Сонячна теплова установка для водоочисних споруд

Винахід призначений для забезпечення теплом та гарячого водопостачання житлових будинків, а також технологічних потреб очисних споруд стічної і питної води малих підприємств із використання сонячної енергії. Відома установка гарячого водопостачання, яка складається із зачорненого баку-резервуару, трубопроводу періодичної подачі води на нагрівання та трубопроводу відводу нагрітої води для споживання [1]. Недоліком установки є низький коефіцієнт використання сонячної енергії, яка нагріває воду (теплоносій) в баці-резервуарі, неможливість регулювання температури теплоносія, а також сезонне використання такого типу пристроїв, що обмежує їх застосування. Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, є відома сонячна теплова установка, яка складається із геліоприймача, що включає сонячний колектор, розташований в термоізольованому корпусі, системи трубопроводів подачі теплоносія в геліоприймач і його відводу з геліоприймача в теплоакумулюючу ємність, до якої приєднані трубопроводи, що йдуть до споживачів тепла [2] (прототип). В установці-прототипі сонячні промені потрапляють у геліоприймач, в якому розташований сонячний колектор (система трубопроводів-колекторів), де енергія сонячних променів перетворюється у теплову і нагріває теплоносій (воду) через стінки колектора із розрахунковими параметрами, звідки по трубопроводах надходить в теплоакумулюючу ємність і передається на споживання. При цьому рух теплоносія може бути природнім (за рахунок різниці питомої ваги нагрітої і холодної частини теплоносія) або вимушеним, завдяки роботі циркуляційного насосу. Недоліком установки є неможливість регулювання теплопередачі в геліоприймачі при зміні потоку променевої енергії, що призводить до необхідності використання сонячного колектору великої площі. Причиною цього є стабільність коефіцієнту тепловіддачі від стінки (нагрітого тепловими променями колектора) теплоносію, який залежить від характеру протікання теплоносія в колекторі геліоприймача. В установці-прототипі передбачений ламінарний рух теплоносія в колекторі, а тому передача йому теплоти відбувається шляхом проходження складного теплообміну, який включає передачу променевого теплового потоку стінкам сонячного колектора (системі труб), теплопровідність через стінку кожної із трубок колектора у їх внутрішній об'єм та конвективний теплообмін між внутрішньою стінкою колектора і теплоносієм. В останньому процесі кількість теплоти, що передається теплоносієві прямо залежить від площі поверхні, різниці температур поверхні і теплоносія і коефіцієнта тепловіддачі, значення якого залежить від характеру обтікання поверхні стінок теплоносієм. Тому нагрівання всього об'єму теплоносія, що знаходиться в сонячному колекторі буде більш інтенсивним при турбулентному русі рідини у порівнянні із її ламінарним протіканням, але цього неможливо досягнути за рахунок збільшення швидкості протікання, адже у цьому випадку зменшується час теплопередачі. Ця обставина змушує збільшувати площу геліоприймача із сонячним колектором. В основу винаходу поставлено задачу в сонячній тепловій установці, яка складається із геліоприймача, що включає сонячний колектор, розташований в термоізольованому корпусі, системи трубопроводів подачі теплоносія в геліоприймач і його відводу з геліоприймача в теплоакумулюючу ємність, до якої приєднані трубопроводи, що йдуть до споживачів тепла, шляхом її додаткового обладнання системою гідравлічного пульсування теплоносія, яка приєднана до сонячного колектора геліоприймача, забезпечити збільшення коефіцієнту тепловіддачі між сонячним колектором і теплоносієм. Поставлена задача досягається за рахунок того, що сонячна теплова установка, яка складається із геліоприймача, що включає сонячний колектор, розташований в термоізольованому корпусі, системи трубопроводів подачі теплоносія в геліоприймач і його відводу з геліоприймача в теплоакумулюючу ємність, до якої приєднані трубопроводи, що йдуть до споживачів тепла додатково обладнана системою гідравлічного пульсування теплоносія, яка приєднана до сонячного колектора геліоприймача. Поставлена задача може бути досягнута за рахунок того, що система гідравлічного пульсування теплоносія приєднана до трубопроводів подачі і відведення теплоносія із сонячного колектора, а підведення енергії для роботи системи гідравлічного пульсування забезпечується за допомогою вітрогенератора, яким додатково обладнана установка. За рахунок додаткового обладнання сонячної теплової установка системою гідравлічного пульсування теплоносія, яка приєднана до сонячного колектора