PL226355B1 - Układ grzewczy słoneczną energią cieplną - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ grzewczy słoneczną energią cieplną, przeznaczony do ogrzewania powietrza i wody użytkowej, znajdujący zastosowanie w instalacjach wentylacyjnych budynków do nawiewu i wymiany ciepłego powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych oraz do ogrzewania wody użytkowej.

Znane są układy grzewcze do ogrzewania powietrza wentylacyjnego albo do jednoczesnego ogrzewania powietrza i wody użytkowej, w których do pozyskiwania ciepła są stosowane kolektory słoneczne.

Z opisu wzoru użytkowego DE202004008888U znany jest fragment układu grzewczego powietrza i wody użytkowej, ujawniający budowę zastosowanego w nim kolektora słonecznego. Kolektor ten w prostopadłościennej obudowie zawiera przelotową komorę ogrzewania powietrza, usytuowaną w przestrzeni między przezroczystą pokrywą czołową, a absorberem ciepła słonecznego położonym na izolowanym cieplnie dnie obudowy. W komorze ogrzewania znajdują się pionowe przegrody zestawione w meandrowy kanał przepływu powietrza od otworu wlotowego do otworu wylotowego. Otwory wlotowy i wylotowy powietrza znajdują się na przeciwległych końcach komory ogrzewania. W komorze ogrzewania do absorbera przylega wymiennik ciepła między powietrzem i wodą, złożony z równoległych rurek wodnych, które na końcach z jednej strony są połączone ze zbiorczą rurą wlotową, a na końcach po przeciwległej stronie ze zbiorczą rurą wylotową wody. Rurki wodne są ułożone prostopadle do kierunku położenia przegród meandrowego kanału. Wlot wody do zbiorczej rury wlotowej jest ulokowany w strefie otworu wlotowego powietrza do komory ogrzewania, natomiast wylot wody ze zbiorczej rury wylotowej znajduje się w strefie otworu wylotowego powietrza z komory ogrzewania.

W układzie grzewczym powietrze ogrzewane ciepłem słonecznym pozyskiwanym przez absorber w komorze ogrzewania kolektora, oddaje swojego ciepło wodzie przepływającej rurkami wodnymi od zbiorczej rury wlotowej do zbiorczej rury wylotowej wody. Kierunek przepływu strumienia powietrza przez meandrowy kanał jest prostopadły do kierunku przepływu wody rurami wodnymi.

Z opisu patentowego CN102141304A jest znany kompletny układ grzewczy słoneczną energią cieplną powietrza i wody użytkowej, oparty na podobnym kolektorze słonecznym zawierającym wewnątrz przelotową komorę ogrzewania powietrza oraz wymiennik ciepła między powietrzem i wodą. Prostopadłościenna obudowa kolektora ma ściany boczne i dno wyłożone warstwami izolacji cieplnej. Komora ogrzewania powietrza jest w obudowie usytuowana między przezroczystą pokrywą czołową, a położoną na warstwie izolacji dna płytą absorbera. Na płycie absorbera znajdują się pionowe przegrody zestawione w meandrowy kanał przepływu powietrza przez komorę ogrzewania od otworu wlotowego do otworu wylotowego, przy czym na przewodzie powietrznym wyprowadzonym z otworu wylotowego poza obudowę kolektora jest włączony wentylator. Wymiennik ciepła w komorze ogrzewania, przylegający do płyty absorbera, jest złożony z równoległych rurek wodnych, które na końcach z jednej strony są połączone ze zbiorczą rurą wlotową, a na końcach po przeciwległej stronie ze zbiorczą rurą wylotową wody. Rurki wodne są ułożone prostopadle do kierunku położenia przegród meandrowego kanału. Zbiorcza rura wlotowa wody przylega do boku obudowy, w którym znajduje się otwór wlotowy powietrza, natomiast zbiorcza rura wylotowa wody przylega do przeciwległego boku obudowy kolektora, w którym znajduje się otwór wylotowy powietrza. Zbiorcza rura wlotowa wody i rura wylotowa wody wymiennika ciepła są połączone ze zbiornikiem wody użytkowej rurowymi przewodami wyposażonymi w zawory odcinające, natomiast w rurowy przewód doprowadzenia wody jest włączona pompa cyrkulacyjna.

Wentylator wymusza przepływ strumienia powietrza przez meandrowy kanał w komorze ogrzewania, w której powietrze jest ogrzewane energią cieplną promieniowania słonecznego kumulowanym przez płytę absorbera. Powietrze oddaje swoje ciepło wodzie, przepływającej przez rurki wodne wymiennika ciepła, której obieg między wymiennikiem ciepła, a zbiornikiem wody użytkowej wymusza pompa cyrkulacyjna. Podgrzana w wymienniku ciepła woda jest przesyłana, poprzez zbiorczą rurę wylotową i rurowy przewód, do górnej strefy zbiornika wody użytkowej. Pompa cyrkulacyjna tłoczy wodę o niższej temperaturze z dolnej strefy zbiornika wody użytkowej do zbiorczej rury wlotowej wody i rurek wodnych wymiennika ciepła.

