теплообменник солнечной энергии

Формула изобретения

Теплообменник солнечной энергии, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцевыми крышками с патрубками, в полости которой соосно с ней расположена цилиндрическая металлическая трубка для прохождения рабочей среды, а также концентратор солнечного излучения, установленный с возможностью изменения его ориентации относительно Солнца, отличающийся тем, что концентратор солнечного излучения выполнен в виде систем зеркал и цилиндрических собирающих линз, расположенных параллельно оси камеры на фокусном расстоянии от поверхности металлической трубки и не превышающих длины трубки между торцевыми крышками, а также снабженный механизмом вращения его вокруг камеры, включающим систему слежения в течение дневного времени за постоянным расположением Солнца, центральной линии центрально расположенной цилиндрической собирающей линзы и линии сфокусированного ею солнечного излучения на поверхности металлической трубки на условной плоскости, перпендикулярной к касательной плоскости, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности металлической трубки, причем теплообменник установлен с возможностью изменения угла наклона его относительно земли для обеспечения перпендикулярного падения солнечных лучей на поверхность металлической трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в различных теплообменных системах, в двигателях внешнего сгорания, а также для выработки электроэнергии.

Известен теплообменник, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала, металлическую трубку, по которой пропускают рабочую среду, и концентратор, представляющий собой конусную зеркальную поверхность (Авторское свидетельство СССР за 1987 год N 1332110, кл. МКИ F 24 J 2/04). Недостатками такого теплообменника являются, во-первых, неравномерность нагрева по длине трубки, во-вторых, для достижения нагрева поверхности металлической трубки порядка 1500-2000^oC конус должен быть огромных размеров (радиус основания конуса порядка десятков метров), причем такой нагрев достигается только в сечении основания конуса, а при приближении к вершине конуса величина теплового нагрева уменьшается. Это объясняется тем, что величина концентрации солнечной энергии пропорциональна площади сечения, получаемой при сечении конуса плоскостью, параллельной основанию конуса, а эта площадь уменьшается при приближении к вершине конуса.

Известен теплообменник, взятый за прототип, содержащий камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала, металлическую трубку, по которой пропускают рабочую среду, и концентратор, представляющий собой систему собирающих линз (Патент Российской Федерации за 1997 год N 2075705). Недостатком такого теплообменника является нагрев металлической трубки только с одной стороны вдоль ее длины по образующей поверхности цилиндра, что ограничивает величину общей результирующей температуры нагрева трубки и производительность теплообменника.

Задачей предложенного изобретения является повышение величины общей результирующей температуры нагрева металлической трубки и производительности теплообменника.

Выполнение задачи достигается тем, что в теплообменнике, имеющем камеру с цилиндрическими стенками из прозрачного материала и торцевыми крышками с патрубками, в полости которой соосно с ней расположена цилиндрическая металлическая трубка для прохождения рабочей среды, а также концентратор солнечного излучения, установленный с возможностью изменения его ориентации относительно Солнца, применен концентратор солнечного излучения, выполненный в виде систем зеркал и цилиндрических собирающих линз, расположенных параллельно оси камеры на фокусном расстоянии от поверхности металлической трубки и не превышающих длины трубки между торцевыми крышками, а также снабженный механизмом вращения его вокруг камеры, включающим систему слежения в течение дневного времени за постоянным расположением Солнца, центральной линии центрально расположенной цилиндрической собирающей линзы и линии сфокусированного ею солнечного излучения на поверхности металлической трубки на условной плоскости, перпендикулярной к касательной плоскости, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности металлической трубки, причем теплообменник установлен с возможностью изменения угла наклона его относительно земли для обеспечения перпендикулярного падения солнечных лучей на поверхность металлической трубки в зависимости от месторасположения Солнца на небосводе в течение года.

Цилиндрическая стенка камеры выполнена из прозрачного материала, например стекла, и внутри камера заполнена инертным газом.

Трубка выполнена из тугоплавкого металла с поверхностью, обладающей свойством минимального отражения солнечных лучей, причем для увеличения поверхности съема тепла рабочей средой внутри трубки с контактированием с ее внутренней поверхностью установлен стержень из тугоплавкого металла с винтовой нарезкой.

