RU2781658C1

RU2781658C1 - Collapsible solar water heater

Info

Publication number: RU2781658C1
Application number: RU2021137262A
Authority: RU
Inventors: Татьяна Васильевна Щукина; Илья Сергеевич Курасов; Дмитрий Николаевич Китаев
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-10-17

Abstract

FIELD: solar engineering.

SUBSTANCE: invention relates to solar engineering, in particular to solar heaters used in the heat supply of buildings and structures. The collapsible solar water heater contains prefabricated collectors with nozzles and fittings 4, necessary for the entry of the heated medium into the channels 5 of the solar receiver, and then for its discharge. To ensure the tightness of the connection of the fittings with the channels, flange rails 9 with sealing material are provided. The solar receiver 6 with the upper translucent cloth 15 contains heat-absorbing elements 21 on the lower elastic cloth 13. Artificial roughness is formed on thin metal sheets of heat-absorbing elements 21 and a light-absorbing coating is applied, as well as polymer 22 on the back side. The design of the lower elastic cloth 13 of the solar receiver 6 made of polymer of different densities with a foamed lower layer 20 and a dense upper layer 19 makes it possible, by means of thermal welding with heat-absorbing elements 21, to form closely placed channels 5 of smaller diameter, as well as to reduce heat loss due to the low thermal conductivity of the foamed layer 20. The collapsible solar water heater is transported to the installation site in separate units with a lower elastic cloth 13, rolled up in the form of a roll or a small bundle. This makes it possible to be made of various lengths in accordance with the dimensions of the roof sheathing 18 and optimally integrated into the roof of the building, reducing the cost of arrangement. The collapsible solar water heater is characterized by high efficiency, since along with the applied light-absorbing coating, artificial roughness is formed on the heat-absorbing elements 21, channels 5 have a smaller diameter, but closer placement in the solar receiver 6, and the foamed layer 20 of the lower cloth 13 performs the function of effective thermal insulation.

EFFECT: collapsible solar water heater is characterized by high efficiency.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относиться к гелиотехнике, в частности к солнечным нагревателям, используемым в теплоснабжении зданий и сооружений.The invention relates to solar technology, in particular to solar heaters used in the heat supply of buildings and structures.

Известен солнечный водонагреватель (патент 2539936, МКИ E04D 13/18, F24J 2/22, 2015), содержащий гелиоприемник, выполненный из металлических нижнего и верхнего штампованных полотен, которые между собой сварены по контуру. Верхнее полотно имеет волновой профиль и светопоглощающее покрытие, что позволяет использовать устройство как кровельный модуль.A solar water heater is known (patent 2539936, MKI E04D 13/18, F24J 2/22, 2015) containing a solar receiver made of metal lower and upper stamped sheets, which are welded together along the contour. The top sheet has a wave profile and a light-absorbing coating, which makes it possible to use the device as a roofing module.

Отсутствие светопрозрачного полотна, защищающего гелиоприемник от внешнего воздействия окружающей среды, а также не достаточно плотное прилегание тепловой изоляции, размещенной на обрешетке кровли, к нижнему металлическому полотну, приводят к значительным потерям тепла, что снижает кпд устройства и, соответственно, температуру теплоносителя на выходе из него. Подсоединение гелиоприемника к системе горячего водоснабжения через четыре резьбовых штуцера не обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по каналам, тем самым ухудшая условия отвода энергии, полученной посредством трансформации солнечного излучения. Наряду с этим, применение резьбовых штуцеров при длительной эксплуатации увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций из-за возможных протечек. Использование энергозатратной аргонно-дуговой сварки для изготовления гелиоприемника повышает стоимость устройства. Кроме того, достигаемая значительная масса при применении металла как для нижнего, так и для верхнего полотен, затрудняет монтажные работы на кровле.The absence of a translucent sheet that protects the solar receiver from external environmental influences, as well as insufficiently tight fit of the thermal insulation placed on the roof sheathing to the lower metal sheet, lead to significant heat losses, which reduces the efficiency of the device and, accordingly, the temperature of the coolant at the outlet of the him. Connecting the solar receiver to the hot water supply system through four threaded fittings does not provide a uniform distribution of the coolant through the channels, thereby worsening the conditions for the removal of energy obtained through the transformation of solar radiation. Along with this, the use of threaded fittings during long-term operation increases the likelihood of emergencies due to possible leaks. The use of energy-consuming argon-arc welding for the manufacture of a solar receiver increases the cost of the device. In addition, the significant mass achieved when using metal for both the lower and upper sheets makes it difficult to install on the roof.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является сворачиваемый солнечный водонагреватель (патент 1307174, МКИ F24J 2/36, 1981), содержащий сборный коллектор и гелиоприемник с эластичными верхним светопрозрачным полотном и нижним полотном, имеющем теплопоглощающие элементы и каналы для прохода нагреваемой среды. Для обеспечения устойчивой формы сборного коллектора, выполненного из эластичного материала, в нем установлены жесткие кольца.The closest technical solution in terms of the set of features is a roll-up solar water heater (patent 1307174, MKI F24J 2/36, 1981), containing a prefabricated collector and a solar receiver with an elastic upper translucent sheet and a lower sheet having heat-absorbing elements and channels for the passage of the heated medium. To ensure a stable shape of the prefabricated manifold, made of elastic material, rigid rings are installed in it.