W znanych układach grzewczych kierunek przepływu strumienia wody w wymienniku ciepła jest niekorzystnie ustawiony poprzecznie do kierunku przepływu strumienia powietrza w meandrowym kanale komory ogrzewania co nie zapewnia uzyskania największej sprawności ogrzewania wody. Niekorzystnym skutkiem obiegu podgrzewanej wody użytkowej bezpośrednio przez wymiennik ciepła

PL 226 355 B1 jest osadzanie się w jego rurkach wodnych kamienia z wody i obniżenie jego trwałości, a tym samym niezawodności całego układu grzewczego.

Powyższe niedogodności nie występują w układzie grzewczym, ujawnionym w polskim zgłoszeniu patentowym P.349325. Układ składa się z ze skrzynkowego kolektora słonecznego, w którym pod przezroczystą pokrywą czołową znajduje się zamknięta, nieprzelotowa komora ogrzewania powietrza wyposażona w pionowe przegrody lustrzane, które w przekroju poprzecznym mają paraboliczny zarys. Przegrody są zestawione meandrowo, a między nimi jest osadzona rurowa meandrowa wężownica, której rura jest ułożona równolegle do przegród i pośrodku między nimi. Końce wężownicy są rurowymi przewodami połączone z umieszczonym w bojlerze rurowym spiralnym grzejnikiem wody użytkowej. Bojler jest podłączony do wodociągu i posiada zawór poboru ogrzanej wody użytkowej. Rurowy obwód wężownicy z przewodami łączącymi i spiralnego grzejnika, jest zamkniętym obwodem wypełnionym ciekłym czynnikiem roboczym, przenoszącym ciepło pozyskane przez wężownicę z komory ogrzewania kolektora słonecznego do spiralnego grzejnika w bojlerze, w którym oddaje ciepło wodzie użytkowej.

W tym ujawnionym układzie grzewczym korzystnie odseparowano obwód ciekłego czynnika roboczego od wody ogrzewanej oraz skupiono odbite przez paraboliczne zwierciadła przegród promienie słoneczne na rurę wężownicy. Niekorzystnym, natomiast, rozwiązaniem jest grawitacyjne wymuszanie cyrkulacji czynnika roboczego w rurowym obwodzie między wężownicą, a spiralnym grzejnikiem. Zamknięta, nieprzelotowa komora ogrzewania powietrza w kolektorze ma ograniczoną przydatność wyłącznie do ogrzewania wody użytkowej bez możliwości wykorzystywania ogrzanego powietrza do celów wentylacyjnych.

Celem wynalazku jest układ grzewczy pozbawiony niedogodności znanych rozwiązań.

Układ grzewczy według wynalazku, składający się z kolektora słonecznego złożonego z izolowanej cieplnie prostopadłościennej obudowy, w której pod przezroczystą pokrywą czołową znajduje się przelotowa komora ogrzewania powietrza oraz rurowy obwód cyrkulacji ogrzewanego ciekłego czynnika roboczego, przy czym komora jest wyposażona w pionowe przegrody zestawione w meandrowy kanał powietrzny, między otworem wlotowym powietrza od wentylatora, a otworem wylotowym, natomiast obwód cyrkulacji ciekłego czynnika roboczego składa się z meandrowej wężownicy ułożonej prostymi, dłuższymi odcinkami równolegle do przegród i na środku odstępów między nimi, która przewodem zasilania wyposażonym w pompę cyrkulacyjną i przewodem powrotnym jest połączona w obiegu zamkniętym z grzejnikiem wody umieszczonym w bojlerze, posiadającym ujęcie wody bieżącej z wodociągu oraz zawór poboru ogrzanej wody użytkowej, jest charakterystyczny tym, że meandrowa wężownica jest umieszczona w szczelinie pod komorą, między płytą absorbera, a izolacją dna obudowy kolektora, przy czym koniec wlotowy ciekłego czynnika do wężownicy z przewodu powrotnego od grzejnika wody i otwór wlotowy powietrza do komory, są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach jednego, korzystnie dłuższego, boku obudowy oraz odwrotnie koniec wylotowy ciekłego czynnika z wężownicy do przewodu zasilania grzejnika wody i otwór wylotowy powietrza z komory, są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach drugiego, równoległego boku obudowy.

