RU2108520C1

RU2108520C1 - Solar liquid heater

Info

Publication number: RU2108520C1
Application number: RU96113161A
Authority: RU
Inventors: В.В. Сысун; Ю.Я. Коротеев
Original assignee: Сысун Виктор Викторович
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-04-10

Abstract

FIELD: solar-energy engineering. SUBSTANCE: solar heater includes tank 1 filled with liquid and provided with inlet branch pipe 3 and outlet branch pipe 4. On side of sun rays, tank is closed with at least one layer of insulation 9 transparent for rays and located at air gap relative to surface of tank cover directed to it for absorbing energy of sun rays. Cover is made in form of pan floating in tank. It is made from heat-conducting material and its inner surface directed to sun rays is coated with ray absorbing material. EFFECT: enhanced efficiency. 10 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности предназначено для использования в устройствах для нагревания жидкости (воды) с помощью энергии солнечного излучения, например, в душевых установках для дачных и фермерских владений, а также в установках обогрева помещений, в том числе для обогрева специальных объектов жидкостными теплоносителями. The invention relates to solar engineering, in particular, is intended for use in devices for heating a liquid (water) using solar radiation energy, for example, in shower installations for summer and farm estates, as well as in space heating installations, including for heating special objects with liquid coolants.

Известен солнечный водонагреватель, который выполнен в виде бака с прозрачной для солнечных лучей перегородкой, разделяющей входной и выходной патрубки с зазором для пропускания жидкости. На торце перегородки в зоне зазора, образованного этой перегородкой с боковой стенкой бака, установлены вертикальные пластины, образующие гидрозатвор. Указанный бак со стороны падающих солнечных лучей перекрыт проницаемой для них изоляцией, а днище его покрыто поглотителем энергии излучения солнца [1]. Known solar water heater, which is made in the form of a tank with a transparent partition for sunlight, dividing the inlet and outlet nozzles with a gap for passing liquid. At the end of the partition in the gap zone formed by this partition with the side wall of the tank, vertical plates are installed that form a water seal. The specified tank from the side of the incident sunlight is blocked by permeable insulation, and its bottom is covered with an absorber of solar radiation energy [1].

Недостатки описанного водонагревателя обусловлены образованием отложений, содержащихся в воде солей и примесей, на контактирующие с водой поверхности днища и прозрачной перегородки, снижающие КПД водонагревателя. The disadvantages of the described water heater are caused by the formation of deposits of salts and impurities in the water on the surfaces of the bottom and the transparent partition in contact with water, which reduce the efficiency of the water heater.

Кроме того, устройство может эксплуатироваться только в режиме непрерывного потока воды. In addition, the device can only be operated in a continuous flow of water.

В качестве прототипа выбран солнечный нагреватель жидкости, содержащий теплоизолированный заполняемый жидкостью металлический бак с входным и выходным патрубками, перекрытый со стороны падающих солнечных лучей одним или несколькими слоями оптически прозрачной изоляции. Обращенная к солнцу тепловоспринимающая поверхность бака, выполняющая функции преобразователя энергии солнечного излучателя в тепловую, зачернена либо покрыта селективно поглощающим слоем [2]. As a prototype, a solar liquid heater was selected, containing a thermally insulated metal tank filled with liquid with inlet and outlet nozzles, blocked from the side of incident sunlight by one or more layers of optically transparent insulation. The heat-reflecting surface of the tank facing the sun, which acts as a converter of the energy of the solar emitter to heat, is blackened or coated selectively with an absorbing layer [2].

Нагреватель может эффективно эксплуатироваться только при полном заполнении бака жидкостью, т.е. в условиях непрерывного ее протекания под напором. The heater can only be operated effectively when the tank is completely filled with liquid, i.e. in the conditions of its continuous flow under pressure.