В процессе эксплуатации циркуляция теплоносителя в системе горячего водоснабжения и, соответственно, в каналах, образованных светопрозрачным верхним полотном и нижним полотном, приведет к загрязнению их внутренней поверхности. Пропускная способность для солнечного излучения по мере возрастания отложений в каналах будет сокращаться, снижая эффективность процесса нагревания теплоносителя. Отсутствие тепловой изоляции для нижнего полотна приведет к высоким потерям теплоты в окружающую среду. В результате совокупности указанных недостатков кпд водонагревателя будет характеризоваться достаточно низкими показателями. Кроме того, эластичные полимерные материалы без дополнительно предусмотренных средств защиты интенсивно стареют и разрушаются под воздействием солнечного излучения, что повлияет на срок службы устройства и приведет к значительному его сокращению.During operation, the circulation of the coolant in the hot water supply system and, accordingly, in the channels formed by the translucent top sheet and bottom sheet, will lead to contamination of their inner surface. The capacity for solar radiation will decrease as deposits in the channels increase, reducing the efficiency of the coolant heating process. Lack of thermal insulation for the bottom sheet will lead to high heat losses to the environment. As a result of the combination of these shortcomings, the efficiency of the water heater will be characterized by rather low rates. In addition, elastic polymeric materials without additional protective measures are rapidly aging and destroyed under the influence of solar radiation, which will affect the service life of the device and lead to a significant reduction in it.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы водонагревателя за счет использования в гелиоприемнике полимерного материала, нанесенного с тыльной стороны на металлические листы теплопоглощающих элементов, а так же полимера разной по толщине плотности для нижнего полотна, обеспечивающих возможность при изготовлении устройства формирования увеличенного количества каналов меньшего диаметра, в том числе сообщающихся между собой, улучшающих процесс отвода полученного полезного тепла и снижающих потери в окружающую среду.The objective of the invention is to increase the efficiency of the water heater due to the use in the solar receiver of a polymer material deposited on the back side of the metal sheets of heat-absorbing elements, as well as a polymer of different thickness density for the bottom sheet, which makes it possible in the manufacture of a device to form an increased number of channels of a smaller diameter, in including those communicating with each other, improving the process of removing the received useful heat and reducing losses to the environment.

Эта задача решается тем, что в сворачиваемом солнечном водонагревателе, содержащем сборные коллекторы и гелиоприемник с верхним светопрозрачным полотном и эластичным нижним полотном, имеющий теплопоглощающие элементы и каналы для прохода нагреваемой среды, отличительными от прототипа признаками являются жестко установленные для подсоединения каналов на сборных коллекторах, покрытых тепловой изоляцией, штуцеры, снабженные фланцевыми рейками для закрепления между коллекторами положения гелиоприемника с теплопоглощающими элементами, выполненными из тонких металлических листов с полимером на тыльной стороне, при этом нижнее эластичное полотно, выполненное из полимера разной плотности по толщине со вспененным нижним слоем и с плотным верхним слоем, соединено с образованием каналов для нагреваемой среды с полимером теплопоглощающих элементов, имеющих на внешней стороне металлических листов искусственную шероховатость и светопоглощающее покрытие.This problem is solved by the fact that in a roll-up solar water heater containing prefabricated collectors and a solar receiver with an upper translucent sheet and an elastic bottom sheet, having heat-absorbing elements and channels for the passage of the heated medium, the distinguishing features from the prototype are rigidly installed for connecting channels on prefabricated collectors covered with with thermal insulation, fittings equipped with flange rails for fixing the position of the solar receiver between the collectors with heat-absorbing elements made of thin metal sheets with a polymer on the back side, while the lower elastic fabric is made of a polymer of different density in thickness with a foamed bottom layer and with a dense top layer, connected with the formation of channels for the heated medium with the polymer of heat-absorbing elements, having artificial roughness on the outer side of the metal sheets and a light-absorbing coating.