Pionowe przegrody w komorze ogrzewania powietrza mają gładką, lustrzaną powierzchnię.

Rurowy obwód cyrkulacji ogrzewanego, ciekłego czynnika roboczego jest wypełniony glikolem.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest zrównoważony rozkład temperatur w kolektorze, wskutek przeciwbieżnego kierunku przepływu ciekłego czynnika roboczego przez wężownicę w stosunku do kierunku przepływu strumienia powietrza przez meandrowy kanał komory ogrzewania. Zrównoważony rozkład temperatur wpływa na zmniejszenie naprężeń w elementach kolektora, a tym samym zapobiega ich uszkodzeniom, wydłużając czas eksploatacji kolektora.

Przedmiot wynalazku jest dokładniej uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kolektor słoneczny układu grzewczego w widoku czołowym, a fig. 2 przedstawia przekrój A-A z fig. 1.

Układ grzewczy zawiera kolektor 1, który składa się z prostopadłościennej obudowy 1.1 wewnątrz, której ściany boczne i dno są wyłożone warstwą izolacji cieplnej 1.2. Obudowa 1.1 jest zamknięta od góry pokrywą czołową 13, wykonaną z przezroczystego materiału przepuszczającego promieniowanie słoneczne. W obudowie 1.1 nad denną warstwą izolacji cieplnej 1.2 jest umieszczona płyta absorbera 2. W zachowanym odstępie między pokrywą czołową 1.3 i płytą absorbera 2 jest utworzona komora 3 ogrzewania powietrza, zaopatrzona na przeciwległych ścianach bocznych w otwór wlotowy 3.1 i w otwór wylotowy 3.2 powietrza. Wewnątrz komory 3, na powierzchni płyty absorbera 2 są osadzone pionowe przegrody 2.1, w postaci listew równoległych do dłuższych boków

PL 226 355 B1 obudowy 1.1 i ułożonych w formę meandrowego kanału przepływu powietrza, łączącego otwór wlot owy 3.1 z otworem wylotowym 3.2. Przegrody 2.1 i płyta absorbera 2, są wykonane z cienkiej blachy, dobrego przewodnika ciepła, przy czym płyta absorbera 2 jest pokryta cienką warstwą materiału o wysokim współczynniku absorbcji światła słonecznego, takim jak grafit lub grafen, natomiast przegrody 2.1 są wykonane z polerowanej blachy o powierzchni lustrzanej. Otwór wlotowy 3.1 powietrza atmosferycznego do komory 3 jest połączony rurowym przewodem 3.11 z wentylatorem 4, natomiast otwór wylotowy 3.2 jest połączony przewodem wentylacyjnym 3.21 z instalacją odbiorczą ogrzanego powietrza.

Wentylator 4 nadmuchuje powietrze atmosferyczne do komory 3 kolektora 1. Przelatujące przez komorę 3 powietrze pokonuje wydłużoną drogę przez meandrowy kanał między przegrodami 2.1 od otworu wlotowego 3.1 do otworu wylotowego 3.2 i jest skutecznie ogrzewane ciepłem promieniowania słonecznego przenikającego przez pokrywę czołową 1.3 oraz ciepłem absorbowanym przez płytę absorbera 2 i przegrody 2.1. Wentylator 4 wymusza cyrkulację powietrza, które po ogrzaniu w komorze 3, przez otwór wylotowy 3.2 i przewodem wentylacyjnym 3.21, jest dostarczane do instalacji odbiorczej nawiewu ogrzanego powietrza do pomieszczeń przemysłowych albo mieszkalnych.

W zachowanej szczelinie 5 pod komorą 3 kolektora 1, między płytą absorbera 2, a warstwą izolacji cieplnej 1.2 na dnie obudowy 1.1 jest zainstalowana rurowa wężownica 6 ukształtowana z rury miedzianej. Proste, dłuższe odcinki wężownicy 6 są ułożone równolegle do przegród 2.1, znajdujących się w komorze 3 po drugiej stronie płyty absorbera 2 oraz centrycznie między nimi. Wężownica 6, za pośrednictwem rurowego przewodu zasilania 6.1 i przewodu powrotnego 6..2, jest połączona z rurowym grzejnikiem wody 7 umieszczonym wewnątrz bojlera 8, przy czym w przewód zasilania 6.1 jest włączona pompa 9 cyrkulacyjna. Wężownica 6, przewód zasilania 6.1, przewód powrotny 6.2 i grzejnik 7 stanowią zamknięty obwód wypełniony ciekłym czynnikiem roboczym, takim jak glikol. Bojler 8 jest połączony z ujęciem wody instalacji wodociągowej oraz w zawór 10 poboru ogrzanej wody użytkowej. Koniec wlotowy 6.21 glikolu do wężownicy 6 z przewodu powrotnego 6.2 od grzejnika wody 7 i otwór wlotowy 3.1 powietrza do komory 3, są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach jednego, dłuższego boku obudowy 1.1. Podobnie koniec wylotowy 6.11 glikolu z wężownicy 6 do przewodu zasilania 6.1 grzejnika wody 7 i otwór wylotowy 3.2 powietrza z komory 3, są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach drugiego, dłuższego boku obudowy 1.1.

