CZ20041255A3 - Solárne termická soustava s vlastním tepelným pohonem teplosmenného média - Google Patents

Abstract

Solárne termická soustava s vlastním tepelným pohonem teplosmenného média premenuje solární energiina teplo s vyuzitím cásti získaného tepla k premene na práci, zejména k vlastnímu pohonu teplosmenného média. Podstata soustavy spocívá v cástecné premene tepla získaného absorpcí slunecního zárení vkolektoru (1) na energii tlakovou, která je soustavou vyuzívána k transportu teplosmenné kapaliny. Tato premena je uskutecnována odparováním resp. varem teplosmenné kapaliny v kolektoru (1), expanzí par z kolektoru (1) do výmeníku (2a) ve varné tlakové nádobe (2) naplnené kapalinou, kde dochází k tepelné výmene a odparování kapaliny uzavrené v nádobe (2), expanzí par z nádoby (2), expanzi par z nádoby (2) do nádoby pretlácecí (3) naplnené kapalinou, odkud se kapalina vytlácí do kolektoru (1). Zkondenzované páry odcházejí z výmeníku (2a) nádoby(2) do výmeníku (5a) v zásobníku (5) teplé uzitkové vody, kde predávají zbytkové teplo, a ochlazenýkondenzát vytéká do zásobní nádoby (4).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká solárně termické soustavy s vlastním tepelným pohonem teplosměnného media, přeměňující sluneční energii na teplo s využitím části získané tepelné energie k přeměně na mechanickou práci, zejména k vlastnímu pohonu teplosměnného média. Vynález spadá do oblasti solárně termických soustav.

Dosavadní stav techniky

Doposud užívané solárně termické soustavy aktivně využívající sluneční energii přemě^S^na^ . z teplOj používají k zajištění pohonu teplosměnného media čerpadla, případně ventilátory. Tato hnací zařízení jsou v provozu po celou dobu aktivní činnosti soustavy a vesměs jsou poháněna elektrickým proudem, což představuje v energetické bilanci soustavy ztrátu, zvláště jedná - li se o elektrický proud z veřejné rozvodné sítě, který je dosud vyráběn převážně využitím neobnovitelných zdrojů energie. Tato skutečnost znamená trvalé snížení podílu „čisté“, tj. z obnovitelného zdroje získané^ tepelné energie na celkovém energetickém výkonu soustavy. Existují solárně termické soustavy bez hnacího zařízení, využívající tzv. termosifonového efektu pro vlastní pohon teplosměnného média, kdy kolektor soustavy je umístěn nejníže a teplosměnné médium (převážně voda nebo směs na bázi vody) v něm ohřáté stoupá vlivem snížené hustoty a tím vzniklému vztlaku do výše položeného tepelného výměníku, kde předává teplo. Tyto soustavy však mají velkou nevýhodu v tom, že kolektor jako vlastní zařízení měnící sluneční energii v teplo musí být umístěn nejníže. To je nevýhodné z hlediska oslunění kolektoru, naopak nej výhodnější je umístit kolektor na nejvýše položené místo, které je nejlépe osluněno (zpravidla střecha budovy).

Dosavadní stav techniky v oblasti solárně termických soustav je popsán například v těchto publikacích:

Velká kniha o energii - napsali RNDr. Pavel Augusta, Ing. Marie Dufková, Ing. arch. Jiří Hrůza, CSc., Ing. Jan Malínský, CSc., Ing. Jiří Marek, Ing. Marta Opplová, CSc., Doc. Ivan Štoll, CSc., Ing. Jan Tůma, vydala L.A. Consulting Agency, spol. s r.o., v roce 2001/^-Solární energie, využití při obnově budov - napsali Andreas Haller, Othmar Huním, Karsten

Voss, přeložil Jan Tywoniak, vydala Grada Publishing, spol. s r.o., v roce 2001/

Alternativní energie pro váš dům - napsali Ing. Jiří Beranovský, Ph.D., Ing. Jan Truxa a kolektiv, vydalo Vydavatelství ERA ve spolupráci s občanským sdružením EkoWATT v roce 20034JS y^x Solární zařízení - napsali Heinz Ladener a Frank Spáte, přeložili Ján Struška a Petr Kramoliš, vydala Grada Publishing, spol. s r.o., v roce 2003.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosavadních solárně termických soustav lze řešit použitím solárně termické soustavy s vlastním tepelným pohonem teplosměnného média (dále jen soustava). Při použití soustavy odpadá nutnost stálého chodu čerpadla teplosměnného média, neboť soustava využívá část získané tepelné energie přímo k čerpání meclia. Zároveň je zachováno nej výhodnější umístění solárního kolektoru na nejvýše položeném místě soustavy.

