Система солнечного теплоснабжения с регулируемой поглощательной способностью
SOLAR HEAT SUPPLY SYSTEM WITH CONTROLLED ABSORPTION CAPACITY

Изобретение относится к системам солнечного теплоснабжения, использующим энергию солнца и преобразующим ее в тепло, и может быть использовано для нужд отопления и водоснабжения горячей водой промышленных и гражданских объектов.
Известные системы солнечного теплоснабжения содержат замкнутый первичный контур, в котором последовательно соединены посредством трубопроводов солнечный коллектор, потребитель тепловой энергии (бак-аккумулятор со встроенным теплообменным аппаратом или другой теплообменник), насос и запорно-регулирующая арматура. Ключевым элементом таких систем является солнечный коллектор, который представляет собой теплообменный аппарат, принимающий солнечную радиацию, преобразующий ее в тепловую энергию и передающий последнюю жидкому теплоносителю первичного контура [Книга о «Солнце». Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения. Изд-во Viessmann (Киев: «Злато-Граф»), 2010. 194 страницы].
При использовании в солнечном коллекторе жидкого теплоносителя последний должен обладать низкой температурой кристаллизации, низкой коррозионной активностью, низкой токсичностью и одновременно высокой теплоемкостью и теплопроводностью, а также высокой светопоглощающей способностью. Поскольку теплоноситель постоянно движется и находится в коллекторе под воздействием солнечной радиации весьма ограниченное время, важнейшей характеристикой, определяющей эффективность работы такой системы в целом, является скорость нагрева теплоносителя, напрямую зависящая от его светопоглощающей способности.
6
12
Известен незамерзающий состав, описанный в патенте US 4759864, опубл. 1988.07.26, который содержит, масс. %, этиленгликоль до 90-95; алифатическую одноосновную кислоту С-С или ее соль 0,1-5,0; тетраборат натрия 0,1-5,0; толилтриазол или бензотриазол 0,1-5,0. Для приготовления рабочего теплоносителя концентрат разбавляют добавлением 25-75 мас. % воды. Состав не токсичен, не проявляет заметной коррозионной активности. Однако скорость нагрева известного теплоносителя относительно невелика, что свидетельствует о невозможности обеспечить достаточно высокую эффективность работы солнечного нагревателя с таким теплоносителем.
Для повышения скорости нагрева используют светоабсорбирующие теплоносители, содержащие в своем составе красители, затемняющие прозрачный носитель, либо нанодисперсные или молекулярнодисперсные компоненты, поглощающая способность которых выше, чем у жидкого теплоносителя.
Известен седиментационно устойчивый теплоноситель с повышенной абсорбционной способностью для солнечного коллектора (RU 2557611, опубл. 2015.07.27), включающий 50 мас. % 1,2-пропандиола, 0,5 мас. % нанодисперсного углерода или 0,1 мас. % нигрозина и остальное - воду, который позволяет повысить скорость нагрева теплоносителя в 5-6 раз и значительно увеличить эффективность работы системы солнечного теплоснабжения. Однако теплопроизводительность системы с таким теплоносителем является нерегулируемой, что при слабом отборе тепла, например, при отсутствии тепловой нагрузки в теплый период года, чревато стагнацией. Далее может начаться кипение и испарение теплоносителя, которое вызовет резкий скачок давления. Стагнация способна привести к химическому разложению теплоносителя и вызвать разрушение системы.
Известен жидкий теплоноситель (DE 4131516, опубл. 1993.04.08) преимущественно для солнечных коллекторов, содержащий тонко измельченный совместно с антиоксидантами, в основном, на основе фенола, порошок алюминия с размером частиц от 80 нм до 1 мкм в количестве 0,5-10% по объему, добавки, препятствующие агломерации частиц и поверхностно-активные вещества на основе алкиларилэтоксилатов. Добавка алюминиевого порошка к известным теплоносителям (воде, гликолям, маслам), сообщает теплоносителю высокую теплопроводность, при этом не требует постоянного перемешивания или очень высоких скоростей циркуляции с соответствующей высокой турбулентностью. Солнечный коллектор с известным теплоносителем достаточно сложного состава решает проблему повышения абсорбционной способности и увеличения скорости нагрева, но не дает возможности регулировать светопоглощение и предотвращать стагнацию системы солнечного теплоснабжения в случае недостаточно интенсивной передачи тепла потребителю.