Płyta absorbera 2 przekazuje część skumulowanego ciepła wężownicy 6, w której jest ogrzewany glikol. Pompa 9 wymusza w układzie cyrkulację glikolu, który przewodem zasilania 6.1 przepływa do grzejnika 7. Glikol oddaje swoje ciepło, poprzez ścianki grzejnika 7, ogrzewanej wodzie w bojlerze 8, po czym powraca przewodem powrotnym 6.2 do wężownicy 6. Ogrzaną wodę użytkową pobiera się z bojlera 8 przez zawór 10, a jej ubytki są na bieżąco uzupełniane z ujęcia wody instalacji wodociągowej. W komorze 3 przegrody 2.1 o powierzchni lustrzanej odbijają padające na ich powierzchnie promienie słoneczne i skupiają je na płycie absorbera 2, zwiększając skuteczność ogrzewania znajdujących się pod nią rur wężownicy 6. Usytuowanie końca wlotowego 6.21 glikolu do wężownicy 6, z przewodu powrotnego 6.2 od grzejnika wody 7, przy przeciwległym końcu jednego boku obudowy 1.1, niż położenie otworu wlotowego 3.1 powietrza do komory 3, oraz usytuowanie końca wylotowego 6.11 glikolu z wężownicy 6 do przewodu zasilania 6.1 grzejnika wody 7, przy przeciwległym końcu drugiego, równoległego boku obudowy 1.1, niż położenie otworu wylotowego 3.2 powietrza z komory 3, wymusza przeciwbieżny przepływ glikolu przez wężownicę 6 w stosunku do kierunku przepływu strumienia powietrza przez meandrowy kanał komory 3 ogrzewania. Przeciwbieżny przepływ przyczynia się do zrównoważonego rozkładu temperatur w kolektorze 1, a to z kolei wpływa na zmniejszenie naprężeń w jego elementach konstrukcyjnych i zapobiega ich uszkodzeniom, wydłużając czas eksploatacji kolektora 1 w układzie grzewczym.

Claims (3)

1. Układ grzewczy słoneczną energią cieplną, składający się z kolektora słonecznego złożonego z izolowanej cieplnie prostopadłościennej obudowy, w której pod przezroczystą pokrywą czołową znajduje się przelotowa komora ogrzewania powietrza oraz rurowy obwód cyrkulacji ogrzewanego ciekłego czynnika roboczego, przy czym komora jest wyposażona w pionowe przegrody zestawione w meandrowy kanał powietrzny, między otworem wlotowym powietrza od wentylatora, a otworem wylotowym, natomiast obwód cyrkulacji ciekłego czynnika roboPL 226 355 B1 czego składa się z meandrowej wężownicy ułożonej prostymi, dłuższymi odcinkami równolegle do przegród i na środku odstępów między nimi, która przewodem zasilania wyposażonym w pompę cyrkulacyjną i przewodem powrotnym jest połączona w obiegu zamkniętym z grzejnikiem wody umieszczonym w bojlerze, posiadającym ujęcie wody bieżącej z wodociągu oraz zawór poboru ogrzanej wody użytkowej, znamienny tym, że meandrowa wężownica (6) jest umieszczona w szczelinie (5) pod komorą (3), między płytą absorbera (2), a izolacją (1.2) dna obudowy (1.1) kolektora (1), przy czym koniec wlotowy (6.21) ciekłego czynnika do wężownicy (6) z przewodu powrotnego (6.2) od grzejnika wody (7) i otwór wlotowy (3.1) powietrza do komory (3), są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach jednego, korzystnie dłuższego, boku obudowy (1.1) oraz odwrotnie koniec wylotowy (6.11) ciekłego czynnika z wężownicy (6) do przewodu zasilania (6.1) grzejnika wody (7) i otwór wylotowy (3.2) powietrza z komory (3), są usytuowane w przeciwnych sobie końcowych strefach drugiego, równoległego boku obudowy (1.1).

2. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że pionowe przegrody (2.1) w komorze (3) mają gładką, lustrzaną powierzchnię.

3. Układ grzewczy według zastrz. 1, znamienny tym, że rurowy obwód cyrkulacji ogrzewanego, ciekłego czynnika roboczego jest wypełniony glikolem.