Патент на изобретение №2347152

(54) СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к солнечным установкам для преобразования энергии солнца в тепловую энергию, и может быть использовано, например, при обогреве любых помещений, а также в сельском хозяйстве. В солнечной установке, содержащей включенные в циркуляционный контур солнечный коллектор, бак-аккумулятор с патрубками подвода и отвода теплоносителя, а также потребитель тепла и систему регулирования, согласно изобретению входная и выходная части бака-аккумулятора по ходу движения теплоносителя подключены к патрубкам подвода и отвода теплоносителя через диффузор и конфузор для обеспечения перемещения теплоносителя через бак-аккумулятор в проточном режиме без его перемешивания. В солнечной установке нагрев теплоносителя производят путем преобразования солнечной энергии в тепло, осуществляют циркуляцию теплоносителя по циркуляционному контуру, накапливание тепловой энергии в баке-аккумуляторе, передаче тепловой энергии потребителю, при этом в баке-аккумуляторе обеспечивают ламинарное течение теплоносителя путем плавного расширения потока теплоносителя на входе в него и плавного сужения потока теплоносителя на его выходе, выравнивают температурные поля в баке по поперечному сечению потока путем придания теплоносителю проточного характера течения. Изобретение должно обеспечить выравнивание температурных полей в баке-аккумуляторе по поперечному сечению и исключение образования застойных зон. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к солнечным установкам для преобразования энергии солнца в тепловую энергию. Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, при обогреве любых помещений, а также в сельском хозяйстве.

Известны солнечные установки, содержащие циркуляционный контур с солнечным коллектором, обеспечивающим нагрев циркулирующего через него теплоносителя, потребитель тепла, а также встроенные в циркуляционный контур различные типы солнечных аккумуляторов, например сферические (1), цилиндрические (2, 3, 4), прямоугольные (4, 5), конические (6).

Наиболее близким аналогом к солнечной установке и способу ее работы является солнечный комплекс, включающий потребителя тепла в виде теплицы, жилых зданий и промышленных сооружений, подключенных к циркуляционному контуру теплоносителя через совмещенные в одной емкости солнечный коллектор и бак-аккумулятор (7).

Недостатком известных солнечных установок с известными баками-аккумуляторами является неравномерное распределение температурных полей по поперечному сечению бака, вследствие чего происходит образование застойных зон в месте резкого расширения или сужения в баке. При этом происходит перемешивание теплоносителя. Все это снижает эффективность использования солнечной энергии.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы солнечной установки путем обеспечения перемещения теплоносителя через бак-аккумулятор в проточном режиме без его перемешивания, выравнивание температурных полей в баке-аккумуляторе по поперечному сечению и исключение образования застойных зон, что позволяет придать течению теплоносителя «поршневой» характер, а также приблизить процесс течения теплоносителя через бак-аккумулятор к процессу течения в трубопроводе.

Поставленная техническая задача решается тем, что в солнечной установке, содержащей включенные в циркуляционный контур солнечный коллектор, обеспечивающий нагрев циркулирующего через него теплоносителя, бак-аккумулятор с патрубками подвода и отвода теплоносителя, а также потребитель тепла и систему регулирования, согласно изобретению входная и выходная части бака-аккумулятора по ходу движения теплоносителя подключены к патрубкам подвода и отвода теплоносителя через диффузор и конфузор для обеспечения перемещения теплоносителя через бак-аккумулятор в проточном режиме без его перемешивания.

Также в солнечной установке потребителем тепла может являться парник, а система регулирования может быть выполнена полуавтоматической или ручной.

Поставленная техническая задача решается также тем, что осуществляя работу солнечной установки, включающую нагрев теплоносителя путем преобразования солнечной энергии в тепло, циркуляцию теплоносителя по циркуляционному контуру, накапливание тепловой энергии в баке-аккумуляторе и передачу тепловой энергии потребителю, согласно изобретению в баке-аккумуляторе обеспечивают ламинарное течение теплоносителя путем плавного расширения потока теплоносителя на входе в него и плавного сужения потока теплоносителя на его выходе и выравнивают температурные поля в баке по поперечному сечению потока путем придания теплоносителю проточного характера течения.

В процессе работы солнечной установки преобразованная в тепловую солнечная энергия может использоваться для обогрева парника, а теплоноситель по циркуляционному контуру может перемещаться за счет естественной циркуляции.

На чертеже схематично изображена солнечная установка согласно изобретению.