Podstata soustavy, tvořené solárním kolektorem, tlakovými a beztlakými nádobami, nejméně jedním tepelným trubkovým výměníkem, zpětnými ventily, pojistnými ventily, uzavíracími kohouty, pomocným čerpadlem, propojovacími trubicemi a vstupními a výstupními vývody, spočívá v tom, že solární kolektor je v soustavě umístěn nejvýše, je opatřen vstupním a výstupním vývodem, vstupní vývod kolektoru je opatřen zpětným ventilem otvíraným směrem do kolektoru, výstupní vývod kolektoru je opatřen pojistným ventilem, dále je ve spodní části soustavy umístěna varná tlaková nádoba, která je na horní stěně opatřena pojistným ventilem, uvnitř ní je vytvořen tepelný trubkový spirálový výměník s horním vývodem vyvedeným horní stěnou varné tlakové nádoby směrem nahoru, vně nádoby opatřeným zpětným ventilem otevíraným směrem do výměníku, a spodním vývodem vyvedeným u dna varné tlakové nádoby, vnitřní prostor varné tlakové nádoby je spojen s okolním prostorem pomocí vývodu s uzavíracím kohoutem vyvedeného u dna varné tlakové nádoby a v jejím vnitřním prostoru dosahujícího svislou trubicí s horním otevřeným zakončením téměř k horní stěně varné tlakové nádoby, dále je v prostoru pod varnou tlakovou nádobou umístěna uzavřená přetláčecí nádoba, mezi horní stěnou přetláčecí nádoby a horní stěnou varné tlakové nádoby je vytvořeno propojení pomocí propojovací trubice, dno přetláčecí nádoby je opatřeno dvěma vývody, z nichž jeden vývod je opatřen zpětným ventilem otevíraným směrem do přetláčecí nádoby, mezi solárním kolektorem a varnou tlakovou nádobou a přetláčecí nádobou je vytvořeno propojení, kdy vstupní vývod solárního kolektoru je pomocí propojovací trubice, která je napojena na vstup zpětného ventilu napojeného svým výstupem na vstupní vývod kolektoru, spojen s vývodem u dna přetláčecí nádoby, v dolní části této propojovací trubice spojující kolektor s přetláčecí nádobou je vytvořeno paralelní připojení pomocného čerpadla s dvěma uzavíracími kohouty, takže je možno pomocí otevření či uzavření jednoho či obou těchto kohoutů zařadit pomocné čerpadlo do propojení vytvořeného mezi přetláčecí nádobou a kolektorem či je naopak vyřadit, a výstupní vývod solárního kolektoru je pomocí propojovací trubice, která je napojena na vstup zpětného ventilu napojeného svým výstupem na horní vývod výměníku ve varné tlakové nádobě, s tímto vývodem výměníku spojen, dále je v dolní části soustavy vedle varné tlakové nádoby a přetláčecí nádoby umístěna beztlaká zásobní nádoba, jejíž horní stěna je opatřena vývodem a dno je opatřeno dvěma vývody, z nichž jeden vývod je pomocí propojovací trubice spojen se spodním vývodem výměníku ve varné tlakové nádobě a druhý vývod je pomocí propojovací trubice spojen s vývodem u dna přetláčecí nádoby opatřeným zpětným ventilem tak, že propojovací trubice je napojena na vstup tohoto zpětného ventilu.

V tomto uspořádám může soustava dodávat tepelnou energii například vedením skrze stěny propojovacích trubic, ěi skrze stěny zásobní nádoby. Pro efektivní využití získané tepelné energie je výhodné zařadit do soustavy další nádobu jako zásobník teplé užitkové vody, a to tak, že mezi výstupní vývod tepelného trubkového spirálového výměníku ve varné tlakové nádobě a vývod u dna zásobní nádoby je místo propojovací trubice zařazen zásobník teplé užitkové vody, uvnitř něhož je vytvořen další tepelný trubkový spirálový výměník, jehož horní vývod je spojen s výstupním vývodem výměníku ve varné tlakové nádobě a dolní vývod je spojen s vývodem u dna zásobní nádoby.

Dále je vhodné soustavu opatřit regulátorem průtoku teplosměnného media, který by zajišťoval optimální využití tepelné energie získané v kolektoru a zejména vyrovnával kolísavý tepelný výkon kolektoru, daný časově nerovnoměrným osluněním kolektoru během dne. Je vhodné, aby tento regulátor upravoval průtok teplosměnného media podle teploty media přímo na výstupu z kolektoru. Jako regulátor lze použít nastavitelný termostatický ventil, který se zařadí mezi výstupní vývod solárního kolektoru a propojovací trubici tvořící propojení mezi kolektorem a tepelným výměníkem tlakové varné nádoby.

Propojovací trubice tvořící propojení mezi kolektorem umístěným v horní části soustavy a nádobami varnou tlakovou a přetláčecí je vhodné opatřit bočními vývody s uzavíracími kohouty, a to tak, že propojovací trubice spojující vstupní vývod kolektoru, resp. vstup zpětného ventilu umístěného pod kolektorem, a vývod u dna přetláčecí nádoby je v místě těsně před vstupem do zpětného ventilu opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem a propojovací trubice spojující výstupní vývod kolektoru, resp. vývod zařazeného termostatického ventilu, a vstupní vývod výměníku v tlakové varné nádobě, resp. vstup zpětného ventilu, je mezi zpětným ventilem a termostatickým ventilem v horní části těsně u termostatického ventilu opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem. Tyto boční vývody s uzavíracími kohouty slouží k případnému zavzdušnění obou propojovacích trubic spojujících horní část soustavy s kolektorem s dolní částí s nádobami a tím k uvolnění sloupce kapaliny teplosměnného média, které tak může vytéct do dolní části soustavy. Tím se v době nečinnosti soustavy, např. přes noc, omezí případný zvýšený únik tepla z dolní části soustavy do horní části vedením, což může být užitečné zvláště v zimním období.

