RU2386907C1

RU2386907C1 - Solar-wind water heating plant

Info

Publication number: RU2386907C1
Application number: RU2009107808/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Михайлович Кокарев (RU); Александр Михайлович Кокарев; Игорь Борисович Бирюлин (RU); Игорь Борисович Бирюлин; Борис Иосифович Школьник (RU); Борис Иосифович Школьник; Тагир Фасхидинович Шамсудинов (RU); Тагир Фасхидинович Шамсудинов
Original assignee: Александр Михайлович Кокарев; Игорь Борисович Бирюлин; Борис Иосифович Школьник; Тагир Фасхидинович Шамсудинов
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-04-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: solar-wind water heating plant consists of sectional double-pipe heat exchanger; vertical sectional heat generator the shaft of which rotates wind engine arranged in the building on the roof of which there mounted is water container the straight and return pipelines of which are hydraulically connected to them. Heat exchanger is installed after diathermic screen from southern face of the building, behind which there arranged is heat generator having lower - heat generating, middle - heat accumulating and upper - pump stations. Pump station impeller attached to heat generator shaft pumps the water via pipelines through heat exchanger to the container and back to pump station. Heated container water is consumed for user needs, and constant volume is maintained in it with a float level regulator connected to cold water supply system.

EFFECT: invention will allow combining the above equipment to provide water heating by using solar and wind energy.

4 dwg

Description

Изобретение относится к гелиоветроэнергетике и может быть использовано в системах горячего водоснабжения жилых и производственных помещений.The invention relates to solar energy and can be used in hot water systems of residential and industrial premises.

Известен многосекционный теплообменник типа «труба в трубе», содержащий секции внутренних и наружных труб, соединенные внахлестку и с помощью втулок, он может быть любой длины при соединении секций по спирали в виде змеевика (а.с. 311124, 1971 г., СССР).Known multi-sectional heat exchanger of the type "pipe in pipe", containing sections of the inner and outer pipes, connected by lap and with sleeves, it can be of any length when connecting the sections in a spiral in the form of a coil (A.S. 311124, 1971, USSR) .

В известном теплообменнике нагрев воды производится высокотемпературным теплоносителем например паром. Солнце и ветер для нагрева воды в нем не используются.In a known heat exchanger, water is heated by a high-temperature coolant such as steam. The sun and wind are not used to heat water in it.

Известен теплогенератор для биореактора, содержащий вертикальный корпус с поярусно размещенными в нем секциями, контактирующие через вал с ветродвигателем, а верхняя секция через нагревательный и всасывающий трубопровод связана с биореактором (патент РФ 2230933, 2004 г.).A heat generator for a bioreactor is known, comprising a vertical casing with sections arranged in belts in contact with a wind turbine, and the upper section is connected to the bioreactor through a heating and suction pipe (RF patent 2230933, 2004).

В известном теплогенераторе нагрев рабочей жидкости производится за счет преобразования энергии ветра в тепловую, солнечная энергия для нагрева жидкости в нем не используется.In the known heat generator, the heating of the working fluid is carried out by converting wind energy into heat, solar energy is not used to heat the fluid in it.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор», содержащая лучепрозрачный экран, черную лучевоспринимающую поверхность стены и жалюзи (В.Н.Богословский и др. Отопление, 1991 г., Стройиздат, стр.710, Рис.20.5).Closest to the technical nature of the claimed solution is a passive low-temperature solar heating system "wall-collector" containing a translucent screen, a black radiation-perceptive surface of the wall and blinds (V.N. Bogoslovsky et al. Heating, 1991, Stroyizdat, p. 710 , Fig. 20.5).

В конструкции известной системы не предусмотрен нагрев воды и ее использование. Технический результат заключается в комбинировании известным оборудованием для обеспечения нагрева воды, используя солнечную и ветровую энергии.The design of the known system does not provide for water heating and its use. The technical result consists in combining well-known equipment for providing water heating using solar and wind energy.