Недостатки прототипа обусловлены снижением КПД преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию нагрева жидкости в тех случаях, когда уровень заполняемой бак жидкости снижается и она перестает контактировать с тепловоспринимающей поверхностью преобразователя. Это ограничивает применение солнечного нагревателя, например, в душевых установках, в которых в частично заполненном водой баке она нагревается неэффективно из-за образования при эксплуатации теплоизолирующей воздушной прослойки, отделяющей аккумулирующую тепло поверхность преобразователя от поверхности воды. The disadvantages of the prototype are due to a decrease in the efficiency of converting the energy of solar radiation into thermal energy of heating the liquid in those cases when the level of the filled liquid tank decreases and it ceases to contact the heat-absorbing surface of the converter. This limits the use of a solar heater, for example, in shower installations, in which it is heated inefficiently in a partially filled tank due to the formation of an insulating air gap during operation, which separates the heat-accumulating surface of the converter from the surface of the water.

Задачей изобретения является повышение КПД солнечного нагревателя жидкости при одновременном расширении его функциональных возможностей. The objective of the invention is to increase the efficiency of the solar fluid heater while expanding its functionality.

Технический результат достигается тем, что в солнечном нагревателе жидкости, содержащем заполненный этой жидкостью бак с входным и выходными патрубками, закрытый со стороны солнечных лучей по меньшей мере одним слоем прозрачной для лучей изоляцией, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней поглощающей энергию солнечных лучей поверхности крышки бака, указанная крышка выполнена в виде противня, плавающего в баке, причем крышка изготовлена из теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам, покрыта лучепоглощающим материалом. The technical result is achieved in that in a solar liquid heater containing a tank filled with this liquid with inlet and outlet nozzles, closed on the side of the sun with at least one layer of transparent insulation for the rays, located with an air gap relative to the surface absorbing energy from the sun's rays the lid of the tank, said lid is made in the form of a baking sheet floating in the tank, the lid being made of heat-conducting material, and its inner surface facing the sun To a stream of rays, it is covered with a ray-absorbing material.

Технический результат достигается и тем, что крышка размещена с возможностью полного экранирования обращенной к солнцу поверхности жидкости, а дно крышки выполнено гофрированным. The technical result is achieved by the fact that the lid is placed with the possibility of complete shielding of the liquid surface facing the sun, and the bottom of the lid is corrugated.

Достижению результата способствует и то, что на дне крышке выполнены погружаемые в жидкость теплопередающие ребра, а также то, что на дне крышки со стороны жидкости установлены поплавки. The result is also facilitated by the fact that heat transfer ribs immersed in the liquid are made at the bottom of the lid, as well as the fact that floats are installed on the bottom of the lid from the liquid side.

Еще одним средством достижения технического результата является то, что боковые стенки крышки выполнены скошенными под углом, лежащим в пределах 0-12^o относительно горизонтальной плоскости, при этом бак установлен с расположением каждой скошенной стенки в плоскости, проходящей через меридиан.Another means of achieving a technical result is that the side walls of the lid are beveled at an angle lying within 0-12 ^o relative to the horizontal plane, while the tank is installed with the location of each beveled wall in a plane passing through the meridian.

Технический результат достигается также тем, что прозрачный для солнечных лучей слой изоляции закреплен на боковых стенках крышки. The technical result is also achieved by the fact that the insulation layer transparent to sunlight is fixed on the side walls of the lid.

Кроме того, прозрачный для солнечных лучей слой изоляции выполнен из оптически прозрачного, устойчивого к воздействию солнечной радиации органического материала, например из целлофана или из листового стекла, и установлен на отбортовке стенок бака параллельно дну крышки. In addition, the insulation layer transparent to sunlight is made of an optically transparent organic material resistant to the effects of solar radiation, for example cellophane or sheet glass, and is mounted on the flanging of the tank walls parallel to the bottom of the lid.

Достижению технического результата способствует и то, что крышка выполнена из черненого тонколистового алюминия или его сплавов. The technical result is also facilitated by the fact that the lid is made of blackened sheet aluminum or its alloys.

Кроме того, по меньшей мере, часть наружной боковой поверхности и дно бака покрыты теплозащитным материалом. In addition, at least part of the outer side surface and the bottom of the tank are covered with heat-shielding material.

