Воздушный солнечный коллектор

(51) 24 2/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ эксплуатационной надежности и сокращении трудозатрат на его эксплуатационное обслуживание. Технический результат достигается введением, в известное решение, конструктивных изменений и новых элементов. При этом, основной технический результат достигается применением,вместо стеклянной перегородки на входном окне коллектора, мелкоячеистой сетки с зачерненным покрытием и совмещением, при этом, входа для атмосферного воздуха с входом для солнечного излучения, а также использованием в качестве панели поглощения сплошной пластины из металла,предпочтительно повышенной теплопроводности, с зачерненной фронтальной поверхностью,размещенной во внутренней полости коллектора и разделяющей внутреннюю полость коллектора на две рабочие камеры - переднюю и заднюю. В первой осуществляется преобразование солнечной энергии в тепло и его передача потоку воздуха, а во второй осуществляется дополнительная передача тепла воздуху в результате дополнительной интенсификации конвективного теплообмена. Дополнительная интенсификация теплообмена достигается разделением общего воздушного потока в задней камере на ряд параллельных каналов,воздушные потоки в которых получают дополнительное тепло от стенок канатов,выполняющих в данном случае дополнительно функции радиатора,интенсифицирующего теплообмен панели поглощения с воздушным потоком.(73) Акционерное общество Казахский научноисследовательский институт энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина(57) Изобретение относится к области энергетики, в частности к нетрадиционным источникам энергии и может быть применено для выработки экологически чистого теплоносителя в виде нагретого воздуха для отопления и вентиляции социально-бытовых объектов и осуществления целого ряда технологических процессов. Задачей изобретения является конструктивное упрощение воздушного солнечного коллектора,повышение его технико-экономической эффективности, эксплуатационной надежности, а также снижение материалоемкости и себестоимости устройства и трудозатрат на эксплуатационное обслуживание. Технический результат,достигаемый изобретением, заключается в конструктивном упрощении, снижении материалоемкости и общего веса устройства, в повышении его эффективности и производительности по нагретому воздуху, 28242 Предлагаемый воздушный солнечный коллектор относится к устройствам для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию экологически чистого теплоносителя в виде нагретого атмосферного воздуха. Он может найти применение для отопления и вентиляции производственно-социальных и жилых помещений. В производстве данный источник энергии может быть применен для осуществления многих технологических процессов, например сушки сельскохозяйственной продукции,продуктов питания и др. Для получения нагретого атмосферного воздуха обычно используют органическое топливо и теплогенераторы с теплообменниками. Помимо расхода невосполнимых источников энергии загрязняется окружающая среда. Вместе с тем, для получения экологически чистого нагретого воздуха,можно использовать солнечную энергию. Однако, в этом случае требуется преобразование энергии солнечного излучения с относительно большой площади. При этом такое преобразование должно быть достаточно простым в реализации,эффективным и без существенных эксплуатационных трудозатрат. Ознакомление с существующими техническими решениями показало, что среди известных решений не найдено такого, которое в достаточной степени отвечало бы данным требованиям. Следовательно, задача,направленная на поиск таких решений, является актуальной. Известно устройство, представляющее собой плоскую камеру прямоугольного сечения с теплоизолированной всей внешней поверхностью кроме фронтальной (передней) ее поверхности,которая зачернена теплопоглощающим покрытием и снабжена сквозными(перфорированными) отверстиями. Внутренняя полость камеры данного коллектора полая и подключена к отсосному вентилятору. При работе такого устройства солнечное излучение нагревает фронтальную поверхность камеры выше температуры окружающей среды, а атмосферный воздух всасывается вентилятором через перфорированные отверстия в стенке камеры. Проходя сквозь данные отверстия, воздух получает тепло от нагретой стенки камеры, чем и осуществляется его нагрев. Воздушный солнечный коллектор.