Технический результат достигается тем, что солнечно-ветровая водонагревательная установка, состоящая из теплообменника и теплогенератора, размещенные в помещении, на крыше которого установлена водяная емкость, связанная гидравлически прямым и обратным трубопроводами с ними, а также системой подачи холодной воды и потребителем горячей воды, согласно изобретению теплообменник состоит из секций типа «труба в трубе», установленный вертикально за лучепрозрачным экраном, перед которым установлены жалюзи, пропускающие через себя солнечные лучи. Теплогенератор, установленный за теплообменником, содержит цилиндрический корпус с поярусно размещенными в нем секциями, разделенными между собой перегородками, и крышку, через которую проходит вал, через муфту вверху соединенный с валом ветродвигателя. Нижняя секция теплогенератора - теплогенерирующая, средняя секция - теплоаккумулирующая и верхняя секция - насосная, в которой к валу, в верхней части, прикреплено рабочее колесо насоса, через патрубок в крышке теплогенератора производится всасывание жидкости, а через патрубок, прикрепленный сбоку секции, - ее нагнетание. Емкость имеет в верхней части, с левой стороны, патрубок, через вентиль сообщена с системой подачи холодной воды, а в нижней части она имеет патрубок, через вентиль связана с потребителем горячей воды, причем верхний патрубок внутри емкости сообщен с поплавковым регулятором уровня, к которому прикреплен U-образный трубопровод, размещенный в емкости, с выходным его отверстием в ее правой части. Теплообменник с правой стороны имеет вентили, сообщающие его через байпасный трубопровод с вентилем и прямым трубопроводом с емкостью, которая справа в нижней части через вентиль, обратный трубопровод и патрубок в крышке сообщена с теплогенератором, с его насосной секцией, которая через патрубок и вентиль сообщена с байпасным трубопроводом с левой стороны.The technical result is achieved by the fact that the solar-wind water heating installation, consisting of a heat exchanger and heat generator, is located in a room on the roof of which a water tank is installed, hydraulically connected by direct and return pipelines with them, as well as a cold water supply system and a hot water consumer, according to According to the invention, the heat exchanger consists of “pipe-in-pipe” sections, mounted vertically behind a translucent screen, in front of which are installed blinds that allow solar to pass through rays. The heat generator, installed behind the heat exchanger, contains a cylindrical body with sections arranged in tiered sections separated by partitions, and a cover through which the shaft passes, through the coupling at the top connected to the shaft of the wind turbine. The lower section of the heat generator is heat generating, the middle section is heat storage and the upper section is the pump section, in which the pump impeller is attached to the shaft in the upper part, liquid is sucked through the nozzle in the heat generator cover, and it is pumped through the nozzle attached to the side of the section. . The tank has a pipe in the upper part, on the left side, through the valve connected to the cold water supply system, and in the lower part it has a pipe, connected to the hot water consumer through the valve, and the upper pipe inside the tank is connected to the float level regulator, to which a U-shaped pipeline is attached, located in the tank, with its outlet in its right part. The heat exchanger on the right side has valves that communicate through a bypass pipe with a valve and a direct pipe with a tank, which is in the lower right through a valve, a return pipe and a pipe in the lid communicated with the heat generator, with its pump section, which is connected with the pipe and valve bypass pipe on the left side.

На фиг.1 изображены солнечно-ветровая водонагревательная установка (общий вид), на фиг.2 изображен многосекционный теплообменник типа «труба в трубе» (вид спереди), на фиг.3 изображен теплообменник (вид сверху), на фиг.4 - узел соединения секций теплообменника.Figure 1 shows a solar-wind water heater (general view), figure 2 shows a multi-section heat exchanger of the "pipe in pipe" type (front view), figure 3 shows a heat exchanger (top view), figure 4 - node connections of heat exchanger sections.

