SI9200180A - Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli - Google Patents

Abstract

Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu omogoča ekonomsko optimalno izkoriščanje sončne energije in dogrevanja ob popolni varnosti pred poškodbami zaradi vremenskih pogojev brez uporabe aktivnih varovalnih sistemov in kemikalij. Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu predstavlja valjasti rezervoar (A1), z izvedenima porabniškima priključkoma, vhodnim priključkom (D2) in izhodnim priključkom (D1), ter vgrajenim toplotnim izmenjevalnikom (Α2), tik nad vhodnim priključkom (D2) vstavljenim električnim grelcem (G1) ter vhodnim priključkom (D3) in izhodnim priključkom (D4) za tokokrog peči (G2). Na dnu rezervoarja (A1) sta izvedena vhodni priključek Sl 9200180 A (D5) in izhodni priključek (D6) povezana s posebno konstrukcijsko izvedenimi kolektorskimi paneli (K), pri čemer je povezovalna cev (J4) povezana tudi z nad toplotnim izmenjevalnikom (A2) nameščenim rezervoarjem (Α3) in, da so vsi elementi sistema, razen kolektorskih panelov (K) obdani s skupno izolacijo (H1). Kolektorski panel (K) sestavlja kovinsko ogrodje (M), ogrevalna posoda (P), zunanja varovalna šipa (N1), zaslon (N2), nosilna izolacija, sestavljena iz visokoimpedančne izolacije (L2) in visokotemperaturne izolacije (L3), ki je ovita s sevalno zaslonko (N3), pri čemer ima ogrevalna posoda (P) predvtisnjeno simetrično ali izmenično v obe ali samo v eno opno za vsaj vsako drugo steno med prehodi čim ožje zapore (W) ob punktirnih mestih (T), oziroma za vse kanale razširitve (X) in/ali vsatvljene distančnike (Y).

Description

NIZKOTLAČNI SISTEM SONČNEGA OGREVANJA PRENOSNEGA MEDIJA S KOLEKTORSKIMI PANELI

Predmet izuma je nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli, ki spada v področje energetike in izkorišča sevanje sonca v namen ogrevanja prostorov ali sanitarne vode s pomočjo prenosnega medija, ki sam po sebi v mejnih temperaturnih območjih (preko 100°C oz. pod 0°C) brez dodatkov ni primeren za uporabo. Izum spada v razred F 24 D mednarodne patentne klasifikacije.

-2Tehnični problem, ki ga predložen izum uspešno rešuje je izražen predvsem v dejstvu, da mora nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu brez škode zase in okolico poleg obratovalnih pogojev prenesti tudi obremenitve, kot jih povzročajo toča, sneg, veter, skrajne temperature, temperaturni skoki ipd. Za optimalni izkoristek mora biti nizkotlačni sistem po izumu tudi optimalno kondukcijsko, konvekcijsko in izsevalno čimbolj izoliran, absorbijska ploskev sprejemnikov sončnega sevanja naj dosega čim manjši albedo preko celotnega prejetega sevanja - predvsem vidno in bližnjo IR svetlobo. Absorbcijska ploskev naj ima Čimbolj prozorno izolacijsko površino ter naj omogoča čimboljši toplotni kontakt med absorbcijskim prostorom in prenosnim medijem. Temperatura prenosnika naj bo enaka skozi celotni presek izhoda iz ogrevalne posode. Zato morajo biti vse poti prenosnika skozi ogrevalno posodo toplotno enakovredne. Toplotna kapaciteta celotne naprave naj bo čim manjša. Teoretično najbolj ugodno rešitev za ogrevalno posodo predstavlja enakomerno tenka plast prenosnika, ki jo omejuje tanka kovinska opna.