В качестве наиболее близкого аналога предлагаемой системы выбрана система с регулируемым светопропусканием/светопоглощением солнечного коллектора с жидким теплоносителем, содержащим диссоциирующие в жидком теплоносителе красители и мелкоструктурную дисперсную фазу в виде ферромагнитных частиц, например, порошкового кобальта или порошка окиси железа (RU 2395043, опубл. 20.07.2010). Для регулирования светопоглощения и теплопроизводительности известная система, содержащая солнечную панель с каналами для циркуляции жидкого теплоносителя, подводящие и отводящие патрубки, соединенные в циркуляционный контур с теплообменником и гидронасосом, снабжена врезанным в контур циркуляции теплоносителя модулем для изменения концентрации введенных в теплоноситель ферромагнитных частиц, выполненным в виде снабженной осадочным карманом или конусом магнитной ловушки с обмоткой от регулируемого, преимущественно в автоматическом режиме, источника тока, при этом увеличение тока вызывает оседание ферромагнитных частиц в магнитной ловушке, осветление теплоносителя и уменьшение светопоглощения. При уменьшении или отключении тока концентрация ферромагнитных частиц в теплоносителе увеличивается.
В процессе эксплуатации системы ферромагнитные частицы при взаимодействии с магнитной ловушкой намагничиваются и слипаются, образуя достаточно прочные агломераты. В результате средний эквивалентный диаметр частиц дисперсной фазы значительно увеличивается, что требует увеличения скорости витания частиц, чтобы предотвратить их оседание. Теплоноситель становится седиментационно неустойчивым. По причине значительной разницы плотностей жидкости-теплоносителя и дисперсной фазы (плотность кобальта 8900 кг/куб. м; окиси железа 5242 кг/куб. м) при движении теплоносителя в зонах со скоростями ниже скорости витания крупные тяжелые ферромагнитные агломераты, причем коррозионно неустойчивые в водной среде, будут оседать, преимущественно в узких каналах теплообменных аппаратов, проточной части трубопроводов и арматуры, что в итоге может привести последние в нерабочее состояние. Кроме того, концентрация дисперсной фазы в теплоносителе будет изменяться локально и неконтролируемо, что приведет к изменению доступного диапазона регулирования поглощательной способности солнечного коллектора и, соответственно, теплопроизводительности системы солнечного теплоснабжения.
Задачей изобретения является разработка стабильно действующей системы солнечного теплоснабжения с регулируемой в широком диапазоне поглощательной способностью солнечного коллектора с жидким теплоносителем, содержащим дисперсную фазу, и соответственным образом регулируемой теплопроизводительностью.
Технический результат предлагаемой системы солнечного теплоснабжения заключается в повышении стабильности ее работы за счет устранения причин, вызывающих укрупнение частиц дисперсной фазы теплоносителя и ухудшение его седиментационной устойчивости, при одновременном расширении диапазона регулирования поглощательной способности солнечного коллектора и теплопроизводительности системы.
Указанный технический результат достигают системой солнечного теплоснабжения, включающей на изменение проходного сечения выходного патрубка и подачу в первичный солнечный коллектор с жидким теплоносителем, содержащим дисперсную фазу с высокими светопоглощающими свойствами, регулирующий ее концентрацию модуль с подводящими и отводящими патрубками, рекуперативный теплообменник и насос, связанные системой трубопроводов в первичный циркуляционный контур, в которой, в отличие от известной системы, модуль, регулирующий концентрацию дисперсной фазы теплоносителя, выполнен с возможностью разделения последнего на два потока: один с максимальной, другой с минимальной концентрацией упомянутой дисперсной фазы, при воздействии центробежных или инерционных, или гравитационных сил, электростатического воздействия, под воздействием разности давления либо или комбинации этих сил, снабжен двумя соответствующими выходными патрубками с автоматически управляемыми регулирующими клапанами либо автоматически управляемым трехходовым краном, а также системой автоматического регулирования, включающей датчик температуры.
Система автоматического регулирования (САР), связанная с регулирующим модулем, действует по принципу обнаружения отклонений регулируемых величин, характеризующих эффективность работы системы солнечного теплоснабжения, а именно, температуры теплоносителя ее первичного и вторичного контуров, от требуемого режима и устранения этих отклонений путем воздействия на условия работы системы и на параметры происходящих в ней процессов.
Вместо пары выходных патрубков с автоматически управляемыми клапанами система может содержать трехходовой кран, управляемый системой автоматического регулирования.
