RU2685753C1

RU2685753C1 - Solar collector

Info

Publication number: RU2685753C1
Application number: RU2018114835A
Authority: RU
Inventors: Иван Андреевич Марченков; Евгений Александрович Шатун; Николай Николаевич Курзин; Любовь Анатольевна Дайбова
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-04-23

Abstract

FIELD: power engineering.SUBSTANCE: invention relates to solar power engineering, in particular, to solar collectors, and is intended for conversion of solar energy into heat energy in heating and hot water supply systems both for domestic consumers and for agricultural facilities. Solar collector comprises heat-insulating housing 1, sectional with channels 2 for circulation of heat carrier 3, radiator-convector 4, on which ribs-concentrators 5 are technologically formed with application of selective absorbing coating of black color, two double-glazed windows unit 6 with selective coating 7, containers 8 with phase transition material, horizontal and vertical heat-absorbing struts and plugs, at that, on outer rib-concentrator 5 located under vertical heat-absorbing braces symmetrically magnetostrictive radiators 11 are installed with oscillation frequency of not more than 21.3 kHz and vibration amplitude of 0.09 mm, connected to ultrasonic generator 12, and inner surface of vertical parts of channels 2 of radiator-convector 4 for circulation of heat carrier is equipped with spiral ribs.EFFECT: higher efficiency of solar collector due to reduction of heat losses.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к солнечным коллекторам, и предназначена для преобразования солнечной энергии в тепловую в системах отопления и горячего водоснабжения как для бытовых потребителей, так и для сельскохозяйственных объектов.The invention relates to solar energy, in particular, to solar collectors, and is designed to convert solar energy into heat in heating and hot water systems for both residential consumers and agricultural facilities.

Известен солнечный коллектор (патент RU №2367851 F24J 2/24, 2008 год) содержащий теплопоглощающую панель лучистотрубной конструкции, образованную из отдельных параллельных элементов, состоящих из трубы с теплоносителем, соединенной с теплопоглощающей поверхностью элемента, которая снабжена с нижней стороны магнитострикционным излучателем с частотой колебаний не более 21,3 кГц и амплитудой колебаний 0,09 мм, подключенным к ультразвуковому генератору.A solar collector is known (RU patent No. 2367851 F24J 2/24, 2008) containing a heat absorbing panel of a radial tube assembly formed of separate parallel elements consisting of a pipe with heat carrier connected to the heat absorbing surface of the element, which is provided with a magnetostrictive emitter with an oscillation frequency on the bottom side no more than 21.3 kHz and an oscillation amplitude of 0.09 mm connected to an ultrasonic generator.

Также известен солнечный коллектор (патент RU №2550289 F24J 2/24, 2013 г. - прототип) содержащий теплоизолирующий корпус, секционный с каналами для циркуляции теплоносителя радиатор-конвектор, на котором технологично образованы ребра-концентраторы с нанесением селективного поглощающего покрытия черного цвета, два двухкамерных стеклопакета с селективным покрытием, емкости с фазопереходным веществом, горизонтальные и вертикальные тепловоспринимающие распорки и заглушки.Also known solar collector (patent RU №2550289 F24J 2/24, 2013 - prototype) containing a heat insulating body, section radiator-convector sectional with channels for circulation of the coolant, on which the concentrator ribs with a selective absorbing black coating, two two-chamber double-glazed windows with a selective coating, phase transition vessel, horizontal and vertical heat receiving struts and plugs.

Известный солнечный коллектор позволяет достаточно эффективно использовать солнечную энергию, однако наблюдаются тепловые потери на 30-40% за счет отложения осадка и накипи на стенках канала, по которому циркулирует теплоноситель и недостаточного теплообмена между теплоносителем и стенками канала.The well-known solar collector makes it possible to efficiently use solar energy, however, heat losses of 30–40% are observed due to deposition of sediment and scale on the walls of the channel through which coolant circulates and insufficient heat exchange between the coolant and the walls of the channel.

