Сонячний трубчастий вакуумний колектор

Реферат: Сонячний трубчастий вакуумний колектор, що містить циліндрову вакуумовану оболонку з прозорого матеріалу з концентрично розміщеним в ній приймачем сонячного випромінювання і трубку відбору нагрітого теплоносія, причому канал подачі холодного теплоносія утворюється між внутрішньою стороною вакуумованої оболонки колектора і зовнішньою стороною трубки відбору нагрітого теплоносія, нижній кінець вакуумованої оболонки колектора поміщений в накопичувальний бак, а трубка відбору нагрітого теплоносія проходить через порожнину накопичувального бака, при цьому відбір нагрітого теплоносія здійснюється створенням в накопичувальному баку гідростатичного натиску більше значення довжини вакуумованої оболонки з прозорого матеріалу. UA 90423 U (54) СОНЯЧНИЙ ТРУБЧАСТИЙ ВАКУУМНИЙ КОЛЕКТОР UA 90423 U UA 90423 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до геліоенергетичних пристроїв і може знайти застосування для прямого перетворення сонячної енергії в теплову енергію. Відомій сонячний трубчастий вакуумний колектор, що складається з прозорої трубчастої оболонки, що вакуумується, в якій розміщений приймач сонячного випромінювання з патрубком подачі холодного і відведення нагрітого теплоносія (Мхитарян Н.М. Геліоенергетика. Системи, технології, застосування. - Київ.: Наукова Думка, 2002. - С. 249-254). Недоліком відомого сонячного колектора є мала поверхня приймача сонячного випромінювання, покритого селективним поглинаючим сонячне випромінювання матеріалом і як наслідок недостатньо високий ККД колектора. Також відомі блоки вакуумних трубок від 10 до 35 шт. з накопичувальними баками, які утворюють інтегровані моноблочні системи для перетворення сонячної енергії в теплову енергію води або якого-небудь іншого теплоносія. Теплоносій циркулює в порожнині скляної вакуумної трубки під дією термосифонного ефекту. Вакуумна трубка утворюється зваркою між собою два вкладених одна в іншу скляних трубок, виготовлених з боросилікатного скла з низьким вмістом заліза, і нанесенням на поверхню внутрішньої трубки покриття з матеріалу, що високоефективно поглинає сонячне випромінювання. Простір між двома трубками вакуумується (www.himin.com). Проте описаний сонячний колектор не має необхідної ефективності. Нагрів теплоносія здійснюється повільно через природні обмеження термосифонного ефекту і має місце лише через конвекцію з теплоносієм в порожнині накопичувального бака. Ознаками, які збігаються з пропонованим рішенням, є: - прозора вакуумована оболонка; - трубки відведення нагрітого теплоносія; - використання блока вакуумних трубок в сукупності з накопичувальним баком. Відомий сонячний трубчастий вакуумний колектор, що містить циліндрову вакуумовану оболонку з прозорого матеріалу з патрубком під'єднування засобу вакуумування, розміщений в ній приймач сонячного випромінювання з патрубком подачі холодного і відбору нагрітого теплоносія, в якому приймач сонячного випромінювання виконаний у вигляді концентрично розташованих трубок, зовнішня з яких закрита з двох боків, сполучена з металевою пластиною, що покрита селективним поглинаючим сонячне випромінювання матеріалом, охоплюючи трубку з тильного боку і розміщеною в діаметральній площині вакуумованої оболонки, до якої приєднаний патрубок подачі холодного теплоносія, а внутрішня трубка зверху з'єднана із зовнішньою трубкою і розміщена в додатковій вакуумованій оболонці, нижня частина внутрішньої трубки з'єднана з патрубком відбору нагрітого теплоносія (Патент України на корисну модель №18057 від 16.05.06). Проте такий пристрій має високу складність у виготовленні і низьку продуктивність гарячого теплоносія. Ознаками, які збігаються з пропонованим рішенням, є: - прозора вакуумована оболонка; - трубки відведення нагрітого теплоносія; - концентричне розташування поглинаючого матеріалу відносно поверхні трубки колектора. У основу корисної моделі поставлено задачу в сонячному трубчастому вакуумному колекторі шляхом введення зворотного зв'язку по тепловому потоку в об'ємі накопичувального бака і формуванню теплообміну між тим теплоносієм, що підводиться і тим, що відводиться, безпосередньо в об'ємі типової вакуумної трубки, зменшити собівартість виготовлення вакуумного колектора, розширити його функціональні можливості і підвищити його ефективність. Вказана задача вирішується тим, що в сонячному трубчастому вакуумному колекторі, що містить циліндрову вакуумовану оболонку з прозорого матеріалу з концентрично розміщеним в ній приймачем сонячного випромінювання і трубку відбору нагрітого теплоносія, канал подачі холодного теплоносія утворюється між внутрішньою стороною вакуумованої оболонки колектора і зовнішньою стороною трубки відбору нагрітого теплоносія, нижній кінець вакуумованої оболонки колектора розміщується в накопичувальному