СОЛНЕЧНАЯ КУХНЯ

Полезная модель относится к области использования солнечной энергии, более конкретно - к гелиоустановкам бытового назначения, а именно к установкам для приготовления или подогрева пищи (солнечным кухням).
Известны установки указанного назначения, в которых с помощью солнечного излучения осуществляется непосредственный нагрев емкости для приготавливаемой или подогреваемой пищи (см., например, авторское свидетельство СССР №1629705, опубл. 23.02.1991 [1]). Поскольку осуществляющее нагрев излучение собирается с небольшой площади, соответствующей размерам нагреваемой емкости, эффективность подобных установок невысока, несмотря на меры, принимаемые для улучшения поглощения емкостью падающего излучения и теплоизоляции ее в направлениях, из которых излучение не поступает.
Известны также установки, в которых осуществляется непосредственный нагрев промежуточного теплоносителя, тепло которого может передаваться нагреваемой емкости (см., например, патент Российской Федерации на полезную модель №74452, опубл. 27.07.2008 [2]). В установке по патенту Российской Федерации №2228131 (опубл. 10.05.2004 [3]) наряду с нагревом промежуточного теплоносителя непосредственно падающим на него солнечным излучением осуществляют дополнительный нагрев, направляя излучение, собранное концентратором. Однако эффективность этой установки и степень ее автономности снижаются из-за необходимости осуществлять принудительное прокачивание теплоносителя, для чего нужен источник энергии.
Более эффективны и более распространены установки, в которых используется только излучение, собранное концентратором (авторские свидетельства СССР №167986 (опубл. 05.11.1965 [4]) и №338759 (опубл. 15.05.1972 [5]); патенты Российской Федерации на изобретение №2075707 (опубл. 20.03.1997 [6]) и на полезную модель №51717 (опубл. 27.02.2006 [7]); авторские свидетельства СССР №354234 (опубл. 09.10.1972 [8]), №517755 (опубл. 15.06.1976 [9]) и №918709 (опубл. 17.04.1982 [10]).
В установках по авторским свидетельствам [4, 5] и патентам [6, 7] нагреваемую емкость размещают в фокальной области концентратора. При этом в устройствах [6, 7] приняты меры для теплоизоляции емкости со стороны, противоположной поверхности концентратора, излучение которого пропускают к емкости через отверстие в теплоизоляции. Все эти установки недостаточно удобны в эксплуатации, поскольку доступ к емкости, находящейся в процессе нагрева в фокальной зоне, небезопасен.
От такого недостатка свободна установка по авторскому свидетельству [8], дополнительно содержащая теплопередающее устройство - тепловую трубу. Ее испаритель расположен в фокальной зоне, а конденсатор размещен в тени концентратора. На конденсаторе размещен термоэлектропреобразователь, вырабатываемая которым электроэнергия используется для питания электронагревателя. Эффективность данной установки снижается из-за многократного преобразования: сначала энергии солнечного излучения в тепловую, затем в электрическую, а затем - снова в тепловую.
В установках по авторским свидетельствам [9, 10], содержащих, как и установка по авторскому свидетельству [8], теплопередающее устройство, испаритель этого устройства тоже расположен в фокальной зоне концентратора. Однако тепловая энергия, выделяемая конденсатором теплопередающего устройства, используется не после преобразования в электрическую, а непосредственно для нагрева емкости с пищей. Для этого конденсатор теплопередающего устройства выполнен в виде нагревательной плиты с духовкой. В этих установках применен концентратор солнечного излучения в виде цилиндрической поверхности с горизонтально ориентированной образующей, а испаритель теплопередающего устройства, расположенный в фокальной зоне концентратора, параллелен образующей цилиндра. Такое выполнение связано с тем, что в указанных установках теплопередающее устройство имеет жесткую конструкцию, а горизонтальное расположение испарителя позволяет осуществлять повороты концентратора вокруг горизонтальной оси для слежения за Солнцем, не требуя поворота вместе с ним теплопередающего устройства с нагревательной плитой. Для этого концентратор соединен с испарителем с помощью горизонтального шарнира, ось вращения которого совпадает с продольной осью концентратора.