Pro zvýšení efektivity soustavy je dále vhodné do soustavy zařadit záchytnou beztlakou nádobu, která se umístí v takové výšce, že její dno je ve vyšší poloze než horní stěna tlakové varné nádoby. Horní stěna záchytné nádoby se opatří vývodem spojujícím její vnitřní prostor s vnějším prostorem a dno záchytné nádoby se opatří rozdvojeným vývodem. Mezi tímto vývodem a propojovací trubicí spojující vstupní vývod kolektoru, resp. vstup zpětného ventilu umístěného pod kolektorem, a vývod u dna přetláčecí nádoby, je vytvořeno propojení pomocí přípojné trubice s uzavíracím kohoutem, která je napojena mezi přetláčecí nádobou a vstup zpětného ventilu pod kolektorem. Zároveň je mezi vývodem u dna záchytné nádoby a horním vývodem tepelného trubkového spirálového výměníku v tlakové varné nádobě vytvořeno propojení pomocí další přípojné trubice s uzavíracím kohoutem. Nádobu je možné využít ke zbytkovému vytlačení teplosměnného media z přetláčecí nádoby a k následnému propláchnutí tepelného trubkového spirálového výměníku v tlakové varné nádobě.

Podstata činnosti soustavy spočívá v částečné přeměně tepelné energie získané absorpcí slunečního záření v kolektoru na energii tlakovou, která je pak soustavou využívána k transportu teplosměnného media. Jako teplosměnné medium je vhodné použít nemrznoucí teplosměnnou kapalinu s bodem varu přibližně odpovídajícímu průměrné teplotě dosažitelné v solárním kolektoru během jeho oslunění, a s relativně vysokým měrným skupenským teplem výpamým. Přeměna tepelné energie na tlakovou a transport kapaliny je uskutečňována odpařováním resp. varem teplosměnné kapaliny v kolektoru, následnou expanzí par z kolektoru do výměníku v tlakové varné nádobě naplněné kapalinou, kde dochází k tepelné výměně a odpařování kapaliny uzavřené ve varné nádobě, zvýšení tlaku v ní a expanzi par do nádoby přetláčecí naplněné též kapalinou, odkud se kapalina vytláčí do kolektoru. Částečně či úplně zkondenzované páry teplosměnné kapaliny odcházejí z výměníku ve varné nádobě buďto přímo do beztlaké zásobní nádoby, nebo v případě zařazení samostatného zásobníku teplé užitkové vody do výměníku v tomto zásobníku, kde předávají zbytkové teplo, a ochlazený kondenzát následně vytéká do beztlaké zásobní nádoby.

Teplosměnná kapalina je při prvním uvedení do provozu vytlačena čerpadlem do kolektoru. Zároveň je kapalinou naplněna přetláčecí nádoba zcela a varná nádoba částečně tak, aby byl zcela ponořen výměník uvnitř varné nádoby. Varná nádoba se uzavře uzavíracím kohoutem. Je vhodné umístit varnou nádobu nad nádobu přetláčecí a současně umístit zásobní nádobu tak, aby bylo možno z ní snadno naplnit přetláčecí nádobu a varnou nádobu při otevřeném kohoutu varné nádoby samospádem kapaliny. Případně je možno provést naplnění přetláčecí nádoby a varné nádoby kapalinou ze zásobní nádoby tak, že se kapalina vytlačuje ze zásobní nádoby pomocí mírného přetlaku, např. pomocí vzduchového kompresoru napojeného dočasně na vývod na víku zásobní nádoby.

Tlak ve varné nádobě roste vlivem ohřívání díky expanzi par teplosměnné kapaliny z kolektoru a následnému předávání tepla ve výměníku varné nádoby do chvíle, kdy převáží celkový tlakový odpor soustavy daný součtem hydrostatického tlaku kapaliny daného výškou sloupce kapaliny od nej nižšího bodu soustavy, tj. ode dna přetláčecí nádoby, po nejvýše položený bod soustavy, tj. po nej vyšší bod kolektoru a tlakového odporu trubic, výměníků a ventilů. Poté se kapalina z přetláčecí nádoby začne vlivem expanze par z varné nádoby přetláčet do kolektoru. Tím si soustava sama zajišťuje průtok teplosměnného me^zdia kolektorem.

Pro správou funkci stálého vytlačování kapaliny z přetláčecí nádoby je nezbytné, aby tlak sytých par ve varné nádobě byl trvale udržován na hodnotě vyšší než je celkový tlakový odpor soustavy. Jelikož tlak sytých par je jednoznačnou funkcí teploty, je proto třeba udržovat ve varné nádobě nejméně tak vysokou teplotu, při níž je dosaženo odpovídajícího tlaku sytých par. Jelikož intenzita slunečního záření během dne kolísá, je možné, že při déletrvající velmi nízké intenzitě záření bude teplota par na výstupu kolektoru^nižší než požadovaná teplota. V tom případě dojde i k jistému snížení teploty vfrveřáWa tím ke snížení tlaku sytých par v něm. Tím dojde ke snížení průtoku vytlačované kapaliny, nebo k jeho úplnému přerušení. Soustava tak má částečnou samoregulační schopnost i bez nutnosti zařazení regulátoru průtoku, neboť dočasným snížením či přerušením průtoku kapaliny dojde ke zpětnému nárůstu výstupní teploty páry.

Pro správnou funkci soustavy je dále nezbytné, aby v kolektoru před prvním zahájením provozu a během provozování soustavy bylo vždy určité množství kapaliny, které částečně zaplňuje kolektor.

