Двухконтурная гелиосистема горячего водоснабжения

 

Сущность изобретения: двухконтурная гелиосистема содержит коллекторное поле 1, скоростной 2 и емкостной 3 теплообменники, циркуляционный насос 4 теплоносителя, дифференциальный терморегулятор 5 с датчиком 6 и 7, а также напорный трубопровод 8 холодной воды и трубопровод 9 горячей воды. Трубный пучек скоростного 2 теплообменника по ходу теплоносителя включен перед нагревательным элементом емкостного 3 теплообменника, а межтрубное пространство скоростного 2 теплообменника по ходу нагреваемой воды включено после полости емкостного 3 теплообменника. Постоянство температуры нагреваемой воды на выходе обеспечивается установкой на трубопроводе 9 горячей воды автоматического клапана 10 с датчиком 11 и бака-накопителя 12. Параллельно межтрубному пространству скоростного теплообменника 2 через трехходовый клапан 13 в контур нагреваемой воды включен резервный нагреватель 14. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в двухконтурных гелиосистемах горячего водоснабжения (ГВС).

Известная двухконтурная гелиосистема ГВС, содержащая циркуляционный контур теплоносителя, по ходу которого последовательно включены блок солнечных коллекторов (коллекторное поле), нагревательный элемент бака-аккумулятора и циркуляционный насос с соединительными трубопроводами, а также контур нагреваемой воды, по ходу которой последовательно включены напорный трубопровод холодной воды, полость бака-аккумулятора и трубопровод горячей воды. Работой циркуляционного насоса данной гелиосистемы (с постоянным расходом теплоносителя) управляет дифференциальный терморегулятор, один датчик которого установлен на солнечном коллекторе (последнем по ходу теплоносителя в коллекторном поле), а второй в полости бака-аккумулятора (на уровне входного патрубка холодной воды) [1] Недостатком гелиосистем такой конструкции является их низкая эксплуатационная готовность. Это вызвано тем, что бак-аккумулятор таких гелиосистем выполняется большого объема, поскольку совмещает функции емкостного теплообменника и бака-накопителя горячей воды, аккумулирующего суточную производительность гелиосистемы. Температура нагреваемой воды в баке-аккумуляторе таких гелиосистем достигает требуемой величины и может использоваться потребителем лишь во второй половине дня.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой является двухконтурная гелиосистема ГВС, содержащая циркуляционный контур теплоносителя, по ходу которого последовательно включены блок солнечных коллекторов (коллекторное поле), нагревательный элемент емкостного теплообменника (бака-аккумулятора), имеющий байпасную линию с трехходовым клапаном, трубный пучок скоростного теплообменника и циркуляционный насос с соединительными трубопроводами, а также контур нагреваемой воды, по ходу которой последовательно включены напорный трубопровод холодной воды, межтрубное пространство скоростного теплообменника, полость емкостного теплообменника, имеющая байпасную линию с трехходовым клапаном, и трубопровод горячей воды [2] Такое включение скоростного теплообменника вместе с установкой байпасов с трехходовыми клапанами как для тракта теплоносителя в нагревательном элементе емкостного теплообменника, так и для его полости по тракту нагреваемой воды позволяет отключать емкостный теплообменник сразу из обоих контуров теплогидравлической схемы данной гелиосистемы и уже в первой половине дня подавать потребителю горячую воду требуемой температуры, нагреваемую непосредственно в скоростном теплообменнике. При этом вода, заполняющая полость емкостного теплообменника, не нагревается и тепло в нем не аккумулируется, а отводится горячей водой из скоростного теплообменника в режиме рекуперации.

