Автономный нагреватель

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для отопления помещений, нагревания жидкостей, например воды в бассейне, и для аккумуляции тепла в заполненных теплоносителем емкостях. Сущность изобретения заключается в снабжении первой камеры 1 прозрачным окном 6 и во введении в подвижный теплоноситель поглощающей добавки, при этом энергия лучистого потока после прохождения через прозрачное окно 6 поглощается подвижным теплоносителем, снабженным поглощающей добавкой. Изобретение позволит повысить КПД. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для отопления помещений, нагревания жидкостей, например воды в бассейне, и для аккумуляции тепла в заполненных теплоносителем емкостях.

Известны многочисленные варианты нагревателей, например описанный в [1], в котором теплоноситель размещен в емкости, а дно емкости нагревается продуктами сгорания топлива. Недостаток известных технических решений такого типа заключается в низком коэффициенте полезного действия - много тепла, образующегося при сгорании топлива, теряется впустую.

Известны различные варианты устройств для передачи тепловой энергии от продуктов сгорания топлива к теплоносителю с помощью пучка теплообменных трубок [2] . В дымогарных (огнетрубных) системах такого типа теплоноситель омывает теплообменные трубки, по которым движутся продукты сгорания топлива, в водотрубных системах по теплообменным трубкам движется теплоноситель, а продукты сгорания топлива проходят между трубками. Недостаток таких систем заключается в низкой эффективности, так как теплообмен между продуктами сгорания и теплоносителем осуществляется только через поверхность теплообменных трубок.

Известны различные варианты устройств, в которых получение электрической энергии осуществляется солнечными батареями, например [3]. Использование подобных устройств для получения тепловой энергии сопряжено с большими энергетическими потерями, так как в данном случае осуществляется двойное преобразование энергии: вначале энергия лучистого потока солнца преобразуется в электрическую энергию, после чего электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию.

Известны различные варианты устройств для преобразования лучистой энергии в тепловую энергию, например [4], в которых данное преобразование осуществляется путем передачи энергии от нагреваемой пластины к встроенным в нагреваемую пластину теплообменным трубкам, по которым циркулирует теплоноситель. Недостаток известных устройств заключается в низкой эффективности преобразования лучистой энергии солнца в тепловую энергию за счет того, что передача тепловой энергии происходит только через стенку нагревателя.

Известны различные варианты солнечных нагревателей, например [5, 6], в которых используются прозрачные окна, чехлы, кожухи и т.п. В этих устройствах прозрачные элементы используются для снижения тепловых потерь, а передача тепловой энергии теплоносителю происходит только через стенку нагревателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому автономному нагревателю является техническое решение, описанное в [7] и содержащее связанные в циркуляционный контур первую емкость в виде канала в нагревательном элементе, вторую емкость в виде бака-аккумулятора и циркуляционные трубопроводы. Поток лучистой энергии нагревает нагревательный элемент, который, в свою очередь, нагревает подвижный теплоноситель. Нагретый подвижный теплоноситель направляется в бак-аккумулятор, а из него - к потребителям. Охлажденный подвижный теплоноситель попадает в канал нагревательной пластины, после чего цикл работы повторяется. Недостаток известного технического решения заключается в низком коэффициенте полезного действия, так как вначале поток лучистой энергии нагревает нагревательную пластину, затем эта тепловая энергия переходит к подвижному теплоносителю через стенки канала, в котором находится подвижный теплоноситель.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в автономный нагреватель, содержащий связанные в циркуляционный контур первую емкость, верхний циркуляционный трубопровод, вторую емкость и нижний циркуляционный трубопровод, при этом циркуляционный контур заполнен подвижным теплоносителем, внесены следующие усовершенствования: первая стенка первой емкости снабжена прозрачным окном, а жидкий теплоноситель содержит поглощающую добавку.

Такое построение автономного нагревателя обеспечивает поглощение лучистой энергии солнца подвижным теплоносителем, находящимся в первой камере, в результате чего повышается эффективность использования лучистой энергии солнца по сравнению с прототипом, в котором поглощение лучистой энергии солнца осуществляется стенкой нагревательной камеры, которая, в свою очередь, нагревает жидкий теплоноситель. Таким образом, заявляемое техническое решение обладает более высоким коэффициентом полезного действия, чем прототип.

Для обоснования того, что заявляемое устройство обладает указанным преимуществом по сравнению с прототипом, можно выбрать в качестве критерия эффективности действия источника тепловой мощности заданной величины достижимый перегрев подвижного теплоносителя ϑ: ϑ = t_f-t_c, (1) где t_f - температура подвижного теплоносителя, t_c - температура окружающей среды.

Сопоставим перегрев подвижного теплоносителя в канале при нагреве лучистой энергией внешней стенки плоского канала (вариант 1) и при нагреве жидкости внутренним источником, создаваемым поглощением излучения в его объеме.

С целью упрощения анализа можно ввести следующие допущения: 1. Рассматривается стационарный тепловой режим.