Солнечно-ветровая водонагревательная установка состоит из теплообменника 1 и теплогенератора 2, размещенные в помещении 3, на крыше 4 которого установлена водяная емкость 5, связанная гидравлически прямым 6 и обратным 7 трубопроводами с ними. Теплообменник 1 состоит из секций 8 типа «труба в трубе», установленный вертикально за лучепрозрачным экраном 9, перед которым установлены жалюзи 10, пропускающие через себя солнечные лучи 11. Теплогенератор 2, установленный за теплообменником, содержит цилиндрический корпус с поярусно размещенными секциями, разделенными между собой перегородками 12, и крышку 13, через которую проходит вал 14, через муфту 15 соединенный с валом 16 ветродвигателя (не показан). Нижняя секция 17 теплогенератора 2 - теплогенерирующая - заполнена высоковязкой жидкостью, например трансформаторным маслом, к валу 14, в нижней его части, прикреплены лопатки, выполненные в виде дисков, а к внутренней стенке секции 17 прикреплены неподвижные диски, размещенные между подвижными дисками в горизонтальной плоскости (не показаны). Средняя секция 18 теплогенератора 2 - теплоаккумулирующая - заполнена теплоаккумулирующим веществом фазового перехода и имеет спиралеобразную поверхность 19. Верхняя секция 20 теплогенератора 2 насосная. В ней к валу 14, в верхней части, прикреплено рабочее колесо насоса 21, через патрубок 22 в крышке 13 теплогенератора 2 производится всасывание жидкости, а через патрубок 23, прикрепленный сбоку секции 21, - ее нагревание. Емкость 5 имеет в верхней части, с левой стороны, патрубок 24, через вентиль 25 сообщена с системой подачи холодной воды (не показана), а в нижней части она имеет патрубок 26, через вентиль 27 связана с потребителем горячей воды (не показан). Патрубок 24 сообщен внутри емкости 5 с поплавковым регулятором уровня 28, к которому прикреплен U-образный трубопровод 29, размещенный в емкости 5, с выходным его отверстием в ее правой части. Теплообменник 1 с правой стороны имеет сверху вентиль 30, а снизу - вентиль 31, сообщающие его через байпасный трубопровод 32, и вентиль 33 на нем и прямой трубопровод 6 с емкостью 5. Прямой трубопровод 6 сообщен с вертикальным змеевиковым трубопроводом 34, размещенный в средней части емкости 5, с выходным его отверстием под уровнем воды. Емкость 5 справа в нижней части через вентиль 35, обратный трубопровод 7 и патрубок 22 в крышке 13 сообщена с теплогенератором 2, с его насосной секцией 20, которая через патрубок 23 и вентиль 36 сообщена с байпасным трубопроводом 32 с левой стороны. Сверху теплообменник 1 имеет патрубок 37 с пробкой 38 для заполнения его секций 8 (межтрубное пространство) теплоаккумулирующим веществом фазового перехода, например парафином. Секции 8 состоят из наружной трубы 8 и внутренней трубы 39. Секции внутренней трубы 39 соединены внахлестку, а секции наружной установлены с осевым зазором и соединены с помощью втулки 40, расположенной над местами сочленения 41 внутренних секций. Теплообменник 1 установлен на южном фасаде помещения 3, а теплогенератор - у стенки 42, северная сторона, оба размещены на фундаменте 43 помещения 3. Вентиляционный канал 44 сообщает помещение 3 с атмосферой, или теплый, воздух используют на отопление складских или иных помещений. Всю поверхность теплообменника 1 снаружи окрашивают в черный цвет. Емкость 5 и теплогенератор 2 снаружи имеют слой теплоизоляции (не показана).The solar-wind water heating installation consists of a heat exchanger 1 and a heat generator 2, located in room 3, on the roof of which 4 a water tank 5 is installed, hydraulically connected by a direct 6 and 7 return pipelines with them. The heat exchanger 1 consists of sections 8 of the “pipe in pipe” type, mounted vertically behind the translucent screen 9, in front of which there are louvres 10 passing through the sun rays 11. The heat generator 2, installed behind the heat exchanger, contains a cylindrical body with tiered sections divided between partitions 12, and a cover 13, through which the shaft 14 passes, through the coupling 15 connected to the shaft 16 of the wind turbine (not shown). The lower section 17 of the heat generator 2 - heat generating - is filled with highly viscous liquid, for example transformer oil, to the shaft 14, in its lower part, blades made in the form of disks are attached, and fixed disks mounted between the movable disks in a horizontal plane are attached to the inner wall of the section 17 (not shown). The middle section 18 of the heat generator 2 - heat storage - is filled with heat storage substance of the phase transition and has a spiral surface 19. The upper section 20 of the heat generator 2 is pumping. In it, the impeller of the pump 21 is attached to the shaft 14, in the upper part, through the pipe 22 in the cover 13 of the heat generator 2, the liquid is sucked in, and through the pipe 23 attached to the side of the section 21, it is heated. The tank 5 has a pipe 24 in the upper part, on the left side, through a valve 25 in communication with a cold water supply system (not shown), and in the lower part it has a pipe 26, through a valve 27 connected to a hot water consumer (not shown). The pipe 24 is communicated inside the tank 5 with a float level control 28, to which is attached a U-shaped pipe 29, located in the tank 5, with its outlet in its right part. The heat exchanger 1 on the right side has a valve 30 on top and a valve 31 communicating via a bypass pipe 32 and a valve 33 on it and a direct pipe 6 with a capacity of 5. The straight pipe 6 is in communication with a vertical coil pipe 34 located in the middle part capacity 5, with its outlet under the water level. The tank 5 on the lower right through the valve 35, the return pipe 7 and the pipe 22 in the cover 13 is in communication with the heat generator 2, with its pump section 20, which through the pipe 23 and the valve 36 is in communication with the bypass pipe 32 on the left side. On top of the heat exchanger 1 has a pipe 37 with a plug 38 to fill its sections 8 (annular space) with a heat-accumulating phase transition substance, such as paraffin. Sections 8 consist of an outer pipe 8 and an inner pipe 39. The sections of the inner pipe 39 are overlapped, and the sections of the outer are mounted with an axial clearance and are connected using a sleeve 40 located above the joints 41 of the inner sections. The heat exchanger 1 is installed on the southern facade of room 3, and the heat generator is on the wall 42, the north side, both are located on the foundation 43 of room 3. Ventilation channel 44 communicates the room 3 with the atmosphere, or warm, the air is used for heating storage or other premises. The entire surface of the heat exchanger 1 is painted black on the outside. Capacity 5 and heat generator 2 on the outside have a layer of thermal insulation (not shown).