Описанная конструкция обеспечивает нагрев испарителя отраженным от концентратора излучением только с одной стороны, обращенной к концентратору, т.е. в лучшем случае отраженным изучением облучается только половина поверхности испарителя, вследствие чего снижается эффективность установки. Далее, для хорошей работы концентратора с учетом того, что солнечные лучи практически параллельны, его поверхность должна иметь форму параболического цилиндра, которую технологически воспроизвести достаточно сложно. Кроме того, в теплопередающем устройстве установки по авторским свидетельствам [9, 10] движение конденсата к испарителю происходит под действием силы тяжести. Это диктует выбор только такой компоновки установки, при которой конденсатор (т.е. нагревательная плита) расположен выше испарителя, находящегося в фокальной зоне концентратора. Данное обстоятельство ограничивает возможность увеличения вертикального размера концентратора, так как к нагревательной плите должен быть обеспечен удобный доступ пользователя.
К предлагаемой солнечной установке для приготовления пищи наиболее близка установка по авторскому свидетельству [10], особенность которой по сравнению с установкой по авторскому свидетельству [9] заключается в том, что теплопередающее устройство является двухфазным контуром с капиллярным насосом и имеет раздельные линии для пара и конденсата. При этом, однако, в описании авторского свидетельства [10] отмечено, что жидкий конденсат стекает в испаритель под действием гравитационных сил, как и в установке по авторскому свидетельству [9]. При этом обе указанные раздельные линии для пара и конденсата - конденсатопровод и паропровод - выполнены жесткими. Поэтому данная установка имеет общие с установкой по авторскому свидетельству [9] недостатки, отмеченные выше.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности использования солнечной энергии за счет обеспечения равномерного облучения испарителя теплопередающего устройства со всех сторон, а также в более высокой технологичности конструкции за счет использования концентратора, имеющего более простую геометрическую форму, и в снятии ограничений на компоновку конструкции установки. Ниже при раскрытии предлагаемого технического решения в частных случаях его выполнения и описании его возможной реализации будут названы и другие виды технического результата.
Предлагаемая солнечная установка для приготовления пищи, как и наиболее близкая к ней известная по авторскому свидетельству [10], содержит концентратор солнечного излучения и двухфазный теплопередающий контур с капиллярным насосом, имеющий испаритель, конденсатор и соединяющую их транспортную часть, содержащую паропровод и конденсатопровод. Испаритель указанного контура установлен с возможностью облучения его отраженным от концентратора солнечным излучением, а конденсатор выполнен в виде нагревательного элемента, способного передавать тепло емкости с приготавливаемой пищей.
Для достижения указанного технического результата в установке по предлагаемой полезной модели, в отличие от наиболее близкой к ней известной установки, концентратор солнечного излучения выполнен в виде отражателя, имеющего форму боковой поверхности усеченного конуса с углом при вершине, составляющим 85°÷95°. Испаритель ориентирован по осевой линии этого усеченного конуса и установлен неподвижно относительно концентратора с возможностью совместных с ним угловых перемещений. При этом указанные паропровод и конденсатопровод выполнены в виде гибких трубок.
