НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СОЛНЕЧНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ
Полезная модель относится к области солнечной энергетики, в частности - к солнечным жидкостным нагревателям, и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения.
Известны солнечные нагреватели с каналами для прохода жидкости (теплоносителя) в которых каналы отштампованы в теле нагревательного элемента I. В других конструкциях трубы накладываются на металлическую пластину 2. Фирма Олинбрасс выпускает нагревательный элемент типа Ролл-Бонд. Схема формирования каналов в этом нагревательном элементе намечается расположением мест точечной сварки двух металлических листов. А сами каналы образуются за счет раздутия листов после точечной сварки при повышении давления выше рабочего и сохраняются вследствие остаточной деформации материала. Известен также нагревательный элемент в солнечном нагревателе, в котором для подвода и отвода теплоносителя соответственно установлены патрубки входа и выхода 3.
Общим недостатком всех аналогов является невысокая эффективность работы солнечного нагревателя вследствие невысокой интенсивности теплообмена при данных конструкциях нагревательных элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является нагревательный элемент, содержащий нижний гидравлический коллектор, верхний гидравлический коллектор и размещенный между ними теплообменник, состоящий из плоского и профилированного листа с ребрами жесткости, образующими замкнутую рабочую полость 4. Впуск и выпуск и впуск- воды из рабочей полости осуществляется с помощью патрубков через коллекторы по принципу впуск через
трубу в большой объем, а выпуск также осуществляется через патрубок по принципу выпуск воды из большего объема через трубу.
Прототип имеет следующие недостатки, снижающие его эффективность: 1. В нагревательный элемент вода подается во входной патрубок из подводящего трубопровода по так называемой схеме выход из большого объема в трубопровод (внезапное сужение), и из входного патрубка она поступает в плоский канал (щель) теплообменника по схеме вход через трубопровод в большой объем (внезапное расширение потока). Т.е. имеют место местные сопротивления потоку, коэффициент сопротивления для которых в расчетах принимается, как правило,Ј,  1. т. е. коэффициент имеет наибольшее значение для любых местных сопротивлений.
а расчет потерь давления на местном сопротивлении производится по формуле
р (W гр - W б )
лР 4 - ----.(О
где W тр - скорость воды в трубопроводе (входном патрубке солнечного нагревателя), We- скорость воды в канале большого объема, р - плотность воды. Так
как We существенно меньше Wrp (на порядок), то практически формула (1) принимает вид
д Р   (2)
Таким образом, на указанном выше пути воды имеется четыре одинаковых по характеру и больших по величине местных сопротивления: вход воды из большого объема во входной патрубок теплообменника; выход воды из этого патрубка в щелевой канал теплообменника; выпуск воды из канала теплообменника в выходной патрубок; выпуск воды из выходного патрубка в общий выходной трубопро2.2.
р  Wip вод. Т.к. для всех четырех указанных сопротивлений   1, то по формуле (2)
суммарное падение давления на них составит:
Р  Wrpp  Wrp
дР сум.  4  Ј   4 (3)
Расчеты по (3) показывают, что потери давления составляют значительную часть всех потерь давления в гидравлическом контуре солнечной водонагревательной установки, в который включен солнечный нагреватель с нагревательным элементом. В результате таких потерь давления снижается скорость течения воды в щелевом канале нагревательного элемента солнечного нагревателя и, вследствие этого, снижается эффективность тепловой работы нагревателя из-за уменьшения коэффициента теплоотдачи от нагреваемого солнечным излучением металлического листа нагревателя к слою воды в щелевом канале при снижении скорости воды, т.к. известно, что коэффициент теплоотдачи при течении жидкости существенно зависит от скорости течения.
2. В щелевом канале нагревательного элемента формируется ламинарный режим течения, т.к. скорость течения воды в этом канале невелика, а какие-либо турбулизирующие факторы отсутствуют. По этой причине упомянутый в п.1 коэффициент теплоотдачи невысок, что также обуславливает невысокую эффективность работы солнечного нагревателфо той причине, что при ламинарном режиме течения коэффициент теплоотдачи меньше, чем при турбулентном режиме течения.
В основу полезной модели поставлена задача повышения коэффициента теплоотдачи за счет организации турбулизирующих эффектов в нагревательном элементе солнечного водонагревателя и попеременного ускорения и замедления скорости рабочей жидкости в полости теплообменника, а также поставлена задача уменьшения гидравлических сопротивлений при течении воды в нагревательном
-322
22
элементе. В результате решения этих задач увеличивается коэффициент теплоотдачи в нагревательном элементе и повышается его эффективность.
