Высокотемпературный солнечный нагреватель

(51) 64 1/44 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Отличием является то, что каналы теплоносителя выполнены в виде прямолинейных трубок равной длины, каналы установлены вплотную друг к другу, корпус нагревной камеры выполнен цилиндрическим,входное окно выполнено в виде круга с радиусом равными произведению синуса угла видимости солнца на фокусное расстояние зеркала,теплоизоляция прилегает к внутренней поверхности корпуса нагревателя, внешняя поверхность каналов теплоносителя выполнена из материала с высокой поглощающей способностью, проекция поверхности зеркала выполнена в виде квадрата сопрягаемого с поверхностью каналов теплоносителя по оси входного окна, на поверхности теплоизоляции между щелью и каналами теплоносителя установлены экраны,поверхность экранов выполнена из материала с высокой отражающей способностью. Техническим результатом является- повышение доли солнечной энергии,получаемой теплоносителем при высоких температурах нагрева теплоносителя вплоть до температур выдерживаемых наиболее стойкими материалами.(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт атомной энергии Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан(57) Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, а именно к конструкции солнечных нагревателей,обеспечивающих возможность нагрева рабочих тел до высоких температур с высокой эффективностью использования солнечной энергии. Высокотемпературный солнечный нагреватель содержит нагревную камеру и систему зеркал,нагревная камера нагревателя состоит из корпуса,каналов теплоносителя, теплоизоляции и входного окна солнечного излучения. 22587 Предполагаемое изобретение относится к области энергетики, а именно к конструкции солнечных нагревателей,обеспечивающих возможность нагрева рабочих тел до высоких температур с высокой эффективностью использования солнечной энергии. Известен солнечный нагреватель, содержащий на своей поверхности материал с высокой поглощающей способностью теплового излучения 1. Недостатками такого нагревателя является то,что он способен эффективно использовать солнечное излучение только при небольших температурах нагрева рабочих тел (теплоносителей),соответственно, имеет большие поверхности нагревателя. Препятствием повышению рабочей температуры в таком нагревателе является вторичное излучение нагреваемой поверхности. Большие поверхности нагревателя обусловлены величиной плотности потока солнечного излучения в земных условиях (около 1 кВт/м 2). При наличии лучистого теплообмена с окружающим пространством, имеющим температуру 300 К,максимальная температура нагрева составит 90 С. Известен солнечный нагреватель, содержащий концентратор солнечной энергии, например, в виде параболического зеркала,обеспечивающий увеличение теплового потока, падающего на поверхность нагревателя 2. Повышение плотности потока солнечного излучения на нагреваемую поверхность существенно увеличивает возможную температуру нагрева. Однако, имеется ограничение на величину плотности потока со стороны принимающей энергию. Работа солнечных нагревателей в стационарном режиме связана с получением энергии теплоносителем, наиболее часто таким теплоносителем является газ. При росте плотности потока передаваемой энергии повышается разница температур между стенкой и теплоносителем, растут потери на прокачку теплоносителя, усложняется конструкция. На фиг.1 представлены данные о коэффициенте полезного использования солнечного излучения в зависимости от требуемой температуры нагрева на поверхности нагревной камеры и величины плотности потока энергии, используемого на нагрев теплоносителя(200 и 500 кВт/м 2). Величина потерь обусловлена излучением нагретого тела. Коэффициент полезного использования падает с ростом температуры нагрева и с уменьшением плотности потока отбираемой энергии. Недостатком описываемого нагревателя является наличие высоких потерь на излучение и конвективный теплообмен с окружающим воздухом при приемлемых значениях плотности передаваемого потока от стенок нагревателя к теплоносителю, принимающему энергию. Известно решение, наиболее близкое к предлагаемому устройству. Оно содержит концентратор излучения в виде зеркала и нагревную камеру, нагревная камера состоит из корпуса,каналов теплоносителя, теплоизоляции и входного окна солнечного излучения 3. Теплоизолятор и входное окно уменьшают тепловые потоки потерь. 