солнечная водонагревательная установка

Формула изобретения

Солнечная водонагревательная установка, содержащая расположенные под углом к горизонту солнечные коллекторы с патрубками выхода горячей воды в верхней части, подключенными посредством трубопровода к входному патрубку бака-аккумулятора, расположенного над солнечными коллекторами и содержащего выходной патрубок, а также патрубок подвода холодной воды, соединенный трубопроводами с солнечными коллекторами, и трубопровод отвода горячей воды к потребителю, отличающаяся тем, что бак-аккумулятор снабжен трубой приема горячей воды от солнечных коллекторов, подключенной к ее входному патрубку, одним концом укрепленной в днище бака-аккумулятора и вертикально выведенной в верхнюю его часть, снабженной отверстиями в ее стенках, выполненными в несколько рядов равномерно по высоте трубы, причем суммарная площадь отверстий в каждом ряду больше или равна площади поперечного сечения трубопровода, соединяющего солнечные коллекторы с баком-аккумулятором, а также бак-аккумулятор снабжен трубой отбора горячей воды, размещенной вертикально внутри него с высотой, составляющей 3/4 высоты бака-аккумулятора, снабженной отверстиями и полым золотником внутри, причем отверстия выполнены в стенках трубы в несколько рядов равномерно по ее высоте, причем суммарная площадь отверстий в каждом ряду больше или равна площади поперечного сечения трубопровода отвода горячей воды из бака-аккумулятора к потребителю, а полый золотник выполнен со скошенной верхней частью, высота которой больше расстояния между двумя соседними рядами отверстий в трубе не менее, чем на два диаметра отверстий, труба отбора горячей воды в верхней части снабжена ограничителем хода золотника вверх, а нижняя ее часть через днище бака-аккумулятора выведена наружу на высоту золотника, причем бак-аккумулятор дополнительно снабжен переливной трубой, нижний конец которой расположен непосредственно у его дна, а верхний конец имеет поворотное колено с отверстием в самой верхней части для впуска и выпуска воздуха и разрыва струи воды при переполнении бака-аккумулятора, а каждый коллектор наклонен под углом 5 10^o к горизонту в плоскости коллектора и снабжен патрубком выхода горячей воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гелиотехнике, а именно к установкам для преобразования солнечной энергии в тепловую, и может использоваться для обеспечения автономных потребителей горячей водой, в том числе в отдаленных районах и экспедиционных условиях.

Известны солнечные установки с солнечным коллектором и баком-аккумулятором [1 9] Одной из основных частей этих установок [6] является бак-аккумулятор, представляющий собой вертикальный стальной бак высотой, в 3 5 раз большей его диаметра, для обеспечения температурного расслоения воды. В баке предусмотрен клапан для подвода холодной воды и ее подачи в нижнюю часть бака.

Известна также гелионагревательная установка 2 с естественной циркуляцией, содержащая солнечный коллектор и соединенный с ним при помощи прямого и обратного патрубков бак-аккумулятор. Прямой патрубок закреплен в боковой стенке бака и направлен к верхней части бака-аккумулятора, причем прямой участок патрубка снабжен теплоизоляцией и имеет высоту H>>3h, где h расстояние от дна бака до места закрепления патрубка в боковой стенке.

Основным недостатком таких баков-аккумуляторов является непрерывность температуры воды в баке, вызванная тем обстоятельством, что нагретая вода имеет меньший удельный вес и всегда скапливается в верхних слоях бака. Эта неравномерность тем больше, чем больше высота бака. Холодные слои воды скапливаются в нижней части бака и к потребителю попадают в первую очередь.

При переполнении бака водой из последнего выливаются верхние, наиболее нагретые слои воды, что экономически невыгодно. А смешивание нагретой и менее нагретой воды в баке при подпитке последнего водой из водопровода ведет к потере полезной теплоты и к снижению КПД водонагревательной установки в целом.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является гелиоустановка по авторскому свидетельству СССР N 1330417 1987 Б. N 30 [3] Установка содержит солнечный коллектор и соединенный с ним трубопроводами бак-аккумулятор, размещенные на одном каркасе. Бак-аккумулятор выполнен состоящим из двух емкостей, сообщенных между собой при помощи съемного Г-образного патрубка и смесителя.

Недостатком этой установки является потеря теплоты нагретой воды вследствие смешивания ее с холодной водой из-за обратного перелива воды из одной емкости в другую емкость бака, разделенного перегородкой. Это снижает эффективность бака как аккумулятора теплоты. Кроме того, высота Г-образной трубки ограничивает пределы отбора воды из одной емкости бака в другую, если расход воды через душ будет значительным, а уровень воды в емкости упадет ниже верхнего края Г-образного патрубка, т.е. в баке существует так называемая "мертвая зона".