Техническим результатом является повышение эффективности работы солнечного коллектора за счет обеспечения максимального снижения тепловых потерь.The technical result is to increase the efficiency of the solar collector by ensuring the maximum reduction of heat losses.

Технический результат достигается тем, что в солнечном коллекторе, содержащем теплоизолирующий корпус, секционный с каналами для циркуляции теплоносителя радиатор-конвектор, на котором технологично образованы ребра-концентраторы с нанесением селективного поглощающего покрытия черного цвета, два двухкамерных стеклопакета с селективным покрытием, емкости с фазопереходным веществом, горизонтальные и вертикальные тепловоспринимающие распорки и заглушки, согласно изобретению на внешнем ребре-концентратора, расположенного под вертикальными тепловоспринимающими распорками установлены симметрично магнитострик-ционные излучатели с частотой колебаний не более 21,3 кГц и амплитудой колебаний 0,09 мм соединенные с ультразвуковым генератором, при этом внутренняя поверхность вертикальных частей каналов радиатора-конвектора для циркуляции теплоносителя снабжена спиралеобразными ребрами.The technical result is achieved by the fact that in a solar collector containing a heat insulating body, sectioned with channels for circulation of the coolant, a radiator-convector, on which hub ribs are technologically formed with a selective black absorbent coating, two double-glazed windows with a selective coating, a phase transition vessel , horizontal and vertical heat-receiving struts and plugs, according to the invention, on the outer edge of the hub, located under the vertical Thermally receiving spacers are installed symmetrically magnetostrictive emitters with an oscillation frequency of not more than 21.3 kHz and an amplitude of vibration of 0.09 mm connected to an ultrasonic generator, while the inner surface of the vertical parts of the radiator-convector channels for circulating coolant is equipped with spiral-shaped ribs.

Новизна предложенного технического решения заключается в том, что повышение эффективности работы солнечного коллектора решается за счет использования вибрационного воздействия поверхности коллектора достаточно широким спектром частот и амплитуд, создаваемых магнитострикционным преобразователем ультразвукового генератора и наличия спиралеобразных ребер на внутренней поверхности вертикальных стен канала.The novelty of the proposed technical solution lies in the fact that increasing the efficiency of the solar collector is solved by using the vibration effect of the collector surface with a fairly wide range of frequencies and amplitudes created by the magnetostrictive transducer of the ultrasonic generator and the presence of spiral edges on the inner surface of the vertical walls of the channel.

Микровибрации при частоте 21,3 кГц и амплитуде колебаний 0,09 мм определены экспериментальным путем коллектора позволяют ламинарный слой нагреваемого теплоносителя перевести в турбулентный, что в свою очередь позволяет увеличить теплоотдачу от коллектора к теплоносителю см. Г. Шлихтинг «Теория пограничного слоя». - М.: изд. «Наука», 1974 г. стр. 48-51. Предложенное техническое решение позволяет также получить существенный экономический эффект за счет уменьшения потребления электроэнергии, в частности за счет исключения циркуляционного насоса. Это обстоятельство особенно важно, учитывая тенденцию к непрерывному росту цен на энергоносители.Microvibrations at a frequency of 21.3 kHz and an oscillation amplitude of 0.09 mm were determined experimentally by the collector and allow the laminar layer of the heated coolant to be transformed into a turbulent one, which in turn allows increasing heat transfer from the collector to the coolant, see G. Schlichting "Theory of the boundary layer". - M .: ed. "Science", 1974 p. 48-51. The proposed solution also allows to obtain a significant economic effect by reducing electricity consumption, in particular by eliminating the circulation pump. This circumstance is especially important, given the trend towards a continuous increase in energy prices.