Je výhodné, aby z kolektoru odcházely již jen páry kapaliny, a nikoli kapalina samotná. Toho lze dosáhnout jednak vhodným zvolením a zapojením kolektoru, jednak regulací průtoku kapaliny kolektorem. Výhodné jsou kolektory vakuové s koncentrační plochou, dosahující vyšších teplot a účinnosti, s vhodným sériovým propojením, tj. za sebou s dostatečnou rezervou, tak aby se kapalina při průchodu kolektorem i při nízké intenzitě slunečního záření stačila odpařit.

Pro zamezení tepelných ztrát je nezbytné opatřit všechny části soustavy, jimiž prochází nebo v nichž se shromažďuje ohřátá teplosměnná kapalina či její pára, co nej účinnější tepelnou izolací. To platí zejména pro varnou nádobu a trubici propojující její tepelný výměník ^s_ kolektorem. Vhodné je použití trubic a nádob s ochranným vakuovaným pláštěm, doplněným kontaktní tepelnou izolací z minerální vlny s hliníkovým opláštěním.

Jelikož páryzKářňé nádoby expandují při činnosti soustavy do přetláčecí nádoby, v níž je chladná kapalina, budou zde částečně kondenzovat. To je nežádoucí a proto je vhodné použít spíše vyšší a užší přetláčecí nádobu, aby tak styčná plocha páry s chladnou kapalinou byla minimální. Z toho důvodu je rovněž výhodné použít na výrobu stěn přetláčecí nádoby tepelně nevodivý materiál či opatřit vnitřní stěnu přetláčecí nádoby odolným tepelně nevodivým povlakem. K snížení přestupu tepla z páry do kapaliny v přetláčecí nádobě je též možno umístit do přetláčecí nádoby tepelně nevodivý a odolný plochý plovák, jenž bude mít tvar odpovídající průřezu nádoby a bude se s jistou vůlí volně pohybovat v nádobě nahoru či dolů podle pohybu kapaliny.

Je vhodné zvolit zásobní nádobu širokého průměru, tak aby postupně přibývající kondenzát kapaliny během denního provozu příliš nezvedl hladinu kapaliny v nádobě, čímž by se zvyšoval tlakový odpor soustavy.

V závěru dne, kdy intenzita slunečního záření již trvale klesá až k nule a tím dochází k trvalému poklesu teploty v kolektoru a je - li použit jako regulátor průtoku výše popsaný termostatický ventil, je vhodné využít zbývající tlakovou energii ve varné nádobě k jednorázovému propláchnutí kolektoru. To se provede úplným otevřením termostatického ventilu, který má být pro tuto možnost konstruován. Případně lze termostatický ventil otvírat postupně v závislosti na trvale ubývající intenzitě slunečního záření během druhé poloviny dne a efektivněji tak využít nashromážděnou tlakovou energii ve varné nádobě.

Při ukončení denní činnosti soustavy je možno využít zbylou tlakovou a tepelnou energii v$f v varné nádobě takto: pod záchytnou nádobou se otevře kohout na přípojné trubici tvořící propojení mezi vývodem u dna záchytné nádoby a propojovací trubicí, která spojuje kolektor s přetláčecí nádobou. Tím dojde k zbytkové expanzi páry z varné nádoby a vytláčení kapaliny z přetláčecí nádoby do nádoby záchytné, až do okamžiku snížení tlaku páry ve varné nádobě a vyrovnání s hydrostatickým tlakem sloupce kapaliny mezi její hladinou v přetláčecí a záchytné nádobě. Po ukončení této expanze se poté uzavře kohout dosud otevřený pod záchytnou nádobou a otevře se druhý kohout, čímž dojde k propojení vývodu u dna záchytné nádoby se vstupním vývodem tepelného výměníku ve varné nádobě. Kapalina ze záchytné nádoby samospádem proteče tímto výměníkem, kde odebere část tepla vnitřnímu prostoru varné nádoby, toto teplo předá užitkové vodě ve výměníku zásobníku teplé užitkové vody a vteče do zásobní nádoby. Případně je poté možno ještě provést proplach přes záchytnou nádobu dávkou zcela chladné kapaliny. Tím se efektivně využije zbytkové teplo soustavy.

Po ukončení denní činnosti soustavy včetně případné zbytkové expanze páry ve varné nádobě a získání zbytkového tepla proplachem ^p^lného výměníkuTvamé nádoby se otevře kohout u _v .__ vývoduWamé nádoby, čímž se tlak výtvarné nádobě i v připojené přetláčecí nádobě vyrovná veřtvamé ná _u atmosférickému. Poté se provede opětovné napuštění celé přetláčecí nádoby a částečně áfcufkapaíinou ze zásobiu nádoby. Na začátku dalšího dne se pak kohout u vývodu*varne nádoby opět uzavře a soustava je připravena k další činnosti.