Таким образом, в общем случае предлагаемая система обеспечивает регулировку светопоглощения путем изменения концентрации дисперсной фазы с помощью регулирующего модуля, осуществляющего разделение жидкого теплоносителя на два потока: один с максимальным, другой с минимальным содержанием дисперсной фазы, и их смешения при подаче в первичный циркуляционный контур в устанавливаемом системой автоматического регулирования (САР) соотношении. Конструктивные отличия применяемых на практике регулирующих модулей обусловлены различиями в свойствах дисперсной фазы.
В случае незначительной разницы между плотностью жидкой среды и плотностью дисперсной фазы, а также при высокой дисперсности последней предлагаемая система содержит регулирующий модуль, выполненный на основе сепаратора центробежного, гидродинамического либо электростатического типа.
В случае значительной разности плотностей дисперсной фазы и жидкой среды основным элементом регулирующего модуля является очистительный сепаратор типа отстойника, осуществляющий разделение потоков теплоносителя с максимальной и минимальной концентрацией дисперсной фазы под воздействием гравитационных сил, снабженный двумя размещенными на различных уровнях от его днища выходными патрубками с автоматически управляемыми регулирующими клапанами.
В системе солнечного теплоснабжения с солнечным коллектором, жидкий теплоноситель которого содержит грубодисперсную твердую фазу с ограниченным диапазоном размеров частиц, модуль для регулирования концентрации дисперсной фазы в теплоносителе представляет собой фильтр, разделяющий жидкий теплоноситель на два потока: с максимальной и с минимальной концентрацией дисперсных частиц, с использованием разности давлений на фильтрующий элемент.
На фиг. 1-3 приведены схемы представленных выше конкретных вариантов осуществления предлагаемой системы солнечного теплоснабжения с регулируемой светопоглощающей способностью, согласно которым концентрацию дисперсных частиц в жидком теплоносителе регулируют по описанному выше принципу с помощью конструктивно различающихся регулирующих модулей.
На фиг. 4 показана схема с трехходовым краном вместо пары выходных патрубков с автоматически регулируемыми клапанами.
Система, схематично представленная на фиг. 1, содержит соединенные трубопроводами в замкнутый первичный циркуляционный контур следующие элементы: прозрачный солнечный коллектор 1, теплообменник 2, насос 3 и модуль 4, регулирующий концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе, плотность которой мало отличается от плотности дисперсионной среды, выполненный в виде сепаратора 5 центробежного, гидродинамического или электростатического типа с двумя выходными патрубками, связанными посредством регулирующих клапанов 6 и 7, управляемых системой автоматического регулирования (САР, не показанной на чертеже), с предусмотренными в сепараторе 5 резервными емкостями, которые предназначены для сбора разделенного теплоносителя, соответственно, с минимальной и максимальной концентрациями дисперсной фазы.
Внутренний объем первичного циркуляционного контура системы заполнен теплоносителем 8 с заданной поглощательной способностью солнечной энергии, который представляет собой дисперсионную среду в виде прозрачной жидкости, содержащую нерастворимую дисперсную фазу. Рекуперативный теплообменник 2 предназначен для передачи теплоты во вторичный контур теплопотребления 9.
На фиг. 2 схематично представлена система солнечного теплоснабжения с регулируемой поглощательной способностью при значительной разности плотности дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды. В этом случае основным элементом модуля 4, регулирующего концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе, является очистительный сепаратор (отстойник), в котором разделение теплоносителя происходит под воздействием гравитационных сил.
Предлагаемая система содержит, как описано выше, соединенные трубопроводами в замкнутый первичный циркуляционный контур: прозрачный солнечный коллектор 1 с жидким теплоносителем, содержащим дисперсную фазу, теплообменник 2, насос 3 и модуль 4, регулирующий концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе, который содержит отстойник 10 с двумя выходными патрубками, снабженными регулирующими клапанами 6 и 7, управляемыми САР, которые выходят из отстойника 10 на разных уровнях относительно его дна.