Торцевые крышки и патрубки выполнены из теплоизоляционного материала, выдерживающего температуру до 2000^oC.

Такое конструктивное выполнение теплообменника приводит к тому, что солнечные лучи, проходящие через цилиндрические собирающие линзы (далее по тексту - линзы) и прозрачную стенку камеры, фокусируются в разных частях поверхности трубки в виде линий по образующей цилиндрической поверхности и нагревают трубку, причем от центральной линзы солнечные лучи фокусируются непосредственно на поверхности трубки, а от боковых - отражаясь от зеркал, при этом присутствующая внутри трубки рабочая среда нагревается за счет отбора тепла от внутренней поверхности трубки и от винтовой поверхности стержня. С помощью механизма вращения концентратора вокруг камеры и следящей системы постоянно располагаем Солнце, центральную линию центральной линзы и линию сфокусированного ею на поверхности трубки солнечного излучения на условной плоскости, перпендикулярной к касательной поверхности, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности трубки. Так как боковые линзы с зеркалами жестко соединены с центральной линзой, то линии сфокусированного ими солнечного излучения тоже будут автоматически располагаться на поверхности трубки. Таким образом добиваемся постоянного расположения линий сфокусированного солнечного излучения на поверхности трубки и тем самым нагрева ее в течение дневного времени суточного вращения Земли.

Величина температуры нагрева рабочей среды зависит от скорости прохождения ее через трубку, длины трубки и температуры нагрева трубки, которая в свою очередь зависит от количества цилиндрических собирающих линз и их площади, перпендикулярной к падающим солнечным лучам.

Применение теплообменника с системами цилиндрических собирающих линз и зеркал для отражения на поверхность трубки солнечных лучей, проходящих через боковые линзы, с механизмом вращения линз вокруг камеры со следящей системой, с изменением угла наклона его относительно земли, позволяет увеличить количество концентрируемой солнечной энергии на поверхности трубки и тем самым повысить величину общей результирующей температуры трубки и производительность теплообменника, что является техническим результатом.

Предложенное изобретение, например, с использованием трех цилиндрических собирающих линз представлено на фиг. 1. Линзы 1 и 30 вмонтированы в одинаковые рамки 2, которые с помощью двух юстировочных устройств 3 и 3" индивидуально для каждой рамки жестко соединены с вращающимися частями дисков 5 и 5", причем рамка с линзой 1 и юстировочными устройствами 3 и 3" непосредственно соединена с ними, а рамки 2 с линзами 30 и своими юстировочными устройствами 3 и 3" - через консоли 31 и 31". На рамках 20 закреплены зеркала 19 и юстировочные устройства 32 и 32". Неподвижные части дисков 5 и 5" закреплены на металлических манжетах 11 и 11", надетых на патрубки ввода 12 и вывода 12" рабочей среды из теплообменника. Вращение подвижных частей дисков 5 и 5" относительно неподвижных осуществляется при помощи шарикоподшипников 6 и 6". Скорость вращения подвижных частей дисков, а следовательно, и линз с рамками задается следящей системой 4, исполнительный механизм которой входит в зацепление с круговой шестеренчатой передачей 29. Камера 7, заполненная инертным газом, представляет собой соединенные в единое целое стенку 8 из прозрачного материала в виде цилиндрической поверхности, крышки 13 и 13", трубку 9 со стержнем 10 из тугоплавкого металла и патрубки 12 и 12" с металлическими манжетами 11 и 11". Стержень 10 имеет винтовую нарезку. Металлический манжет 11", надетый на выводной патрубок 12", соединен через шарнирное устройство 14 со стойкой 21, жестко закрепленной на платформе 25. Металлический манжет 11, надетый на вводной патрубок 12, опирается на изогнутый металлический стержень 22, проходящий через механизм 15, с помощью которого устанавливаем необходимый угол наклона относительно земли камеры 7 и тем самым трубки 9. При горизонтальном расположении камеры 7 стержень 22 покоится на подставке 23, изготавливаемой из любого твердого материала и установленной на платформе 25. Верхняя поверхность подставки 23 повторяет изогнутость стержня 22 и имеет желоб для его скольжения в нем при изменении положения камеры от горизонтального до вертикального. Механизм 15 установлен на стойках 24, жестко закрепленных на платформе 25. Платформа 25 установлена на четырех ножках 26. Для балансировки системы вращающихся частей дисков с жестко соединенными с ними линзами, рамками и юстировочными устройствами установлен противовес 17, жестко соединенный с вращающимися частями дисков 5 и 5" подвесками 16 и 16". Противовес 17 устанавливается диаметрально противоположно центральной линзе. Для балансировки установлены юстировочные устройства 18 и 18".