Při vhodném uspořádání a optimálním dimenzování, zejména je - li zařazena regulace průtoku, může být soustava využívána celoročně bez nutnosti stálého chodu čerpadla jako hnacího stroje, kterého je použito jen pro případné vytlačení kapaliny do kolektoru. Další výhodou soustavy kromě samopohonu teplosměnného meclia je aktivní využívání měrného skupenského tepla výpamého použité kapaliny. Je výhodné použít vodu nebo směs na bázi vody pro její vysoké měrné skupenské teplo výpamé. Páry příslušné kapaliny mají jednak zřetelně nižší tepelnou vodivost při dané teplotě než kapalina o stejné teplotě, takže tepelné ztráty při vedení venkovním prostorem od kolektoru do místa využití získaného tepla jsou sníženy, zvlQjědná - li se o páru nenasycenou, tzv., přehřátou. Zároveň je tak přenášeno větší množství tepla. Kondenzující pára ve výměrdkůK^arné nádoby pak za ustálených tlakových podmínek udržuje teplotu ^fMírn^ nádobě na konstantní výši. Proto je celkový denní průtok kapaliny kolektorem, který musíme zajistit pro celodenní využití tepla vyvíjeného v kolektoru, při využití výpamého tepla relativně nízký. V letních měsících s maximem denního přísunu slunečního záření, kdy je zároveň potřeba a využití solárního tepla nejnižší, je možno soustavu využívat též jako zdroj hnací tlakové síly např. k čerpání vody či k pohonu parní mikroturbiny či parního stroje a dále k pohonu elektrogenerátoru, tj. k výkonu užitečné práce. Tím lze dále zvýšit celkovou lokální využitelnost slunečního záření a zlepšit energetickou bilanci soustavy. Právě nevyužité sezónní letní přebytky slunečního záření zbytečně snižují u dosavadních solárně termických soustav jejich energetický potenciál. Jedna z cest, jak tomu zamezit, je alespoň část sezónních přebytků transformovat na mechanickou práci.

Přehled obrázků na výkresech .

Na obrázku 1 je schematické znázornění soustavy, jejích částí a funkčního propojení.

Příklady provedení vynálezu

Bude popsán příklad provedení soustavy využitelný např. k ohřevu teplé užitkové vody v rodinném domu. Jako teplosměnné medium bude použita destilovaná voda. Dále bude popsán jednoduchý orientační výpočet parametrů soustavy, použitelný k návrhu jejího dimenzování.

Soustava je dle obr. 1 vytvořena takto: solární kolektor i , nejlépe vysokoúěinný vakuový trubicový kolektor^ koncentračními plochami, je v soustavě umístěn nejvýše, na dobře osluněném místě, nejlépe na střeše budovy, a je opatřen vstupním vývodem la a výstupním vývodem lb. Vstupní vývod la kolektoru I je opatřen zpětným ventilem 8 otvíraným směrem do kolektoru I, výstupní vývod lb kolektoru i je opatřen pojistným ventilem Γ7. Na výstypní vývod lb kolektoru I je dále napojen nastavitelný termostatický ventil H. Tento ventil/fíude plnit funkci regulátoru průtoku tak, že při vyšší teplotě meclia vystupujícího z kolektoru i se bude ventil 11 otevírat, tj. snižovat vlastní odpor a zvyšovat tak průtok, a při nižší teplotě zavírat, tj. zvyšovat vlastní odpor a tedy snižovat průtok media. Takto vytvořená vrchní část soustavy bude spojena se spodní částí soustavy pomocí dvou propojovacích trubic 10a, 10b. Propojovací trubice 10a je napojena na vstup zpětného ventilu 8 a v místě těsně před vstupem do zpětného ventilu 8 je opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem 15. Propojovací trubice 10b je napojena na termostatický ventil 11 a v místě těsně pod termostatickým ventilem lije opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem 16. Obě trubice 10a, 10b jsou svedeny dolů do vnitřního prostoru budovy, kde je vytvořena spodní část soustavy. Zde je umístěna varná tlaková nádoba 2, která je na horní stěně opatřena pojistným ventilem 18, a uvnitř ní je vytvořen tepelný trubkový spirálový výměník 2a s horním vývodem 2b vyvedeným horní stěnou varné tlakové nádoby 2 směrem nahoru. Tento vývod 2b je opatřen zpětným ventilem 9 otevíraným směrem do výměníku 2a. Na vstup ventilu 9 je napojena propojovací trubice 10b. Spodní vývod 2c výměníku 2a je vyveden u dna varné tlakové nádoby 2. Vnitřní prostor varné tlakové nádoby 2 je spojen s okolním prostorem pomocí vývodu s uzavíracím kohoutem 6 vyvedeného u dna varné tlakové nádoby 2 a v jejím vnitřním prostoru dosahujícího svislou trubicí s horním otevřeným zakončením 6a téměř k horní stěně varné tlakové nádoby 2. V prostoru pod varnou tlakovou nádobou 2 je umístěna uzavřená přetláčecí nádoba 3. Mezi horní stěnou přetláčecí nádoby 3 a horní stěnou varné tlakové nádoby 2 je vytvořeno propojení pomocí propojovací trubice 10c. Dno přetláčecí nádoby 3 je opatřeno dvěma vývody 3a, 3b. Vývod 3b je opatřen zpětným ventilem 7 otevíraným směrem do přetláčecí nádoby 3. Na vývod 3a je napojena propojovací trubice 10a. V její dolní části je vytvořeno paralelní připojení pomocného čerpadla 19 s dvěma uzavíracími kohouty 19a a 19b. Dále je v prostoru vedle varné tlakové nádoby 2 a přetláčecí nádoby 3 umístěn zásobník/řeplé užitkové vody uvnitř něhož je vytvořen tepelný trubkový spirálový výměník 5a s horním vývodem 5b a spodním vývodem 5c, a beztlaká zásobní nádoba 4 s vývodem v horní stěně 4c a dvěma vývody u dna 4a, 4b. Horní vývod 5b výměníku 5a je spojen s výstupním spodním vývodem 2c výměníku 2a a dolní vývod 5c výměníku 5a je spojen s vývodem 4a zásobní nádoby 4. Vývod 4b zásobní nádoby 4 je pomocí propojovací trubice lOd spojen s vývodem 3b přetláčecí nádoby 3 tak, že propojovací trubice lOd je napojena na vstup zpětného ventilu 7. Dále je do dolní části soustavy zařazena záchytná beztlaká nádoba 12, která je umístěna v takové výšce, že její dno je ve vyšší poloze než horní stěna tlakové varné nádoby