На фиг. 3 представлена схема предлагаемой системы солнечного теплоснабжения с регулируемой поглощательной способностью для случая грубой дисперсности твердой фазы с заданным диапазоном размеров частиц. Устройство, как описано выше, содержит соединенные трубопроводами в замкнутый первичный циркуляционный контур прозрачный солнечный коллектор 1 с жидким теплоносителем, содержащим дисперсную фазу, теплообменник 2, насос 3 и регулирующий концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе модуль 4, при этом последний содержит фильтр 11, обеспечивающий разделение потоков теплоносителя с минимальной и максимальной концентрациями дисперсной фазы на фильтрующем элементе с использованием сил разности давления и раздельный сбор полученных фракций, для чего соответствующие части фильтра 11 оснащены двумя выходными патрубками с регулирующими клапанами 6 и 7.
Для всех рассмотренных вариантов осуществления предлагаемой системы солнечного теплоснабжения, схемы которых представлены на фиг. 1-3, функцию выходных патрубков с автоматически регулируемыми клапанами может выполнять смесительный трехходовой кран 12, действие которого подчиняется командам САР. При этом схема включения крана 12 в систему будет иметь вид, представленный на фиг. 4.
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
В варианте системы, схема которой представлена на фиг. 1, циркуляция теплоносителя в первичном контуре осуществляется с помощью насоса 3. В прозрачном солнечном коллекторе 1 дисперсная фаза теплоносителя 8 выполняет функцию поглощения солнечного излучения и преобразования ее в тепловую энергию, при этом теплоноситель 8 нагревается.
В случае равенства тепловой энергии, получаемой теплоносителем 8 в первичном контуре и расходуемой во вторичном контуре 9 системы солнечного теплоснабжения (режим теплового баланса), сепаратор 5 выполняет функцию разделения теплоносителя 8 на два потока (с максимальной и минимальной концентрациями дисперсной фазы), при этом регулирующие клапаны 6 и 7 находятся в определенном, заданном САР, положении. Таким образом, в штатной ситуации концентрация дисперсной фазы и поглощательная способность теплоносителя 8 внутри солнечного коллектора 1 не меняются, количество поглощаемой солнечной энергии и теплопроизводительность системы остаются постоянными.
При нарушении баланса, например, в случае уменьшения отбора тепла потребителем, необходимо изменение концентрации дисперсной фазы в теплоносителе в сторону ее уменьшения.
Процесс регулирования с помощью сепаратора можно проследить по представленной на фиг. 1 схеме, в частности, на примере электростатического сепаратора. На входе в сепаратор этого типа частицы дисперсной фазы сталкиваются с отрицательным электродом и приобретают соответствующий заряд. При дальнейшем движении заряженные частицы под действием электрического поля отклоняются в заданную часть сепаратора, и в результате формируются потоки теплоносителя с минимальной и максимальной концентрациями дисперсной фазы, необходимые для регулирования ее концентрации в солнечном коллекторе 1.
В случае уменьшения тепловой нагрузки во вторичном контуре 9 САР, получив сигнал датчика, свидетельствующий о незапланированном повышении температуры теплоносителя, подает команду, согласно которой автоматически изменяется положение регулирующих клапанов 6 и 7, причем именно таким образом, что увеличивается поток теплоносителя с минимальной концентрацией дисперсной фазы (осветленный) и соответственно уменьшается подача потока теплоносителя с максимальной концентрацией дисперсной фазы. В результате при смешивании потоков поглощательная способность теплоносителя уменьшается и количество передаваемой теплоты во вторичный контур снижается.
В случае увеличения тепловой нагрузки во вторичном контуре 9 регулирующие клапаны 7 и 6 по команде САР, получившей сигнал датчика температуры, соответствующим образом изменяют проходное сечение выходного патрубка, обеспечивая увеличение концентрации дисперсной составляющей теплоносителя, его поглощательной способности и количества передаваемой во вторичный контур теплоты.
После выравнивания теплопроизводительности системы и тепловой нагрузки во вторичном контуре 9 регулирующие клапаны 7 и 6 сохраняют новое положение, в системе устанавливается режим теплового баланса с другой постоянной концентрацией дисперсной фазы в теплоносителе.
Изменение теплового баланса и нагрузки во вторичном контуре 9 может быть определено входящим в состав САР датчиком температуры путем измерения отклонений температуры теплоносителя в первичном и/или вторичном контурах от ее значений в заданном диапазоне.