На фиг. 2 показаны прохождение солнечных лучей через линзы 1 и 30 и их концентрация на поверхности трубки 9, через которую пропускается рабочая среда. Центральная линза 1 фокусирует солнечное излучение непосредственно на поверхность трубки 9 в виде линии 33 по длине образующей цилиндрической поверхности трубки. Боковые линзы 30 фокусируют солнечное излучение на поверхности трубки 9 в виде линий 34 и 35 после отражения солнечных лучей от зеркал 19 (линия 34 на чертеже не видна, так как расположена на невидимой части трубки 9). Конструктивно линзы и зеркала расположены так, что линии 33, 34 и 35 сфокусированного солнечного излучения расположены на цилиндрической поверхности трубки 9 через 120^o.

На фиг. 3 и 4 показано взаимное расположение Солнца 36, центральной линии 37 линзы 1 и сфокусированного на поверхности трубки 9 солнечного излучения в виде линии 33 на условной плоскости (показана пунктиром), которая в течение дневного времени всегда должна быть перпендикулярна к касательной плоскости H, проведенной через линию 33 сфокусированного солнечного излучения (фиг. 3), а лучи от Солнца 36 в условной плоскости G перпендикулярны к линии 33 в любое время года (фиг. 4). Условная плоскость G на фиг. 3 и фиг. 4 показана для двух положений Солнца 36 на небосводе в течение дневного времени (фиг. 3) и в течение года (фиг. 4). С помощью следящей системы 4 на фиг. 1 рамку 2 с линзой 1 вручную устанавливаем в положение, когда линия сфокусированного солнечного излучения будет расположена на поверхности трубки 9, т.е. расположим Солнце, центральную линию центральной линзы 1 и линию сфокусированного солнечного излучения на условной плоскости, перпендикулярной к касательной плоскости, проведенной через линию сфокусированного солнечного излучения на поверхности трубки 9, при этом линии сфокусированного солнечного излучения от линз 30 тоже будут расположены на поверхности трубки 9 через 120^o друг от друга. После этого следящая система 4 переводится в автоматический режим работы. С помощью юстировочных устройств 3 и 3" добиваемся наитончайших размеров линий сфокусированного солнечного излучения от каждой линзы (операция фокусировки). С помощью механизма 15 устанавливаем угол наклона камеры 7 и тем самым угол наклона трубки 9 в положение, при котором обеспечиваем перпендикулярность солнечных лучей, находящихся в условной плоскости G, к линии сфокусированного солнечного излучения на поверхности трубки 9 центральной линзой. После выполнения этих операций сконцентрированная линзами солнечная энергия будет максимально нагревать поверхность трубки 9 и находящийся внутри ее стержень 10. Пропуская рабочую среду через трубку 9, нагреваем ее за счет отбора тепла от поверхности трубки 9 и стержня 10, используя далее нагретую рабочую среду по назначению.

Для предложенного изобретения характерно то, что его можно использовать для нагрева как жидких рабочих сред, так и для газообразных в различных системах теплообмена, отопительных системах и т.д. Особенно привлекательным является использование данного теплообменника для выработки электроэнергии. Например, при применении в качестве рабочей среды газообразного вещества после нагрева его можно использовать для работы двигателя внешнего сгорания. При соединении вращающегося вала двигателя внешнего сгорания с ротором генератора на его выходе будем получать электроэнергию переменного напряжения после начала вращения ротора.