Недостатком гелиосистемы такой конструкции является низкая эффективность использования поверхности теплообмена между контурами теплоносителя и нагреваемой воды, что определяет и низкую термическую эффективность работы. В данном случае две составляющие поверхности теплообмена между контурами (поверхность нагревательного элемента емкостного теплообменника и поверхность трубного пучка скоростного теплобменника) совместно практически не работают, так как вплоть до момента "зарядки" полости емкостного теплообменника (т. е. достижения температурной воды, заполняющей полость, требуемой величины) во второй половине дня работает либо только поверхность нагревательного элемента емкостного теплообменника (при отсутствии водоразбора непосредственно из скоростного теплообменника), либо только поверхность трубного пучка последнего (при наличии водоразбора непосредственно из скоростного теплообменника), так как в этом случае нагревательный элемент емкостного теплообменника отключается.

Целью изобретения является повышение термической эффективности гелиосистемы.

В двухконтурной гелиосистеме ГВС, содержащей циркуляционный контур теплоносителя, включающий коллекторное поле, нагревательный элемент емкостного теплообменника и циркуляционный насос, установленные последовательно, и контур нагреваемой воды, включающий напорный трубопровод холодной воды, межтрубное пространство скоростного теплообменника и трубопровод горячей воды, также соединенные последовательно, трубный пучок скоростного теплообменника по ходу теплоносителя включен перед нагревательным элементом емкостного теплообменника, а межтрубное пространство скоростного теплообменника по ходу нагреваемой воды включено после полости емкостного теплообменника.

Параллельно с межтрубным пространством скоростного теплообменника в контур нагреваемой воды через трехходовый клапан может быть включен резервный нагреватель.

Обратная (по сравнению с прототипом) последовательность включения емкостного и скоростного теплообменников в контур теплоносителя (нагревательный элемент первого после трубного пучка второго по ходу теплоносителя) и в контур нагреваемой воды (межтрубное пространство второго после полости первого по ходу нагреваемой воды) позволяет повысить эффективность использования поверхности теплообмена между контурами, а соответственно и термическую эффективность гелиосистемы и обойтись без двух байпасных линий с трехходовыми клапанами.

В основном режиме работы гелиосистемы данной конструкции режиме рекуперации, одновременно работает вся поверхность теплообмена, т.е. теплопередача между контурами осуществляется сразу через обе ее составляющие как через поверхность нагревательного элемента емкостного теплообменника, так и через поверхность трубного пучка скоростного теплообменника и лишь в промежуточных режимах: при периодической облачности и низкой плотности солнечного излучения, а также в начале и конце работы (утром и вечером) функционирует только нагревательный элемент емкостного теплообменника, который при этом работает в режиме теплоаккумулирования, т.е. нагрева воды, заполняющей его полость.

Включение резервного нагревателя в контур нагреваемой воды через трехходовый клапан параллельно с межтрубным пространством скоростного теплообменника позволяет повысить эффективность эксплуатации гелиосистемы в условиях пониженной плотности солнечного излучения, при этом потребительская вода греется в полости емкостного теплообменника за счет энергии Солнца, а догревается до требуемой температуры в резервном нагревателе.

Не выявлено известных технических решений, которым аналогичные или эквивалентные признаки придавали такие же свойства.

На чертеже изображена теплогидравлическая схема гелиосистемы ГВС.

Двухконтурная гелиосистема ГВС содержит циркуляционный контур теплоносителя, включающий коллекторное поле 1, трубный пучок скоростного теплообменника 2, нагревательный элемент емкостного теплообменника 3, циркуляционный насос 4 и дифференциальный терморегулятор 5, один датчик 6 которого установлен на нижней поверхности абсорбера солнечного коллектора (последнего по ходу теплоносителя в коллекторном поле 1), а другой датчик 7 в полости емкостного теплообменника 3 (на уровне входного патрубка холодной воды). Контур нагреваемой воды включает напорный трубопровод 8 холодной воды, полость емкостного теплообменника 3, межтрубное пространство скоростного теплообменника 2 и трубопровод 9 горячей воды с элементами, обеспечивающими постоянство температуры нагреваемой воды на выходе из гелиоустановки: автоматическим клапаном 10 (температурный регулятор расхода нагреваемой воды) с датчиком 11, установленным на выходе из межтрубного пространства скоростного теплообменника 2, и установленным за клапаном 10 по ходу нагреваемой воды бак-накопитель 12 горячей воды.

