Сонячний плоский морозотривкий колектор

Винахід відноситься до геліотехніки, а саме, до сонячних колекторів, призначеним для нагрівання теплоносія. Відомий сонячний плоский колектор, у якому приймач випромінювання виконаний у виді штампозварочного радіатора (Харченко Н.В. «Індивідуальні сонячні установки», М, Енергоатоміздат, 1991) До недоліку даного пристрою відноситься великий об'єм внутрішні х каналів для теплоносія. У цьому випадку при зниженні температури теплоносія - води нижче 0°С, штампозварочний приймач має значні руйнування. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого прибудую й обраним як прототип, є сонячний плоский колектор, що включає приймач випромінювання у вигляді листотрубних пластин із круглими трубами. (Р.Р.Авезов і ін. «Оптимізація ширини поглинаючої пластини листотрубного теплоприймача сонячних водонагрівачів», журнал «Геліотехніка» №3, 1987, С.51-53). Обсяг внутрішньої порожнини трубоприймача в даному випадку невеликий і цілком заповнений теплоносієм - водою. При температурі навколишнього середовища від 0°С и нижче, вода замерзає і її об'єм збільшується на 9% (загальновідомий факт, наприклад, Богородський В.В., Гаврилов В.П. Лід. Фізичні властивості., Сучасні методи гляціології, Л. Гідрометіоіздат,1980). При цьому об'єм внутрішньої порожнини круглої труби збільшитися не може, тому лід, що замерзає в ній, поширюючись, руйнує її. Для запобігання руйнування круглих тр уб приймача випромінювання при низьких температурах навколишнього середовища, застосовуються дорогі двоконтурні системи теплопостачання з використанням дорогій і небезпечних при експлуатації незамерзаючих теплоносіїв. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого прибудую і обраним як прототип є “Сонячний фокусуючий морозотривкий колектор” по патенті України №41762А, що містить корпус зі світопрозорим покриттям, паралельно розташовані в ньому приймачі випромінювання виконані у вигляді листотр убних пластин, розміщених у порожнині відбивача таким чином, що їх площини симетрії збігаються з головною оптичною площиною відбивача, при цьому радіус відбивача дорівнює ширині приймача, а канал приймача випромінювання виконаний у вигляді ромба з гострим кутом, не перевищує 67°, із меншою діагональною площиною, що збігається з площиною симетрії пластин приймача, колекторний трубопровід виконаний у вигляді еліпса з площиною, що не перевищує 0,917 площини кола, яка має довжину окружності, рівну довжині контурної лінії еліпса. Недоліком даного прототипові є його матеріалоємність за рахунок великої товщини корпусові колектора, яка обумовлена вертикальним розташуванням пластини теплоприймача. В основу даного винаходу поставлена задача збільшення теплової ефективності роботи сонячного колектора, заповненого водою, без його руйнування при низьких температурах навколишнього середовища за рахунок зміни конструктивних форм каналу приймача випромінювання і колекторного трубопроводу, та забезпечення зниження матеріалоємності колектору при незмінній ефективності снцепоглинання за рахунок зміни конструкції поверхні теплоносія і зміни розташування теплосприйнятих пластин. Поставлена задача досягається тим, що сонячний плоский морозотривкий колектор, що містить корпус зі світопрозорим покриттям, паралельно розташовані в ньому приймачі випромінювання, виконані у виді листотрубних пластин, що розміщені в одній площині, мають канал для води приймача випромінювання з поперечним перерізом у вигляді ромба з гострим внутрішнім кутом, що не перевищує 67 градусів і з великою діагональною площиною, що збігається з площиною симетрії пластин приймача, колекторний трубопровід виконаний у вигляді еліпса з площею, що не перевищує 0,917 площі кругу, що має довжину кола рівну довжині контурної лінії еліпса, верхня робоча сторона пластини приймача випромінювання виконана з розвитою площею поверхні, що має квазісинусоїдальний профіль, а нижня сторона теплосприйнятих пластин виконана плоскою та гладкою. Геометричні розміри приймача випромінювання визначені наступним співвідношенням: m é1 ù = pê (Dн ×Dв - dн ×dв ) + ( W - Dн )D 0 ú x 1 2 F ë û é 1 U U ù xê + 1 + 1 ú Dн + (W - Dн ) × F Cв 4аa û ë де: Dн - овнішня велика діагональ ромба каналу приймача, м, Dв - вн утрішня велика діагональ ромба каналу приймача, м, dн - зовнішня менша діагональ ромба каналу приймача, м, dв - вн утрішня менша діагональ ромба каналу приймача, м, а - вн утрішня сторона ромба каналу приймача, м, W - ширина приймача, м, D0 - товщина листа приймача, м, l - коефіцієнт тепловіддачі від стінки каналу до рідини, Вт / м 2 °С m1 - питома маса приймача, кг/м F1 - ефективність колектора, r - щільність матеріалу приймача, кг/м 3, F - ефективність приймача, визначається вираженням: F= U1 æ W -D H thz z=ç , ç 2 è z де ö U1 ÷x ÷ D ×l ø 0 - загальний коефіцієнт теплових втрат, Ут / м2 °С Cв - теплова провідність з‘єднання листа з трубою, обумовлена вираженням: lL Cв = D0 Ут / м2 °С L - довжина з'єднання листа з трубою, м; l - коефіцієнт теплопровідності матеріалу листа приймача, Ут / м2 °С ; З метою зниження рівня непродуктивного теплового випромінювання, тобто радіаційних втрат нижня (тильна) сторона теплосприйнятих пластин виконуються плоскою та гладкою (слабополірованою), без нанесення теплопоглинального покриття, з коефіцієнтом випромінювання e 0,09 Vввод де: V - об‘єм каналу для води приймача випромінювання, м 3. З формули (2) випливає гранична умова не руйнування ромбовидного каналу: квадрат ромб S -S льод вода > 0,09 (3) ромб S вода S - площа перетину каналу приймача випромінювання, м 2. Формулі (3) відповідає де: наступна додаткова умова: Sкварат = Sм акс.ромба (4) при рівності один одному периметрів квадрата і ромба. У цьому випадку ромбовидний канал при збільшенні внутрішнього об‘єму і дотриманні умови (3), зазнає пружну деформацію зрушення, не руйнуючись. З формули (3) випливає, що ромб квадрат S < 0,917S (4) вода льод Відомо, що 2 (5) Sромба = а sin a 2 (6) Sквадрата = а де: a - гострий вн утрішній кут ромба а - сторона ромба. Підставляємо (5) і (6), одержуємо: sin a < 0,917 (7) або a 0,09 (8) V в ода де: V - об'єм каналу еліпсоїдного колекторного трубопроводу, м 3 З формули (8) випливає гранична умова не руйнування ромбовидного каналу: еліпс S кру г - Sв ода лід еліпс Sв ода > 0,09 (9) де: S - площа поперечного переріза каналу колективного трубопроводу, м. Формулі (9) відповідає наступна додаткова умова: (10) Sкру га = Sмакс .еліпса При рівності один одному довжини окружності довжині контурної лінії еліпса, тому що стінки трубопроводу при зміні внутрішнього об'єм зазнають пружну деформацію зрушення, не руйнуючи. З формули (9) випливає, що еліпсу Sв од кру га < 0,917 S лід (11) При невиконанні умови (11) відбувається руйнування еліпсоїдного колекторного трубопроводу в процесі замерзання в ньому води. Приклад: Колекторний трубопровід має поперечний переріз у виді кола: S еліпсу = 1Sкру га тобто не виконується умова (11) У даному випадку колекторний круглий трубопровід у перетині має геометричну фігур у, що характеризується максимальною площею при постійній довжині кола. Отже, при низькій температурі навколишнього середовища стінки трубопроводу руйнуються під впливом зростаючого об'єму замерзаючої води, тому що при цьому об'єм трубопроводу збільшитися не може. Приклад: Проводили лабораторні випробовування по визначенню стійкості до руйнування еліпсоїдного колекторного трубопроводу при замерзанні в ньому води в діапазоні температур від 0°С до мінус - 25°С на іспитовому стенді. На фігурі 6 зображено поперечний переріз дюралюмінієвого колекторного трубопроводу. При температурі теплоносія - води вище 0°С поперечний переріз недеформованого трубопроводу у вигляді еліпса АВСД має наступні розраховані оптимальні геометричні розміри: ВД = 28,6 мм , АС = 14 мм , S АВСД = 314 мм2 (умова (11) виконується, тому що величина 0,917 S кру га = 330 мм 2 ) При низьких температурах від 0°С до мінус - 25°С, вода замерзає і її об'єм збільшується на 9%, що супроводжується деформуванням каналу, поперечний переріз якого має вигляд еліпса А ¢В¢С ¢Д ¢ (фіг.6). Основні геометричні розміри деформованого еліпса А'В'С'Д' мають наступні значення: В¢Д ¢ = 27,6 мм , А ¢С ¢ = 15,1 м S А ¢В¢С¢Д¢= 327 м 2 (умова (11) виконується). Зміни геометричних розмірів еліпса при його деформації наступні: ВД = В ¢Д ¢ = 1 мм А ¢С ¢ - АС = 11 мм , З отриманих експериментальних і розрахункових даних випливає, що при фазових перетвореннях вода-лід-вода канал колекторного трубопроводу в результаті де формації змінює свій внутрішній об'єм на 9%. При цьому стінки каналу зазнають малу деформацію зрушення не руйнуючись і канал поводиться як пружне тіло, тобто з деформованого стану А ¢В¢С ¢Д ¢ повертається в первісне - АВСД , при перетворенні льоду у воду. Таким чином, описані конструктивні особливості сонячного морозотривкого колектора обумовлюють його мінімальну матеріалоємність при максимальній ефективності, запобігають його руйнуванню при низьких температурах навколишнього середовища. Це дозволяє збільшити тривалість експлуатації колектора з 6 до 12 місяців у році і надійно експлуатувати протягом року, застосовуючи екологічно чистий і дешевий теплоносій воду і, використовуючи недорогу, надійну і високоефективну одноконтурну систему теплопостачання.