Поставленная задача решается тем, что в нагревательном элементе солнечного водонагревателя, содержащем нижний гидравлический коллектор, верхний гидравлический коллектор и размещенный между ними теплообменник, включающий соединенные между собой ребрами жесткости плоский и профилированный листы, образующие замкнутую рабочую полость, которая по рабочей жидкости каналами связана с рабочей полостью каждого коллектора, канал, связывающий каждый коллектор с рабочей полостью теплообменника выполнен в виде протяженной щели, расположенной вдоль продольной оси коллектора, причем площадь сечения этой щели со стороны каждого коллектора выполнена больше площади поперечного сечения рабочей полости теплообменника, при этом со стороны плоского листа последнего стенка каждого коллектора выполнена плоской и в одной плоскости с плоским листом, а на профилированном листе теплообменника выполнены в несколько параллельных рядов по ходу рабочей жидкости, ребра жесткости в виде сходящихся и расходящихся протяженных прерывистых желобов, образующих каналы для турбулизации потока рабочей жидкости и попеременного ускорения и замедления его скорости в направлении движения рабочей жидкости в рабочей полости теплообменника. В нагревательном элементе ребра жесткости, образующие сходящиеся и расходящиеся каналы на профилированном листе, выполнены под углом 2°-4° к оси канала, а профилированный лист в месте присоединения его к каждому коллектору выполнен отогнутым от плоского листа на угол 8°-10°. Кроме того в нагревательном элементе в каждом коллекторе, стенка, к которой прикреплен профилированный лист теплообменника, установлена под углом 40°50° к плоскому листу теплообменника.
Выполнение канала, связывающего каждый коллектор с рабочей полостью теплообменника в виде протяженной щели с площадью сечения ее большей чем площадь поперечного сечения рабочей полости теплообменника позволяет, благодаря оптимальным углам входа и выхода жидкости, снизить потерю давления, увеличить скорость воды в рабочей полости и тем самым увеличить коэффициент теплоотдачи по сравнению с прототипом, где присутствуют патрубки входа и выхода воды, дающие большое гидравлическое сопротивление.
Наличие ребер жесткости в виде сходящихся и расходящихся протяженных прерывистых желобов, образующих каналы и расположенные под углом 2°-4° к осям каналов, которые являются зоной турбулизации, позволяет увеличить вследствие этого коэффициент теплоотдачи. Кроме того, плоская часть коллекторов также является тепловоспринимающей поверхностью, что дает дополнительную мощность.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. Благодаря данной совокупности существенных признаков удалось создать нагревательный элемент с повышенным коэффициентом теплоотдачи.
Полезная модель поясняется чертежом, где: на фиг. 1 представлен общий вид нагревательного элемента солнечного водонагревателя; на фиг.2 - вид коллектора нагревательного элемента с продольной щелью; на фиг.З - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - узел Б и В на фиг.З; на фиг.З - разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.6 разрез Д-Д на фиг.1.
Нагревательный элемент солнечного водонагревателя содержит нижний гидравлический коллектор, верхний гидравлический коллектор 2, размещенный
.между ними теплообменник, содержащий плоский лист 3 и профилированный лист 4, образующие замкнутую рабочую полость, которая по рабочей жидкости каналами 5 связана с рабочей полостью коллекторов 1 и 2. Канал 5, связывающий каждый коллектор 1 и 2 с рабочей полостью теплообменника, выполнен в виде протяженной щели по всей длине каждого коллектора 1 и 2. На профилированном листе 4 выполнены ребра жесткости 6 в виде сходящихся и расходящихся протяженных прерывистых желобов, образующие каналы для рабочей жидкости в теплообменнике.
Одна стенка каждого коллектора 1 и 2 выполнена плоской, со стороны плоского листа ив одной плоскости с плоским листом 3. Другая стенка каждого коллектора 1 и 2 к которой прикреплен профилированный лист 4 теплообменника, установлена под углом 40°-50°к плоскому листу теплообменника. Ребра жесткости 6, образующие сходящиеся и расходящиеся каналы на профилированном листе 4 выполнены под углом 2°-4° к осям каналов, т.е. угол между соседними ребрами составляет 4°-8°.
Кроме того, профилированный лист 4 в месте присоединения его к каждом) коллектору выполнен отогнутым от плоского листа 3 на угол 8°-10°.
Нагревательный элемент солнечного водонагревателя выполнен модульного типа и позволяет в солнечной установке включать эти модули последовательно со многими такими же элементами, при этом все нагревательные элементы соединяются в единую конструкцию по торцам нижнего и верхнего коллекторов. Нагревательный элемент солнечного водонагревателя работает следующим образом. Через щель 5 нижнего коллектора 1 в рабочую полость нагревательного элемента поступает теплоноситель (вода). В рабочей полости теплообменника вода проходит через каналы, образованные несколькими рядами ребер и нагревается от плоского листа 3, нагреваемого солнечной радиацией. Вода в каналах движется
#№J0
с разной скоростью за счет сужающихся и расширяющихся зон и затем через щель 5 поступает в верхний коллектор 2.
Нагревательный элемент изготовлен и испытан заявителем. Такое конструктивное решение нагревательного элемента позволило увеличить коэффициент теплоотдачи, и следовательно, его тепловую эффективность, что выражается в увеличении полезной тепловой мощности солнечного нагревателя.
Источники информации
1.Танака С., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением. М.: Стройиздат, 1989, с.37.
2.Андерсен Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования). Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1982, 163 с., рис.5.5.
3.Патент РФ № 1814003 F 24 I 2/20, 1993 г.
4.Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1979. с.23-24 (прототип). Зав едзвтю цлии Ъ атеф отдежщ /Института технфВйий ДВО Р. В.И.Крон