L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
Солнечная водонагревательная установка ИСР-1
| Название | Солнечная водонагревательная установка ИСР-1 |
|---|---|
| Разработчик (Авторы) | Султанов С.К., Исманжанов А.И., Рыскулов И.Р. |
| Вид объекта патентного права | Изобретение |
| Регистрационный номер | 1706 |
| Дата регистрации | 2014 |
| Правообладатель | Рыскулов И.Р., Кыргызпатент |
| Область применения (класс МПК) | F 24 J 2/42 |
Описание изобретения
Предполагаемое изобретение относится к гелиотехнике, а именно к установкам для получения горячей воды с помощью солнечной энергии для бытовых целей.
К настоящему времени разработано множество типов солнечных водонагревательных установок (СВУ) с различной производительностью и типом солнечного водонагревательного коллектора (СВК). СВК отличаются как способом передачи тепловой энергии абсорбера (поглотителя солнечного излучения) к нагреваемой воде, так и материалом изготовления.
В подавляющем большинстве случаев СВК и бак-аккумулятор для горячей воды СВУ образуют две отдельные конструкции, соединяемые между собой системой трубопроводов.
Наиболее близкой по своему техническому решению СВУ, взятого нами за прототип, является СВУ, содержащая солнечный водонагревательный коллектор (СВК) и сообщенный с ним при помощи прямого и обратного трубопроводов бак - аккумулятор, причем прямой трубопровод имеет расположенный в баке - аккумуляторе участок с длиной, достаточной для создание силы, препятствующей обратной циркуляции, зависящей от распределения температур, плотностей теплоносителя в коллекторах и в баке-аккумуляторе (А.с.1180654 СССР, F24J2/42. Геливодонагревательная установка / И.М.Абуев, М.Л.Вулис, Л.З.Григорян (СССР) Бюллетень изобретений №35, 1985). Вода, нагретая в коллекторах, под действием естественной конвекции, через прямой трубопровод поступает бак-аккумулятор, к его верхней части, а на ее место по обратному трубопроводу из нижней части бака-аккумулятора поступает холодная вода.
Недостатком данной установки является то, что она имеет большую общую поверхность (СВК и бака-аккумулятора), что обуславливает большие теплопотери от поверхностей этих двух элементов СВУ, в результате чего снижается производительность установки.
Кроме того, требуется изготовить отдельно несущие пространственные каркасы для СВК и бака-аккумулятора, что делает установку материалоемким, следовательно, дорогим.
Так же известна СВУ, содержащая СВК, а также расположенный выше него и соединенный с ним прямым и обратным трубопроводами бак-аккумулятор, заполненный водой и имеющий пластинчатый поплавок и соединенный с ним гибкий шланг, один конец которого подсоединен к прямому трубопроводу, а второй расположен над уровнем воды, причем поплавок соединен с гибким шлангом посредством крепежного элемента, выполненного в виде диска (А.с. 830084 F24J3/02, Гелиосистема горячего водоснабжения /Е.А.Носов, Ю.К.Рашидов (СССР) Бюллетень изобретений №18, 1981). Поплавок расположен относительно стенок бака-аккумулятора равномерным зазором, что, по мнению авторов, снижает теплопотери от стен бака-аккумулятора.
Недостатками данной установки являются:
- большие теплопотери из-за относительно большой общей площади поверхности СВК и бака-аккумулятора, что проводит к уменьшению к.п.д. установки и производительности в целом.
- излив горючей воды из гибкого шланга осуществляется на плоский диск, который всегда находится на верхнем слое воды, находящегося в баке-аккумуляторе. В результате вода, находящаяся в нижней части бака-аккумулятора, из-за слабого конвективного теплообмена в баке-аккумуляторе остается не нагретой, что отрицательно влияет на процесс нагрева воды.
- установка имеет достаточно сложную конструкцию, включая и несущий каркас для СВК и для бака- аккумулятора, что удорожает ее.
Известна так же солнечная водонагревательная установка, состоящая из СВК, соединенный с ним с помощью подающего и обратного трубопроводов бака-аккумулятора (А.с. 898225 СССР, F24J3/02, Гелиосистема горячего водоснабжения / Ю.К.Рашидов (СССР) Бюллетень изобретений № 2, 1982). В баке-аккумуляторе размещены два дополнительных патрубка, подсоединенных к подающему трубопроводу, один из которых связан с основным поплавком, а другой снабжен ещё одним поплавком, удельный вес которого равен удельному весу поступающей в баке-аккумуляторе нагреваемой воды. При прохождении горячей воды через поплавок из-за разности удельных весов горячей воды через поплавок начинает всплывать. Уровень поплавка определяется разностью удельных весов горячей и холодной воды. Этим и обеспечивается распределение воды по соответствующим температурным слоям.