Предложенное техническое решение поясняется следующими чертежами: - на фиг. 1 показана конструкция солнечного коллектора; на фиг. 2 показан поперечный разрез А-А фиг. 1; - на фиг. 3 показан продольный разрез Б-Б фиг. 1The proposed technical solution is illustrated by the following drawings: - in FIG. 1 shows a solar collector design; in fig. 2 shows a cross-section A-A of FIG. one; - in fig. 3 shows a longitudinal section BB of FIG. one

Солнечный коллектор, содержит теплоизолирующий корпус 1, секционный с каналами 2 для циркуляции теплоносителя 3 радиатор-конвектор 4, на котором технологично образованы ребра-концентраторы 5 с нанесением селективного поглощающего покрытия черного цвета, два двухкамерных стеклопакета 6 с селективным покрытием 7, емкости 8 с фазопереходным веществом, горизонтальные и вертикальные тепловоспринимающие распорки 9, заглушки 10. На внешнем ребре-концентратора 5, расположенного под вертикальными тепловоспринимающими распорками 9 установлены симметрично магнитострикционные излучатели 11 с частотой колебаний не более 21,3 кГц и амплитудой колебаний 0,09 мм соединенные с ультразвуковым генератором 12, при этом внутренняя поверхность вертикальных частей каналов 2 радиатора-конвектора 4 для циркуляции теплоносителя снабжена спиралеобразными ребрами 13.The solar collector contains a heat insulating body 1, sectioned with channels 2 for circulating heat carrier 3 radiator convector 4, on which the concentrating ribs 5 are technologically formed with the application of a selective absorbing black coating, two two-chamber insulating glass 6 with a selective coating 7, and a tank 8 with phase transition substance, horizontal and vertical heat-receiving struts 9, plugs 10. On the outer edge of the hub 5, located under the vertical heat-absorbing struts 9 are installed simm The etrically magnetostrictive emitters 11 with an oscillation frequency of not more than 21.3 kHz and an amplitude of oscillation of 0.09 mm are connected to an ultrasonic generator 12, while the inner surface of the vertical parts of channels 2 of the radiator-convector 4 for circulating coolant is provided with spiral-shaped fins 13.

Солнечный коллектор работает следующим образом.Solar collector works as follows.

Солнечные лучи, падающие под разными углами и проникающие через двухкамерный стеклопакет 6 с селективным покрытием 7, которое полностью пропускает солнечное излучение, но не дает ему вернуться обратно в окружающую среду, тем самым снижает тепловые потери в солнечном коллекторе, попадают на поверхность радиатора-конвектора 4, выполненного например, из алюминия, меди или биметалла, на которых технологично образованы ребра - концентраторы 5, поверхность которых покрыта селективным покрытием, после чего в процессе многократных отражений на поверхностях ребер концентратора 5 энергетически важная составляющая солнечного луча полностью поглощается. Часть солнечных лучей попадает на емкости 8 с фазопереходным веществом, находящиеся между двумя передними и задними ребрами - концентратора 5, тем самым закрывающие зазоры, образованные при жестком соединении секций между собой. Фазопереходное вещество за период солнечного излучения накапливает в себе полезную энергию, которую впоследствии отдает через стенки канала 2 теплоносителю 3 в часы, когда солнце теряет свою активность.Sun rays falling at different angles and penetrating a two-chamber glass unit 6 with a selective coating 7, which completely transmits solar radiation, but does not allow it to return to the environment, thereby reducing heat losses in the solar collector, fall on the surface of the radiator-convector 4 made for example from aluminum, copper or bimetal, on which technological edges are formed - concentrators 5, the surface of which is coated with a selective coating, and then in the process of multiple reflections on the strip surfaces of ribs hub 5 energy an important part of the solar beam is completely absorbed. Part of the sunlight falls on the tank 8 with a phase transition substance located between the two front and rear ribs - the hub 5, thereby closing the gaps formed when the sections are rigidly connected to each other. The phase transition substance during the period of solar radiation accumulates useful energy in itself, which subsequently releases through the walls of the channel 2 to the coolant 3 during the hours when the sun loses its activity.