Солнечная установка содержит включенные в циркуляционный контур солнечный коллектор 1, обеспечивающий нагрев циркулирующего через него теплоносителя, бак-аккумулятор 2 с патрубками 27 и 28 подвода и отвода теплоносителя, при этом входная и выходная части бака-аккумулятора 2 по ходу движения теплоносителя подключены к патрубкам 27 и 28 подвода и отвода теплоносителя через диффузор 25 и конфузор 26 для обеспечения перемещения теплоносителя через бак-аккумулятор в проточном режиме без его перемешивания. Причем, чем плавнее переход с меньшего диаметра на больший и наоборот (меньше конусность), тем больше эффект вытеснения холодной жидкости горячей. Течение жидкости при этом приобретает все более ламинарный, даже «поршневой» характер. Установка содержит потребитель тепла, например, в виде парника 3, термометр 4 на входе в солнечный коллектор 1, термометр 5 на выходе из солнечного коллектора 1, вентиль 6, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в циркуляционном контуре нагрева, термометр 7 в баке-аккумуляторе 2, вентиль 8, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в циркуляционном контуре, расширительный бачок 9 в циркуляционном контуре нагрева теплоносителя, вентиль 10, перекрывающий вытекание теплоносителя через переливной патрубок 23 в циркуляционном контуре, указатель 11 уровня жидкости, электроводонагреватель 12, вентиль 13, перекрывающий слив теплоносителя из циркуляционного контура, вентиль 14, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в контуре ночного обогрева парника 3, вентиляционные каналы 15 в грунте 20 парника 3, термометр 16 в грунте 20 парника 3, каналы 17 для циркуляции воздуха в грунте 20 парника 3, трубы 18 подпочвенного коллектора с циркулирующим теплоносителем, термометр 19 внутри парника 3, вентиль 21, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в циркуляционный контур, расширительный бачок 22 в контуре отопления парника 3 с переливным патрубком 24.

В качестве измерителя температуры использован термометр сопротивления, например, П-109 M1 для работы системы в полуавтоматическом режиме или промышленный стеклянный термометр для работы в ручном режиме.

Для контроля уровня жидкости в баке-аккумуляторе 2 установлен указатель 11 уровня. Поскольку установка герметична, то в ней предусмотрены расширительные бачки 9 и 22 с переливным и воздушным патрубками. При работе в полуавтоматическом режиме установка имеет блок контроля и управления (не показан), который снимает показания датчиков (термометров) температуры и управляет работой электромагнитных вентилей. Кроме того, в установке может использоваться ручное регулирование.

Способ работы солнечной установки осуществляется следующим образом.

В основе работы солнечной установки положено преобразование солнечной энергии в тепловую с последующим аккумулированием последней. В качестве теплоносителя обычно используется вода, но может быть и другая жидкость.

Солнечная установка полностью заполняется жидким теплоносителем через вентиль 21. Днем под действием солнечных лучей нагревшийся в солнечном коллекторе 1 теплоноситель за счет разности плотностей поднимается по трубопроводу и поступает сверху во входную часть бака-аккумулятора 2 через патрубок 27 подвода теплоносителя и диффузор 25, обеспечивающий создание ламинарного течения теплоносителя путем плавного расширения потока теплоносителя, а холодный теплоноситель из выходной части бака-аккумулятора 2 через конфузор 26, также обеспечивающий поддержание ламинарного течения теплоносителя в баке-аккумуляторе 2 за счет плавного сужения потока теплоносителя (что позволяет придать теплоносителю проточный характер течения и выровнять температурные поля в баке-аккумуляторе по поперечному сечению), попадает в патрубок 28 отвода теплоносителя и затем по обратному трубопроводу поступает снова в солнечный коллектор 1. При этом вентиль 6 открыт, а вентиль 14 закрыт. За день теплоноситель в баке-аккумуляторе 2 нагревается, и ночью при закрытом вентиле 6 и открытом вентиле 14 нагретый теплоноситель подается потребителю тепла, например, в парник 3 и затем по трубопроводу отводится обратно в нижнюю часть бака-аккумулятора 2. Нагретый теплоноситель постепенно отдает за ночь свою теплоту, тем самым, обеспечивая обогрев парника 3, в грунте которого расположены каналы 17 для прохода воздуха, а в них – трубы 18 для циркуляции теплоносителя. Движение воздуха из парника 3 в грунте 20 и обратно в парник 3 обеспечивается неравномерностью нагрева воздуха вдоль каналов 17, поскольку теплоноситель имеет температуру на входе в парник 3 выше, чем на выходе из него. Работой установки днем и ночью может управлять полуавтоматическая система управления, содержащая реле времени, расположенное в блоке контроля и управления. Оно открывает соленоидный вентиль 6 и закрывает вентиль 14 утром после восхода солнца. Вечером реле времени управляет закрытием вентиля 6. Вентиль 6 закрывается в 18-19 часов вечера, когда на нагревательную панель солнечного коллектора 1 уже практически не попадает солнечная энергия. В то же время вентиль 14 открывается только при достижении минимальной температуры воздуха в парнике, например, +3°С, которую еще могут перенести растения, то есть за включение циркуляционного контура ночью отвечает термометр 19 температуры воздуха в парнике 3. Он же отвечает за включение электроводонагревателя 12 в случае, если количество аккумулированной солнечной энергии недостаточно для поддержания данной температуры. Термометры 4, 5, 7 и 16 служат для наблюдения соответственно за температурой теплоносителя в баке-аккумуляторе 2, на входе и выходе из солнечного коллектора 1, а также за температурой грунта 20 в парнике 3.