баку, а трубка відбору нагрітого теплоносія проходить через порожнину накопичувального бака, при цьому відбір нагрітого теплоносія здійснюється створенням в накопичувальному баку гідростатичного натиску більше значення довжини вакуумованої оболонки з прозорого матеріалу. Вказана задача вирішується також тим, що в сонячному трубчастому вакуумному колекторі, в накопичувальний бак заведені кінці більш ніж однієї вакуумованої оболонки, канали подачі холодного теплоносія гідравлічно об'єднані порожниною накопичувального бака, а виходи 1 UA 90423 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 трубок відбору нагрітого теплоносія гідравлічно об'єднані усередині накопичувального бака магістраллю гарячого теплоносія. Істотними ознаками пристрою, що заявляється, є: - прозора вакуумована оболонка; - канал подачі холодного теплоносія, що утворений між внутрішньою стороною вакуумованої оболонки колектора і зовнішньою стороною трубки відбору нагрітого теплоносія; - нижній кінець вакуумованої оболонки колектора, що поміщений в накопичувальний бак; - трубка відбору нагрітого теплоносія проходить через порожнину накопичувального бака; - створення в накопичувальному баку гідростатичного натиску більше значення довжини вакуумованої оболонки з прозорого матеріалу. Причинно-наслідковий зв'язок між істотними ознаками корисної моделі і технічним результатом полягає в наступному. Зменшення собівартості виготовлення вакуумного колектора досягається перш за все вживанням типової вакуумної трубки, що широко використовується в сучасних термосифонних вакуумних колекторах. Ці вакуумні трубки циліндрової форми мають діаметр від 47 до 70 мм, завдовжки від 500 до 2200 мм. На відміну від прототипу, де канал подачі холодного теплоносія виконується окремою трубкою, в корисній моделі він утворюється безпосередньо скляною стінкою вакуумної трубки, на якій нанесений селективний до сонячної енергії шар, і зовнішньою поверхнею трубки для відбору гарячого теплоносія, тобто з процесу виготовлення вакуумного колектора виключається операція виготовлення і установки трубки для подачі холодного теплоносія. Пропоноване технічне рішення одночасно утворює усередині вакуумної трубки теплообмінник, коли холодний теплоносій від нижнього кінця вакуумної трубки під дією термосифонного ефекту, нагріваючись, піднімається вгору і через стінку трубки для відбору гарячого теплоносія взаємодіє з гарячим теплоносієм. Гарячий теплоносій, що сходить вниз, віддає своє тепло холодному теплоносію, прискорюючи його нагрів. Виникаючий зворотний тепловий зв'язок наводить до швидкого та рівномірного нагріву теплоносія по всій порожнині вакуумної трубки. Гарячий теплоносій по відповідній трубці проходить через об'єм накопичувального бака і віддає частину тепла холодному теплоносію, який поступає в накопичувальний бак. В сукупності ці процеси наводять до прискореного прогрівання теплоносія у вакуумному колекторі, що і пояснює підвищення його ефективності. Після досягнення нормативної (60 °С) температури теплоносія в об'ємі порожнин вакуумного колектора його продуктивність по гарячому теплоносію визначається потужністю сонячного випромінювання, що надходить. Розширення функціональних можливостей пропонованого вакуумного колектора обумовлене його конструкцією і полягає, перш за все, в тому, що він може працювати не лише в режимі накопичення гарячого теплоносія, але і в проточному режимі. Особливість процесу нагрівання теплоносія наводить до утворення пароповітряної суміші у верхній частині порожнини вакуумної трубки. В результаті цього канали руху теплоносія виявляються під технологічно обґрунтованим тиском в 0,2 - 1 бар, що дозволяє віднести пропонований вакуумний колектор до нового проміжного класу середньонапірних перетворювачів сонячної енергії в теплову енергію. Сонячний трубчастий вакуумний колектор показаний на фіг. 1. На фіг. 2 і фіг. 3 показані графіки температурного градієнта теплових процесів в елементах пристрою. Пристрій (фиг.1) складається з вакуумованої оболонки 1, що складається з прозорої зовнішньої трубки і внутрішньої трубки 2, простір між якими вакуумований. На стінку внутрішньої трубки 2 нанесено селективне до сонячного випромінювання покриття 3. По осі трубки 2 розташована трубка 4 відбору нагрітого теплоносія, канал 5 подачі холодного теплоносія утворений між внутрішньою стороною вакуумованої оболонки 1 колектора і зовнішньою стороною трубки 4 відбори нагрітого теплоносія. Нижній кінець вакуумованої оболонки 1 колектора поміщений в накопичувальний бак 6, а трубка 4 відбору нагрітого теплоносія введена в порожнину накопичувального бака 6, де об'єднується магістраллю 7 гарячого теплоносія з аналогічними трубками. Магістраль 7 гарячого теплоносія закінчується штуцером 9 виходу сонячного колектора. Холодний теплоносій подається в накопичувальний