Ветродвигатель известной конструкции быстроходный, должен при оптимальной скорости ветра обеспечить нагрев воды в секции 20 теплогенератора 2 до температуры 65-70°С в течение часа.A wind turbine of known design is high-speed; it must ensure that the water in section 20 of the heat generator 2 reaches a temperature of 65-70 ° C for an hour at an optimal wind speed.

Размер межтрубного пространства а (см. фиг.4) должен находиться в пределах:The size of the annulus a (see figure 4) should be within:

а=(0,5:0,8)d_в.тp, где d_в.тр - диаметр внутренней трубы 39 мм.a = (0.5: 0.8) d _vtp , where d _vtp is the diameter of the inner pipe 39 mm.

Размер между секциями в (см. фиг.3) должен быть минимально возможным, т.е. в=(1,5:2,0)d_н.тр, где d_н.тр - диаметр наружной трубы 8 мм. Размер между секциями 8 по высоте (см. фиг.2) должен находиться в пределах с=(0,8:1,2)d_н.тр, где d_н.тр - диаметр наружной трубы 8 мм.The size between the sections in (see Fig. 3) should be as small as possible, i.e. in = (1.5: 2.0) d _{N. Tr} , where d _{N. Tr} - the diameter of the outer pipe 8 mm The size between the sections 8 in height (see _figure 2) should be in the range with = (0.8: 1.2) d _Ntr , where d _Ntr is the diameter of the outer pipe 8 mm

Солнечно-ветровая водонагревательная установка работает следующим образом.Solar-wind water heater works as follows.

