Теплоносій для сонячного колектора

Реферат: Теплоносій для сонячного колектора містить суспензію часток в рідині. Частки вкриті шаром поглинача сонячного випромінення та/або містять його в своїй масі. Частки мають сферичну форму із діаметром 0,2-2 мм. Частки виконані з пластику, що має високий коефіцієнт лінійного теплового розширення і питому вагу, яка дорівнює питомій вазі рідини при 20 °С. До рідини додано до 0,02 % карболанцюгових полімерів. Забезпечується підвищення теплодинамічних параметрів сонячного колектора. UA 100764 C2 (12) UA 100764 C2 UA 100764 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до геліоенергетичних пристроїв з природною або примусовою циркуляцією теплоносія і може бути використаний в різних областях господарської діяльності для нагріву води або проміжного теплоносія. Відомий сонячний колектор з рідинним адсорбером, що містить теплоносій, який одночасно з 90-95 % поглинання в діапазоні 350-2500 нм може бути виконаний для забезпечення вибіркової прозорості в діапазонах 400-500 нм, 500-600 та 600-700 нм. Теплоносій в основі має воду, хлорид магнію, хлорид літію, диметилсульфоксид або воду, пропіленгліколь, диметилсульфоксид, які забезпечують інтервал між температурами його кипіння та замерзання від -50 °С до +12 °С, в'язкість 1,5-2 мПа (при 20°С), а також світло-поглинаючі та фотостабілізуючі домішки - оксипохідні бензофенону, нігрозини та металоорганічні барвники (патент України на корисну модель № 55862 МПК F24J 2/00, F24J 2/24,опубл. 27.12.2010). Проте вказаний склад має низьку рухомість при утворенні термічних струменів в теплоносії, що забезпечують теплообмін при поглинанні сонячної енергії, переміщення теплоносія в теплопоглинальній панелі та подальшу його передачу із колектора користувачу. Ознаками, що збігаються з пропонованим рішенням, є: - світлопоглинаючі та фотостабілізуючі домішки; Відомий колектор сонячної енергії, що містить поглинач сонячної енергії, який виконаний у вигляді суспензії часток у теплоносії або у вигляді суспензії сажі у теплоносії, або у вигляді розчинених у теплоносії речовин чи барвника (Деклараційний патент України № 44471 А, 15.02.2002). Ознаками, що збігаються з пропонованим рішенням, є: - суспензії часток у теплоносії. Проте вказаний склад має низьку рухомість при утворенні термічних струменів в теплоносії, що забезпечують теплообмін при поглинанні сонячної енергії, переміщення теплоносія в теплопоглинальної панелі та подальшу його передачу із колектора користувачу. В основу винаходу поставлено задачу в теплоносії для сонячного колектора шляхом використання фізичних властивостей інгредієнтів теплоносія підвищити теплодинамічні параметри сонячного колектора, а саме збільшити швидкість руху теплоносія по каналах теплопоглинальної панелі, зменшити гідравлічний опір руху теплоносія в каналах теплопоглинальної панелі, зменшити теплові втрати на передачі теплової енергії від теплопоглинальних речовин до теплоносія та до накопичувальних об'ємів сонячного колектора. Вказаний технічний результат досягається тим, що в теплоносії для сонячного колектора, який містить суспензію часток в рідині, частки вкриті шаром поглинача сонячного випромінення та/або містять його в своїй масі, мають сферичну форму із діаметром 0,2-2 мм і виконані з пластику, що має високий коефіцієнт лінійного теплового розширення і питому вагу, яка дорівнює питомої вазі рідини при 20°С, при цьому до рідини додано до 0,02% карболанцюгових полімерів, наприклад поліетиленоксида. Як варіант, рідина містить домішки, що утворюють лужне середовище. Суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, є: - частки вкриті шаром поглинача сонячного випромінення та/або містять його всередині; - наявність в складі теплоносія до 0,02 % карболанцюгових полімерів, наприклад поліетиленоксида; - сферична форма часток із діаметром 0,2-2 мм; - виконання часток з пластику, що має високий коефіцієнт лінійного теплового розширення і питому вагу, яка дорівнює питомої вазі рідини при 20°С. Причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками винаходу і технічним результатом полягає в наступному. Суспензія часток в рідині утворює фазову межу розділу поверхонь типа "тверде тіло-рідина", при цьому суспензія часток є дисперсною фазою, а рідина - дисперсійним середовищем. Фізичні ефекти на такому кордоні визначаються силами поверхневого натягнення, властивостями реології дисперсійного середовища, діелектричними властивостями дисперсної фази, а також їх залежностями від температури. (Электрические явления в дисперсных системах. Метод. указания к лабораторным работам №2, 3"адсорбционные явления" / Быкадоров Н.