СПОСОБ НАГРЕВА ВОДЫ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
METHOD OF HEATING WATER WITH SOLAR RADIATION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для получения горячей воды.
Прототипом является способ нагрева воды солнечным излучением, заключающийся в том, что теплоноситель пропускают через солнечный коллектор, где его нагревают солнечным излучением и подают его в теплообменник в виде пара через паровой трубопровод, а конденсат возвращают в солнечный коллектор для нагрева через трубопровод для конденсата, при этом теплообменник размещают в бойлере системы горячего водоснабжения, а бойлер устанавливают над коллектором, причем паровой трубопровод и трубопровод для конденсата подключают к противоположным сторонам коллектора [Пат. KZ(A) №14944, МПК F24J 2/20, 2/42, 2004].
Недостатками прототипа являются:
- небольшая температура нагрева тепловоспринимающей поверхности, обусловленная неперпендикулярностью солнечных лучей к поверхности коллектора;
- получение относительно низкой температуры воды в бойлере, что связано с наличием второго теплообменника, т.е. передачей тепла еще через одну теплопередающую поверхность;
- сложность конструкции из-за наличия второго теплообменника и специальной жидкости, используемой в качестве теплоносителя;
- увеличение массогабаритных характеристик, вызванное уменьшением полезного объема бойлера вследствие размещения в нем второго теплообменника.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение конструкции, повышение КПД, а также улучшение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в способе нагрева воды солнечным излучением, включающем пропускание теплоносителя через нагреваемый солнечным излучением коллектор и размещение над ним бойлера с водой системы горячего водоснабжения, вход и выход коллектора трубопроводами соединяют с бойлером и используют находящуюся в нем воду в качестве теплоносителя.
Вход коллектора соединяют и с системой холодного водоснабжения. Выход коллектора подсоединяют к бойлеру ниже заборного трубопровода. Вход коллектора подсоединяют к бойлеру ниже трубопровода, соединяющего выход коллектора с бойлером. Бойлер с коллектором устанавливают на вращающуюся платформу. Приход воды из системы холодного водоснабжения выполняют потенциально большим, чем расход в системе горячего водоснабжения. Поворот платформы синхронизируют с движением солнца по азимуту, при этом обеспечивают перпендикулярность плоскости коллектора к плоскости, проходящей через ось вращения платформы и солнце. Изменяют положение коллектора в вертикальной плоскости синхронно с положением солнца относительно горизонта, при этом обеспечивают перпендикулярность плоскости коллектора солнечным лучам. Коллектор покрывают теплоизолятором, при этом на лицевой стороне коллектора теплоизолятор выполняют в виде ячеистой структуры, стенки ячеек которой параллельны солнечным лучам. Центр тяжести системы коллектор-бойлер размещают на оси вращения платформы.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Соединение входа и выхода коллектора трубопроводами с бойлером и использование находящейся в нем воды в качестве теплоносителя позволяет повысить КПД нагрева воды и улучшить эксплуатационные характеристики за счет увеличения полезного объема бойлера.
Соединение входа коллектора и с системой холодного водоснабжения обеспечивает постоянное питание бойлера водой, что при тех же габаритах последнего обеспечивает длительное непрерывное поступление воды в систему горячего водоснабжения. Кроме того, уменьшается турбулентность движения воды в бойлере и перемешивание ее более теплой верхней части с более холодной нижней, благодаря чему не происходит резкого снижения температуры в бойлере. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Подсоединение выхода коллектора к бойлеру ниже заборного трубопровода способствует поступлению в систему горячего водоснабжения более теплой верхней части воды в случае, когда температура поступающей из коллектора воды ниже температуры воды в верхней части бойлера. Это повышает эксплуатационные характеристики.
Подсоединение входа коллектора к бойлеру ниже трубопровода, соединяющего выход коллектора с бойлером, позволяет осуществлять нагрев в коллекторе более холодных придонных слоев воды, которые за счет более высокой плотности опускаются в коллектор. Это повышает эксплуатационные характеристики и КПД.
Устанавливание бойлера с коллектором на вращающуюся платформу позволяет повысить КПД даже за счет периодического поворота (например, вручную) коллектора в сторону солнца, что повышает КПД и эксплуатационные характеристики.