2 В имеющихся проектах космических двигательных установок использование солнечной энергии проводится с помощью цепочки дополнительных преобразований энергии 4, увеличивающей стоимость установки и имеющей достаточно большой уровень потерь энергии. Недостаток прототипного решения остается прежним - высокие потери энергии за счет излучения нагретой рабочей поверхности нагревателя через входное окно. Задачей,стоящей перед настоящим изобретением, является повышение коэффициента полезного использования солнечной энергии при нагреве теплоносителя вплоть до температур 3000 К. Решение технической задачи достигается тем,что 1. Высокотемпературный солнечный нагреватель, содержащий нагревную камеру,систему зеркал, нагревная камера которого состоит из корпуса, каналов теплоносителя, теплоизоляции и входного окна солнечного излучения,отличается тем, что каналы теплоносителя выполнены в виде прямолинейных трубок равной длины, каналы установлены вплотную друг к другу, корпус нагревной камеры выполнен цилиндрическим,входное окно выполнено в виде круга с радиусом равными произведению синуса угла видимости солнца на фокусное расстояние зеркала,теплоизоляция прилегает к внутренней поверхности корпуса нагревателя, внешняя поверхность каналов теплоносителя выполнена из материала с высокой поглощающей способностью, проекция поверхности зеркала выполнена в виде квадрата сопрягаемого с поверхностью каналов теплоносителя по оси входного окна, на поверхности теплоизоляции между щелью и каналами теплоносителя установлены экраны,поверхность экранов выполнена из материала с высокой отражающей способностью. На фиг.2 представлен общий вид высокотемпературного солнечного нагревателя с разрезом в нагревной камере. Нагреватель содержит каналы теплоносителя 1, корпус нагревной камеры 2, входное окно 3 и зеркало 4. Солнечное излучение от зеркала 4 поступает через окно 3 на каналы теплоносителя 1. Поверхность каналов сопряжена с поверхностью зеркала (является проекцией зеркала относительно входного окна). На фиг.3 представлено сечение нагревной камеры и ход солнечных лучей от крайних частей солнца через элемент зеркала к нагревным трубкам. Представлено расположение нагревных трубок 1 ,корпуса 2, теплоизоляции 5 и экрана 6 в нагревной камере. Лучи от крайних частей солнца 7 и 8,попадающие на элемент зеркала 4 попадая на поверхность камеры, отстоящую от зеркала на расстояние равное фокусу этого зеркала образовывают на ней изображение солнца. Так как на поверхности камеры 2 в данном месте образовано входное окно 3, то эти лучи проходят на нагревные трубки. На крайних трубках будет проявляться 22587 некоторое уменьшение интенсивности потока солнечной энергии, которое можно компенсировать уменьшением расхода теплоносителя через эти трубки. При оптимальной ориентации системы зеркал весь поток энергии, падающий на зеркала, будет передаваться на поверхность каналов теплоносителя. Расчеты показывают, что для ряда задач оптимальная плотность потока энергии будет близка к величинам 200 - 500 кВт/м 2. При такой плотности будет достаточно малым перепад температур между внутренней поверхностью каналов теплоносителя и самим теплоносителем. Разогрев поверхностей каналов приведет к передаче определенной в соответствии с законом СтефанаБольцмана части энергии от этих каналов. В данной геометрии нагревной камеры излучение от стенок каналов будет передано в небольшой части соседним каналам и в большей части экранам. Соответственно, будет происходить разогрев экранов. Цилиндрическая поверхность корпуса нагревной камеры 2 и сопрягаемого с ним экрана 6 будет способствовать эффективной передачи энергии от экрана к каналам теплоносителя. В какой-то, достаточно быстрый момент с начала процесса,будет образовано равновесное распределение температур по стенкам каналов теплоносителя и стенкам экранов. Часть поступившего потока энергии Ф (Вт) сможет покинуть внутреннее пространство нагревной камеры. Потери энергии Фп (Вт) будут определяться выражением ФпФ( / )(Ер / Е 0) где-поверхность окна (м 2)- суммарная поверхность экранов и стенок каналов теплоносителя, обращенных к центру нагревной камеры (м 2) Ер - суммарный отраженный поток энергии в полости камеры в установившемся процессе (Дж/с) Е 0 - поступающий поток энергии от зеркал(Дж/с). Мощность солнечного потока, кВт Высота каналов, м Число каналов, шт Внешний диаметр трубок, м Толщина стенок, м Материал трубок Температура нагрева газа, К Теплоноситель Перепад давления по длине трубок, Па Перепад температур от внутренней стенки к газу, К Плотность потока тепловой энергии через греющие стенки, с учетом передачи тепла за счет теплопроводности материала стенки достигает 500 кВт/м 2. Как видно из приведенных данных,перепады температуры от стенки к газу и давления по длине нагревательных трубок,вполне допустимы. Потери энергии за счет излучения нагретой поверхности по прототипному решению По оценкам отношение Ер / Ео при выполнении стенок каналов теплоносителя с высокой поглощающей способностью, а экранов с высокой отражающей способностью, будет устанавливаться на уровне меньшем 5 (пяти). Технически легко выполнимо соотношение / на уровне, равном 0.01. Таким образом, данное техническое решение обеспечивает возможность достижения коэффициента полезного использования солнечного излучения (Фп/Ф) большего 95 . В настоящее время, в связи с развитием энергетических технологий на основе возобновляемых источников энергии растут и потребности в эффективных солнечных нагревателях. Примерами использования солнечных нагревателей могут служить двигатели Стирлинга с максимальной температурой цикла около 1000 С(1300 К), установки по выработке водорода по йодохлорной технологии с рабочей температурой более 1400 К, двигатели космических аппаратов открытого космоса с температурой нагрева водорода до 3000 К. Как видно из фиг. 1 в существующих нагревателях двигателей Стирлинга потери в нагревателях составляют около половины поступающей на зеркало энергии. Использование предлагаемого решения позволит сократить в 2 раза площадь зеркал, необходимых для получения заданной мощности на выходе двигателя, сократив тем самым затраты на их создание. В отношении двигателей космических аппаратов ситуация с применением предлагаемого решения более радикальная. Существующие нагреватели в требуемом диапазоне температур имеют коэффициент полезного использования солнечной энергии около 5 . Предлагаемое решение позволяет снизить стоимость установки в целом,увеличить ее надежность, простоту изготовления и эксплуатации. Пример использования предлагаемого нагревателя относится к его использованию для нагрева рабочего тела в ракетных двигателях. Характеристики данного нагревателя следующие 137 1.0 32 0.006 0.001 Вольфрам 2500 Водород 5130 100 составили бы около 90 , по предлагаемому - около 5 . Таким образом, внедрение предлагаемого решения позволит достичь поставленные перед изобретением задачи обеспечить повышение коэффициента полезного использования солнечной энергии при нагреве теплоносителя вплоть до 3 22587 температуры 3000 К,которую способны выдерживать такие материалы, как вольфрам. Список литературы 1. Солнечный водонагреватель. Политехнический словарь. М. Советская энциклопедия 1989 г. с.656, с. 492. 2. Солнечная печь. Политехнический словарь. М. Советская энциклопедия 1989 г. с.656, с. 491. 3. /////2004/11/22/131300. 4. Пономарев-Степной Н.Н.,Усов В.А.,Коротеев А.С. и др. Солнечная бимодальная термоэмиссионная энергодвигательная установка. // Атомная энергия. Т. 89, вып.1. с. 11-14. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Высокотемпературный солнечный нагреватель, содержащий нагревную камеру,систему зеркал, нагревная камера которого состоит из корпуса, каналов теплоносителя, теплоизоляции и входного окна солнечного излучения,отличающийся тем, что каналы теплоносителя выполнены в виде прямолинейных трубок равной длины, каналы установлены вплотную друг к другу,корпус нагревной камеры выполнен цилиндрическим, входное окно выполнено в виде круга с радиусом равными произведению синуса угла видимости солнца на фокусное расстояние зеркала, теплоизоляция прилегает к внутренней поверхности корпуса нагревателя,внешняя поверхность каналов теплоносителя выполнена из материала с высокой поглощающей способностью,проекция поверхности зеркала выполнена в виде квадрата сопрягаемого с поверхностью каналов теплоносителя по оси входного окна, на поверхности теплоизоляции между щелью и каналами теплоносителя установлены экраны,поверхность экранов выполнена из материала с высокой отражающей способностью.