При необходимости в жаркие летние месяцы установка работает лишь только днем для получения горячего теплоносителя, который можно забирать для бытовых нужд, открыв вентиль 13. Тогда циркуляционный контур, подключенный к парнику, может быть демонтирован для промывки и обслуживания, а для заправки установки теплоносителем используется вентиль 8. В этом режиме работает расширительный бак 9 и вентиль 10 на переливном патрубке открыт. Переливной патрубок с вентилем 10 служит также для удаления воздуха из циркуляционного контура при заправке теплоносителем через вентиль 21. Установка имеет несколько подобных вентилей, установленных в разных местах для удаления воздуха из циркуляционного контура при заправке теплоносителем.

В связи с тем, что большая часть пахотных земель средней полосы России – зона рискованного земледелия особенно для теплолюбивых овощных культур, которые боятся возвратных заморозков в мае-июне месяце, с целью исключения риска подмерзания весной таких культур, как помидоры, огурцы, перцы и тому подобное, предлагается обогревать без затрат электроэнергии парники ночью теплотой, аккумулированной от Солнца в дневное время суток.

Таким образом, конструкция бака-аккумулятора, включающего диффузор и конфузор (конусы), позволяет достичь более высокой температуры теплоносителя и запасти большее количество теплоты по сравнению с обычным цилиндрическим баком-аккумулятором такого же объема.

Изобретение является промышленно применимым и при его использовании повышается эффективность использования солнечной энергии, преобразованной в тепло.

Источники информации

1. Патент РФ №2107232, F24J 2/34, опубл. 20.03.1998.

2. Европейский патент №1376028, F24J 2/34, опубл. 02.01.2004.

3. Патент США №5894836, F24J 2/34, опубл. 20.04.1999.

4. Авторское свидетельство СССР №1687113, F03D 9/02, опубл. 30.10.1991.

5. Заявка РСТ №WO 98/04874, F24J 2/34, опубл. 05.02.1998.

6. Патент РФ №2275560, F24J 2/34, опубл. 27.04.2006.

7. Патент РФ №2264080, F24J 2/34, опубл. 20.11.2005 (прототип).

Формула изобретения

1. Солнечная установка, содержащая включенные в циркуляционный контур солнечный коллектор, обеспечивающий нагрев циркулирующего через него теплоносителя, бак-аккумулятор с патрубками подвода и отвода теплоносителя, а также потребитель тепла и систему регулирования, отличающаяся тем, что входная и выходная части бака-аккумулятора по ходу движения теплоносителя подключены к патрубкам подвода и отвода теплоносителя через диффузор и конфузор для обеспечения перемещения теплоносителя через бак-аккумулятор в проточном режиме без его перемешивания.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что потребителем тепла является парник.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система регулирования выполнена полуавтоматической.

4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система регулирования выполнена ручной.

5. Способ работы солнечной установки, включающий нагрев теплоносителя путем преобразования солнечной энергии в тепло, циркуляцию теплоносителя по циркуляционному контуру, накапливание тепловой энергии в баке-аккумуляторе и передачу тепловой энергии потребителю, отличающийся тем, что в баке-аккумуляторе обеспечивают ламинарное течение теплоносителя путем плавного расширения потока теплоносителя на входе в него и плавного сужения потока теплоносителя на его выходе, и выравнивают температурные поля в баке по поперечному сечению потока путем придания теплоносителю проточного характера течения.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что преобразованную в тепловую солнечную энергию используют для обогрева парника.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что осуществляют естественную циркуляцию теплоносителя по циркуляционному контуру.

РИСУНКИ