Предлагаемая конструкция сворачиваемого солнечного водонагревателя позволяет достичь более высокой степени улавливания солнечной энергии за счет выполнения теплопоглощающих элементов из тонких металлических листов с искусственной шероховатостью и светопоглощающим покрытием на облучаемой стороне. Нанесенный с тыльной стороны металлических листов полимер при соединении с полимером нижнего полотна посредством термической сварки, позволяет получить каналы любого заданного диаметра, оптимального выбранного для конкретной климатической зоны. Кроме того, каналы для нагреваемой среды могут быть выполнены сообщающимися между собой. Организованные по технологичному способу изготовления каналы меньшего диаметра, но с более частым размещением в гелиоприемнике, обеспечивают равномерное распределение теплоносителя и эффективный отвод полезного тепла. Нижнее полотно, имеющее разную по толщине плотность за счет вспененного нижнего слоя, выполняет функцию тепловой изоляции, что снижает потери тепла в окружающую среду и повышает кпд устройства. Сборная конструкция водоподогревателя позволяет снизить его стоимость и устанавливать устройство на любое предварительно обустроенное основание, но наиболее целесообразным является монтаж на обрешетке кровли. Следует так же отметить, что если водоподогреватель устанавливается на временном сооружении, то в дальнейшем его можно демонтировать, перевезти отдельными узлами и вновь собрать и подсоединить к системе теплоснабжения другого здания.The proposed design of a roll-up solar water heater makes it possible to achieve a higher degree of solar energy capture by making heat-absorbing elements from thin metal sheets with artificial roughness and a light-absorbing coating on the irradiated side. The polymer deposited on the back side of the metal sheets, when combined with the polymer of the bottom sheet by means of thermal welding, makes it possible to obtain channels of any given diameter, optimally selected for a particular climatic zone. In addition, the channels for the heated medium can be made communicating with each other. Channels of smaller diameter, organized according to the technological method of manufacture, but with more frequent placement in the solar receiver, provide uniform distribution of the coolant and efficient removal of useful heat. The bottom sheet, which has a density of different thickness due to the foamed bottom layer, performs the function of thermal insulation, which reduces heat loss to the environment and increases the efficiency of the device. The prefabricated design of the water heater allows you to reduce its cost and install the device on any pre-equipped base, but the most appropriate is mounting on the roof sheathing. It should also be noted that if the water heater is installed on a temporary structure, then in the future it can be dismantled, transported in separate units and reassembled and connected to the heat supply system of another building.

На фиг.1 изображен вид сверху сворачиваемого солнечного водоподогревателя на обрешетке кровли без верхнего светопрозрачного полотна.Figure 1 shows a top view of a collapsible solar water heater on the crate of the roof without the upper translucent fabric.

На фиг.2 показан фрагмент сечения водоподогревателя в разрезе 1-1.Figure 2 shows a fragment of the section of the water heater in section 1-1.

На фиг.3 изображен фрагмент гелиоприемника с сообщающимися между собой каналами.Figure 3 shows a fragment of the solar receiver with interconnected channels.