И, наконец, еще одним средством достижения технического результата является то, что в дне бака выполнен дополнительный выходной патрубок, который снабжен краном, причем на патрубке расположена сетчатая насадка с образованием душевой установки. And, finally, another means of achieving a technical result is that an additional outlet pipe is provided at the bottom of the tank, which is equipped with a tap, and a mesh nozzle is located on the pipe with the formation of a shower unit.

На фиг. 1 изображен солнечный нагреватель жидкости со слоем изоляции, установленным на плавающем противне, вид сбоку, частично в разрезе меридиональной плоскостью; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - солнечный нагреватель жидкости со слоем изоляции, установленным на отбортовке стенок бака, вид сбоку, частично в разрезе меридиональной плоскостью; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3. In FIG. 1 shows a solar fluid heater with an insulation layer mounted on a floating baking sheet, side view, partially in section, by a meridional plane; in FIG. 2, section AA in FIG. one; in FIG. 3 - solar fluid heater with an insulation layer installed on the flanging of the walls of the tank, side view, partially in section, by the meridional plane; in FIG. 4 section BB in FIG. 3.

Солнечный нагреватель жидкости выполнен в виде прямоугольного металлического бака 1, заполненного жидкостью 2, например водой. Бак 1 имеет входной патрубок 3 с краном и два выходных патрубка 4 и 5, один из которых (патрубок 4) может быть использован для непрерывного стока подогреваемой жидкости, а другой (патрубок 5) также имеет кран 6 и сопряжен с насадкой 7, образуя душевую установку. Solar fluid heater is made in the form of a rectangular metal tank 1, filled with liquid 2, for example water. Tank 1 has an inlet pipe 3 with a faucet and two outlet pipes 4 and 5, one of which (pipe 4) can be used to continuously drain the heated fluid, and the other (pipe 5) also has a crane 6 and is connected to the nozzle 7, forming a shower installation.

Со стороны падающих солнечных лучей 8 бак 1 перекрыт верхней крышкой с закрепленным на ее боковых стенках прозрачным для солнечных лучей слоем изоляции 9. Этот слой изоляции образует воздушный зазор 10 с указанной крышкой, выполненной в виде плавающего противня 11. Последний установлен в баке 1 с некоторым погружением, но непотопляемо на поверхности жидкости 2. From the side of the incident sun rays 8, tank 1 is covered by a top cover with an insulation layer 9 transparent to sunlight, fixed on its side walls. This insulation layer forms an air gap 10 with the specified cover, made in the form of a floating pan 11. The latter is installed in tank 1 with some by immersion, but unsinkable on the surface of the liquid 2.

Противень 11 изготовлен из легкого теплопроводного материала, а ее внутренняя поверхность, обращенная к солнечным лучам 8, покрыта лучепоглощающим материалом 12. В рассматриваемых вариантах использования противень изготовлен из черненого алюминия или легких сплавов на его основе. Внутренняя часть противня 11 покрыта со стороны подающих солнечных лучей матированным слоем черной краски или копотью сажеобразующих горючих веществ. Противень 11 установлен в баке 1 с возможностью полного экранирования обращенной к солнцу поверхности жидкости, уменьшая тем самым испарение до минимума. Однако при этом обеспечивается перемещение противня вверх и вниз при заполнении бака 1 жидкостью и при снижении уровня жидкости 2 в результате ее расходования. Для увеличения поверхности контакта противня 11 с жидкостью 2 и как следствие повышения теплопередачи, его дно имеет гофры 14, т.е. выполнено гофрированными (см. фиг. 2). Во втором варианте использования на дне противня 15 изготовлены погружаемые в жидкость теплопередающие ребра 16 (см фиг. 3 и 4), которые еще более усиливают эффект передачи аккумулируемого противнем тепла в объем жидкости, ускоряя ее прогревание. The baking sheet 11 is made of light heat-conducting material, and its inner surface facing the sun's rays 8 is covered with a ray-absorbing material 12. In the considered use cases, the baking sheet is made of blackened aluminum or light alloys based on it. The inner part of the pan 11 is covered on the side of the sun with a frosted layer of black paint or soot soot-forming combustible substances. The pan 11 is installed in the tank 1 with the possibility of complete shielding of the liquid surface facing the sun, thereby reducing evaporation to a minimum. However, this ensures that the pan is moved up and down when the tank 1 is filled with liquid and when the level of liquid 2 decreases as a result of its consumption. To increase the contact surface of the pan 11 with the liquid 2 and, as a consequence, increase the heat transfer, its bottom has corrugations 14, i.e. made corrugated (see Fig. 2). In the second embodiment, heat transfer ribs 16 immersed in liquid are made at the bottom of the baking sheet 15 (see FIGS. 3 and 4), which further enhance the effect of transferring the heat accumulated by the baking sheet to the volume of the liquid, accelerating its heating.