Недостатками данной установки является:
- с повышением плотности солнечной радиации разность удельных весов горячей и холодной воды увеличивается и этим обеспечивается достаточно высокой уровень поплавка в баке-аккумуляторе. В этом случае вода, находящаяся в нижней части бака-аккумулятора, из-за слабой конвекции остается не нагретой, что отрицательно влияет на температуру нагрева воды;
- установка имеет относительно большие общие площади поверхности СВК и бака-аккумулятора, что приводит к увеличению теплопотерь, следовательно, снижается производительность установки;
- установка материалоемка. Требуется изготовить отдельно пространственные каркасы для СВК и для бака-аккумулятора.
Все вышеописанные установки не способны эффективно поглощать солнечное излучение, когда высота солнца небольшой т.к. их тепловоспринимающие поверхности – поверхности СВК расположены ориентацией север-юг, под некоторым углом к горизонту. При этом углы падения солнечных лучей на их поверхности меняются от 900 в утренние часы до 50-600 до 10 часов дня. При таких углах коэффициент пропускания стеклянного покрытия СВК либо равен нулю, либо сведен к минимуму. В это время СВК, следовательно, СВУ практически не работает.
Целью настоящего изобретения является разработка СВУ меньшим весом благодаря отсутствия классического несущего каркаса, компактный и меньший момент инерции, дающего возможность слежения за солнцем с помощью простых и дешевых механических систем слежения, снижение стоимости благодаря меньшей материалоемкости и упрощение конструкции СВУ для удобства ее транспортировки, монтажа и эксплуатации..
Схема и компоновка основных узлов разработанной СВУ показана на фиг.1.
Солнечная водонагревательная установка состоит из бака-аккумулятора 1 для нагреваемой воды, служащего одновременно и несущим каркасом для остальных его узлов и элементов, солнечных водонагревательных коллекторов (СВК) 2, расположенных по обе стороны бака-аккумулятора 1.
Солнечные водонагревательные коллекторы 2 крепятся к корпусу бака-аккумулятора 1 с помощью двух труб 3, сваренных в перпендикулярном положении к корпусу бака-аккумулятора 1. В свою очередь СВК 2 крепятся к трубам 3 с помощью хомутов 4 с возможностью поворота вокруг труб 3. СВК прикреплены к трубам-держателям в центре их тяжести (в их геометрической середине).
Бак-аккумулятор 1 установлен на горизонтальных телескопических ножках 5 с помощью цилиндрической короткой оси 6, входящего во втулку 7, приваренной к месту пересечения телескопических ножек (опор) 5.
Внутри бака-аккумулятора, по его оси установлен теплообменник 8 в виде вертикальной трубы (диаметром 32 мм) проходящим по всей высоте бака-аккумулятора.
Входные 9 и выходные 10 металлические патрубки СВК соединены с входными и выходными патрубками теплообменника 8 с помощью гибких патрубков (резиновых или пластмассовых шлангов) 11.
На нижнем патрубке теплообменника установлен вентиль 12 для перекрытия обратной циркуляции воды через теплообменник в ночное время.
Для слива горячей воды из бака-аккумулятора для использования в корпусе бака-аккумулятора предусмотрен вентиль 13.
На верхней части теплообменной трубы 8 установлен патрубок 14, служащий для выхода воздуха из объема трубопровода-теплообменника 8 а также служащей расширительным объемом для воды, находящейся в теплообменной трубе.
На верхней части бака-аккумулятора установлена расширительная и одновременно сливная трубка 15, служащая для слива излишков нагреваемой воды из бака-аккумулятора 1.
На фиг. 2 показан вид СВУ сверху.
Схема солнечного водонагревательного коллектора СВУ показана на фиг. 3. СВК состоит из металлического разборного каркаса 15 прямоугольной формы, выполненного из металлического профиля. К продольным боковым сторонам корпуса 15 с помощью болтов 16 крепятся торцевые (горизонтальные) части 17 корпуса.
Внутри корпуса на металлических пластинчатых подставках - штырях 18 лежит регистр – теплоприемник 19. Под ним, на таких же пластинчатых подставках–штырях лежит теплоизолятор – лист пенопласта 20 толщиной 10 мм.
С лицевой стороны корпус СВК закрыт прозрачным листом сотового (ячеистого) поликарбоната 21 толщиной 8 мм.
С тыльной стороны корпус СВК закрыт листом древесноволокнистой плиты (ДВП) 22 толщиной 5 мм.