В основу изобретения положена задача повышения стабильности работы установки, равномерности нагрева воды, повышение скорости нагрева воды и повышение эффективности солнечной водонагревательной установки в целом.

Поставленная задача решается тем, что в солнечной установке, содержащей солнечные коллекторы и расположенный над ними бак-аккумулятор с входным и выходным патрубками, патрубок подвода холодной воды, соединенный трубопроводами с коллектором, бак-аккумулятор снабжен, во-первых, трубой приема горячей воды от солнечных коллекторов, в которой выполнены отверстия, размещенные в несколько рядов равномерно по высоте трубы. Общая площадь отверстий в каждом ряду должна быть не менее площади трубопровода, соединяющего бак-аккумулятор с солнечными коллекторами.

Во-вторых, бак-аккумулятор снабжен трубой отбора горячей воды из бака, в которой выполнены отверстия в несколько рядов равномерно по высоте трубы. Общая площадь отверстий в ряду должна быть не менее площади трубопровода, отводящего горячую воду от бака (от трубы отбора) к потребителю. В трубке отбора размещен полый подвижный золотник со скошенной верхней частью из материала, плотность которого меньше плотности воды. Высота скошенной части золотника больше расстояния между двумя соседними рядами отверстий не менее, чем на два диаметра отверстий.

Труба отбора размещена в средней части бака-аккумулятора и имеет высоту не менее 3/4 бака, а в верхней части имеет ограничитель хода золотника.

В-третьих, бак-аккумулятор снабжен переливной трубой, нижний конец которой расположен непосредственно у днища бака, а верхняя часть трубы внутри бака в его самой верхней части имеет колено с отверстием для впуска и выпуска воздуха и разрыва струи воды, а солнечные коллекторы наклонены под углом 50 10^o в плоскости, параллельной тепловоспринимающей поверхности, причем их патрубки выхода горячей воды размещены в верхней точке коллекторов и при помощи трубопровода присоединены к перфорированной трубе подачи горячей воды в бак-аккумулятор.

Условие выведения трубы приема горячей воды от солнечных коллекторов в верхнюю часть бака-аккумулятора (см. выше) позволяет полезно использовать дополнительный эрлифтный эффект, величина которого оценена ниже расчетным путем для реальных условий работы солнечной водонагревательной установки. Эрлифтный эффект обусловлен наличием растворенного в воде воздуха и выделением его в виде пузырьков [10] при нагревании воды в солнечной водонагревательной установке. Дополнительный эффект возникает за счет высоты трубы приема горячей воды от солнечных коллекторов.

Оценка величины эффекта основана на определении количества воздуха в воде и возникающей вследствие этого подъемной силы в трубе.

Количество растворенного воздуха в зависимости от температуры воды при атмосферном давлении принимает следующие значения [11]

0^oC 37,5 мг/л; 10^oC 30,0 мг/л; 20^oC 23,0 мг/л; 30^oC 20,0 мг/л; 40^oC 17,5 мг/л; 50^oC 15,0 мг/л; 60^oC 12,5 мг/л; 70^o 10,0 мг/л; 80^oC 7,5 мг/л.

Таким образом, при повышении температуры воды в водонагревательной установке, например, от 20^oC до 70^oC выделяется воздух в количестве

g_возд. 23 10 13 мг/л 1310^-6 кг/л.

Один квадратный метр тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора обеспечивает за время 6 ч нагрев 80 л воды до температуры 70^oC (по опытным данным [5, 6, 12]).

Следовательно, количество выделяющегося из воды воздуха составит

G_возд 80g_возд 801310^-6 1,0410^-3 кг.

Плотность воздуха при средней температуре в солнечном коллекторе



составит _возд= 1,11 кг/м³.

Среднее секундное выделение воздуха



Средний секундный расход воды [12]

V_воды 0,015 10^-3 м³/с.

Среднее газосодержание двухфазного потока (вода с выделившимися пузырьками воздуха)



Плотность воды при T_ср 45^oC

_воды= 990 кг/м³.

Плотность двухфазной смеси [13]



Таким образом, дополнительная подъемная сила на каждый метр высоты трубы приема горячей воды от солнечных коллекторов (высота над днищем бака)



Сравним дополнительную подъемную силу P_доп с основной движущей силой, обеспечивающей циркуляцию воды в солнечной водонагревательной установке вследствие разности плотностей (температур) в различных ее частях.