Глубина погружения противней 11 и 15 в жидкость рассчитывается с учетом массы выбранного материала, рода нагреваемой жидкости и поверхности контакта с ней, а его боковые стенки не должны превышать 15-30 мм над уровнем поверхности жидкости в рабочем состоянии устройства. The immersion depth of the trays 11 and 15 in the liquid is calculated taking into account the mass of the selected material, the kind of heated liquid and the contact surface with it, and its side walls should not exceed 15-30 mm above the level of the liquid surface in the working state of the device.

Для уменьшения глубины погружения противня в жидкость, что равнозначно снижению материалоемкости, на его дне со стороны контакта с ней установлены поплавки 17 (см. фиг. 3 и 4). Поплавки могут быть размещены на периферии противня и закреплены на теплопередающих ребрах 16. To reduce the immersion depth of the baking sheet in the liquid, which is equivalent to reducing material consumption, floats 17 are installed on its bottom from the side of contact with it (see Figs. 3 and 4). The floats can be placed on the periphery of the pan and fixed on the heat transfer ribs 16.

Противни 11 и 15 в обоих вариантах исполнения устройства (см. фиг. 1 и 3) в меридиональном сечении плоскостью с севера на юг, что соответствует предпочтительной ориентации устройства при эксплуатации его в северных широтах, выполнены с боковыми стенками, скошенными в выбранных пределах от 0 до 12^o относительно горизонтальной плоскости, соответствующими изменению угла наклона его дна, за счет смещения центра тяжести в сторону увеличенной высоты его боковых стенок.Pans 11 and 15 in both versions of the device (see Fig. 1 and 3) in a meridional section with a plane from north to south, which corresponds to the preferred orientation of the device when operating it in northern latitudes, are made with side walls, beveled in selected ranges from 0 up to 12 ^o relative to the horizontal plane, corresponding to a change in the angle of inclination of its bottom, due to the displacement of the center of gravity towards the increased height of its side walls.

В первом варианте исполнения солнечного нагревателя жидкости (см. фиг. 1 и 2) прозрачный для солнечных лучей слой изоляции 9 установлен через уплотнение непосредственно или в специальной оправке на боковых стенках плавающего противня, образуя воздушный зазор 10 с покрытым лучепоглощающим материалом 12 дном 13. Слой изоляции 9 размещен на стенках противня 11 таким образом, чтобы исключить попадание пыли и осадков на лучепоглощающий материал 12. Стравливание избыточного давления воздуха, возникающего при нагревании плавающего противня 11, может быть осуществлено через капиллярные каналы (не показаны), выполненные в боковых стенках противня 11 выше уровня погружения его в жидкость 2, либо через устройство традиционного сапуна (не показано). In the first embodiment of the solar fluid heater (see Figs. 1 and 2), the insulation layer transparent to the sun’s rays 9 is installed directly through the seal or in a special mandrel on the side walls of the floating pan, forming an air gap 10 with a coated ray-absorbing material 12 bottom 13. Layer insulation 9 is placed on the walls of the pan 11 in such a way as to prevent dust and sediment from entering the beam-absorbing material 12. Venting the excess air pressure that occurs when the floating pan 11 is heated can It was carried out through capillary channels (not shown) made in the side walls of the pan 11 above the level of immersion in liquid 2, or through a traditional breather device (not shown).