Сворачиваемый солнечный водоподогреватель состоит из двух сборных коллекторов 1, 2, имеющих тепловую изоляцию 3. На сборных коллекторах жестко установлены штуцеры 4 для подсоединения каналов 5 гелиоприемника 6 и патрубки для поступления 7 и удаления 8 нагреваемой среды. Для обеспечения герметичности соединения штуцеров 4 и каналов 5 используются фланцевые рейки 9 с уплотняющим материалом 10, требуемая плотность прилегания которых достигается посредством гаек 11 и болтов 12, входящих в специально выполненные отверстия, как на фланцевых рейках 9, так и на нижнем эластичном полотне 13 гелиоприемника 6. Для фиксации положения фланцевых реек 9, необходимой для проведения сборочных работ, на сборных коллекторах 1, 2 установлены направляющие 14, обеспечивающие только вертикальное перемещение реек 9 при выполнении подсоединения каналов 5 к штуцерам 4.The collapsible solar water heater consists of two prefabricated collectors 1, 2 with thermal insulation 3. Fittings 4 are rigidly installed on the prefabricated collectors for connecting channels 5 of the solar receiver 6 and branch pipes for inlet 7 and removal 8 of the heated medium. To ensure the tightness of the connection of fittings 4 and channels 5, flange rails 9 with sealing material 10 are used, the required tightness of which is achieved by means of nuts 11 and bolts 12 included in specially made holes, both on flange rails 9 and on the lower elastic sheet 13 of the solar receiver 6. To fix the position of the flange rails 9, necessary for assembly work, guides 14 are installed on the prefabricated manifolds 1, 2, providing only vertical movement of the rails 9 when connecting channels 5 to fittings 4.

Над сборными коллекторами 1, 2 и нижним эластичным полотном 13 гелиоприемника 6 размещено верхнее светопрозрачное полотно 15, плотно прилегающее за счет прикрепленного по его периметру уплотняющего материала 16 к сборным коллекторам 1, 2 и к выступающим конструкциям 17 обрешетки крыши 18, к которым оно крепится посредством винтов. В качестве светопрозрачного полотна могут быть использованы поликарбонат, стекло или стеклопакет, или другие светопрозрачные листовые покрытия. Нижнее полотно 13 гелиоприемника 6 размещено на обрешетке крыши 18 и выполнено из полимера разной плотности по толщине с плотным верхним слоем 19 и вспененным нижним 20. Теплопоглощающие элементы 21 из тонких металлических листов с нанесенным на их тыльной стороне полимером 22 соединены посредством тепловой сварки с нижним полотном 13 гелиоприемника 6 с образованием каналов 5. Технологичный способ изготовления позволяет так же сформировать каналы 5, сообщающиеся между собой. В качестве полимера может быть использованы полиэтилен, полипропилен или другие материалы с подобными свойствами. На внешней стороне теплопоглощающих элементов 21, подвергаемой воздействию солнечного излучения, сформирована искусственная шероховатость и нанесено светопоглощающее покрытие. Оно может быть как селективным, так и черным окрасочным материалом.Above the prefabricated collectors 1, 2 and the lower elastic sheet 13 of the solar receiver 6, there is an upper translucent sheet 15, tightly fitting due to the sealing material 16 attached along its perimeter to the prefabricated collectors 1, 2 and to the protruding structures 17 of the roof batten 18, to which it is attached by means of screws. Polycarbonate, glass or double-glazed window, or other translucent sheet coverings can be used as a translucent sheet. The lower sheet 13 of the solar receiver 6 is placed on the roof batten 18 and is made of a polymer of different thicknesses with a dense top layer 19 and a foamed bottom layer 20. 13 of the solar receiver 6 with the formation of channels 5. A technologically advanced manufacturing method also allows the formation of channels 5 that communicate with each other. Polyethylene, polypropylene or other materials with similar properties can be used as the polymer. On the outer side of the heat-absorbing members 21 exposed to solar radiation, an artificial roughness is formed and a light-absorbing coating is applied. It can be both selective and black coloring material.

На место монтажа устройство поступает отдельными узлами. Нижнее полотно 13 с теплопоглощающими элементами 21 и с уже сформированными каналами 5 доставляется к месту сборки в виде рулона или небольшой бухты. Затем производится его раскладка на обрешетке крыши 18 и подсоединение каналов 5 к сборным коллекторам 1, 2 посредством штуцеров 4 и фланцевых реек 9. В завершении на выступающих конструкциях 17 обрешетки крыши 18 закрепляется верхнее светопрозрачное полотно 15. При необходимости устройство может быть демонтировано, нижнее полотно 13 без деформации каналов 5 аккуратно свернуто в рулон и отдельными узлами перевезено на другое место установки.The device arrives at the installation site in separate units. The bottom sheet 13 with heat-absorbing elements 21 and channels 5 already formed is delivered to the assembly site in the form of a roll or a small coil. Then it is laid out on the roof sheathing 18 and the channels 5 are connected to the prefabricated collectors 1, 2 by means of fittings 4 and flange rails 9. 13 channels without deformation 5 neatly rolled up and transported in separate units to another installation site.

