RU1776937C - Система солнечного теплоснабжени - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : солнечный коллектор 1 системы выполнен в виде капилл рного насоса-испарител , снабженного капилл рно-пористой вставкой 2 и теплоизолированным гидроаккумул тором 7, и включен в тепло передающий циркул ционный контур, состо щий из подающего трубопровода - паропровода 11, возвратного трубопровода - конденсатопровода 10 и теплообменника - конденсатора 12, размещенного в баке-аккумул торе 13. Вставка 2 выполн ет функции теплового и гидравлического затворов. 1 з. п. ф-лы, 7 ил. - 9 сл VJ vj О О Сл V Фиг.}

Description

Изобретение относитс  к системам, преобразующим солнечную энергию в тепловую , и может быть использовано в атомных системах солнечного теплоснабжени  жилых и других помещений.

Известна система солнечного теплоснабжени  (1), содержаща  солнечные коллекторы , параллельно соединенные между собой и заполненные теплоносителем. Солнечные коллекторы посредством прдающе- го и возвратного трубопроводов соединены с теплообменником с образованием замкнутого контура, причем, каждый из коллекторов со стороны подающего и возвратного трубопроводов снабжен камерами, сообщенными при помощи обратных клапанов с полостью коллектора. Данна  система позвол ет обеспечить естественную циркул цию теплоносител  и передачу тепла без использовани  дополнительных средств, потребл ющих энергию,-за счет пульсаций давлени  в коллекторах. Дл  этого последние размещаютс  на разных уровн х в поле т жести, а степень заполнени  системы такова , что верхний коллектор заполнен частично . К числу недостатков такой системы относ тс , во-первых, недостаточные надежность и ресурс, обусловленные наличием подвижных исполнительных элементов-клапанов, подверженных механическому износу. Во-вторых, ограниченность условий использовани , требующих строго определенного положени  коллекторов друг относительно друга в гравитацион- ном поле, а также необходимость равномерной плотности солнечного облучени . В-третьих, недостаточна  эффективность и стабильность прокачивающего механизма, каковым  вл ютс  пульсации давлени , дл  прокачки однофазной среды, когда дл  передачи достаточно большого количества тепла требуетс  поддерживать весьма высокий расход жидкости.

Известна также гелиосистема, наиболее близка  к предлагаемому техническому решению, предназначенна  дл  солнечного теплоснабжени  (2), котора  содержит солнечный коллектор с отражателем, имеющий жидкостную и паровую зоны с подключенным к последней конденсатором. Коллектор посредством подающего и возвратного трубопроводов с образованием замкнутого контура сообщен с теплообменниками, по крайней мере, один из которых расположен в баке-аккумул торе. Причем, коллектор снабжен установленной в жидкостной зоне трубкой с выведенным из коллектора нижним концом, подключенным при помощи трехходового вентил  к контуру между коллектором , баком-аккумул тором и теплообменником . Рассматриваема  система также позвол ет обеспечить естественную циркул цию теплоносител  без использовани  дополнительной энергии на его прокачку.

Недостатки такой системы солнечного

теплоснабжени  заключаетс , во-первых, в том, что она обладает недостаточно высокой теплопередающей способностью. Это св зано с тем, что величина создаваемого движущего напора, обусловленна  разностью плотностей жидкости и парожидкостной смеси, а также длиной и углом наклона коллектора ,  вл етс  относительно небольшой. Это можно показать на следующем примере

дл  системы мощностью 1 кВт с фреоном- 113 в качестве теплоносител  при рабочей температуре в паровой зоне коллектора 50° С.

Если прин ть, что объемна  дол  паровой фазы в парожидкостной смеси равна 30 % (величина характерна  дл  развитого пузырькового кипени ) и ее плотностью пренебречь по сравнению с плотностью жидкости, а длину коллектора выбрать 0.5 м

и угол наклона его к горизонтальной плоскости задать равным 45°, то величина напора может быть определена так: ДР (р ж - 0,7х х/) ж) I sin р (1503 - 1052) х 0,5 х 0,7 х 9,8 1,5 кПа.

где уОж- плотность жидкости, кг/м3; I - длина коллектора, м; р - угол наклона, град; а - ускорение свободного падени , м/с.