Теплообменник 1 через патрубок 37, его межтрубное пространство, заполняют расплавленным в жидком состоянии парафином и закрывают пробкой 38. В теплогенераторе 2 секцию 17 заполняют трансформаторным маслом, а секцию 18 - жидким, расплавленным парафином. Закрывают вентиль 27 на емкости 5, а вентили 30, 31, 33, 35 и 36 открывают. При наличие давления в системе холодного водоснабжения открывают вентиль 25 и полностью заполняют водонагревательную установку водой, т.е. теплообменник 1, секцию 20 теплогенератора 2 и емкость 5 (см. фиг.1).The heat exchanger 1 through the pipe 37, its annulus, is filled with molten paraffin in a liquid state and closed with a plug 38. In the heat generator 2, section 17 is filled with transformer oil, and section 18 is filled with molten liquid paraffin. Close the valve 27 on the tank 5, and the valves 30, 31, 33, 35 and 36 open. If there is pressure in the cold water supply system, open valve 25 and completely fill the water heater with water, i.e. heat exchanger 1, section 20 of the heat generator 2 and the tank 5 (see figure 1).

Вал 14 теплогенератора 2 через муфту 15 подсоединяют к валу 16 ветродвигателя. Нагрев воды в солнечную и ветреную погоду установкой осуществляется следующим образом. Закрывают вентиль 33 на байпасном трубопроводе 32, рабочее колесо насоса 21, вращаясь, создает циркуляцию воды через вентиль 36, байпасный трубопровод 32, вентиль 31, секционный теплообменник 1, его внутреннюю трубу 39, вентиль 30, прямой трубопровод 6, емкость 5, вентиль 35 и обратный трубопровод 7. При наличие ветра достаточной силы вязкая жидкость в секции 17 теплогенератора 2 будет постепенно нагреваться и отдавать тепло через перегородки 12, секции 18 и затем секции 20, через которую циркулирует вода. Лучи Солнца через жалюзи 10 и лучепрозрачный экран 9 также начнут нагревать секции 8 теплообменника 1 и через парафин циркулирующую воду во внутренней трубе 39, сообщенную гидравлически с байпасным трубопроводом 32 и прямым трубопроводом 6. При нагреве воды в емкости 5, например, до температуры 60°С вентиль 27 открывают и потребитель начнет ее использовать. Одновременно открывают и вентиль 25, холодная вода начнет поступать в емкость 5, восполнять объем горячей воды, взятый потребителем. Холодная вода поступает в U-образный трубопровод 29, где она частично нагревается от горячей воды, находящейся в емкости 5, и затем захватывается через вентиль 35 и обратный трубопровод 7 в секцию 20 для дальнейшего нагрева. При временной облачности в дневное время разогретый парафин охлаждается и отдает тепло трубопроводу 39, в котором циркулирует вода. При появлении Солнца цикл нагрева воды продолжится. На ночь жалюзи 10 закрывают для сохранения тепла в теплообменнике 1. Открывают вентиль 33, а вентили 30 и 31 закрывают. При наличии ночью ветра вода в емкости 5 будет нагреваться за счет тепла теплогенератора 2, т.е. циркуляции горячей воды из секции 20 через вентили 36, 33, прямой трубопровод 6, емкость 5, вентиль 35, обратный трубопровод 7 и снова секция 20. Утром при появлении Солнца жалюзи 10 и вентили 30 и 31 открывают, а вентиль 33 закрывают и тем самым теплообменник 1 снова вводится в режим циркуляции горячей воды на весь солнечный день.The shaft 14 of the heat generator 2 through the clutch 15 is connected to the shaft 16 of the wind turbine. The heating of water in sunny and windy weather installation is as follows. Close the valve 33 on the bypass pipe 32, the impeller of the pump 21, rotating, creates water circulation through the valve 36, the bypass pipe 32, the valve 31, the sectional heat exchanger 1, its inner pipe 39, valve 30, straight pipe 6, capacity 5, valve 35 and return line 7. If there is sufficient wind, the viscous liquid in section 17 of the heat generator 2 will gradually heat up and transfer heat through the partitions 12, section 18 and then section 20 through which water circulates. The rays of the Sun through the blinds 10 and the translucent screen 9 will also begin to heat sections 8 of the heat exchanger 1 and through the paraffin circulating water in the inner pipe 39, hydraulically connected with the bypass pipe 32 and the direct pipe 6. When the water in the tank 5 is heated, for example, to a temperature of 60 ° With the valve 27 open and the consumer will begin to use it. At the same time, the valve 25 is opened, cold water will begin to flow into the container 5, to replenish the volume of hot water taken by the consumer. Cold water enters the U-shaped pipe 29, where it is partially heated by hot water in the tank 5, and then captured through the valve 35 and the return pipe 7 in section 20 for further heating. With temporary cloudiness in the daytime, the heated paraffin is cooled and gives off heat to the pipeline 39, in which water circulates. When the sun appears, the water heating cycle will continue. At night, the blinds 10 are closed to maintain heat in the heat exchanger 1. Open the valve 33, and the valves 30 and 31 are closed. If there is wind at night, the water in the tank 5 will be heated due to the heat of the heat generator 2, i.e. circulation of hot water from section 20 through valves 36, 33, direct pipe 6, container 5, valve 35, return pipe 7 and again section 20. In the morning when the Sun appears, the shutters 10 and valves 30 and 31 are opened, and the valve 33 is closed and thereby the heat exchanger 1 is again introduced into the hot water circulation mode for the whole sunny day.