При описанном выполнении концентратора с прямым углом при вершине указанного усеченного конуса, ось которого в процессе эксплуатации установки должна быть ориентирована на Солнце, отражение падающего на внутреннюю поверхность концентратора солнечного излучения происходит по радиусам поперечных сечений конуса, т.е. по нормали к поверхности испарителя, продольная ось которого совпадает с осевой линией конуса. Одновременно выбор конической формы поверхности концентратора обусловливает лучшую технологичность предлагаемой конструкции. В свою очередь, выбор такой формы концентратора и указанное расположение испарителя возможны благодаря отказу от использования гравитационных сил для обеспечения движения конденсата, поскольку последний под действием капиллярных сил может преодолевать значительный гидростатический напор в условиях гравитации. Благодаря тому, что в двухфазном теплопередающем контуре возможно использование гибких паропровода и конденсатопровода, продольная ось испарителя может быть ориентирована произвольно, что и позволяет установить испаритель указанным выше образом, поскольку не требуется обеспечения шарнирной связи концентратора с испарителем. При этом достигается также многовариантность компоновки установки в целом, поскольку при использовании теплопередающего устройства в виде двухфазного контура с капиллярным насосом отсутствует ограничение на соотношение уровней расположения испарителя и конденсатора.
Таким образом, достижение указанных выше видов технического результата обеспечивается одновременно благодаря взаимосвязанному влиянию всех описанных отличительных особенностей предлагаемой установки.
Следует принять во внимание, что хотя теоретически оптимальным углом при вершине усеченного конуса концентратора является прямой, из-за фактической непараллельности солнечных лучей, составляющей около 0,5° (см., например: Я.И.Перельман. Занимательная геометрия. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва - Ленинград, 1951, с.16 [11]) нет необходимости выдерживать этот угол с высокой точностью. В указанном выше интервале значений этого угла его отклонение от прямого на величину менее 5° практически не снижает интенсивность облучения испарителя по сравнению с максимально возможной. Однако, хотя при отклонении этого угла на большую величину интенсивность может снижаться более заметно, установка остается эквивалентной описанной с точки зрения указанного выше технического результата.
В частном случае выполнения предлагаемой установки в качестве средства для передачи тепла приготавливаемой пище может выступать не непосредственно конденсатор, а подогреваемая им емкость для воды, открытая сверху, над которой в корпусе с крышкой установлены контейнеры с решетчатым дном для продуктов или кулинарных изделий, обрабатываемых паром. В этом случае для приготовления пищи может использоваться грязная, техническая, соленая и даже морская вода.
В случае размещения над указанной емкостью с водой средства для конденсации водяного пара с приемной емкостью для сбора водного конденсата предлагаемая установка может быть использована для опреснения воды. При этом средство для конденсации водяного пара может охлаждаться воздухом окружающей среды.
Испаритель теплопередающего устройства может быть окружен расположенной коаксиально с ним цилиндрической прозрачной для солнечного излучения колбой. Его поверхность может быть иметь покрытие, обладающее низкой излучательной и высокой поглощающей способностью. Применение таких колбы и покрытия позволяет снизить конвективные и лучистые потери тепла в условиях ветреной погоды и низкой температуры окружающего воздуха и повысить тепловую эффективность установки.
С этой же целью, а также во избежание ожогов, конденсатопровод, паропровод, тыльная сторона емкости для воды и конденсатор могут быть укрыты теплоизоляцией.
Для слежения за Солнцем по азимуту установка может быть размещена на основании с возможностью совместного поворота всех ее частей вокруг вертикальной оси без ограничения угла поворота. Для слежения за Солнцем по углу его возвышения концентратор с испарителем теплопередающего устройства может быть установлен с возможностью поворота относительно основания на угол до 90° вокруг горизонтальной оси.
Наиболее целесообразным с точки зрения уменьшения габаритов установки является такое ее выполнение, при котором высота усеченного конуса концентратора одинакова с длиной испарителя. Для увеличения поверхности, с которой собирается солнечное излучение, целесообразно увеличивать диаметр усеченного конуса. Однако в этом случае между испарителем и меньшим основанием усеченного конуса появляется промежуток, через который может проходить солнечное излучение, не используемое для нагрева испарителя. Чтобы использовать такое излучение и повысить тепловую эффективность установки, концентратор может быть дополнен еще одной или несколькими частями, поверхность которых имеет форму усеченных конусов меньшего размера, но с большим углом при вершине. При этом большее основание усеченного конуса каждой следующей части соединено с меньшим основанием усеченного конуса предыдущей части, а соотношение между углом φ при вершине каждого усеченного конуса, его высотой h и длиной L испарителя должно удовлетворять условию: h=Lsinφ .При выполнении этого условия отраженное от внутренней поверхности усеченного конуса поверхности излучение полностью попадает на испаритель и полностью покрывает его.