//./204. Недостатком данного решения является недостаточная эффективность, преобразования энергии солнечного излучения, обусловленная существенными потерями тепла фронтальной поверхностью в окружающую среду, с одной стороны,и недостаточной эффективностью теплообмена между воздухом, проходящим сквозь отверстия в стенке, и стенкой камеры. Потери тепла,при этом, вызваны конвективным теплообменом открытой фронтальной поверхности коллектора с окружающей средой, особенно при ветре и пониженной температуре, поскольку в данном случае функции панели поглощения солнечной энергии выполняет фронтальная поверхность 2 коллектора. А малая эффективность теплообмена воздуха с данной панелью поглощения обусловлена малыми площадью контакта между ними и временем этого контакта. Известна конструкция воздушного солнечного коллектора в виде плоской камеры, в которой обращенная к солнечному излучению сторона камеры прозрачна, поскольку выполнена в виде застекленного окна. Во внутренней полости камеры,под стеклом, находятся нескольких слоев сеток(либо перфорированная металлическая пластина) с нанесенным на поверхности теплопоглощающим покрытием. Эти элементы выполняют функции поверхности поглощения солнечного излучения. При этом панель поглощения расположена под углом к падающему на нее солнечному излучению и к потоку воздуха с разделением внутренней полости камеры на входной и выходной участки. Ввод воздуха осуществляется через дополнительный вход в области торцевого участка камеры. Остальная поверхность данной камеры и отводящий воздуховод для нагретого воздуха теплоизолированы от внешней среды. Солнечное излучение, проникающее сквозь прозрачную остекленную поверхность, нагревает панель поглощения. Полученное тепло одновременно передается проходящему сквозь сетчатую (или перфорированную) поверхность поглощения потоку воздуха, чем осуществляется нагрев последнего Преимущества и недостатки воздушного коллектора.// 28 В данном техническом решении потери тепла панелью поглощения существенно меньше, чем в ранее рассмотренном. Однако конструкция имеет тот недостаток, что не обеспечивает достаточной производительности по нагретому воздуху. Это связано,прежде всего,с применением застекленного окна, которое имеет ограничение по площади, поскольку это ведет к увеличению веса коллектора и снижению его надежности. Кроме того, стеклянная поверхность окна снижает эффективность такого коллектора из-за потерь энергии солнечного излучения за счет поглощения и отражения солнечного излучения с ростом угла отклонения излучения от оптимального направления, перпендикулярного к поверхности застекленного окна. Кроме того, применение стеклянной перегородки и связанное с этим увеличение общего веса коллектора требует применения усиленных элементов конструкции и,как следствие,дополнительно увеличивает материалоемкость и затрат на его создание. Также, наличие стеклянной перегородки снижает эксплуатационную надежность оборудования,затрудняя очистку находящейся под стеклом панели поглощения от пыли, вносимой в объем камеры воздухом,что дополнительно снижает эффективность такого солнечного коллектора. Задачей предлагаемого изобретения является конструктивное упрощение воздушного солнечного коллектора, повышение его производительности по нагретому воздуху при более высокой техникоэкономической эффективности и эксплуатационной надежности, а также снижение материалоемкости и себестоимости устройства. Технический результат,достигаемый изобретением, заключается в конструктивном упрощении воздушного солнечного коллектора, в повышении его эффективности и производительности по нагретому воздуху, в снижении материалоемкости и общей его себестоимости, а также в эксплуатационной надежности и упрощении эксплуатационного обслуживания. Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном воздушном солнечном коллекторе стеклянная перегородка окна,отделяющяя полость камеры коллектора от окружающего атмосферного воздуха, заменена упругой мелкоячеистой сеткой, например, стальной,с теплопоглощающим покрытием на ее поверхности. При этом, во внутренней полости коллектора, в качестве панели поглощения применена сплошная пластина из листового металла,предпочтительно повышенной теплопроводности, например, из меди или алюминия. При этом, панель поглощения расположена параллельно плоскости входного окна и ее обращенная к окну фронтальная поверхность зачернена теплопоглощающим покрытием. При этом панель дополнительно выполняет функции непроницаемой перегородки,разделяющей внутренний объем солнечного коллектора на переднюю и заднюю рабочие камеры, которые сообщены сквозным проходом в области, по меньшей мере, одного из торцов коллектора. При этом, задняя камера, от сквозного прохода до выхода из коллектора, разделена на ряд параллельных каналов,образованных