Сворачиваемый солнечный водоподогреватель работает следующим образом.Roll-up solar water heater works as follows.

Солнечное излучение проникает через верхнее светопрозрачное полотно 15 и нагревает теплопоглощающие элементы 21. Полученная тепловая энергия посредством теплопроводности металлических листов теплопоглощающих элементов 21 передается к каналам 5 и к нагреваемой среде, поступившей в устройство через патрубок 7 и сборный коллектор 1, распределяющий жидкость посредством штуцеров 4 равномерно по гелиоприемнику 6. При движении по каналам 5 температура нагреваемой среды повышается, и затем она отводится из устройства через сборный коллектор 2 и патрубок 8.Solar radiation penetrates through the upper translucent sheet 15 and heats the heat-absorbing elements 21. The received thermal energy through the thermal conductivity of the metal sheets of the heat-absorbing elements 21 is transmitted to the channels 5 and to the heated medium that entered the device through the pipe 7 and the collection manifold 1, which distributes the liquid evenly through the fittings 4 through the solar receiver 6. When moving through the channels 5, the temperature of the heated medium rises, and then it is removed from the device through the collection manifold 2 and branch pipe 8.

Сформированная на поверхности металлических листов теплопоглощающих элементов 21 искусственная шероховатость наряду со светопоглощающим покрытием расширяет область улавливания длинноволнового излучения. Исполнение каналов 5 меньшим диаметром, но с более частым расположением в нижнем полотне 13, а так же с дополнительным сообщением между собой обеспечивает равномерное распределение нагреваемой среды по гелиоприемнику 6, что способствует эффективному отводу полезного тепла. Использование в нижнем эластичном полотне 13 полимера разной плотности со вспененным нижним слоем 20 значительно сокращает потери теплоты. Все это в совокупности повышает кпд устройства, а, следовательно, и температуру среды на выходе из него.The artificial roughness formed on the surface of the metal sheets of the heat-absorbing elements 21, along with the light-absorbing coating, expands the area for capturing long-wave radiation. The execution of channels 5 with a smaller diameter, but with a more frequent location in the lower sheet 13, as well as with additional communication between them, ensures uniform distribution of the heated medium over the solar receiver 6, which contributes to the efficient removal of useful heat. The use in the lower elastic fabric 13 of a polymer of different density with a foamed bottom layer 20 significantly reduces heat loss. All this together increases the efficiency of the device, and, consequently, the temperature of the medium at the exit from it.

Сворачиваемый солнечный водонагреватель может быть различной длины, соответствующей размерам обрешетки крыши, что обеспечивает его оптимальную интеграцию в кровельное покрытие. При необходимости водонагреватель может быть разобран на отдельные узлы, нижнее полотно свернуто 13 в рулон и, после перевозки на новое место установки, вновь смонтирован для дальнейшей эксплуатации.The roll-up solar water heater is available in various lengths to match the dimensions of the roof batten, allowing it to be optimally integrated into the roof deck. If necessary, the water heater can be disassembled into separate units, the bottom sheet is rolled up 13 and, after transportation to a new installation site, re-assembled for further operation.

Claims

A roll-up solar water heater containing prefabricated collectors and a solar receiver with an upper translucent sheet and an elastic lower sheet, having heat-absorbing elements and channels for the passage of the heated medium, characterized in that fittings for connecting channels equipped with flange rails are rigidly installed on the prefabricated collectors covered with thermal insulation for fixing between the collectors of the solar receiver with heat-absorbing elements made of thin metal sheets with a polymer on the back side, while the lower elastic fabric of the solar receiver, made of a polymer of different thicknesses with a foamed bottom layer and a dense top layer, is connected to form channels for the heated environments with a polymer of heat-absorbing elements having artificial roughness on the outer side of metal sheets and a light-absorbing coating.