геліоприймача досягається імпульсна турбулізація руху теплоносія в сонячному колекторі, за рахунок чого відбувається більш інтенсивне омивання стінок колектора теплоносієм, а також внутрішнє перемішування об'єму самого теплоносія. Саме за рахунок зміни режиму омивання збільшується коефіцієнт тепловіддачі від нагрітих тепловими променями стінок колектора до теплоносія. А тому кількість теплоти, що надходить до теплоносія збільшується, наслідком чого може бути збільшення продуктивності установки, або зменшення площі геліоприймача із сонячним колектором. Завдяки тому, що система гідравлічного пульсування теплоносія приєднана до трубопроводів подачі і відведення теплоносія із сонячного колектора, імпульсний рух теплоносія відбувається тільки в самому колекторі, тоді як протікання води по трубопроводах подачі теплоносія в геліоприймач і його відводу з геліоприймача проходить в ламінарному режимі. Це досягається "симетричним" приєднанням імпульсної установки до геліоприймача, за рахунок чого імпульси "локалізуються" в колекторі, а тому виключається можливість виникнення умов для гідравлічного удару в системі. Використання енергії для роботи системи гідравлічного пульсування від вітрогенератора, яким додатково обладнана установка, створює умови для повної енергетичної незалежності установки. На фіг.1 зображена схема прямоточної сонячної теплової установки. На фіг.2 наведена схема циркуляційної сонячної теплової установки. Сонячна теплова установка складається із геліоприймача, який являє собою тепло ізольований корпус 1 із сонячним колектором 2 і світловим проміжком 3 (скло, скло пакет, прозора плівка), орієнтованим в бік сонячних променів, трубопроводу подачі теплоносія в геліоприймач 4 і трубопроводу відводу теплоносія із геліоприймача 5, системи гідравлічного пульсування теплоносія 6, теплоакумулюючої ємності 7, до якої приєднаний трубопровід для споживання 8, вітрогенератора 9. Сонячна теплова установка працює таким чином. Теплоносій (вода) для нагрівання подається по трубопроводу 4 в корпус геліоприймача 1 і розводиться по сонячному колектору 2, який нагрівається тепловими сонячними променями через світловий проміжок 3. Теплота від поверхні колектора передається через його стінку теплоносію, підвищуючи його температуру, при цьому режим протікання теплоносія періодично міняється з ламінарного на турбулентний за рахунок роботи системи гідравлічного пульсування теплоносія 6, а з геліоприймача по тепло ізольованому трубопроводу 5 потрапляє в теплоакумулюючу ємність 7, до якої приєднаний трубопровід 8 для відводу теплоносія на споживання. Енергія для роботи системи гідравлічного пульсування теплоносія 6 може надходити від вітрогенератора 9. Відмінності запропонованого технічного рішення від існуючих конструкцій сонячних теплових установок полягають у тому, що додаткове забезпечення пристрою системою гідравлічного пульсування теплоносія дозволяють якісно впливати на процес теплообміну за рахунок імпульсної зміни режиму протікання теплоносія крізь сонячний тепло сприймаючий колектор. Саме цим досягається збільшення тепловіддачі теплоносію від стінок колектора, адже збільшується коефіцієнт конвективної тепловіддачі від стінок теплоносію [3], а також відбувається перемішування самого теплоносія. В результаті можна отримати збільшення продуктивності сонячних теплових установок без збільшення площі світлових проміжків геліоколектора. Тому пристрої сонячних теплових установок можуть стати більш компактними, а високий коефіцієнт корисної дії (теплопередачі) робить їх більш незалежними від зміни теплового світлового потоку, а тому можуть використовуватись більш тривалий період. Важливо й те, що запропоноване технічне рішення може бути використано для модернізації вже існуючих сонячних теплових установок, при цьому їх реконструкція не вимагатиме значних витрат, а впровадження суттєво покращить експлуатаційні параметри. Економічний ефект від впровадження установки площею геліоприймача 100м 2 може складати в рік суму, яка відповідає вартості 10 тон умовного палива (вугілля тощо). Актуальним є використання сонячної теплової установки для очисних споруд стічної води (анаеробні біореактори) в віддалених районах, наприклад, на базах відпочинку, лісових будиночках на Поліссі, Криму, в Карпатах тощо. Використана інформація: 1.Барон В.Г. Вибір сучасних теплообмінних апаратів (бойлерів, підігрівачів, охолоджувачів та інш.) // Ринок інсталяцій, - 1999. - №2. 2. Щербина О. Енергія для всіх. – Ужгород / Видавництво Валерія Подяка. 2000 p. 3. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. - М. С тройиздат, 1981г.