощение солнечной энергии происходит по наружной поверхности аккумулятора, обращенной к Солнцу. За счет теплопроводности материала ребер тепло передается и на нижние поверхности контейнеров, т.е. обеспечивается передача тепла теплоаккумулирующему составу по всей поверхности контейнеров, что позволяет интенсифицировать процесс плавления состава. Между верхней поверхностью аккумулятора и светопрозрачным покрытием (с одной стороны), и между нижней поверхности аккумулятора и теплоизоляцией днища корпуса (с другой стороны) оставлены зазоры для свободного прохождения нагреваемого воздуха, поэтому нагрев воздуха, подаваемого потребителю, происходит по всей наружной поверхности теплового аккумулятора.
Горизонтальное расположение контейнеров способствует лучшему теплообмену между аккумулятором и движущимся воздухом, т.к. превращает ламинарное движение воздуха, которое имеет место в случае продольного расположения труб, в турбулентное.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, где показан продольный разрез солнечного воздухонагревателя.
Воздухонагреватель состоит из остекления 1, корпуса 2 с открытыми нижним (для входа воздуха из окружающей среды) и верхним торцами, тепловоспринимающей панели, являющейся одновременно и тепловым аккумулятором, изготовленным из горизонтально установленных герметичных контейнеров 3, заполненных фазопереходным теплоаккумулирующим составом 4. Контейнеры 3 соединены между собой теплопередающими ребрами 5. Днище и боковая поверхность корпуса воздухонагревателя покрыты слоем теплоизоляции 6. Нагретый воздух 7 подается непосредственно потребителю 8 через открытый верхний торец корпуса воздухонагревателя 2.
По обе стороны тепловоспринимающей панели (между остеклением и поглощающей поверхностью панели, и между тыльной поверхностью панели и теплоизоляцией днища корпуса воздухонагревателя) оставлены зазоры для свободного прохождения нагреваемого воздуха 7.
СОЛНЕЧНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
Солнечные лучи, проходя через остекление 1, поглощаются поверхностью тепловоспринимающей панели, нагревая одновременно и воздух, поступающий через нижний торец корпуса воздухонагревателя 2, и верхние стенки контейнеров 3 с теплоаккумулирующим составом 4. Тепло, поглощенное теплопередающими ребрами 5, теплопроводностью передается преимущественно на нижние поверхности контейнеров, а через стенки контейнеров 3 и теплоаккумулирующему составу 4. Теплопроводящие ребра 5 позволяют не только нагревать воздух, находящийся и по нижнюю сторону тепловоспринимающей поверхности теплового аккумулятора, но и равномерно нагревать теплоаккумулирующий состав 4 через всю поверхность каждого контейнера 3.
Воздух 7, нагретый в зазорах по обе стороны тепловоспринимающей панели, через открытый верхний торец корпуса воздухонагревателя 2 непрерывно подается непосредственно потребителю 8.
В периоды наличия прямого солнечного излучения к потребителю поступает нагретый воздух с постоянной температурой, равной температуре плавления теплоаккумулирующего состава. А в периоды отсутствия прямого солнечного излучения (в пасмурную погоду и ночью) температура поступающего к потребителю нагретого воздуха не опустится ниже температуры кристаллизации теплоаккумулирующего состава, пока не закристаллизуется вся его масса во всех контейнерах.