Во втором варианте исполнения (см. фиг. 3 и 4) прозрачный для солнечных лучей слой изоляции 19 установлен на отбортовке стенок бака 18 параллельно дну плавающего противня 15. In the second embodiment (see Figs. 3 and 4), an insulation layer 19 transparent to sunlight is mounted on the flanging of the walls of the tank 18 parallel to the bottom of the floating pan 15.

Оба варианта исполнения устройства предусматривают использование в качестве слоя изоляции 9 и 19 оптически прозрачного, устойчивого к воздействию солнечной реализации целлофана или листового стекла. Both versions of the device provide for the use as an insulation layer 9 and 19 optically transparent, resistant to the effects of solar sales of cellophane or sheet glass.

Для устройства, показанного на фиг. 1 и 2, предпочтение следует отдавать использованию в качестве слоя изоляции 9 целлофана, натянутого на облегченную оправку 20, устанавливаемую на скошенные стенки противня 11 под небольшим углом к горизонту, обеспечивающим сток дождевой воды в зазоры между стенками противня и бака. For the device shown in FIG. 1 and 2, preference should be given to using cellophane as an insulation layer 9, stretched on a lightweight mandrel 20 mounted on the sloping walls of the baking sheet 11 at a slight angle to the horizon, providing rainwater flow into the gaps between the walls of the baking sheet and the tank.

Кроме того, бак 1 может быть дополнительно перекрыт листовым стеклом (не показан), увеличивающим тепловую изоляцию радиационно нагреваемого дна плавающего противня 11 и защищающим его от загрязнения. In addition, the tank 1 can be additionally covered with sheet glass (not shown), which increases the thermal insulation of the radiation-heated bottom of the floating pan 11 and protects it from pollution.

Оба предложенных варианта исполнения устройства предусматривают покрытие по крайней мере части наружной боковой поверхности и днища бака 1 и 18 теплозащиты материалом 21 и 22 соответственно, например пенопластом, защищенным фольгой с наружной стороны. Both proposed variants of the device provide for coating at least part of the outer side surface and the bottom of the tank 1 and 18 with thermal protection material 21 and 22, respectively, for example, foam, protected by a foil from the outside.

Функционирование солнечного нагревателя жидкости осуществляется следующим образом. The functioning of the solar fluid heater is as follows.

При заполнении бака 1 или 18 (см. фиг. 1 и 3) жидкостью через входной патрубок 3 плавающие противни 11 и 15 соответственно всплывают и поднимаются в крайнее верхнее положение в баке, которое определяется уровнем выходного патрубка 4. When filling the tank 1 or 18 (see Fig. 1 and 3) with liquid through the inlet pipe 3, the floating trays 11 and 15, respectively, float up and rise to the highest position in the tank, which is determined by the level of the outlet pipe 4.

Солнечные лучи 8 проходят через прозрачный для них слой изоляции 9 и 19 и поступают на внутреннюю покрытую лучепоглощающим материалом 12 поверхность плавающего противня 11, нагревая ее до температуры, достигающей 70-80^oC. За счет кондуктивной теплопередачи и высокой теплопроводности материала дна плавающего противня 11 энергия солнечного излучения, преобразованная в тепловую, передается в объем жидкости (воды), в которую частично погружен противень, нагревая ее. При этом за счет перекрытия объема противня 11 (или бака 18) слоем оптически прозрачной изоляции 9 и 19 образуются воздушные зазоры, существенно снижающие конвективный теплообмен дна противня 11 или 15 с окружающей средой (проявляется "парниковый эффект"), что способствует быстрому накоплению тепла и эффективному нагреву жидкости. Последнему способствует также удовлетворительный кондуктивный и конвективный теплообмен между дном плавающего противня 11 и 15 и жидкостью за счет имеющихся на дне гофр или теплопередающих ребер.The sun's rays 8 pass through an insulation layer 9 and 19 transparent to them and enter the surface of the floating pan 11 covered with the radiation-absorbing material 12, heating it to a temperature of 70-80 ^o C. Due to the conductive heat transfer and high thermal conductivity of the material of the bottom of the floating pan 11 the energy of solar radiation, converted into heat, is transferred to the volume of liquid (water) into which the pan is partially immersed, heating it. In this case, due to the overlapping volume of the baking sheet 11 (or tank 18) with the layer of optically transparent insulation 9 and 19, air gaps are formed that significantly reduce the convective heat transfer of the bottom of the baking sheet 11 or 15 with the environment (a “greenhouse effect” is manifested), which contributes to the rapid accumulation of heat and effective heating of the liquid. The latter is also promoted by a satisfactory conductive and convective heat transfer between the bottom of the floating pan 11 and 15 and the liquid due to the corrugations or heat transfer ribs present on the bottom.

