АБСОРБЕР СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Полезная модель относится к гелиотехнике и может быть использована в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения, использующих плоские солнечные коллекторы, а именно, полезная модель относится к конструкции элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорберу солнечного коллектора).
Плоские солнечные коллекторы используются для нагрева воды для бытовых нужд, подогрева воды в бассейне или поддержания низкотемпературного отопления в доме. При благоприятных условиях коллекторы позволяют использовать солнечную энергию даже осенью и зимой.
Некоторые модели плоских солнечных коллекторов могут встраиваться в крышу дома, создавая единую конструкцию с кровельным покрытием.
В настоящее время из уровня техники известны различные виды конструкций абсорберов, используемых в солнечных коллекторах.
Так, из описания к патенту РФ №95809 (опубликован 10.07.2010) известен теплообменник, который включает абсорбер с пластинообразной поглощающей поверхностью, образованный герметично скрепленными между собой тыльной поверхностью абсорбера и ограждающими элементами, два средства ввода-вывода теплоносителя в полость, образованную между абсорбером и ограждающими внутреннюю полость элементами, причем одна из поверхностей, ограждающих внутреннюю полость элементов, обладает свойством повышенного поглощения солнечной энергии, а ограждающие элементы снабжены поперечными скреплениями.
Кроме этого, из патента РФ №2197687 (опубликован 27.01.2003) солнечный абсорбер, который содержит не менее одной жидкостной трубы, оба конца которой соединены с коллекторными трубами, по крайней мере одну теплоприемную панель и одну дополнительную панель, перекрывающую зазор между коллекторной трубой и торцом панели.
Недостатком данного абсорбера являются снижение КПД за счет теплопередачи металл-металл-теплоноситель (от металлической поверхности абсорбера металлическим трубам и от металлических труб теплоносителю), повышенная материалоемкость конструкции, малый, вмещаемый в абсорбер, объем теплоносителя (1,5-2,4 л).
Кроме этого, при высоких температурах из-за низкой скорости теплообмена возможна термическая блокировка циркуляции теплоносителя, что также приводит к снижению КПД абсорбера.
Наиболее близким аналогом к проверяемому решению является абсорбер солнечного коллектора, известный из заявки США №2010/0147289 (опубликована 17.06.2010), который содержит две скрепленные алюминиевые пластины с образованием между ними полости для циркуляции воды, по меньшей мере, один входной патрубок и один выходной патрубок для теплоносителя (воды).
Недостатками известного абсорбера является низкая скорость нагрева в зимний период времени, за счет большого объема теплоносителя находящегося в абсорбере, а, следовательно, понижение КПД нагрева, а также неравномерность нагрева.
В известных абсорберах солнечных коллекторов тепло переходит от металла абсорбера к металлу трубки и только после этого к теплоносителю и при этом по одной линии контакта трубки с абсорбером. При такой теплопередаче много тепла рассеивается в атмосферу и КПД, соответсвенно, понижается.
Техническим результатом патентуемого абсорбера является исключение термической блокировки абсорбера при высоких рабочих температурах, выше 100°C, увеличение объема циркулирующего теплоносителя, обеспечение плавного нагрева теплоносителя, что приведет к стабильности КПД, бесперебойность работы абсорбера, а следовательно, повышение КПД.
Патентуемая конструкция, по сравнению с конструкцией вакуумных коллекторов, позволяет добиться высоких эксплуатационных качеств за счет защищенности от внешних воздействий (атмосферные осадки, перепады температур). Как показывает практика, выпавшие осадки (град и снег) часто приводят к поломке вакуумных трубок.
Исключение вакуума в патентуемой конструкции приведет к упрощению сервисного обслуживания и повышению КПД, поскольку нет необходимости периодически проверять их на вакуум и проверять плотность прилегания трубок к корпусу.
Кроме этого, защитное стекло коллектора имеет самоочищающееся покрытие, что позволит не очищать стекло от пыли и грязи.
Как показали испытания, скорость отвода тепла от абсорбера патентуемой конструкции выше на 15-25% по сравнению с конструкцией плоского абсорбера.
Заявленный технический результат достигается за счет патентуемой конструкции абсорбера солнечного коллектора, выполненного в виде соединенных друг с другом верхнего и нижнего листов и содержит, по меньшей мере, один патрубок для подвода теплоносителя, соединенный с желобом для подвода теплоносителя и, по меньшей мере, один патрубок для отвода теплоносителя, соединенный с желобом для отвода теплоносителя, при этом нижний лист выполнен в виде плоской пластины с выполненными на ее двух противоположных концах отверстиями, под которыми с одного конца расположен желоб для подвода теплоносителя, а с другого - желоб для отвода теплоносителя, верхний лист выполнен гофрированным, каждая гофра которого образует канал для прохода теплоносителя.