Если также прин ть, что обща  длина циркул ционного контура системы равна 10 м, то гидравлическое сопротивление его за счет только в зкостных потерь при внутреннем диаметре трубопровода 8 х м согласно формуле Гагена-Пуазейл  будет равно:

АРж

8/4ж Сж L 8 х 0,502 х х 4,9 х 10 х 10

/ЭжЛт

-1,6кПа,

1503хЗ,14х256х 10

-12

где - коэффициент динамической в зко- сти, Па-с;

L - длина контура, м;

г - радиус трубопровода, м;

Сж - массовый расход теплоносител , определенный по формуле:

6ж Q/c At 17(0.674x30) 4,9x10 2 кг/с, где Q - мощность. кДж/с (кВт);

с - удельна  теплоемкость жидкости, кДж/(кг-град);

At - разность между начальной и конечной температурами теплоносител  в коллекторе.

Если иметь также в виду, что при учете плотности паровой фазы, а также снижении ее объемной доли в парожидкостной смеси величина движущего напора может снизитьс  на 25-30 %. то из этого примера видно, что дл  обеспечени  работоспособности системы следует либо увеличивать длину коллектора, либо увеличивать диаметр трубопровода, либо сокращать длину контура, либо снизить величину передаваемого теплового потока. Произведение двух последних величин составл ет теплопере- дающую способность, котора  должна быть снижена, а первые две характеристики св заны с увеличением материалоемкости и массогабаритных характеристик системы.

Во-вторых, к числу существенных недостатков рассматриваемой системы относитс  наличие дополнительных потерь тепла, св занных с необходимостью конденсации той части паровой фазы теплоносител , котора  создает парожидкостную смесь в кол- лекторе и котора  не успевает сконденсироватьс  в недогретой жидкости. Через специальный конденсатор-теплообменник это тепло,  вл ющеес  частью солнечной энергии.поглощенной коллектором, бесполезным образом рассеиваетс  в окружающую среду. В зависимости от объемно- го паросодержаник паровой фазы в парожидкостной смеси величина этих потерь измен етс , составл   примерно 2-3 % при объемном паросодержании 30 %, что  вл етс  достаточно заметной величиной при относительно невысоких КПД гелиосистем .

Кроме того, к числу недостатков можно отнести также и то, что рассматриваема  система не  вл етс  полностью автономной , поскольку нуждаетс  в периодических дозаправках теплоносител  при работе с открытым верхним клапаном.

Целью изобретени   вл етс  повышение эффективности использовани  солнечной энергии системой солнечного теплоснабжени  без затрат дополнительной энергии путем использовани  капилл рных сил, создаваемых в коллекторе, и передачи тепла теплоносителем в паровой фазе.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что система солнечного теплоснабжени  содержит солнечный коллектор-насос, подающий и возвратный трубопроводы которого соединены с теплообменником, установленным в баке-аккумул торе с образованием циркул ционного контура, причем

коллектор-насос имеет паровую и жидкостную зоны, разделенные капилл рно-пористой вставкой, жидкостна  зона снабжена гидроаккумул тором, подающий трубопро- 5 вод подключен к паровой зоне, а возвратный - к гидроаккумул тору. Система может быть снабжена также дополнительным циркул ционным контуром, состо щим из теплообменника , размещенного в

0 баке-аккумул торе, и одним или несколькими раздающими теплообменниками. Циркул ци  теплоносител  в дополнительном контуре осуществл етс  путем естественной конвекции независимо от основного

5 контура. Система солнечного теплоснабжени  может содержать также солнечный коллектор , выполненный в виде секций, состо щих из параллельно включенных коллекторов-насосов с индивидуальными или

0 общим гидроаккумул торами.

На фиг. 1 представлена принципиальна  схема системы солнечного теплоснабжени ; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1: на фиг. 3 -вариант солнечного коллектора в

5 виде секций из параллельно соединенных насосов; на фиг. 4 - то же, в виде секций из встречно-параллельно соединенных насосов; на фиг. 5 - то же, из насосов с общим гидроаккумул тором; на фиг. 6 и 7 - конст0 руктивные варианты солнечных коллекторов-насосов .