Предлагаемый нагреватель эффективно функционирует как в режиме непрерывного подогрева слабопроточной жидкости через выходной патрубок 4 при открытом входном патрубке 3 и перекрытом краном 6 выходном патрубке 5, так и в режиме дискретного подогрева жидкости в заполненных баках 1 или 18 и перекрытых патрубках 3 и 5. The proposed heater efficiently operates both in the mode of continuous heating of low-flowing fluid through the outlet pipe 4 with the inlet pipe 3 open and the outlet pipe 5 blocked by the tap 6, and in the discrete heating mode of the liquid in the filled tanks 1 or 18 and the blocked pipes 3 and 5.

Оба варианта исполнения устройства предусматривают как стационарную подачу жидкости (воды) через входной патрубок 3 от водопровода, так и ручное заполнение бака через воронку (не показано), сопрягаемую с указанным входным патрубком. Both versions of the device provide both a stationary supply of liquid (water) through the inlet pipe 3 from the water supply, and manual filling of the tank through a funnel (not shown), mating with the specified inlet pipe.

Преимущества предлагаемого нагревателя вытекают из возможности эффективного нагрева жидкости с более высоким КПД независимо от условий его использования, непрерывного или кратковременно (дискретного), и как следствие в расширении его функциональных возможностей (для душа, обогрева и т.п.). The advantages of the proposed heater stem from the possibility of efficient heating of a liquid with a higher efficiency, regardless of the conditions of its use, continuous or short-term (discrete), and as a result in the expansion of its functionality (for shower, heating, etc.).

Claims

1. Solar fluid heater, containing a liquid-filled tank with inlet and outlet nozzles, closed on the side of the sun with at least one layer of transparent for rays insulation, located with an air gap relative to it and absorbing the energy of the sun's rays the surface of the tank lid, characterized in that the lid is made in the form of a baking sheet floating in the tank, and the lid is made of heat-conducting material, and its inner surface facing the sun's rays is coated with radiation absorbing material.

2. The heater according to claim 1, characterized in that the cover is placed with the possibility of complete shielding of the liquid facing the sun, and the bottom of the cover is corrugated.

3. The heater according to claim 1, characterized in that the heat transfer ribs immersed in the liquid are made at the bottom of the lid.

4. The heater according to claims 1 to 3, characterized in that floats are installed at the bottom of the lid on the liquid side.

5. The heater according to claims 1 to 4, characterized in that the side walls of the lid are beveled at an angle of 0 - 12 ^o relative to the horizontal plane, while the tank is installed with the location of each beveled wall in the plane passing through the meridian.

6. The heater according to claims 1 to 5, characterized in that a layer of insulation transparent to sunlight is fixed to the side walls of the lid.

7. The heater according to claims 1 to 6, characterized in that the insulation layer transparent to sunlight is made of optically transparent organic material resistant to the effects of solar radiation, for example cellophane or sheet glass, and is mounted on the flanging of the tank walls parallel to the bottom of the lid .

8. The heater according to claims 1 to 7, characterized in that the cover is made of blackened sheet aluminum or its alloys.

9. The heater according to claims 1 to 8, characterized in that at least part of the outer side surface and the bottom of the tank are covered with heat-shielding material.

10. The heater according to claims 1 to 9, characterized in that at the bottom of the tank an additional inlet pipe is made, which is equipped with a faucet, and a mesh nozzle is located on the pipe with the formation of a shower unit.