В предложенной конструкции абсорбера нагрев теплоносителя происходит равномерно, так как абсорбер коллектора полностью попадает под солнечные лучи, при этом скорость нагрева одинаковая, так как солнечное тепло переходит от металла к жидкости, даже при условии большого объема теплоносителя в абсорбере.
Абсорбер соединяется через патрубок отвода теплоносителя с баком-накопителем, содержащим теплообменник.
За счет непосредственной передачи солнечного тепла от металлического верхнего листа к циркулирующей в каналах абсорбера жидкости и за счет ее большего объема, по отношению к другим плоским солнечным коллекторам, исключается термическая блокировка коллектора при высоких рабочих температурах.
Термическая блокировка в абсорбере известной конструкции, состоящего из листа и закрепленных на нем трубок (с объемом теплоносителя в трубках абсорбера 1,5-1,7 литров) происходит из-за того, что абсорбер нагревается быстрее, чем происходит теплообмен в теплообменнике бака-накопителя, даже при максимальных оборотах циркуляционного насоса. При высокой атмосферной температуре в южных регионах это может привести к термической блокировке циркуляционной жидкости. Циркуляционная жидкость-антифриз может нагреться до 160°С.Температура кипения антифриза 125°C.
Абсорбер патентуемой конструкции, изготовленный из двух скрепленных между собой листов алюминия, один из которых выполнен гофрированным и имеющем каналы для циркуляции теплоносителя в объеме 4,2-5,0 литров, нагревается медленнее, чем происходит теплообмен в теплообменнике бака-накопителя, и поэтому термическая блокировка жидкости теплоносителя практически исключается, за счет этого КПД нагрева стабильно.
Дополнительное оборудование абсорбера термодатчиком, соединенным с электронным блоком управления, связанным с циркуляционным насосом и выполненным с возможностью его управления, позволит регулировать, скорость циркуляции насоса через электронный блок управления, оптимальный процесс теплообмена.
При нагреве абсорбера солнечного коллектора выше температуры воды в баке-накопителе (нагретую воду из бака-накопителя можно использовать для бытовых нужд), термодатчик, представляющий из себя термопару, закрепленный на одном из коллекторов, подает команду на электронный блок управления системой нагрева воды, о включении циркуляционного насоса. Интенсивность работы насоса зависит от степени нагрева абсорбера коллектора. Процесс контролируется термодатчиком и электронным блоком управления. Когда включается в работу циркуляционный насос, начинается циркуляция теплоносителя по системе и происходит теплообмен через змеевик в баке накопителе (бойлере).
Количество коллекторов и объем бака накопителя рассчитывается таким образом, чтобы за световой летний солнечный день можно было нагреть воду примерно до 65-70°C, при этом учитывается среднесуточное потребление горячей воды.
Таким образом, теплоносиситель в абсорбере за счет большего объема, по отношению к другим коллекторам, не успевает нагреться до температуры 125°C (температура кипения теплоносителя) даже в режиме стагнации, который наступает, когда вода в баке-накопителе нагрета до заданной температуры и циркуляция теплоносителя при этом прекращается. Если нет суточного водоразбора (к примеру уехали летом в отпуск, а система работает) в электронном блоке может быть предусмотрена функция ночного охлаждения воды в баке накопителе через коллекторы, то есть система ночью будет работать в обратную сторону. Происходит частичное охлаждение нагретой воды в баке накопителе через коллекторы, а тепло от коллекторов рассеивается в атмосферу.
2
За счет выполнения каналов в виде гофр верхнего листа приводит к возможности увеличения объема теплоносителя в абсорбере. При сохранении его размеров, площади абсорбера 2 м в нем может помещаться 4,8-5 л теплоносителя.
Увеличение объема теплоносителя и непосредственный переход солнечного тепла от металла абсорбера к жидкости теплоносителя приведет, в свою очередь, к плавности нагрева.
Плавность нагрева происходит за счет непосредственного перехода солнечного тепла от металла абсорбера к жидкости теплоносителя и за счет объема теплоносителя в количестве 4,8-5 литров.
2
Кроме этого, за счет выполнения каналов, в которых теплоноситель будет равномерно нагреваться, увеличивается удельный энергосъем с 1 м абсорбера в 2-3 раза по сравнению с другими плоскими солнечными коллекторами.
Как показали проведенные исследования, для эффективной работы патентуемого абсорбера, количество каналов предпочтительно должно быть выбрано равным от 38 до 40.
Поперечное сечение гофр верхнего листа может быть выполнено в виде равнобедренных треугольников. Это позволит обеспечить пространственную жесткость абсорбера и понизить обратное отражение солнечных лучей от поверхности абсорбера.
При этом верхний лист может быть соединен с нижним посредством роликовой или контактной сварки.
Диаметр отверстий, выполненных в нижнем листе составляет 15 мм.