Разность плотностей воды в солнечных водонагревательных установках (обеспечивающая естественную циркуляцию) составляет

_осн= 4-5 кг/м³[4,5,9,12].

В реальных солнечных водонагревательных установках с естественной циркуляцией расстояние от верха коллектора до верхнего уровня воды в баке-аккумуляторе составляет h_осн= 3 м и несколько больше.

Тогда основная подъемная сила составляет (при _осн= 4 кг/м³, h_осн 3 м)

P_осн= _оснgh_осн= 49,813 = 118 H/м²,

где g ускорение силы тяжести.

Таким образом, в реальных условиях дополнительная подъемная сила за счет поднятия среза трубы приема горячей воды от солнечных нагревателей в верхнюю часть бака-аккумулятора составляет до 24% основной подъемной силы.

При этом вследствие увеличения движущей силы увеличивается скоростью движения (скорость циркуляции) жидкости в солнечных коллекторах, что приводит к интенсификации теплообмена в нем и повышению эффективности работы установки в целом.

Наличие отверстий по высоте трубы приема (перфорированная труба) позволяет обеспечить устойчивую работу установки при любом уровне воды в баке-аккумуляторе.

Выполнение требований соотношения площадей отверстий в каждом ряду и трубопровода, соединяющего солнечные коллекторы и бак-аккумулятор, позволяет избежать запирания циркуляции воды в системе при любом уровне воды в баке.

Труба отбора горячей воды из бака-аккумулятора позволяет за счет наличия в ней подвижного полого золотника и отверстий в стенках трубы обеспечить подачу горячей воды из верхних слоев во всех случаях и при любом уровне воды в баке-аккумуляторе. Скошенная верхняя часть золотника позволяет избежать "мертвой" зоны между отверстиями за счет выбора соотношений между высотой скошенной части и расстоянием между отверстиями.

В этом случае при любом уровне воды в баке горячая вода поступает к потребителю как минимум из одного ряда отверстий, этим и вызвано требование к соотношению между площадями отверстий в ряду и трубопровода подачи горячей воды от бака-аккумулятора потребителю.

Нижняя часть трубы отбора должна обеспечить размещение в ней золотника при минимальном уровне воды в баке.

Наличие переливной трубы, опущенной в нижнюю часть бака, обеспечивает удаление холодной воды из самых нижних слоев воды при переполнении бака в процессе подачи добавочной воды. Отверстие в верхней части колена трубы служит для удаления воздуха из бака при его заполнении, а также для разрыва струи воды после превращения подпитки при переполнении бака (для устранения сифонного эффекта).

Размещение солнечных коллекторов с наклоном на угол 5-10^o в плоскости параллельной тепловоспринимающей поверхности позволяет лучше обеспечить выход пузырьков воздуха, выделяющегося при нагреве воды.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемыми техническими результатами. Благодаря данной совокупности существенных признаков установка более экономична, проста и надежна по сравнению с прототипом.

На чертеже приведена схема солнечной водонагревательной установки.

Солнечная водонагревательная установка содержит бак-аккумулятор 1 с герметичным корпусом и солнечные коллекторы 2, соединенные с баком-аккумулятором при помощи трубопроводов 3 и 4.

В днище бака-аккумулятора вварена труба приема горячей воды 5 от солнечных нагревателей. Труба имеет отверстия 6, размещенные в несколько рядов равномерно по высоте трубы. Общая площадь отверстий в каждом ряду не менее площади поперечного сечения трубопровода 3, соединяющего солнечные коллекторы с баком-аккумулятором.

Труба отбора горячей воды 7 приварена к днищу бака-аккумулятора и имеет отверстия 8, размещенные в несколько рядов равномерно по высоте трубы. Общая площадь отверстий в каждом ряду не менее площади поперечного сечения трубы 9, отводящей горячую воду от бака потребителю. В трубе отбора горячей воды размещен подвижный полый золотник 10 со скошенной верхней частью 11 из материала, плотность которого меньше плотности воды.

Длина скошенной части золотника больше расстояния между соседними рядами отверстий не менее, чем на два диаметра отверстий.

Часть трубы, которая имеет отверстия, расположена внутри бака на высоту не менее 3/4 высоты бака и в верхней части имеет ограничитель 12 хода золотника 10 вверх.

Нижняя часть трубы отбора 7 выступает из бака наружу и должна обеспечить размещение в ней золотника при минимальном уровне воды в баке-аккумуляторе. К ней присоединена труба 9 отвода горячей воды из бака потребителю.