Poznane sisteme sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli je možno razvrstiti v štiri možne kombinacije zaključenih, pretočnih visoko in nizkotlačnih izvedb. V osnovi prednosti principielno bolj enostavne sestave visokotlačnih sistemov ne odtehta nevarnost eksplozij in potrebe za neprimerno bolj masivno izdelavo in z zato večjo ceno in težo ter manjšim izkoristkom. Zaradi možnosti spremembe agregatnega stanja prenosnega medija (led, para) je potrebno predvideti ali posebne dodatke v prenosnem mediju, ki niso nestrupeni ali

-3izpustiti prenosni medij v kritičnih letnih obdobjih, kar močno poslabša ekonomičnost instalirane naprave.

Konvencionalno zaključeni nizkotlačni sistemi so v osnovi povezani s prosto gladino iznad ostalih delov naprave. Obstaja več izvedbeni primerov rešitev, pri čemer pa prednost pretočnih sistemov, ki ne vsebujejo toplotnih pretvornikov in njihovih izgub, ne odtehta neugodnosti neposrednih vključitev naprav v obtok uporabnika, kot delovanje z visokim tlakom ali ventilom pred kolektorjem, veliko toplotno izgubo ali tehnično zahteven preklop, ko naprava ne more ekonomično delovati itd.

Boljše delovanje omogoča ustrezno konstruiran toplotni izmenjevalnik, ki preprečuje neposredno ohladitev uporabne tekočine, nadaljno zmanjšanje izgub pa omogoča tudi ustavitev pretoka. Meritve temperatur prenosnega medija in uporabne sanitarne vode omogočajo ročno ali avtomatsko preklaplanje ter uravnavanje pretoka prenosnega medija. Razen v subtropskih podnebjih potrebujemo ekološko neoporečen ter tudi ob najnižjih temperaturah tekoč prenosni medij, ki ima neprimerno višjo viskoznost kot navadna voda, z vsemi neugodnimi posledicami in (ali) možnostjo praznitve. Steklene elemente konvencionalnih kolektorskih panelov moramo pogosto menjati zaradi termičnih in meghanskih preobremenitev, prozornost plastičnih pa upada zaradi prask in kemične degradacije.

V konvencionalnih kolektorskih panelih tvorijo grelno posodo cevi, ki prekrivajo največ do 30% absorbcijske ploskve, kar povzroča pregretje le posredno hlajene absorbcijske ploskve in zato večjo toplotno izgubo in

-4obremenitev izolacije. Idelana rešitev bi bila tanka plast prenosnega medija preko celotne obsevane površine. Znane kompromisne tovrstne rešitve so opisane v raznih patentnih prijavah in patentih, vendar v popolnosti ne rešujejo zastavljenega tehničnega problema, kakor tudi ne omogočajo optimalno in racionalno izrabo sončevega sevanja.

Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu odpravlja zgoraj navedene pomanjkljivosti in slabosti ter predstavlja tako splošno optimalno rešitev s spodaj navedenimi tehničnimi novostmi, ki posamično izboljšujejo tudi enostavnejše naprave oziroma sisteme.

Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu predstavlja valjasti rezervoar A1, z izvedenima porabniškima vhodnim priključkom D2 in izhodnim priključkom D1 ter vgrajenim toplotnim izmenjevalnikom A2, tik nad vhodnim priključkom D2 vstavljenim električnim grelcem G1 ter vhodnim priključkom D3 in izhodnim priključkom D4 za tokokrog peči G2. Na dnu rezervoarja A1 sta izvedena vhodni priključek D5 in izhodni priključek D6 povezana s posebno konstrukcijsko izvedenimi kolektorskimi paneli K, pri čemer je povezovalna cev J4 povezana tudi z nad toplotnim izmenjevalnikom A2 nameščenim rezervoarjem A3 in, da so vsi elementi sistema, razen kolektorskih panelov K obdani s skupno izolacijo H1.

Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu bomo obrazložili na osnovi izvedbenega primera in slik, od katerih kaže:

-5slika 1 shematski prikaz nizkotlačnega sistema sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu slika 2 kolektorski panelni element K nizkotlačnega sistema sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu v delnem prerezu z izraženimi podrobnostmi

V zgornjem delu pokončnega podolgovatega valjastega rezervoarja A1, napolnjenega s prenosnim medijem, ki je (razen v primeru posebnih industrijskih zahtev) voda, je vgrajen toplotni izmenjevalnik A2, ki je lahko pretočna spirala, rezervoar ali bojler brez izolacije z nameščenim termometrom B1 ob izhodu C1 v primeru pretočnega, in termometroma B1 ,B2 (ob vhodu C2) v primeru akumulacijskega delovanja.

Porabniki toplotne energije so priključeni paralelno preko izhodnega priključka D1 in vhodnega priključka D2. Z regulacijo črpalk E1 in ventilov F1 dosegamo želeno vhodno temperaturo T3 na termometru B3 ob vhodu porabnikov in merjeni temperaturi T4 na termometru B4 ob izhodu porabnikov, kakor tudi najvišjo temperaturo T5 na termometru B5 v rezervoarju A1. Teoretično sta potrebna le dva termometra, vendar potrebujemo za optimalno regulacijo predpostavke, ki niso povsod enake in

-6bolj zahtevno logiko, ki je v načelu dražja od dodatnega termometra.

Za primer dodatnega električnega dogrevanja je tik nad vhodnim priključkom D2 vstavljen električni grelec G1, ki je s pomočjo termometra B5 krmiljen pri pretočni verziji in s pomočjo termometra B6 pri akumulacijski verziji.

Za primer dodatnega dogrevanja s pomočjo že obstoječe centralne kurjave izvedemo vhodni priključek D3 in izhodni priključek D4 za tokokrog peči G2. Dodatno dogrevanje reguliramo s pomočjo črpalke E2 in termometrov B5, B6, B7 in B8. Kot v prejšnjem električnem dogrevanju sta nujna le dva, vendar staneta ostala dva manj kot enakovredna regulacija.

Ogrevanje oziroma predgretje celotnega volumna rezervoarja A1 je omogočeno preko vhodnega priključka D5 in izhodnega priključka D6 celotnega nizkotlačnega sistema sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli.

Na sliki 1 prikazano zaporedje in višina namestitve vhodnih in izhodnih priključkov posameznih sistemov ogrevanja in dogrevanja je pogojeno tudi z ekonomičnostjo posameznega načina ogrevanja. Tako z višinsko razliko med priključkoma D1, D2 ustvarjen volumen zadostuje potrebam po akumulaciji ob upoštevanju porab, klime, prekinitve centralnega ogrevanja in časovne razporeditve nižje in višje tarife električnega toka pri električnem dogrevu. Vsi ostali volumni, ustvarjeni z višinskimi razlikami samo povečujejo težo, ceno, toplotno kapaciteto in izgubo rezervoarja A1, vendar morajo biti oblike in razdalje med priključki takšne, da ostane zanemarljiv neposreden medsebojni pretok in dinamični vpliv na termiko v rezervoarju

-7Α1.

Za ustvaritev pomika prenosnega medija namestimo v vsakem tokokrogu čim bližje izhodnega priključka D6, po možnosti v skupni izolaciji H1 turbinsko črpalko E3. Turbinski tip črpalke E3 ima manjše izgube v pogonu in omogoča prost pretok pri zastoju, v primerjavi z batnim tipom črpalke.

Nad črpalko E3, vendar nižje od vseh delov, ki so izpostavljeni nizkim temperaturam, namestimo po možnosti v skupni izolaciji H1, vendar z vmesno izolacijo H2, rezervoar A3, ki je s tlačno izravnalnim priključkom J1 povezan z okoliškim tlakom, ter s priključkoma J2 in J3 povezan s krogotokom prenosnega medija. Volumen rezervoarja A3 presega celotni volumen tokokroga nad njim vsaj za dvojno tolerančno polnitev.