2. Horní stěna záchytné nádoby 12 je opatřena vývodem 12a a dno záchytné nádoby 12 je opatřeno rozdvojeným vývodem 12b. Mezi tímto vývodem 12b a propojovací trubicí 10a je vytvořeno propojení pomocí přípojné trubice^uzavíracím kohoutem jX která je napojena na propojovací trubici 10a mezi přetláčecí nádobou 3 a vstupem zpětného ventilu 8, v dolní části trubice 10a. Zároveň je mezi vývodem 12b a horním vývodem 2b tepelného trubkového spirálového výměníku 2a vytvořeno propojení pomocí další přípojné trubice/s uzavíracím kohoutem

Uvedení do provozu a provozování: otevře se kohout u vývodu 6, uzavřou se kohouty u bočních vývodů 15 a 16 a kohouty na přípojných trubicích 13, 14. Zásobní nádoba 4 se začne plnit destilovanou vodou. Podle toho, v jaké výšce je zásobní nádoba 4. umístěna, se díky vzájemnému propojení zásobní nádoby 4, přetláčecí nádoby 3 a varné tlakové nádoby 2 začne vlivem samospádu plnit též nádoba 3, případně i nádoba 2. Cílem je naplnit přetláčecí nádobu 3 zcela vodou a varnou tlakovou nádobu 2 tak, že voda začne vytékat vývodem 6. K naplnění obou nádob 2, 3 vodou z nádoby 4 je možno použít mírného přetlaku, např. tlakového vzduchu z kompresoru, připojeného dočasně na vývod 4c. Kohout na vývodu 6 se poté uzavře. Termostatický ventil 1_1 se naplno otevře. Kohout 19a se otevře a kohout 19b se uzavře - tím dojde k zařazení pomocného čerpadla 19 do propojovací trubice 10a. Následně se jím načerpá voda do kolektoru i; pro tento účel je nutno ponechat určité množství vody v zásobní nádobě 4. Poté se čerpadlo 19 opět odpojí, tj. uzavře se kohout 19a a otevře se kohout 19b. Přivře se termostatický ventil 1_1 tak, aby propouštěl jen minimální množství teplosměnného media, nesmí však být zcela uzavřen. Tím je soustava připravena k provozu.* Nastavení termostatického ventilu 11 se volí s ohledem na minimální výtlačný tlak potřebný k vytlačení sloupce vody z nádoby 3 do kolektoru 1* tak^ aby pára vycházející z ventilu 11 měla alespoň teplotu odpovídající tlaku syté páry rovnému potřebnému minimálnímu výtlačnému tlaku. Pára expandující z kolektoru i začne procházet přes termostatický ventil ϋ, propojovací trubici 10b a zpětný ventil 9 do tepelného výměníku 2a ve varné tlakové nádobě 2, kde předává teplo vodě v ní uzavřené a částečně či úplně kondenzuje. Kondenzát či směs kondenzátu s parou vstupuje do tepelného výměníku 5a v zásobníku /íeplé užitkové vody kde předává zbylé teplo. Kondenzát pak vtéká do zásobní nádoby 4. Vlivem zvýšené teploty ve varné tlakové nádobě 2 se v ní začne odpařovat voda a vzrůstat tlak, až při dosažení dostatečné teploty dojde k překonání tlakového odporu soustavy a k vytlačování vody z přetláčecí nádoby 3 do kolektoru L Tím je zajištěna cirkulace vody bez nutnosti trvalého chodu čerpadla 19. Při dlouhodobě nedostatečném příkonu slunečního záření se čerpadlo 19 do okruhu opět vřadí, termostatický ventil 11 se naplno otevře a soustava může dále pracovat jako klasická solární soustava s čerpadlem. Na konci dne, kdy intenzita slunečního záření již trvale klesá až k nule a tím dochází k trvalému poklesu teploty v kolektoru i, se naplno otevře termostatický ventil 11, čímž dojde ke snížení tlakového odporu soustavy, a tím ke zvýšení průtoku vody kolektorem i, který se tak propláchne. Využije se tak zbylá tlaková energie vyhřátého obsahtnYarné nádoby 2. Dále se otevře kohout na přípojné trubici 13 a zároveň kohout na bočním vývodu 15. Dojde tak ke stečení vodv z horní části propojovací trubice 10a do záchytné nádoby 12 a zároveň, pokud existuje ve/vářnenádobě 2 ještě dostatečný přetlak, k vytlačení části vody z přetláčecí nádoby 3 do záchytné nádoby 12. Poté se uzavře kohout na přípojné trubici 13 a otevře se kohout na přípojné trubici 14. V závislosti na vzájemné výšce hladin vody v nádobě záchytneYT^ a zásobnTRi dojde k částečnému či úplnému vyprázdnění záchytné nádoby 12 tak, že voda v ní obsažená proteče přes tepelný výměník 2a varné tlakové nádoby 2, kde může zároveň odejmout zbylé teplo, a přes tepelný výměník 5a zásobníkupTUvj^Jdo zásobní nádoby 4. Pro maximální převedení tepla zbyléhov^týamé nádobě/ypředevším latentmho skupenského tepla par) se ještě provede proplach dostatečným množstvím zcela chladné vody, která se nalévá přes vývod 12a záchytné nádoby 12. Pokud se nádoba 12 nevyprázdní samospádem vody, je možno vytlačit zbytky vody z ní použitím mírného přetlaku, např. tlakového vzduchu z kompresoru, připojeného dočasně na vývod 12a. Nakonec se otevře kohout u bočního vývodu 16, čímž dojde k vyprázdnění připojovací trubice 10b samospádem, pokud tato obsahuje kondenzát.