Переливная труба 13 одним концом расположена непосредственно у днища бака, а верхняя часть трубы имеет внутри бака в его самой верхней части колено 14 с отверстием 15. Отверстие 15 служит для впуска воздуха в бак при расходовании воды и выпуска воздуха при заполнении его водой. Патрубок 16 служит для подпитки бака холодной водой.

При переполнении бака во время заполнения из бака сливается наиболее холодная вода из его нижней части. После закрытия клапана подпитки отверстие 16 служит для разрыва струи воды и предотвращения осушения бака.

Патрубок 17 выхода горячей воды из солнечных коллекторов расположен в верхней точке каждого коллектора для обеспечения естественной циркуляции воды и беспрепятственного выхода пузырьков воздуха, выделяющегося из воды при ее нагреве в солнечных коллекторах.

Установка работает следующим образом. Бак заполняется водой до верхнего уровня, ограниченного коленом 14 переливной трубы 13. При повышении температуры воды в солнечных коллекторах в результате поступления на них солнечной энергии происходит уменьшение плотности воды, что является основной движущей силой процесса естественной циркуляции воды в солнечной водонагревательной установке. При этом также происходит уменьшение растворимости газов в воде, и газы, растворенные в воде, выделяются в виде пузырьков на стенках водяной полости солнечного коллектора [10] Затем потоком жидкости они срываются и поднимаются вверх. Для лучшего обеспечения выхода этих пузырьков солнечный коллектор развернут на угол 5-10^o в плоскости параллельной тепловоспринимающей поверхности. Пузырьки воздуха, поднимаясь в бак 1 по трубе 3, увлекают за собой теплую воду (эрлифтный эффект). Использование трубы 5 для подачи горячей воды от солнечных коллекторов в верхние слои воды в бак-аккумулятор позволяет использовать дополнительную подъемную силу за счет высоты трубы 5, размещенной в баке.

Этот эффект вызывает дополнительное увеличение скорости жидкости в солнечном коллекторе и интенсифицирует теплообмен в нем, что повышает КПД и эффективность работы солнечных коллекторов и установки в целом.

Горячая вода потребителю отбирается из верхних, наиболее горячих слоев жидкости в баке и через полый золотник 10 поступает к трубе 9 отбора горячей воды из бака потребителю. После падения уровня воды в баке ниже ограничителя 12 хода золотника 10 начинает работать скошенная верхняя часть 11 золотника. Высота скошенной части превышает расстояние между двумя соседними рядами отверстий на величину не менее двух диаметров отверстий.

Золотник в трубе отбора в каждый момент его работы находится в таком положении (за счет его плавучести), что уровень воды в баке проходит по верхней кромке золотника. По мере падения уровня воды в баке золотник 10 также опускается и открывает последовательно ряды отверстий 8 в трубе и тем самым обеспечивает всегда отбор наиболее нагретых верхних слоев в баке.

При подаче в бак добавочной воды через клапан 16 холодная вода попадает в нижнюю часть бака, уровень воды в нем поднимается и в случае переполнения бака холодная вода через переливную трубу 13 выливается наружу. Так как переливная труба начинается непосредственно у дна бака, выливается наиболее холодная вода. Отверстие 15, выполненное в самой верхней части колена трубы и бака, обеспечивает поступление воздуха в бак при расходовании воды и выход воздуха при заполнении бака. Это отверстие в колене переливной трубы обеспечивает разрыв струи воды при переполнении бака после закрытия клапана 16 и не позволяет баку непроизвольно осушаться за счет сифонного эффекта.

Данная конструкция установки имеет следующие преимущества.

Позволяет полностью избегать смешивания нагретой и холодной воды при отборе ее для потребителей, при переполнении бака-аккумулятора и при приеме горячей воды от солнечных коллекторов.

Обеспечивает подачу горячей воды от солнечных коллекторов в бак только в верхние наиболее теплые слои воды в баке.

При использовании дополнительной подъемной силы за счет эрлифтного эффекта увеличивает скорость воды в солнечном коллекторе, что интенсифицирует теплообмен и повышает эффективность работы как каждого коллектора, так и установки в целом.

Позволяет удалять из бака избыточную холодную воду без смешивания ее с уже нагретой водой в верхних слоях.

Установка проста по конструкции, бак-аккумулятор содержит простые конструктивные элементы, что обеспечивает надежность установки.

В баке-аккумуляторе отсутствуют "мертвые зоны" и весь объем горячей воды в баке может использоваться полностью.

В баке-аккумуляторе значительно уменьшены потери теплоты (и массы воды) на испарение с поверхности воды, т.к. он сообщается с атмосферой только через небольшое отверстие 15.