Za pogon brez kontrol opremimo rezervoar A3 s priključkom F2, ki avtomatično omogoča polnenje rezervoarja A3 kadar pade celoten volumen med priključkom J2 in gladino v rezervoarju A3 pod tolerančno polnitev.

Razni prezračevalni ventili kot npr. F3 in J5 omogočajo avtomatično izpraznitev gornjega dela tokokroga ob ustavljeni črpalki E6 in povzročajo odvisno od dimenzioniranja podpritisk in/ali dodatno delo črpalke ob padcu nivoja prenosnega medija od gornjega robu kolektorskega panela K do proste gladine v rezervoarju A3. Stereometrično optimirana povezava J2 in J3 med rezervoarjem A3 in neprekinjenim glavnim vodom J4 omogoča optimalno rešitev.

Odvisno od dimenzioniranja cevi deluje padec prenosnega medija od gornjega robu kolektorskega panela K do gladine v rezervoarju A3 kot slap,

-8ki zahteva dodatno delo črpalke, kot natega, ki s podtlakom v gornjem delu tokokroga povzroča znižanje vrelišča ali vmesno z lebdenjem mehurčkov, pri čemer lahko nastopijo celo za konstrukcijo nevarne oscilacije.

Z magnetnim, kapilarnim (propusten za zrak, ne pa za prenosni medij) ali enosmernim (prepusten samo navznoter) ventilom ali luknjo z nastavkom, kot prezračevalnikom, ki preprečuje izgubo prenosnega medija, omogočamo avtomatično izpraznitev gornjega dela tokokroga prenosnega medija nizkotlačnega sistema sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu.

Najugodnejše lege za namestitev prezračevalnika so:

- v nadtlačnem področju tik nad gladino rezervoarja A3 omogoča največja razlika pritiskov najboljše obratovanje enosmernega ventila F3, ki nima vpliva na razmerje slap-natega,

- neposreden prehod skozi rezervoar po poti J3 - A3 - J2 predstavlja najbolj enostavno rešitev, vendar povzroča toplotno izgubo z gretjem rezervnega prenosnega medija in znižuje mehansko impedanco na izhodu področja slap-natega.

- prezračevalni ventil J5 nad najvišjim delom naprave preprečuje hidrostatični podtlak in znižuje mehansko impedanco na vhodu področja slap-natega

Nad gladino prenosnega medija v rezervoarju A3 ne sme noben sifon ovirati prosti iztok prenosnika, kar zahteva posebno v primeru vzporedno veznih kolektorskih panelov tehnično bolj zahtevno konstrukcijsko prilagoditev.

-9Popolno kontrolo in delovanje nizkotlačnega sistema sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli vzpostavimo s pomočjo meritev temperature na raznih mestih.

Temperaturni senzor B9 meri vhodno temperaturo T9 po ogretju prenosnega medija in določa s pomočjo temperature T8 smiselnost pogona. Temperaturni senzor B10 meri izhodno temperaturo T10 in v kombinaciji s temperaturo T9 določa izkoristek pogona ter izklopi črpalko E3, ko pade temperatura T9, ki jo zaznava temperaturni senzor B9 pod T10+Tr, pri čemer predstavlja Tr najmanjšo temperaturno razliko za rentabilno obratovanje.

Temperaturni senzor B11, ki meri najvišjo temperaturo T11 na izhodu kolektorskega panela K vklopi črpalko E3 ko se T11 dvigne nad T9+Ti+Tp, pri čemer predstavlja Ti padec temperature do rezervoarja A1 zaradi toplotnih izgub, Tp pa je temperatura največjega možnega pregretja temperaturnega senzorja B11 nad obratovalno temperaturo zaradi neobratovanja.