бак 6 через штуцер 8. Всі канали 5 подачі холодного теплоносія гідравлічно об'єднані порожниною накопичувального бака 6. Сонячний трубчастий вакуумний колектор працює таким чином. Сонячне випромінювання через вакуумовану оболонку 1 потрапляє на покриття 3, яке перетворить випромінювання в теплоту. Тепло від покриття 3 через скляну стінку 2 передається за рахунок теплопровідності до теплоносія в каналі 5, а саме до шарів теплоносія, безпосередньо прилеглих до скляної стінки 2, внаслідок чого теплоносій прогрівається на деяку глибину, необхідну для виникнення ламінарного конвективного потоку від низу до верху. Уздовж стінки 2 утворюється рухомий потік теплоносія з градієнтним профілем по температурі, як показано на фіг.2, графік А. При цьому за 2 UA 90423 U 5 10 15 20 25 30 відсутності відбору теплоносія через трубку 4 конвективний рух теплоносія в каналі 5 подачі холодного теплоносія самозамикається в об'ємі каналу 5 і на виході сонячного колектора (штуцер 9) гарячий теплоносій не з'являється. Після створення в накопичувальному баку 6 гідростатичного натиску вище за довжину вакуумованої оболонки (висоти колектора), наприклад, включенням перед накопичувальним баком 6 циркуляційного насоса (на фіг. 1 насос не показаний), нагрітий теплоносій з каналу 5 переміщається в трубку 4, де через її стінку передає частину тепла тому об'єму теплоносія, що надходить з накопичувального бака 6. Канал 5 і трубка 4 відбору гарячого теплоносія утворюють по всій довжині вакуумованої оболонки однокамерний теплообмінник, температурний градієнт якого залежіть від відношення діаметрів каналу 5 і трубки 4. В результаті графік температурного градієнта на фіг. 2 набуває вигляду Б, що ілюструє більший об'єм підготовленої до вжитку гарячої води в порівнянні з прототипом за той же відрізок часу від початку роботи. Витікаючий в магістраль 7 гарячий теплоносій також обмінюється теплом через її стінку як через теплообмінник з об'ємом теплоносія в накопичувальному баку 6. Внаслідок чого в накопичувальному баку 6 інтенсифікується конвективний теплообмін в холодному теплоносії, і якщо представити пропонований сонячний колектор як батарею, тобто як послідовність встановлених в накопичувальному баку 6 вакуумованих оболонок 1 (до 10), то уздовж осі накопичувального бака 6 утворюється градієнт температури як показано графіком на фіг.3, а сам теплоносій, що підігрівається, починає в накопичувальному баку 6 спіралевидний рух в напрямку від штуцера 8 к штуцеру 9, що підвищує загальну ефективність нагріву теплоносія в пропонованому сонячному колекторі. Пропонований сонячний вакуумний трубчастий колектор має значно простішу конструкцію по відношенню до прототипу і виготовляється по відомих технологіях і з відомих матеріалів, які широко застосовуються в сучасних вакуумних колекторах. Вакуумована оболонка 1 циліндрової форми з двох коаксіальних скляних трубок діаметром 58 і 47 мм виробляється серійно, наприклад, фірмою HIMIN SOLAR ENERGY, Китай. Трубка 4 для відбору гарячого теплоносія виробляється з міді або неіржавіючої сталі, і з'єднується з магістраллю 7 гарячого теплоносія паянням або зваркою. Накопичувальний бак 6 виготовляється з неіржавіючої харчової сталі завтовшки 0,4 - 0,5 мм. Загальна конструктивна жорсткість і зовнішнє кріплення сонячного вакуумного колектора забезпечується П-подібним профілем, що охоплює у формі рами кінці вакуумованих оболонок 1 і накопичувальний бак 6 (рама на фиг.1 не показана). Гідравлічне під'єднування (штуцер 8, штуцер 9) забезпечується стандартними фітингами 1/2". ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Сонячний трубчастий вакуумний колектор, що містить циліндрову вакуумовану оболонку з прозорого матеріалу з концентрично розміщеним в ній приймачем сонячного випромінювання і трубку відбору нагрітого теплоносія, який відрізняється тим, що канал подачі холодного теплоносія утворюється між внутрішньою стороною вакуумованої оболонки колектора і зовнішньою стороною трубки відбору нагрітого теплоносія, нижній кінець вакуумованої оболонки колектора поміщений в накопичувальний бак, а трубка відбору нагрітого теплоносія проходить через порожнину накопичувального бака, при цьому відбір нагрітого теплоносія здійснюється створенням в накопичувальному баку гідростатичного натиску більше значення довжини вакуумованої оболонки з прозорого матеріалу. 2. Сонячний трубчастий вакуумний колектор за п. 1, який відрізняється тим, що в накопичувальний бак заведені нижні кінці двох і більше вакуумованих оболонок, канали подачі холодного теплоносія гідравлічно об'єднані порожниною накопичувального бака, а виходи трубок відбору нагрітого теплоносія гідравлічно об'єднані усередині накопичувального бака магістраллю гарячого теплоносія. 3 UA 90423 U 4 UA 90423 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 5