Система солнечного теплоснабжени  содержит солнечный коллектор 1, выполненный в виде насоса, снабженного капил5 л рно-пористой вставкой 2, на поверхности которой, плотно прилегающей к обогреваемой стенке солнечного коллектора 1, выполнены продольные пароотводные каналы 3, образующие вместе с резьбовыми канавка0 ми 4 на внутренней поверхности коллектора 1 систему каналов дл  отвода пара испар ющей поверхности вставки 2. Вставка 2 имеет также центральный канал 5, образующий впитывающую поверхность 6. Солнеч5 ный коллектор-насос 1 снабжен также гидроаккумул тором 7, расположенным между его торцовой поверхностью и вставкой 2 со стороны центрального канала 5, имеющим тепловую изол цию 8 и заправочный штен0 гель 9. Выходной конец возвратного трубопровода 10 размещен в гидроаккумул торе 7, а входной конец подающего трубопровода 11 сообщен с выходными отверсти ми пароотводных каналов 3. Солнечный коллектор 1

5 посредством трубопроводов 10и 11 соединен с теплообменником 12, размещенным в баке- гидроаккумул торе 13. В баке-гидроаккумул торе может быть также размещен теплообменник 14 дополнительного циркул ционного контура с раздающими теплообменниками 15. Дл  включени  дополнительного контура служит вентиль 16. Солнечный коллектор, выполненный в виде секций из параллельно или встречно-параллельно соединенных насосов 1 с индивидуальными или общими гидроаккумул торами 7 сопр жен с теплоприемной панелью 17 или солнечным отражателем (не показан).

Основной и дополнительный контуры отвакуумированы и заправлены теплоносителем , например, аммиаком. Заправка теплоносителем контура осуществл етс  в таком количестве, что его уровень в нерабочем состо нии находитс  в контакте с нижним торцом капилл рно-пористой вставки 2 .пропитанной теплоносителем, а объем гидроаккумул тора равен суммарному внут- реннемуобъему трубопровода 11 и теплообменника 12.

Система солнечного теплоснабжени  работает следующим образом.

Под действием теплового потока солнечного излучени , подводимого к солнечному коллектору 1, происходит испарение теплоносител  из капилл рно-пористой вставки 2 с ее поверхности, наход щейс  в тепловом контакте с нагреваемой поверхностью коллектора 1. Отвод пара с поверхности вставки 2 осуществл етс  по пароотводным каналам 3 и 4, Температура, а следовательно, и давление пара над испар ющими менисками вставки 2 в пароотводных каналах 3 и 4 выше, чем температура пара над впитывающей поверхностью 6 в центральном канале 5. Это обусловлено тем, что пропитанный теплоносителем капилл рно-пористый слой вставки 2, раздел ющий обе эти поверхности (испар ющую и впитывающую), выполн ет роль теплового затвора, облада  определенным термическим сопротивлением, соответствующим толщине стенки и эффективной теплопроводности вставки 2. За счет возникающего при этом перепада давлений пар, выход щий из пароотводных каналов 3 и 4 и поступающий в подающий трубопровод 11, вытесн ет жидкость из этого трубопровода и теплообменника 12, освобожда  в последнем поверхность дл  конденсации, Вытесн емый теплоноситель по возвратному трубопроводу 10 поступает в гидроаккумул тор 7, затем в центральный канал 5, впитываетс  в капилл рно-пористую вставку 2 через поверхность 6 и восполн ет тем самым потерю испар ющегос  теплоносител . Такой процесс двухфазной циркул ции теплоносител  в контуре возможен лишь в том случае, если нар ду с функцией теплового затвора вставка выполн ет также фун- кцию гидравлического затвора. Эта

функци  обусловлена тем, что за счет капилл рных (поверхностных) сил, возникающих в пропитанной теплоносителем вставке 2, последн    вл етс  непроницаемой дл  пара , остава сь проницаемой дл  жидкости, предотвраща  тем самым перетечки гор чего пара от испар ющей поверхности к впитывающей . Таким образом, за счет действи  капилл рных сил и наличи  термического

0 сопротивлени  вставки 2 реализуетс  функци  капилл рного насоса, обеспечивающего циркул цию теплоносител  в контуре.