У., Кейбал Н.А.. – Волгоград: ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2007. - 31 с.). Ці властивості можуть бути модифіковані різними домішками речовин, розчинних в дисперсійному середовищі, у тому числі для досягнення синергетичного ефекту. (Ступин А.Б., Асланов П.В и др. Применение гидродинамически активных добавок полимеров и поверхностно-активных веществ в энергосберегающих технологиях // Прикладна гідромеханіка. - 2001. Т. 3 (75), № 1. - С. 74-81). 1 UA 100764 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Першочерговим завданням підвищення теплодинамічної ефективності роботи сонячного колектора є зменшення гідравлічних втрат при русі теплоносія по канапах теплопоглинальної панелі, що веде до збільшення швидкості руху теплоносія і інтенсивності теплообмінних процесів. Для цього необхідна зміна фізичних властивостей дисперсійного середовища, що досягається: - введенням в примежовий шар розчинів полімерів - поліетиленоксидів, поліакриламідів та 6 ін., що відрізняються великою відносною молекулярною масою (до 6·10 ) і малою пайовою -6 -6 концентрацією по масі (порядка (5·10 -10·10 кг/кг). Ці речовини з молекулами у вигляді довгих ланцюгів сприяють частковому гасінню турбулентності в пристінній області шару (зниження опору тертя на 60-80 %); - використання поверхнево-активних речовин (натрієвого і алюмінієвого мила з пайовою -2 -3 концентрацією по масі порядку 10 -10 кг/кг), що впливають на сили поверхневого натягнення і змінюють молекулярну структуру потоку (зниження опору тертя на 30-60 %) (Хабахпашева Е.М., Перепелица Б.В. Об особенностях пристенной турбулентности в потоках воды с высокомолекулярными добавками // Инженерно-физический журнал, - 1970, Т. 18, № 6. При цьому також стабілізується в'язкість дисперсійного середовища. На прикладі води, як найбільш поширеного компонента дисперсійного середовища, відомо, що її в'язкість має значну залежність від температури і зменшується з її зростанням (майже в 4 3 рази в діапазоні 20-100 °С). Одночасно змінюється і густина води р (т=20 °С р=998,2 кг/м , 3 т=100°С р=958,4 кг/м ) (www.080de.ru). Зменшення в'язкості і густини веде до турбулізації потоків рідини і, як наслідок, до підвищення гідравлічного опору її руху. Проте впорядкування (ламінірізації) руху дисперсійного середовища можна досягти також через впорядковування руху дисперсної фази, що, зокрема, має місце при русі крові в дрібних судинах живих організмів. Для цього дисперсна фаза повинна мати властивості, що корелюють з властивостями дисперсного середовища. Такою властивістю є густина матеріалу дисперсної фази. Вона також повинна змінюватися зі зміною температури, але більшою мірою, ніж зміна густини дисперсійного середовища. Відомо, що пластики мають високий коефіцієнт теплового -6 розширення (до (200-300)*10 1/градус). Найбільш відповідними для цих цілей є пластичні маси, наприклад поліетилен, поліпропілен, з яких пропонується виготовляти дисперсну фазу, а для установки питомої ваги дисперсійної фази при 20 °С використовувати наповнювач, який може також включати селективний поглинач сонячного випромінювання. Наприклад, селективний поглинач (Al-N-Al, Al-Cu-N-SS-Cu) має високу поглинальну здатність (більше 97%) у всьому спектрі частот сонячного випромінювання (www.sunlit.org.ua/sun-water/solar-vak). Він же може додатково наноситися на поверхню часток дисперсної фази. Покриття часток дисперсної фази поглиначем веде до перенесення зони інтенсивного