В случае значительной разности плотностей дисперсной фазы и жидкой среды (схема, приведенная на фиг. 2) при равенстве тепловой энергии, получаемой в первичном и расходуемой во вторичном 9 контурах системы солнечного теплоснабжения (режим теплового баланса), регулирующие клапаны 6 и 7 аналогичным образом находятся в фиксированном положении и сохраняют заданные значения проходных сечений выходных патрубков. Теплоноситель 8 нагнетается насосом 3 в отстойник 10, в котором при замедлении движения под воздействием гравитационных сил теплоноситель разделяется на два потока. В зависимости от знака разности плотностей дисперсной фазы и жидкой среды, один из потоков осветляется за счет понижения концентрации частиц, при этом во втором потоке их концентрация увеличивается. Далее потоки протекают по трубопроводам с регулирующими клапанами и выходным патрубкам с клапанами 6 и 7, управляемыми автоматически, иными словами, действующими по команде САР. Заданное положение регулирующих клапанов 6 и 7, определяющее степень открытия проходного сечения выходных патрубков, обеспечивает поступление расчетных количеств осветленного теплоносителя и теплоносителя с повышенной концентрацией дисперсной фазы через резервные емкости в единый трубопровод, где они смешиваются и образуют теплоноситель для солнечного коллектора 1 с необходимой поглощательной способностью. И в этом случае также обеспечивается баланс между теплопроизводительностью первичного контура системы и тепловой нагрузкой во вторичном контуре 9.
В случае уменьшения или увеличения тепловой нагрузки во вторичном контуре 9 по сигналу датчика температуры, который сопровождается командой САР, положение регулирующих клапанов 6 и 7 автоматически изменяется, в соответствии с чем уменьшается или увеличивается концентрация дисперсной фазы в теплоносителе до значений, характерных для наступления баланса между теплопроизводительностью первичного контура и тепловой нагрузкой во вторичном контуре 9.
В случае присутствия в теплоносителе грубодисперсной твердой фазы с заданным диапазоном размеров частиц и относительно небольшой разности плотностей жидкой среды и дисперсной фазы в предлагаемом устройстве (схема на фиг. 3) при равенстве тепловой энергии, получаемой в первичном и расходуемой во вторичном 9 контурах системы (режим теплового баланса), регулирующие клапаны 6 и 7, аналогично предшествующим случаям, находятся в заданном положении. Теплоноситель 8 нагнетается насосом 3 в фильтр 11, где разделяется на два потока. При этом первый поток теплоносителя в фильтре 11 осветляется за счет отделения от него твердой дисперсной фазы, которая остается в части фильтра перед фильтроэлементом поверхностной фильтрации по ходу его движения. Осветленный поток выходит из фильтра 11 через патрубок с регулирующим клапаном 6. Второй поток, который, проходя через эту часть фильтра, захватывает часть осевших частиц и увеличивает свою концентрацию дисперсной фазы, попадает затем в трубопровод и выходной патрубок с регулирующим клапаном 7. Пройдя через клапаны 6 и 7 с соответствующими степенями открытия проходного сечения, осветленный теплоноситель и теплоноситель с повышенной концентрацией дисперсной фазы попадают в единый трубопровод, смешиваются и образуют теплоноситель с заданной поглощательной способностью, необходимой для функционирования солнечного коллектора 1. При этом обеспечивается баланс между теплопроизводительностью первичного контура системы и тепловой нагрузкой вторичного контура 9.
В случае уменьшения или увеличения тепловой нагрузки и изменения температуры во вторичном контуре по сигналу датчика температуры формируется команда САР, согласно которой автоматически изменяются степени открытия проходных сечений выходных патрубков регулирующими клапанами 6 и 7, уменьшая или увеличивая концентрацию дисперсной фазы в теплоносителе, поглощательную способность в солнечном коллекторе 1 и теплопроизводительность первичного контура до наступления ее баланса с тепловой нагрузкой во вторичном контуре.
Таким образом, в предлагаемой системе солнечного теплоснабжения исключается возможность локального оседания агломератов в солнечном коллекторе и перегрева теплоносителя при отсутствии достаточной тепловой нагрузки. Вся масса дисперсной фазы находится во взвешенном состоянии при расчетной скорости витания находится во взвешенном состоянии, при этом частицы дисперсной фазы двигаются в составе теплоносителя по всему циркуляционному контуру. Возможность эффективного регулирования поглощательной способности солнечного коллектора согласно изменениям тепловой нагрузки в достаточно широком диапазоне путем увеличения либо уменьшения посредством регулирующего модуля концентрации дисперсной фазы в соответствии с поступающими командами САР, формируемыми по сигналу датчика температуры, обеспечивает стабильную работу системы солнечного теплоснабжения, позволяет избежать ее стагнации.