Выполнение прихода воды из системы холодного водоснабжения потенциально большим, чем расход в системе горячего водоснабжения, дает возможность снизить турбулентность движения воды в бойлере при заборе (наполнении) из него воды, уменьшить, тем самым, перемешивание ее более теплой верхней части с более холодной нижней, благодаря чему не происходит резкого снижения температуры в бойлере. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Синхронизация поворота платформы с движением солнца по азимуту и обеспечение перпендикулярности плоскости коллектора к плоскости, проходящей через ось вращения платформы и солнце, позволяет более сильно нагревать поверхность коллектора в течение воздействия солнечного излучения, что повышает КПД и эксплуатационные характеристики.
Изменение положения коллектора в вертикальной плоскости синхронно с положением солнца относительно горизонта и обеспечение перпендикулярности плоскости коллектора солнечным лучам увеличивает воздействие потока излучения, что повышает КПД и эксплуатационные характеристики.
Покрытие коллектора теплоизолятором и выполнение на лицевой стороне коллектора теплоизолятора ячеистой структуры, стенки ячеек которой параллельны солнечным лучам, дозволяет уменьшить охлаждение тепловоспринимающей поверхности коллектора ветром. При этом солнечные лучи, обладающие достаточно хорошей параллельностью, попадают сквозь ячейки на тепловоспринимающую поверхность, а тепловое излучение тепловоспринимающей панели, будучи рассеянным, только частично выходит наружу, например при отсутствии солнечного излучения. Все это повышает КПД и эксплуатационные характеристики. Заметим, что известны конструкции, защищающие тепловоспринимающую поверхность коллектора от охлаждения воздухом стеклом. Однако стекло частично поглощает и отражает солнечные лучи, что снижает нагрев указанной поверхности.
Размещение центра тяжести системы коллектор-бойлер на оси вращения платформы снижает момент инерции этой системы, уменьшает потребляемую вращающим двигателем энергию, что улучшает эксплуатационные характеристики.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема первого варианта устройства для нагрева воды солнечным излучением. На фиг. 2 изображена схема второго варианта устройства для нагрева воды солнечным излучением, обеспечивающего слежение за солнцем. На фиг. 3 изображен вид А коллектора. На фиг. 4 изображена схема третьего варианта устройства для нагрева воды солнечным излучением с неподвижным бойлером.
Устройство для нагрева воды солнечным излучением содержит коллектор 1 с входным 2 и выходным 3 трубопроводами, соединенными с бойлером 4, имеющим кран 5 для забора воды 6 и теплоизолятор 7. Входной трубопровод через трубу 8 соединен с системой холодного водоснабжения. Коллектор с бойлером посредством стоек 9 могут быть закреплены на червячном зубчатом колесе 10 (платформе), установленном с возможностью поворота на втулке 11, неподвижно закрепленной на основании 12, и сопряженным с червяком 13, соединенным с первым электродвигателем (не показан) и вращающимся в опорах основания. На червячном зубчатом колесе 10 закреплены стойки 14, в которых с возможностью вращения установлена ось 15, скрепленная с червячным колесом 16, которое сопряжено с полым червяком 17 и через тягу 18, с шарнирными концами, соединено с коллектором. В полости червяка 17, установленного во втулке 11 с возможностью вращения и соединенного с закрепленным на основании 12 вторым электродвигателем (не показан), размещена труба 8, которая через установленный на ней с возможностью поворота стакан 19 сообщена с входным трубопроводом коллектора, выходной трубопровод которого соединен с бойлером, на котором соосно с червячным колесом 10 закреплена труба 20, имеющая возможность вращения в неподвижном стакане 21 и сообщенная с краном 5. Коллектор имеет теплоизолятор в виде ячеек 22.
Способ реализуют следующим образом.