Параллельно с межтрубным пространством скоростного теплообменника 3 в контур нагреваемой воды через трехходовый клапан 13 включен резервный нагреватель 14.

Двухконтурная гелиосистема ГВС работает следующим образом.

В утренние часы с момента начала освещения поверхности абсорберов солнечных коллекторов поля 1 прямым солнечным излучением абсорберы вместе с находящимся в них теплоносителем нагреваются и после достижения разностью температур между датчиками 6 и 7 заданной величины (она устанавливается механизмом настройки и составляет 5-25^оС), дифференциальный регулятор 5 включает циркуляционный насос 4. Горячий теплоноситель, циркулируя по контуру, начинает нагревать воду в полости емкостного теплообменника 3 через его нагревательный элемент. С течением времени растет не только температура воды в полости емкостного теплообменника 3, но и плотность солнечного излучения, падающего на коллекторное поле 1. Это вызывает дальнейший рост температуры циркулирующего теплоносителя и соответственно температуры нагреваемой воды, заполняющей межтрубное пространство скоростного теплообменника 2. По достижении температурой нагреваемой воды на выходе из скоростного теплообменника 2 заданной величины (она устанавливается механизмом настройки автоматического клапана 10 и регистрируется датчиком 11) открывается автоматический клапан 10 и вода, предварительно нагретая в емкостном теплообменнике 3, проходя через межтрубное пространство скоростного теплообменника 2, догревается в нем до заданной температуры и по трубопроводу 9 горячей воды подается в бак-накопитель 12. В дальнейшем при стабильном поступлении солнечного излучения на коллекторное поле 1 в течение дня работают оба контура, меняется лишь расход нагреваемой воды, который регулируется степенью открытия автоматического клапана 10, обеспечивая постоянство температуры воды на выходе из гелиоустановки. Горячая вода с заданной температурой накапливается в баке-накопителе 12, откуда и осуществляется ее водоразбор потребителем.

Вечером плотность солнечного излучения, падающего на поверхность коллекторного поля 1, уменьшается, снижается и температура циркулирующего теплоносителя, а соответственно температура нагреваемой воды на выходе из скоростного теплообменника 2. Когда она становится ниже заданной величины, автоматический клапан 10 закрывается и расход в контуре нагреваемой воды прекращается. Однако циркуляция теплоносителя в этом случае продолжается и нагретое до высокой температуры коллекторное поле 1, аккумулирующее значительную энергию, "разряжается", нагревая холодную воду в полости емкостного теплообменника 3. Лишь после того, как температура коллекторного поля 1, а соответственно циркулирующего в нем теплоносителя, понижается и сравняется с температурой нагреваемой воды в полости емкостного теплообменника 3, т.е. коллекторное поле 1 "разрядится", что зарегистрируют датчики 6 и 7, дифференциальный терморегулятор 5 отключает циркуляционный насос 4 и циркуляция теплоносителя прекращается.