Предлагаемая солнечно-ветровая водонагревательная установка состоит из известного оборудования, может быть использована как в стационарном, так и в передвижном вариантах в южных регионах России. Проста по устройству и в эксплуатации, надежна в работе, а потому она найдет применение в фермерских хозяйствах, турбазах и отдаленных населенных пунктах, для получения горячей воды круглосуточно и круглогодично.The proposed solar-wind water heating system consists of well-known equipment, can be used both in stationary and in mobile versions in the southern regions of Russia. It is simple in installation and operation, reliable in operation, and therefore it will find application in farms, camp sites and remote settlements, to obtain hot water around the clock and all year round.

Claims

Solar-wind water heating installation, consisting of a heat exchanger and a heat generator, located in the room, on the roof of which there is a water tank connected hydraulically by direct and return pipelines with them, as well as with a cold water supply system and a hot water consumer, characterized in that the heat exchanger consists of sections of the “pipe in pipe” type, installed vertically behind a radiolucent screen, in front of which there are installed blinds that let sunlight through, a heat generator installed for heat the exchanger contains a cylindrical body with tiered sections separated by partitions, and a cover through which the shaft passes, through the coupling above connected to the wind turbine shaft, the lower section of the heat generator is heat generating, the middle section is heat storage and the upper section is pump, in which the pump impeller is attached to the shaft in the upper part, the liquid is sucked through the nozzle in the heat generator cover, and the pump is pumped through the nozzle attached to the side of the section; there is a pipe in the upper part on the left side, through a valve connected to a cold water supply system, and in the lower part it has a pipe through a valve connected to a hot water consumer, and the upper pipe inside the tank is connected to a float level regulator to which U- a shaped pipe placed in the tank, with its outlet in its right part, the heat exchanger on the right side has valves connecting it through the bypass pipe with the valve and a direct pipe with the tank, which is on the right, in the lower parts through the valve, the return pipe and the pipe in the lid are connected to the heat generator with its pump section, which is connected through the pipe and valve to the bypass pipe on the left side.