перегородками из металла предпочтительно повышенной теплопроводности, например, меди или алюминия. На выходе задней камеры параллельные каналы объединены в общий выходной коллектор нагретого воздуха, который, в свою очередь, подключен к теплоизолированной линии (трубопроводу) нагретого воздуха. На Фиг.1 приведен общий вид предлагаемого воздушного солнечного коллектора. На Фиг.2 в качестве примера, представлено предлагаемое устройство в конкретном варианте его реализации - для случая расположения сквозного прохода в области одного из торцов, в частности,верхнего торца камеры солнечного коллектора на Фиг.2 (а) - в разрезе по линии А-А, а на Фиг.2(б) - в разрезе по линии Б-Б. Воздушный солнечный коллектор,по предлагаемому техническому решению, включает в себя корпус 1, выполненный, например, из сэндвичпанелей или из оцинкованного листа 0,5-0,7 мм, со слоем теплоизоляции 2 на задней поверхности и торцевых участках корпуса 1. Переднее окно 3 перекрыто по всей поверхности мелкоячеистой сеткой 4. Панель поглощения 5,выполненная в виде сплошной пластины, предпочтительно металла,повышенной теплопроводности (меди или алюминия) с зачерненной фронтальной поверхностью, разделяет внутреннюю полость коллектора на два последовательных (по направлению движения воздуха) участка в виде двух камер -передней 6 и задней 7, которые сообщены между собой, по меньшей мере, одним сквозным проходом 8 в области торца (или торцов) коллектора. Для дополнительного повышения интенсивности теплообмена задняя камера 7 разделена перегородками 9 на ряд каналов 10 от сквозного прохода 8 до выхода из задней камеры 7,сообщенного с общим выходньм коллектором 11 подключенным к выходному трубопроводу 12 для нагретого воздуха с вентилятором. При этом перегородки 9,выполнены из металла предпочтительно повышенной теплопроводности,например меди или алюминия, и закреплены на панели поглощения 5, например, методом клепки. Еще одним дополнительным средством повышения эффективности предлагаемого солнечного коллектора являются поперечные пороги 14, закрепленные на передней и задней поверхности панели поглощения 5, а также на поверхностях продольных перегородок 9. Еще одним дополнительным средством повышения эффективности предлагаемого солнечного коллектора,а также его эксплуатационной надежности и снижения трудозатрат на его обслуживание являются оросительные штуцера 15 с форсунками (не показаны) и сливной штуцер 16 с гидрозатвором 17,например сифонного типа в нижней части корпуса 1. Предлагаемый воздушный солнечный коллектор работает следующим образом. Поток солнечного излучения, попадающий в переднее окно 3, перекрытое сеткой 4, передавая сетке 4 часть своей тепловой энергии, попадает в переднюю камеру 6, где основную часть своей тепловой энергии передает фронтальной поверхности панели поглощения 5. Одновременно с этим, в окно 3 поступает, также, атмосферный воздух, всасываемый во внутренний объем передней камеры 6 вентилятором 13, расположенным в выходном трубопроводе 12 солнечного коллектора. При этом, мелкоячеистая сетка 4 осуществляет дробление крупных атмосферных вихрей на мелкие турбулентные вихри, сравнимые, по своему масштабу, с размером ячеек сетки 4, что служит повышению интенсивности теплообмена, а в совокупности с наличием обратного перепада давления в передней камере 6 и в окружающей его атмосфере, препятствуют обратному выносу частиц воздуха из объема передней камеры 6 в окружающую атмосферу внешними крупномасштабными вихрями. В результате,всасываемый в переднюю камеру 6 атмосферный воздух, попав в переднюю камеру 6, оказывается как бы в тепловой ловушке без возможности возврата в окружающую среду и, следовательно, без потерь тепла, полученного им от сетки. Далее, встретив на 3 своем пути панель поглощения 5, воздух поворачивает в направлении сквозного прохода 8 из передней камеры 6 в заднюю камеру 7. При этом,перемещаясь вдоль панели поглощения 5, в результате конвективного теплообмена с ней,воздух получает тепло от панели поглощения 5,которое последней одновременно передается потоком солнечного излучения. Затем, воздушный поток через сквозной проход 8 попадает в заднюю камеру 7. При этом, если в передней камере 6 температура воздуха не успела сравняться с температурой панели поглощения 5, то теплообмен между воздухом и панелью поглощения 5 продолжается и на обратной стороне панели поглощения 5. В результате, поток воздуха получает дополнительное тепло в задней камере 7 при его перемещении вдоль тыльной поверхности панели поглощения 5. Для дополнительного повышения интенсивности конвективного теплообмена