Tr, Ti in Tp so odvisni od instalacije in podnebja. Njihova podcenitev povzroča nesmiselno večkratno vklapljanje črpalke E3, njihova precenitev pa izpad obratovanja ob mejnih pogojih. Temperaturni senzor B12 meri najnižjo temperaturo T12 na vhodu v kolektorski panel K med obratovanjem.

Temperaturni senzor B13 meri temperaturo T13 v rezervoarju A3, ki je pomembna v podnebju z močnim sevanjem in nizkimi temperaturami, kjer lahko pride do zaledenitve ob vklopu naprave. Temu se lahko izognemo v

-10gorskem, arktičnem in puščavskem podnebju (tudi ni potrebno meriti T12 in T13) v kolikor dodamo Tp potrebno varnostno razliko, katere višina zavisi od konstrukcije in podnebja, oziroma do tega ali sta glavni rezervoar A1 in rezervoar A3 obdana s skupnim izolacijskim plaščem H1.

Na sliki 2 je prikazana izvedba kolektorskega panela, ki ga sestavlja kovinsko ogrodje M, ogrevalna posoda P, zunanja varovalna šipa N1, zaslon N2, nosilna izolacija, sestavljena iz visokoimpedančne izolacije L2 in visokotemperaturne izolacije L3, ki je ovita s sevalno zaslonko N3.

Kovinsko ogrodje M se prilagaja toplotnim raztezkom zunanje varovalne šipe N1, ki mora dosegati čim večjo mehansko odpornost in delovati optično kot pasovno propustni filter, ki odbija ali propušča samo navznoter toplotno sevanje okoli 350°K in po potrebi zapira daljni UV, vendar propušča čimbolje vsako vmesno frekvenco. Pred premočno asimetrično toplotno obremenitvijo zavarujemo in hkrati pomanjšamo konvekcijsko in sevalno toplotno izgubo z optično enakovrednim zaslonom N2, katerega sestavlja po sedanji tehnologiji več tankih, mehko vpetih šip ali opna iz trajno prozorne plastike, ki zaradi mehkosti in občutljivosti na UV ni primerna za zunanjo namestitev. Varovalna šipa N1 ima prednostno večjo debelino kot zaslon N2. Pred umazanijo, prahom in vlago varujemo notranjost s tesnilom O.

Stik med visokoimpedančno izolacijo L2 in visokotemperaturno izolacijo L3, je lahko izveden tako, kot je prikazano v detalju. Takšna izvedba stičnih površin obeh izolacij omogoča manjšo prevajanje toplote, vmesno plast pa tvori sevalna zaslonka N3.

-11 Izgled ogrevalne posode P je prikazan v detalju. Enakovrednost poti prenosnega medija skozi ogrevalno posodo P dosežemo z razdelitvijo posode P v enakovredne prehode Q, po katerih se prenosni medij dviga od vodoravnega dotočnega kanala do vodoravnega odtočnega kanala. Posamezna ali serijsko vezana ogrevalna posoda P ima v enem kotu vhodno odprtino in diagonalno nasproti izhodno odprtino, vsaka vmesna paralelno povezana ogrevalna posoda P ima po dva v(iz)hoda, ker so vsi do(od)točni kanali zaporedno vezani, le začetna (zadnja) ima samo po en v(iz)hod.

Vstavljanje vmesnih sten in perforiranih cevi bi bilo ekonomsko neopravičeno, zato je ogrevalna posoda P izvedena tako, da punktiramo neposredno zgornjo In spodnjo opno na mestih T vzdolž nameravanih sten. Nato bombiramo z nadpritiskom ob neizogibnem preizkusu hermetičnosti, vendar po tej poenostavitvi postanejo prehodi premalo enakomerni in kanali preozki. Zato predvtisnemo simetrično ali izmenično v obe ali samo v eno opno za vsaj vsako drugo steno med prehodi čim ožje zapore W, ki omogočajo izvedbo punktirnih mest T, oziroma za vse kanale razširitev X in/ali vstavimo distančnike Y.

Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli po izumu ima pred obstoječimi rešitvami več prednosti kot npr.:

- vsak v(iz)klop pogona konstrukcijsko povzroča polnitev (izpraznitev) nad ekspanzijsko posodo

- obratuje brez potrebe po aktivni regulaciji za preprečitev poškodb zaradi zaledenitve ali zavretja z vodo kot prenosnim medijem brez

-12dodatkov dimenzioniranje za delovanje na vodo brez dodatkov omogoča ekonomsko in ekološko bolj ugodno osnovno investicijo in obratovanje omogoča minimalne izgube ob ohladitvi zaradi izpraznitev in dimenzioniranje na nizkotlačni pretok vode brez dodatkov z omejenim, simetrično prilagojenim, priključkom rezervoarja za prenosni medij omogoča optimalne hidrodinamske in hidrostatske pogoje med obratovanjem z izolirano in primerno nameščeno ekspanzijsko posodo omogoča vklop tudi tedaj, ko je neizogibna delna vklopna zaledenitev večstopenjsko toplotno izolacijo grelnih posod kolektorskega panela tvorijo plasti različnih materialov, prilagojenih posameznim zahtevam, ki so opisane zgoraj grelno posodo kolektorskega panela ne tvorijo cevi ampak na opisan način s kovinsko opno omejena plast prenosnega medija.

Claims (3)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli, označen s tem, da ima valjasti rezervoar (A1), med seboj povezana z ventilom (F1), porabniški vhodni priključek (D2) in porabniški izhodni priključek (D1) tako, da leži vgrajen toplotni izmenjevalnik (A2) med obema priključkoma, medtem ko je tik nad vhodnim priključkom (D2) vstavljen električnim grelec (G1), pod njim pa vhodni priključek (D3) in izhodnim priključek (D4), izven rezervoarja (A1) nameščene peči (G2); da sta pri dnu rezervoarja (A1) vhodni priključek (D5) in izhodni priključek (D6) povezana s posebno konstrukcijsko izvedenimi kolektorskimi paneli (K), pri čemer je povezovalna cev (J4) povezana tudi z nad toplotnim izmenjevalnikom (A2) nameščenim rezervoarjem (A3), ki ima tlačno izravnalni priključek (J1) in priključek (F2) za avtomatsko polnjenje, pri čemer so vsi elementi sistema, razen kolektorskih panelov (K) obdani s skupno izolacijo (H1).
2. 2. Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli, po zahtevku 1, označen s tem, da je v kovinskem ogrodju (M) nameščena ogrevalna posoda (P), prekrita s kombinacijo zunanje varovalne šipe (N1) in zaslona (N2); da je

   -14nosilna izolacija, sestavljena iz visokoimpedančne izolacije (L2) in visokotemperaturne izolacije (L3) ovite s sevalno zaslonko (N3); da je ogrevalna posoda (P) razdeljena v enakovredne prehode (Q), ki povezujejo vodoravni dotočni kanal z vodoravnim odtočnim kanalom; da ima posamezna ali serijsko vezana ogrevalna posoda (P) v enem kotu vhodno odprtino in diagonalno nasproti izhodno odprtino; da ima vsaka vmesna paralelno povezana ogrevalna posoda (P) ima po dve vhodni odprtini in dve izhodni odprtini; da so vsi dotočni kanali oziroma odtočni kanali zaporedno vezani, le začetna (zadnja) ima samo po eno vhodno odprtino in eno izhodno odprtino.
3. 3. Nizkotlačni sistem sončnega ogrevanja prenosnega medija s kolektorskimi paneli, po zahtevku 2, označen s tem, da ima ogrevalna posoda (P) predvtisnjeno simetrično ali izmenično v obe ali samo v eno opno za vsaj vsako drugo steno med prehodi čim ožje zapore (W) ob punktirnih mestih (T), oziroma za vse kanale razširitve (X) in/ali vstavljene distančnike (Y).