Orientační výpočet soustavy:

Uvažujme solární kolektor I o účinné ploše 5 m , s orientací na jih a sklonem plochy 60°. Jako průměrnou účinnost přeměny energie slunečního záření na tepelnou v kolektoru I uvažujme 40%pC účinnost. Dále předpokládejme průměrnou teplotu páry na výstupu kolektoru I 12(j°C; tomu odpovídá měrné skupenské teplo výpamé 2,2024 . 10⁶ J / kg a hustota syté páry je 1,120824.10 ”³ kg /1. Tlak sytých par vody při této teplotě je 198480 Pa. Tato teplota a tlak se postupně ustaví ve varné tlakové nádobě 2. Přetlak ve varné nádobě 2 a tedy i v přetláčecí nádobě 3 bude oproti okolnímu atmosférickému tlaku roven přibližně 196141 Pa (rovná se z zvýšení tlaku syté páry nad hladinou vodyv^varné nádobě 2 z 2339 Pa při teplotě plněnflfiádoby 2 rovné 2^C na 198480 Pa při ohřátí na teplotu 120^C). Pokud uvažujemepr^měmý přetlak v kolektoru i oproti atmosférickému tlaku roven 15000 Pa, pak bude přetlak varné nádobě 2 a přetláčecí nádobě 3 oproti kolektoru I roven 181141 Pa, čemuž odpovídá výška sloupce vody mezi nádobou 3 a kolektorem I asi 18 m. Prakticky bude možno dosáhnout nižšího sloupce čerpání vody, neboť bude nutno odečíst střední výšku hladiny vody v zásobní nádobě 4 v průběhu činnosti soustavy a tlakový odpor všech ostatních součástí soustavy.

Podle tabulek průměrného denního slunečního příkonu zjistíme, že v období s minimem příkonu, tj. v prosinci, je celkový denní tepelný zisk uvažovaného kolektoru i asi 6 kWh tj. 2,16 . 10⁷ J, zatímco v období s maximem příkonu, tj. v červnu, bude tepelný zisk asi 17 kWh tj. 61,056 . 10⁶ J. V zimním období tedy musíme pro využití tepelného zisku převést v kolektoru I za daných podmínek na páru asi 10 litrů vody, zatímco v letním období to bude asi 28 litrů vody. Tento objem znamená denní průtok kolektorem L Voda je do kolektoru 1 vytlačována /. přetláčecí nádoby 3 vhvem zvětšujícího se objemu páryvjřfvarné nádobě 2, ; to znamená, že v zimním období sevjfVarné^nádobě 2 má denně vyvinout aspoň 10 litrů páry při 120JÍ °C , což odpovídá množství asi 11,2 ml vody v kapalném stavu. V letním období je to asi 28 litrů páry, což odpovídá asi 31 ml vody v kapalném stavu. Podle těchto hodnot lze volit přiměřený objem a přetláčecí nádoby 3; pro celoroční použití soustavy je teoretický objem varné nádoby 2 minimálně 31 ml, objem přetláčecí nádoby 3 minimálně 28 litrů. Skutečné optimální hodnoty se však od těchto teoretických hodnot budou lišit a je nutno je zjistit praktickými testy. Zejména ztráta části tlakové energie zpětnou kondenzací par v přetláčecí nádobě 3, kdy ohřátá sytá pára přicházející zKamé nádoby 2 bude přicházet do styku s relativně chladnějšími stěnami nádoby 3 a s hladinou vody v ní, nebyla,v tomto výpočtu uvažována a prakticky bude znamenat nutnost zvýšení celkového objemuťvařnénádoby 2.

Soustavu lze dimenzovat a provozovat také tak, že objemy nádob 2, 3 se zvolí minimální, resp. optimální pro zimní provoz, a při vzrůstajícím denním celkově získávaném množství solárního tepla je možno soustavu vždy po vyčerpání vody v^yVámé nádobě 2 odstavit a opět uvést do provozu postupem popsaným výše. Lze také využít regulace průtoku pomocí termostatického ventilu Π., kdy se tento při sezónním přebytku solárního tepla může nastavit tak, aby propouštěl páru o vyšší teplotě. Část takto získané páry pak lze využít např. k pohonu mikroturbíny nebo parního stroje.

Průmyslová využitelnost

Solárně termická soustava s vlastním tepelným pohonem teplosměnného media je využitelná zejména jako ekologický zdroj tepla pro ohřev teplé užitkové vody, sezónně též jako zdroj hnací síly pro motory vykonávající mechanickou práci. V modifikované podobě lze soustavu využít k získávání tepelné energie z výše položených tepelných zdrojů, bez nutnosti trvalého provozu oběhového čerpadla.