Выбор такого диаметра обусловлен одинаковой площадью с поперечным сечением каналов в виде равнобедренных треугольников, верхнего гофрированного листа абсорбера для равномерной циркуляции теплоносителя.
Желоба расположены перпендикулярно относительно направления гофр верхнего листа и сообщены с каналами посредством отверстий, выполненный на концах нижнего листа.
В частности, верхний и нижний листы могут быть выполнены из алюминиевого сплава.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
На фигуре 1 - общий вид двух параллельно расположенных абсорберов солнечного коллектора;
На фигуре 2 - вид А-А фигуры 1.
Каждый из абсорберов состоит из верхнего гофрированного листа 1, нижнего листа 2 в виде пластины, на двух противоположных концах которых выполнены отверстия 3 для подвода теплоносителя и 4 - для отвода теплоносителя. Гофры верхнего листа 1 и поверхность нижнего листа 2 образуют каналы 5. Под отверстиями 3 нижнего листа 2, расположенными на одном конце, закреплен желоб 6 для подвода теплоносителя, а под отверстиями 4, расположенными на противоположном конце листа, закреплен желоб 7 для отвода нагретого теплоносителя. Желоб 6 соединен с патрубком 8 для подвода теплоносителя, а желоб 7, соответственно, - с патрубком 9 для отвода теплоносителя. Между патрубками 8, 9 и желобами 6, 7 может стоять заглушка 10, предназначенная для отключения абсорбера.
Абсорбер вставляется в корпус солнечного коллектора (не показан), который может быть выполнен любой известной конструкции из любого подходящего материала.
Обычно корпус изготавливают из алюминиевых профилей, далее закрепляют днище, которое обычно изготавливают из листового алюминия. На днище укладывают утеплитель (например, минеральную вату), размещают абсорбер, который после монтажа опирается вершинами гофр на боковые планки корпуса коллектора. Сверху корпус коллектора закрывают градостойким закаленным стеклом толщиной 4 мм. Стекло монтируется на герметик. Абсорбер изготавливается из алюминиевых листов, которые свариваются между собой роликовой и/или аргонной сваркой. Нижний лист - ровный (прокат) с отверстиями по 15 мм в двух противоположных концах. При этом количество отверстий предпочтительно должно соответствовать количеств гофр (каналов) верхнего листа. Поперечное сечение гофры может представлять равнобедренный треугольник с основанием 20 мм и высотой 5 мм, шаг между гофрами составляет 5 мм. Верхний лист накладывается на нижний и проваривается роликовой сваркой. На нижний лист абсорбера, со стороны отверстий, приваривается магистральные желобы, так же роликовой сваркой. В торцы желобов аргонной сваркой, ввариваются алюминиевые патрубки для последующего магистрального соединения коллекторов между собой и подсоединения магистральных трубопроводов.
В качестве теплоносителя возможно использовать любой известный теплоноситель, в частности, воду питьевую, воду дистиллированную, воду для хозяйственно-питьевого обеспечения судов или низкозамерзающие жидкости ОЖ-65, ОЖ-40 с содержанием взвешенных веществ не более 5 мг/л.
Абсорбер работает следующим образом.
Теплоноситель входит в патрубок 8 для подвода теплоносителя, проходит по желобу 6 и распределяется по каналам 5, нагревается солнечной энергией, поступающей через стекло солнечного коллектора и нагревающей верхний гофрированный лист 1, затем через патрубок отвода 4 отводится нагретый теплоноситель, который может затем применяться как в термосифонных системах с естественной циркуляцией теплоносителя первого (коллекторного) контура, так и в системах с принудительной (насосной) циркуляцией теплоносителя
Далее работа абсорбера солнечного коллектора рассмотрена на примере одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения.
Абсорбер солнечного коллектора, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполняются холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) солнечного коллектора нагревает воду в каналах абсорбера. При нагреве плотность воды уменьшается и нагретая вода начинает перемещаться в верхнюю точку абсорбера и далее через патрубок для отвода - в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю часть бака, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т.е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу через патрубок для подвода теплоносителя поступает в нижнюю часть абсорбера солнечного коллектора. Таким образом, при наличии достаточной солнечной радиации, в коллекторном контуре устанавливается постоянная циркуляция, скорость и интенсивность которой зависят от плотности потока солнечного излучения. Постепенно, в течение светового дня, происходит полный прогрев всего бака, при этом отбор воды для использования должен производиться из наиболее горячих слоев воды, располагающихся в верхней части бака. Обычно это делается подачей холодной воды в бак снизу под давлением, которая вытесняет нагретую воду из бака.
Патентуемый абсорбер солнечного коллектора предназначен для эффективного обеспечения зданий и сооружений горячим водоснабжением и отоплением, а также может использоваться для подогрева воды в бассейнах. Кроме этого солнечный коллектор с патентуемым абсорбером возможно будет использовать в комплексе с тепловыми насосами.