Предлагаемая СВУ работает следующим образом: солнечное излучение, проходящее через прозрачное покрытие 18 СВК 2 поглощается зачерненной верхней поверхностью теплоприемника 19, в результате чего эта поверхность теплообменника нагревается. Вода, находящаяся внутри теплоприемника 19, в результате теплообмена с его стенкой, также нагревается. Нагретая вода, имея меньшую плотность, чем холодная вода, под выталкивающей (Архимедовой) силой холодной воды, находящейся в баке-аккумуляторе, поднимается на верхнюю часть теплообменника 8. Отдавая свою тепловую энергии. Потребляемой воде, находящейся внутри бака-аккумулятора, и постепенно охлаждаясь, рабочая вода опускается на нижнюю часть теплообменной трубы 8 снова поступает в СВК. Таким образом происходит циклическое замкнутое движение рабочей воды через СВК - теплообменная труба в течение всего светового времени.
Часть воды, находящейся в теплообменной трубе 8, в результате теплового расширения поступает (вытесняется) в расширительную трубу 19.
В результате такого процесса потребляемая вода, находящаяся в баке-аккумуляторе постепенно нагревается и через определенное время ее температура достигает своего максимума.
Нагретая вода из бака-аккумулятора снимается для потребления с помощью сливного крана 13.
Снижение уровня потребляемой воды в баке-аккумуляторе в результате ее отбора не влияет на динамику циркуляции рабочей воды через теплообменную трубу 8.
Угол наклона СВК может быть скорректирован (изменен и оптимизирован) их поворотом через каждые 10-12 дней вокруг труб – кронштейнов 3. Это повышает количество солнечного излучения, поглощаемое теплообменником (абсорбером) СВК, что в свою очередь повышает эффективность работы СВУ в целом.
В течение светового дня СВК вместе с баком-аккумулятором может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Это достигается поворотом цилиндра 6, приваренного на нижний фланец бака-аккумулятора, находящейся в муфте 7. Таким образом, СВК СВУ следит за видимым движением Солнца по небосклону, обеспечивая максимальное поступление солнечного излучения в течение дня.
Поворот СВК и бака-аккумулятора вокруг вертикальной оси может быть механизирован и автоматизирован с помощью простых и недорогих механических систем слежения – гиревых, песочных, водяных и т.д.
Для поворота СВУ вокруг вертикальной оси не потребуется больших усилий – вся конструкция центрирована и сбалансирована. Расход потребляемой воды из бака-аккумулятора не влияет на положение центра тяжести СВУ в целом. Центр тяжести СВУ всегда проходит через вертикальную ось бака-аккумулятора.
Циркуляционные трубы имеют минимальные длины, что обеспечивает меньшие теплопотери от их поверхности и меньшее гидравлическое сопротивление циркуляции воды.
Разработанная СВУ отличается от известных своей компактностью, меньшим весом благодаря отсутствия классического несущего каркаса, сбалансированностью, меньшим моментом инерции, дающего возможностью слежения за солнцем с помощью простых и дешевых механических систем слежения и меньшей стоимостью благодаря меньшей материалоемкости.
Предлагаемая СВУ крайне удобна для людей, занятых передвижными и сезонными полевыми или пастбищными работами. Она легко разбирается, транспортируется и снова собирается.
Кроме всего этого, она технологична в изготовлении: может быть изготовлена в домашних условиях или в небольших мастерских. Не требует сложных технологических операций при изготовлении.
Формула изобретения
Солнечная водонагревательная установка, содержащая солнечные водонагревательные коллекторы, бак-аккумулятор для нагретой воды и циркуляционные трубопроводы, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что с целью уменьшения материалоемкости, габаритов, массы и момента инерции, бак-аккумулятор для горячей воды выполнен в виде вертикальной трубы, имеет вертикальную ось вращения в нижней части, а солнечные водонагревательные коллекторы навешены на бак-аккумулятор с двух сторон.
РЕФЕРАТ
Солнечная водонагревательная установка ИСР-1
Задачей изобретения является создание такой конструкции солнечной водонагревательной установки (СВУ), в которой будут устранены указанные недостатки существующих СВУ для повышения эффективности ее работы, т.е. изменением угла наклона солнечных водонагревательных коллекторов (СВК) может быть скорректирован (изменен и оптимизирован) их поворотом через каждые 10-12 дней вокруг труб – кронштейнов. Это повышает количество солнечного излучения, поглощаемое теплообменником (абсорбером) СВК, что в свою очередь повышает эффективность работы СВУ в целом. Поворот СВК и бака-аккумулятора вокруг вертикальной оси может быть механизирован и автоматизирован с помощью простых и недорогих механических систем слежения – гиревых, песочных, водяных и т.д. Для поворота СВУ вокруг вертикальной оси не потребуется больших усилий – вся конструкция центрирована и сбалансирована.
Фиг. 1. Общий вид СВУ: спереди (а), сзади (б), сбоку (в) и сбоку в разрезе (г).
Фиг. 2. Вид сверху СВУ
Фиг. 3. Схема солнечного водонагревательного коллектора СВУ
Медаль Альфреда Нобеля