Предлагаемая солнечная установка для приготовления пищи иллюстрируется чертежами и рисунком:
- на фиг.1 представлены конструкция и схема работы предлагаемой установки;
- на рисунке фиг.2 показан общий вид установки;
- на фиг.3 схематически представлена работа двухфазного контура - теплопередающего устройства с капиллярным насосом;
- на фиг.4 показано выполнение концентратора из нескольких усеченных конусов.
Установка (фиг.1) содержит концентратор 1 солнечного излучения и теплопередающее устройство - двухфазный контур, содержащий испаритель 2 и конденсатор 3, соединенные паропроводом 4 и конденсатопроводом 5. Концентратор 1 выполнен с отражающей поверхностью в виде усеченного конуса с углом при вершине, равным 90°. Цилиндрический корпус испарителя 2 ориентирован по осевой линии 6 усеченного конуса концентратора 1. При этом концентратор 1 и испаритель 2 неподвижны относительно друг друга.
Испаритель 2 теплопередающего устройства окружен расположенной коаксиально с ним цилиндрической прозрачной для солнечного излучения колбой 32, изготовленной из кварцевого стекла. Поверхность испарителя 1 имеет покрытие, обладающее низкой излучательной и высокой поглощающей способностью.
В конкретном случае выполнения установки, показанном на фиг.1, над конденсатором 3, выполняющим роль нагревательного элемента, установлена емкость 7 для воды 8, открытая сверху. Над этой емкостью в корпусе 9 с крышкой 10 установлены решетчатые контейнеры 11 для продуктов 12. Перечисленные элементы 7-11 в совокупности образуют пароварку.
Конденсатопровод 5 и паропровод 4, а также тыльная сторона емкости 7 с водой и конденсатор 3 укрыты не показанной на чертеже теплоизоляцией во избежание ожогов и потерь тепла. Теплоизоляция представляет собой пористый или тканевый нетеплопроводный материал.
Вся конструкция установлена на основании 13 с возможностью поворота вокруг вертикальной оси 14, а концентратора 1 с испарителем 2 - также вокруг горизонтальной оси 15.
При ориентации оси 6 конического концентратора 1 на Солнце солнечное излучение 21 падает на внутреннюю зеркально отражающую поверхность 22 концентратора 1, отражается от нее и поглощается поверхностью испарителя 2. Эта поверхность облучается равномерно со всех сторон.
В результате корпус испарителя нагревается. Находящийся в нем теплоноситель, нагреваясь, начинает испаряться. Горячий пар по паропроводу 4 поступает в конденсатор 3, где конденсируется и отдает свое тепло воде 8 в емкости 7. По конденсатопроводу 5 сконденсировавшийся теплоноситель возвращается в испаритель 2, где вновь нагревается, и цикл повторяется. Движение теплоносителя в контуре теплопередающего устройства показано на фиг.1 стрелками 17-19. Эксплуатация опытного образца установки показывает, что при площади концентратора 1 порядка двух квадратных метров и поверхности испарителя 2 порядка нескольких квадратных дециметров корпус испарителя нагревается до высокой температуры, существенно превышающей температуру кипения воды. Вода 8 в емкости 7 постепенно нагревается и закипает. Кипящая вода выделяет пар. Пар поступает в контейнеры 11 через их решетчатое дно и воздействует на размещенные в контейнерах продукты 12 или кулинарные изделия, в результате чего происходит их приготовление на пару.