теплообміну безпосередньо в дисперсійне середовище Випереджаюча зміна густини дисперсної фази відносно до густини дисперсійного середовища має наслідком "спливання", тобто відносний прискорений рух дисперсної фази в дисперсійному середовищі. Це призводить до швидшої передачі отриманої теплової енергії в накопичувальні об'єми сонячного колектора, до підвищення його теплодинамічних характеристик. Одночасно із зростанням інтенсивності накопичення тепла зменшуються і теплові втрати на його розсіювання при транспортуванні по каналах теплопоглинальної панелі або допоміжних трубопроводах. В сукупності з присутністю гідродинамічно активних домішок полімерів і поверхневоактивних речовин здатність дисперсної фази до відносного руху в дисперсійному середовищі за рахунок відмінності в їх густини наводить до "поршневого ефекту", тобто до залучення в тепло- і масоперенос деякого додаткового об'єму дисперсійного середовища і інтенсифікації теплообмінних процесів в теплопоглинальній панелі і сонячному колекторі в цілому. Сферична форма часток у присутності гідродинамічно активних добавок полімерів і поверхнево-активних речовин також наводить до формування ламінарних конгломератів в дисперсній фазі - крупніших об'ємних об'єднань часток дисперсної фази ("коконів"), що утримують охоплені ними об'єми дисперсійного середовища і що рухаються в ній під дією сили виштовхування за рахунок різниці густини. Пропонований теплоносій для сонячного колектора складається з дисперсійного середовища і дисперсної фази. Дисперсійне середовище як основний компонент містить, наприклад, воду. Властивості реології дисперсійного середовища визначаються домішками, наприклад хлориду натрію, полімерів і поверхнево-активних речовин. Домішка хлориду натрію або родинної йому по розчинності солі використовується для корекції густини дисперсійного середовища в цілях її вирівнювання з густиною дисперсної фази в конкретних експлуатаційних умовах, як до початку, так і в ході використання теплоносія. Домішка карболанцюгових 2 UA 100764 C2 5 10 15 полімерів, наприклад поліетиленоксиду, здійснюється в кількості до 0,02 % за об'ємом дисперсійного середовища. Дисперсна фаза формується сферичними частками діаметром 0,22 мм, які виконані з пластику, наприклад поліпропілену, за способом, наприклад, патенту Росії № 2093865, опубл. 20.10.1997, або способом екструзії. У поліпропілен заздалегідь вводять поглинач сонячного випромінювання на основі (Al-N-Al, Al-Cu-N-SS-Cu). Домішку поглинача сонячного випромінювання вводять в кількості, необхідній для досягнення пластиком густини 3 р=998,2 кг/м при т=20°С, що складає 1-2 % в об'ємній долі. При більшій потребі поглинача доцільно заміщати необхідний додатковий об'єм іншими наповнювачами, наприклад керамічними. Перевага способу по патенту № 2093865 полягає в можливості виготовлення порожнистих кульок, що, окрім прямої економії матеріалу, може дати можливість використовувати ширший спектр пластиків, аж до аналогів фторопластів. Корекція гідравлічних властивостей дисперсійного середовища після проведення випробувань може бути здійснена за допомогою домішок натрієвого і алюмінієвого мила з пайовою концентрацією по масі порядка -2 -3 10 -10 кг/кг. Як варіант, вказана добавка може бути застосована самостійно. Всі описані вище маніпуляції можуть бути проведені і з дисперсійними середовищами на базі антифризів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Теплоносій для сонячного колектора, що містить суспензію часток в рідині, який відрізняється тим, що частки вкриті шаром поглинача сонячного випромінення та/або містять його в своїй масі, мають сферичну форму із діаметром 0,2-2 мм і виконані з пластику, що має високий коефіцієнт лінійного теплового розширення і питому вагу, яка дорівнює питомій вазі рідини при 20 °С, при цьому до рідини додано до 0,02 % карболанцюгових полімерів, наприклад поліетиленоксиду. 2. Теплоносій за п. 1, який відрізняється тим, що рідина містить домішки, що утворюють лужне середовище. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3