Солнце-воспринимающая поверхность солнечного коллектора нагревается и начинает равномерно распределять тепловые массы по всему солнечному коллектору, тем самым эффективно передавая его теплоносителю 3. Благодаря рационально выбранному направлению теплоносителя 3, при помощи заглушек 9, будет выполняться быстрый и энергосберегающий водоотбор, а также появится возможность создавать повышенное давление столба жидкости. Использование распорок 7 не только помогает эффективно жестко разместить секции радиатор-конвектора 5 внутри теплоизолирующего корпуса 1, но и дает дополнительную активную площадь для теплообмена. Теплоизолирующий корпус 1, защищает от потерь тепла в окружающую среду и повышает механическую прочность. Для исключения отложения осадка и накипи используют магнитострикционные излучатели 11, которые подключены к ультразвуковому генератору 12. Расположение магнитострикционных излучателей 11 симметрично на внешнем ребре-концентратора 5, под вертикальными тепловоспринимающими распорками 7 обеспечивает равномерное распределение микровибраций по всей высоте радиатора-конвектора 4. В результате воздействия микровибраций происходит турбулизация потока теплоносителя (жидкости) и не образуется накипь на стенках канала, что приводит к улучшению теплопередачи от коллектора теплоносителю. Кроме того, наличие спиралеобразных ребер 13 на внутренней поверхности вертикальных частей каналов 2 радиатора-конвектора 4 способствует снижению внутреннего трения при турболизации потока в теплоносителе, что улучшает его циркуляцию, а также увеличению теплопередачи за счет выступающих частей ребер в полость канала.The sun-sensing surface of the solar collector heats up and begins to evenly distribute thermal masses throughout the solar collector, thereby effectively transferring it to the coolant 3. Thanks to a rationally chosen direction of the coolant 3, using plugs 9, fast and energy-efficient water withdrawal will be performed, and it will be possible to create increased pressure of the liquid column. The use of spacers 7 not only helps to effectively rigidly place the sections of the radiator-convector 5 inside the heat insulating body 1, but also provides additional active area for heat exchange. Thermal insulation body 1 protects against heat loss to the environment and increases mechanical strength. To eliminate sedimentation and scale use magnetostriction emitters 11, which are connected to the ultrasonic generator 12. The location of the magnetostrictive emitters 11 is symmetrical on the outer edge of the hub 5, under the vertical heat receiving struts 7 provides a uniform distribution of microvibrations over the entire height of the radiator-convector 4. As a result of exposure microvibrations, turbulization of the coolant flow (liquid) occurs and scale does not form on the channel walls, which leads to an improvement in heat transfer from the collector to the coolant. In addition, the presence of spiral-shaped ribs 13 on the inner surface of the vertical parts of the channels 2 of the radiator-convector 4 helps to reduce internal friction during turbulization of the flow in the coolant, which improves its circulation and increases heat transfer due to the protruding parts of the ribs in the channel cavity.

Предложенное техническое решение позволяет максимально использовать солнечную энергию и повысить эффективность работы солнечного коллектора.The proposed solution allows the maximum use of solar energy and increase the efficiency of the solar collector.

Claims

A solar collector containing a heat-insulating body, a radiator-convector sectioned with channels for circulation of the coolant, on which the concentrating ribs are technologically formed with a black selective absorbing coating, two double-glazed windows with a selective coating, tanks with a phase transition substance, horizontal and vertical heat-receiving struts, plugs, characterized in that the outer edge of the hub, located under the vertical heat absorbing struts, installed Lena symmetrically magnetostrictive radiators with a maximum oscillation frequency of 21.3 kHz and vibration amplitude of 0.09 mm coupled with an ultrasonic generator, wherein the inner surface of the vertical parts-convector radiator for circulating coolant channels provided with spiral-shaped ribs.