В течение дня при периодической облачности коллекторное поле 1, нагретое до высокой температуры не теряет это тепло в окружающую среду в период затенения облаками, а регулярно "разряжается", нагревая воду в полости емкостного теплообменника 3, Поскольку вода в емкостной теплообменник 3 поступает из напорного трубопровода 8 холодной и он представляет собой первую (низкотемпературную) степень нагрева этой воды, то разница между температурой коллекторного поля 1 при открытом автоматическом клапане 10 и температурой воды, нагреваемой в полости емкостного теплообменника 3, значительна, а соответственно существенно и тепло, аккумулируемое этой водой при "разрядке" коллекторного поля 1, Днем в случае пониженной плотности солнечного излучения, недостаточной для стационарного режима работы гелиосистемы (в режиме рекуперации) она может функционировать в нестационарном периодическом режиме, который осуществляется следующим образом. Стационарный режим работы гелиосистемы (режим рекуперации) прекращается вместе с закрытием автоматического клапана 10, после чего коллекторное поле 1 начинает "разряжаться" на воду, заполняющую полость емкостного теплообменника 3, т.е. начинается режим теплоаккумулирования. Поскольку в данном случае солнечное излучение хотя и с пониженной плотностью, но все же подогревает теплоноситель в коллекторном поле 1, а тепло из контура теплоносителя расходуется только на первой низкотемпературной ступени, нагревая воду в полости емкостного теплообменника 3, то этого тепла оказывается достаточно, чтобы догреть порцию воды в полости емкостного теплообменника 3, а тем более в межтрубном пространстве скоростного теплообменника 2 до заданной температуры, после чего открывается автоматический клапан 10, и нагретая порция воды, слегка догревшись в скоростном теплообменнике 2, подается в бак-накопитель 12. После этого нагретая вода в полости емкостного теплообменника 3 замещается холодной, поступающей из напорного трубопровода 3. С течением времени она заполняет полость емкостного теплообменника 3, а затем следует в межтрубное пространство скоростного теплообменника 2, после чего автоматический клапан 10 закрывается, поскольку датчик 11 регистрирует падение температуры нагреваемой воды на выходе из скоростного теплообменника 2 ниже заданного уровня. Затем процесс нагрева следующей порции холодной воды в полости емкостного теплообменника 3 повторяется и т.д. Таким образом, гелиосистема начинает работать в периодическом режиме, при котором нагрев воды осуществляется порциями, равными объему полости емкостного теплообменника, а режим рекуперации периодически сменяется режимом теплоаккумулирования.

Резервный нагреватель 14 может быть использован в случаях, когда гелиосистема по причине очень низкой плотности солнечного излучения не может функционировать даже в периодическом режиме. В этом случае за счет солнечной энергии осуществляется нагрев воды в полости емкостного теплообменника 3 на низкотемпературной ступени нагрева. Догрев же ее до требуемой температуры осуществляется в резервном нагревателе 14 после переключения трехходового клапана 13. Требуемый уровень температуры нагреваемой воды и в этом случае обеспечивает автоматический клапан 10 (температурный регулятор расхода), а резервный нагреватель 14 выполняет функции высокотемпературной ступени нагрева потребительской воды.

Изобретение позволяет повысить эффективность использования поверхности теплообмена между контурами теплоносителя и нагреваемой воды и таким образом повысить ее термическую эффективность в основном режиме работы (режиме рекуперации), а также обеспечить эффективность работы ГВС в промежуточных режимах: при периодической облачности и низкой плотности солнечного излучения и, кроме того, в начале и в конце светового дня (в режиме теплоаккумулирования).

Формула изобретения

1. ДВУХКОНТУРНАЯ ГЕЛИОСИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ, содержащая циркуляционный контур теплоносителя, включающий коллекторное поле, нагревательный элемент емкостного теплообменника и циркуляционный насос, установленные последовательно, и контур нагреваемой воды, включающий напорный трубопровод холодной воды, межтрубное пространство скоростного теплообменника и трубопровод горячей воды, также соединенные последовательно, при этом трубный пучок скоростного и полость емкостного теплообменников также включены соответственно в циркуляционный контур теплоносителя и контур нагреваемой воды, отличающаяся тем, что трубный пучок скоростного теплообменника по ходу теплоносителя включен перед нагревательным элементом емкостного теплообменника, а полость последнего включена по ходу нагреваемой воды перед межтрубным пространством скоростного теплообменника.

2. Система по. п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит резервный нагреватель, включенный в контур нагреваемой воды через трехходовой клапан параллельно межтрубному пространству скоростного теплообменника.

РИСУНКИ

Рисунок 1