и, следовательно,повышения производительности по нагретому воздуху при попадании в заднюю камеру 7 воздушный поток разделяется на ряд параллельных потоков, движущихся в каналах 10 вдоль тыльной поверхности панели поглощения 5 в обратном направлении. При этом, воздушный потек вступает в теплообмен как с самой панелью поглощения 5,так и с перегородками 9, которые выполняют,одновременно,и функции радиатора,увеличивающего площадь конвективного теплообмена и тем самым повышающего интенсивность теплообмена и эффективность солнечного коллектора в целом. В результате обеспечивается более эффективная передача тепловой энергии воздушному потоку и,следовательно, его нагрев либо до более высокой температуры, либо нагрев воздуха до требуемой температуры, но при повышенных его расходах. Под действием разности давлений воздух попадает в выходной коллектор 11, где, сливаясь с потоками из других каналов 10,направляется в теплоизолированный выходной трубопровод 12,посредством которого может быть подан для осуществления, например, обогрева помещения с одновременной его вентиляцией, сушки с/х продукции м др. Дополнительная интенсификация конвективного теплообмена достигается с помощью поперечных порогов 14 на фронтальной и тыльной поверхности панели поглощения 5, и на боковых поверхностях перегородок 9. Пороги 14 служат для турбулизации воздушного потока вблизи поверхностей панели поглощения 5 и перегородок 9, в результате чего интенсифицируется процесс передачи тепла воздушному потоку. Дополнительное повышение эффективности работы предлагаемого воздушного солнечного коллектора и его эксплуатационной надежности достигается своевременной периодической очисткой запыленных поверхностей теплообмена при снижении трудозатрат на проведение такого профилактического обслуживания. Этому способствует отсутствие стеклянной перегородки на 4 входном окне, а также наличие смывных штуцеров 16 с форсунками (не показаны) для удаления пыли с рабочих поверхностей теплообмена. Смываемая при этом пыль собирается в нижней части корпуса 1 и удаляется через сливной штуцер 16, сообщенный через гидрозатвор 17 с линией (не показана) для отвода образующихся при этом продуктов смыва. Таким образом, использование мелкоячеистой упругой сетки на входном окне, вместо стеклянной перегородки, в соответствии с предлагаемым техническим решением позволяет одновременно с конструктивным упрощением,снижением материалоемкости и себестоимости воздушного солнечного коллектора и трудозатрат на его обслуживание,одновременно повысить эффективность работы воздушного солнечного коллектора и его производительность по сравнению с известным решением. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Воздушный солнечный коллектор с корпусом в форме плоской четырехгранной призмы с теплоизолированной, от внешней среды поверхностью кроме одной из граней, снабженной входным окном для поступления солнечного излучения во внутреннюю полость коллектора, содержащую зачерненную панель поглощения, разделяющую внутреннюю полость на входной и выходной участки,первый из которых имеет вход для солнечного излучения и атмосферного воздуха, а второй - выход для нагретого воздуха, подключенный к выходной линии с отсосным вентилятором, отличающийся тем,что входное окно для солнечного излучения перекрыто мелкоячеистой упругой сеткой с теплопоглощаюшим покрытием и при этом является общим входом для солнечного излучения и атмосферного воздуха, а панель поглощения выполнена в форме сплошной плоской пластины, предпочтительно из металла повышенной теплопроводности и расположена между входным окном и задней стенкой корпуса параллельно плоскости входного окна с делением внутренней полости коллектора на две рабочие камеры переднюю и заднюю, сообщенные, по меньшей мере,одним сквозным проходом в приторцевой области корпуса, при этом передняя камера является входным участком воздушного солнечного коллектора, а задняя рабочая камера - его выходным участком. 2. Воздушный солнечный коллектор по п.1,отличающийся тем, что задняя камера разделена перегородками на ряд параллельных каналов,соединяющих между собой сквозной проход между камерами с общей для всех канатов выходной линией воздушного солнечного коллектора. 3. Воздушный солнечный коллектор по п.1 и 2,отличающийся тем, что обе стороны панели поглощения и боковые поверхности перегородок задней камеры снабжены поперечными порогами. 4. Воздушный солнечный коллектор по и.1, 2 и 3,отличающийся тем, что на корпусе коллектора установлены штуцера с форсунками, а в нижней части корпуса установлен сливной штуцер с гидрозатвором.