Поскольку в рабочем состо нии, когда теплоноситель заполн ет центральный ка5 нал 5 и часть гидроаккумул тора 7, неободи- мо поддерживать перепад давлений между поверхностью испарени  в каналах 3 и 4 и поверхностью раздела пэр-жидкость в гидроаккумул торе 7, последнюю необходимо

0 защитить от излишних теплопритоков, например , путем ее теплоизол ции 8 от пр мого солнечного излучени  и от теплового воздействи  окружающего воздуха. Дл  организации теплоснабжени  в ночное врем 

5 или пасмурную погоду служит дополнительный контур, включающий теплообменник 14, получающий тепло от бака-аккумул тора , и раздающие теплообменники 15, устанавливаемые в обогреваемых помещени х.

0 Циркул ци  теплоносител  в дополнительном контуре осуществл етс  путем естественной конвекции при открытом вентиле 16. Дл  вакуумировани  и заправки системы теплоносителем служит штенгель 9.

5 Предлагаема  система солнечного теплоснабжени  обеспечивает эффективное поглощение энергии солнечного излучени  за счет полного испарени  теплоносител  в солнечном коллекторе-насосе и циркул 0 цию в паровой и жидкой фазах за счет капилл рных сил без дополнительных потерь и источников энергии. Так. например, дл  передачи теплового потока величиной 1 кВт от солнечного коллектора, наход щегос  на

5 крыше строени , к теплообменнику, расположенному на этажах или в подвальном помещении , на рассто ние 7 м по трубопроводам диаметром 8 мм требуетс  давление около 50 кПа (0,5 атм), Такое дав0 ление способна обеспечить специально созданна  дл  этого капилл рна  структура встзвки 2 с радиусом пор пор дка 0,7 мкм, если в качестве теплоносител  используетс  аммиак при 40-50° С. Размеры солнечно5 го коллектора-насоса при этом могут быть относительно невелики: диаметр 25-30 мм, длина топлоприемной части 250-300 мм, объем гидроаккумул тора около 0,5 л.

Дл  увеличени  мощности системы солнечного теплоснабжени  солнечные коллекторы такого типа могут быть выполнены в виде секций из параллельно или встречно- параллельно включенных насосов. В этом случае целесообразно использовать специальное пэнели-теплосборники 16. которые собира  тепло солнечного излучени  с большой поверхности, концентрируют его на солнечных коллекторах-насосах.

Поскольку рассматриваема  система обеспечивает теллосъем в солнечном кол- лекторе за счет полного испарени  теплоносител , подводимого капилл рными силами к нагреваемой поверхностей перенос энергии паром в виде скрытой теплоты парообразовани , то в данном случае реализуетс  наиболее эффективный способ отвода тепла и передача его без каких-либо дополнительных потерь энергии, св занных с организацией движени  теплоносител  в циркул ционном контуре.

Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаема  система солнечного теплоснабжени  позвол ет более эффективно использовать солнечную энергию за счет интенсификации теплосьема и увеличени  теплопередающей способности системы при одновременном снижении потерь тепла , св занных с организацией движени  теплоносител  в циркул ционном контуре. Кроме того, данна  система  вл етс  полностью автономной, поскольку на требуетс  периодической дозаправки теплоносител  в течение всего ресурсного срока.

Claims (2)

1.Система солнечного теплоснабжени , содержаща  солнечный коллектор-насос , подающий и возвратный трубопроводы которого соединены с теплообменником, установленным в баке-аккумул торе, с образованием замкнутого циркул ционного контура, причем коллектор-насос имеет паровую и жидкостную зоны, отличающа с  тем, что. с целью повышени  эффективности использовани  солнечной энергии , парова  и жидкостна  зоны разделены между собой капилл рно-пористой вставкой , жидкостна  зона снабжена гидроаккумул тором , подающий трубопровод подключен к паровой зоне, а возвратный - к гидроаккумул тору.

2.Система по п. 1,отличающа с  тем, что гидроаккумул тор снабжен теплоизол цией .

8,

/7

А-А

7

4

Фиг. 2

Ю

10

Фиг Ј

Pur.7