При использовании установки перечисленные выше элементы, образующие пароварку, могут быть заменены другим средством для размещения продуктов, в котором продукты будут приготавливаться иным способом, чем на пару. Они могут быть заменены также воздушным средством для конденсации водяного пара и емкостью для сбора водного конденсата (на чертежах не показаны), что позволяет получать опресненную воду.
Установка может быть оснащена механизмом 16 для слежения за Солнцем. Этот механизм может функционировать автоматически и управляться по показаниям датчиков положения Солнца и температуры контура. Для управления может быть использовано электромеханическое устройство, питающееся от фотоэлектрического преобразователя. Возможно и ручное управление. При таком управлении достаточно корректировать ориентацию концентратора с неподвижным относительно него испарителем двухфазного теплопередающего контура с интервалом до 15 минут. Ручное управление ориентацией концентратора может быть использовано не только для точного совмещения оси усеченного конуса концентратора 1 с направлением на Солнце, но и для достижения желаемой интенсивности кипения воды.
Обозначения на фиг.2, представляющей общий вид установки, соответствуют приведенным выше.
1
2
На фиг.3 схематически показана связь между элементами теплопередающего устройства, представляющего собой двухфазный контур (контурную тепловую трубу): испарителем 2, к которому подводится тепловая энергия Q в виде солнечного излучения, и конденсатором 3, являющимся источником тепла Q, используемого для приготовления или подогрева пищи. Указанная связь осуществлена посредством паропровода 4 и конденсатопровода 5. Конденсат благодаря реализуемому в контуре принципу функционирования, основанному на использовании капиллярных сил, может перемещаться в направлении, противоположном действию силы тяжести. Контур может быть выполнен, например, по схеме, описанной в авторском свидетельстве СССР №1196665 (опубл. 07.12.1985 [12]), из которого известны, в частности, гибкие паропровод и конденсатопровод.
На фиг.4 показано выполнение концентратора 1 с поверхностью, образованной сопряженными поверхностями нескольких усеченных конусов 41, 42, 43 последовательно уменьшающихся размеров с увеличивающимся углом при вершине. Конические поверхности сопряжены друг с другом таким образом, что большее основание каждого следующего усеченного конуса соединено с меньшим основанием предыдущего. Соотношение угла при вершине каждого усеченного конуса, его высоты и длины испарителя таково, что отраженное от его внутренней поверхности и излучение (на фиг.4 - полосы между парами стрелок 63 и 64) полностью попадает на испаритель 1 и полностью покрывает его. Самый большой конус 41 с углом при вершине 90° имеет высоту, равную длине испарителя 2, и отраженные от него лучи в полосе между парой стрелок 53 падают на испаритель 2 нормально к его поверхности. Отраженные от конусов 42, 43 лучи падают на поверхность испарителя наклонно.
Установка позволяет приготавливать пищу и получать опресненную воду и горячую воду для хозяйственных нужд, используя только солнечную энергию, и является абсолютно экологически чистой.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1629705, опубл. 135.02.1991.
2. Патент Российской Федерации на полезную модель №74452, опубл. 27.07.2008.
3. Патент Российской Федерации №2228131, опубл. 10.05.2004.
4. Авторское свидетельство СССР №167986, опубл. 05.11.1965.
5. Авторское свидетельство СССР №338759, опубл. 15.05.1972.
6. Патент Российской Федерации №2075707, опубл. 20.03.1997.
7. Патент Российской Федерации на полезную модель №51717, опубл. 27.02.2006.
8. Авторское свидетельство СССР №354234, опубл. 09.10.1972
9. Авторское свидетельство СССР №517755, опубл. 15.06.1976.
10. Авторское свидетельство СССР №918709, опубл. 17.04.1982.
11. Я.И.Перельман. Занимательная геометрия. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва - Ленинград, 1951, с.16.
12. Авторское свидетельство СССР №1196665, опубл. 07.12.1985.