При попадании солнечного излучения на коллектор 1 находящаяся в нем вода нагревается, более нагретые и менее плотные ее слои поднимаются вверх и по трубопроводу 3 поступают в бойлер 4 (фиг. 1). В зависимости от температуры воды 6 в бойлере поступающие в него из коллектора слои или опускаются в придонную часть бойлера, если их температура ниже, или поднимаются вверх, если имеют более высокую температуру. Из бойлера 4 вода с более низкой температурой через трубопровод 2 поступает в коллектор, где впоследствии нагревается. В результате такого естественного тока солнечное излучение нагревает всю воду в бойлере, теплоизоляция 7 которого препятствует потерям тепла в окружающую среду. Забор воды из бойлера осуществляют путем открывания крана 5. Если входной трубопровод 2 не подключен через трубу 8 к системе холодного водоснабжения, то ресурс горячей воды будет определяться емкостью бойлера. Если трубопровод 2 подключен к системе холодного водоснабжения, то расход воды из бойлера будет компенсироваться поступлением ее из системы холодного водоснабжения. При этом она как более холодная и плотная будет вытеснять воду из коллектора в бойлер и нагреваться в коллекторе. Степень нагрева будет зависеть от величины расхода горячей воды из бойлера, от интенсивности солнечного излучения и от положения лицевой панели коллектора относительно солнечных лучей. Естественно, что наибольший нагрев будет происходить тогда, когда лучи будут перпендикулярны лицевой панели коллектора. Заметим, что коллектор и бойлер одновременно могут быть подключены соответственно к системам холодного и горячего водоснабжения, при этом надобность в кране 5 отпадает.
Для обеспечения перпендикулярности солнечных лучей к лицевой панели коллектора необходимо все время менять положение последнего вслед за перемещением солнца (фиг. 2). Для поворота коллектора 1 вокруг вертикальной оси включают первый электродвигатель, в результате чего червяк 13 начинает вращаться в опорах основания и поворачивать на втулке 11 зубчатое колесо 10 вместе со стойками 9, 14. При этом происходит также поворот в горизонтальной плоскости оси 15 с червячным колесом 16, которое своими зубьями будет скользить по винтовой поверхности неподвижного червяка 17. Так как угол поворота зубчатого колеса 10 в процессе очередной коррекции своего положения по солнцу небольшой, а передаточное отношение от червяка 17 до колеса 16, наоборот, большое, то колесо 16 будет практически стоять на месте при повороте колеса 10, а следовательно, не будет перемещаться тяга 18, и коллектор 1 не изменит своего положения в вертикальной плоскости. При достижении коллектором нужного положения (азимута) выключают первый электродвигатель, обеспечивая за счет самоторможения червячной передачи его фиксацию.
Для поворота коллектора вокруг горизонтальной оси включают второй электродвигатель, благодаря чему начинает вращаться червяк 17, который посредством зубчатого колеса 16 и тяги 18 поворачивает коллектор в вертикальной плоскости (меняет его положение относительно горизонта). Заметим, что в качестве оси может служить специально выполненный для этого конец трубопровода 2. При повороте коллектора до требуемого положения производят его фиксирование путем выключения второго двигателя. Заметим, что, так как оба электродвигателя размещены на основании 12, то механизм системы слежения за солнцем получается максимально облегченным, что позволяет использовать электродвигатели малой мощности на перемещение коллектора, положение которого можно легко «запоминать» по количеству оборотов червяков.
В результате воздействия солнечной энергии вода в коллекторе будет постоянно нагреваться и поступать через гибкий (или частично гибкий) трубопровод 3 в бойлер 4, вращающегося вместе с трубой 20. Соединение последней с краном 5 производят с помощью стакана 21, который обеспечивает герметичность соединения, например сальниками. Через стакан 19 осуществляют подачу воды из системы холодного водоснабжения. Для защиты коллектора от охлаждения ветром его покрывают теплоизолятором, который на лицевой панели выполняют в виде ячеек 22 (фиг. 3). Поскольку лицевая панель всегда поворачивается перпендикулярно солнечным лучам, то они беспрепятственно за счет своей параллельности достигают и нагревают лицевую панель коллектора, а при отсутствии солнечного излучения рассеянное тепловое излучение коллектора только частично выходит наружу, за счет чего и достигается высокий. При наличии бойлера большой емкости его целесообразно устанавливать неподвижно, а поворачивать только коллектор (фиг. 4).
Внедрение изобретения позволит создать простое по конструкции, надежное и удобное в эксплуатации устройство для нагрева воды солнечным излучением.