Claims (3)

1. Patentové nároky

   1. Solárně termická soustava s vlastním tepelným pohonem teplosměnného média, tvořená solárním kolektorem, tlakovými a beztlakými nádobami, tepelnými trubkovými výměníky, zpětnými ventily, pojistnými ventily, uzavíracími kohouty, pomocným čerpadlem, propojovacími trubicemi a vstupními a výstupními vývody, vyznačující se tím, že solární kolektor (1) je v soustavě umístěn nejvýše a je opatřen vstupním vývodem (la) a výstupním vývodem (lb), vstupní vývod (la) kolektoru (1) je opatřen zpětným ventilem (8) otvíraným směrem do solárního kolektoru (1), výstupní vývod (lb) kolektoru (1) je opatřen pojistným ventilem (17), dále je ve spodní části soustavy umístěna varná tlaková nádoba (2), která je na horní stěně opatřena pojistným ventilem (18), uvnitř ní je vytvořen tepelný trubkový spirálový výměník (2a) s horním vývodem (2b) vyvedeným horní stěnou varné tlakové nádoby (2) směrem nahoru a vně nádoby (2) opatřeným zpětným ventilem (9) otevíraným směrem do výměníku (2a) a spodním vývodem (2c) vyvedeným u dna varné tlakové nádoby (2), vnitřní prostor varné tlakové nádoby (2) je spojen s okolním prostorem pomocí vývodu s uzavíracím kohoutem (6) vyvedeného u dna varné tlakové nádoby (2) a v jejím vnitřním prostoru dosahujícího svislou trubicí s horním otevřeným zakončením (6a) téměř k horní stěně varné tlakové nádoby (2), dále jev prostoru pod varnou tlakovou nádobou umístěna uzavřená přetláčecí nádoba (3), mezi horní stěnou přetláčecí nádoby (3) a horní stěnou varné tlakové nádoby (2) je vytvořeno propojení pomocí propojovací trubice (10c), dno přetláčecí nádoby (3) je opatřeno dvěma vývody (3a), (3b), vývod (3b) je opatřen zpětným ventilem (7) otevíraným směrem do přetláčecí nádoby (3), mezi solárním kolektorem (1) a nádobami (2), (3) je vytvořeno propojení, kdy vstupní vývod (la) solárního kolektoru (1) je pomocí propojovací trubice (10a), která je napojena na vstup zpětného ventilu (8), spojen s vývodem (3a), v dolní části propojovací trubice (10a) je vytvořeno paralelní připojení pomocného čerpadla (19) s dvěma uzavíracími kohouty (19a) a (19b), a výstupní vývod (lb) solárního kolektoru (1) je pomocí propojovací trubice (10b), která je napojena na vstup zpětného ventilu (9), spojen s horním vývodem (2b) výměníku (2a), dále je v dolní části soustavy vedle varné tlakové nádoby (2) a přetláčecí nádoby (3) umístěna beztlaká zásobní nádoba (4), jejíž horní sténaje opatřena vývodem (4c) a dno je opatřeno vývody (4a), (4b), z nichž vývod (4a) je pomocí propojovací trubice (lOe) spojen se spodním vývodem (2c) výměníku (2a) a vývod (4b) je pomocí propojovací trubice (lOd) spojen s vývodem (3b) přetláčecí nádoby (3) tak, že propojovací trubice (lOd) je napojena na vstup zpětného ventilu (7).
2. 2. Soustava podle nároku ly vyznačující se tím, že mezi výstupní vývod (lb) solárního kolektoru (1) a propojovací trubici (10b) je zařazen nastavitelný termostatický ventil (11) a mezi výstupní vývod (2c) tepelného trubkového spirálového výměníku (2a) a vjvod (4a) zásobní nádoby (4) je místo propojovací trubice (lOe) zařazen zásobník/íeplé užitkové vodyj^ uvnitř něhož je vytvořen tepelný trubkový spirálový výměník (5a), takovým způsobem, že horní vývod (5b) výměníku (5a) je spojen s výstupním vývodem (2c) výměníku (2a) a dolní vývod (5c) výměníku (5a) je spojen s vývodem (4a) zásobní nádoby (4).
3. 3. Soustava podle nároku 1 a 2^vyznačující se tím, že propojovací trubice (10a) je v místě těsně před vstupem do zpětného ventilu (8) opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem (15) a propojovací trubice (10b) je mezi zpětným ventilem (9) a termostatickým ventilem (11), v její horní části těsně u termostatického ventilu (11), opatřena bočním vývodem s uzavíracím kohoutem (16).

   Soustava podle nároku 1,2 a 3^ vyznačující se tím, že do soustavy je zařazena záchytná beztlaká nádoba (12), kteráje umístěna v takové výšce, že její dno je ve vyšší poloze než horní stěna tlakové varné nádoby (2), horní stěna záchytné nádoby (12) je opatřena vývodem (12a) a dno záchytné nádoby (12) je opatřeno rozdvojeným vývodem (12b), a mezi tímto vývodem (12b) a propojovací trubicí (10a) je vytvořeno propojení pomocí (rif přípojné trubice ,5 uzavíracím kohoutem která je napojena na propojovací trubici (10a) mezi přetláčecí nádobou (3) a vstupem zpětného ventilu (8), a zároveň je mezi vývodem (12b) a horním vývodem (2b) tepelného trubkového spirálového výměníku (2a) vytvořeno propojení pomocí další přípojné trubiceXuzavíracím kohoutem