2. Тепловой расчет для подвижного теплоносителя в канале проводится в статике как для неподвижного, поскольку медленное движение теплоносителя снизу вверх под действием архимедовой силы не вносит качественного искажения в тепловой баланс.

3. Ввиду малой ширины канала по сравнению с двумя другими измерениями (длиной и шириной) его можно рассматривать как бесконечно протяженный, поэтому реализуется одномерный перенос тепла - только в поперечном направлении.

4. Вследствие малой ширины канала нагрев подвижного теплоносителя по толщине канала считается равномерным.

Рассмотрим поочередно два варианта нагрева теплоносителя (прототип и заявляемое техническое решение), а затем сопоставим полученные результаты.

1. Прототип.

На внешнюю стенку канала с координатой х=0 (фиг.1) падает удельный тепловой поток q [Вт/м²]. На внешних стенках канала - на поверхностях х=0 и х= L+2Δ осуществляется теплоотдача: при х=0 - в первую среду с температурой t_c1, а при х=L+2Δ - во вторую среду с температурой t_c2. Теплоотдача в первую и вторую среды характеризуется величинами коэффициентов теплоотдачи соответственно α_c1 и α_c2 [Вт/м²K]. Толщина стенки Δ для упрощения принимается незначительной и тепловое сопротивление стенки мало. На внутренних стенках канала теплообмен с подвижным теплоносителем характеризуется коэффициентами теплоотдачи α₁ и α₂.

Тепловую модель рассмотренного объекта (канал с подвижным теплоносителем - фиг.1) можно представить в виде эквивалентной тепловой цепи [8, 9], представленную на фиг.2, где t_s1 и t_s2 - соответственно температуры стенок слева и справа от подвижного теплоносителя.

Для упрощения расчетов представим удельные проводимости (коэффициенты теплоотдачи α₂ и α_c2) в правой части цепи в виде эффективного коэффициента теплопередачи k₂ [10]: В свою очередь, все элементы правее узла t_s1 на схеме на фиг.2 можно объединить и описать одной эффективной величиной: Тогда баланс потоков в левом и правом относительно узла t_s1 плече схемы можно представить в виде системы уравнений: Из решения системы уравнений (4) можно получить величину температуры станки t_s1 и потока q₀:


Из рисунка, приведенного на фиг.2, видно, что

откуда можно определить конечную искомую величину достижимого перегрева подвижного теплоносителя для прототипа ϑ₁:

Подставив в (8) величину q₀ из (6), окончательно получим:

где

2. Заявляемое техническое решение
При внутреннем тепловыделении источник теплового потока подводится не к точке t_s1, а к точке t_f (фиг.3).

Для упрощения расчетов кроме величины k₂ (2) вводится коэффициент теплопередачи k₁ (10) для левой относительно узла t_f части схемы, с учетом которого баланс потоков в тепловой схеме упрощается:

Решение системы позволяет получить выражение для t_f и ϑ₂ (ϑ₂ - искомая величина достижимого перегрева подвижного теплоносителя для заявляемого технического решения):


3. Сопоставление прототипа и заявляемого технического решения
Проведем сопоставление для простейшего случая симметрии условий теплообмена на левой и правой стенках в обоих вариантах, то есть будем считать, что

Тогда (9) и (13) упростятся до вида:

Отношение ϑ₂ к ϑ₁ равно:

Как видно из (16), всегда выполняется условие
δ>1, (17)
то есть задача изобретения действительно решается в заявляемом техническом решении, причем, чем хуже теплоизолирована система (чем выше α_c), тем больший выигрыш обеспечивает заявляемый автономный нагреватель по сравнению с прототипом.

В частном случае (п.2 формулы изобретения) вторая емкость снабжена теплообменной системой. Такое построение автономного нагревателя расширяет область его применения: наличие второго контура позволяет, например, использовать в нем воду, предназначенную для приготовления пищи и проведения гигиенических процедур, так как в воде, проходящей через второй контур, отсутствует поглощающая добавка, входящая в состав подвижного теплоносителя, циркулирующего в первом циркуляционном контуре.

В частном случае (п. 3 формулы изобретения) внутренняя поверхность третьей стенки первой емкости снабжена отражателем. Такое построение первой емкости позволяет ту часть лучистой энергии, которая не поглотилась при ее проходе через подвижный теплоноситель и попала на отражатель, отразить обратно, при этом снова будет происходить поглощение лучистой энергии подвижным теплоносителем, в результате чего повышается коэффициент полезного действия автономного обогревателя.

В частном случае (п.4 формулы изобретения) циркуляционный контур снабжен теплоизоляцией. Такое построение автономного нагревателя позволяет снизить потери тепловой энергии в процессе эксплуатации и тем самым повысить коэффициент полезного действия.

В частном случае (п.5 формулы изобретения) автономный нагреватель содержит циркуляционный насос. Применение циркуляционного насоса позволяет уменьшить время выхода автономного нагревателя на рабочий режим и тем самым повысить его потребительские свойства.

В частном случае (п.6 формулы изобретения) циркуляционный насос содержит преобразователь лучистой энергии в электрическую энергию и преобразователь электрической энергии в тепловую энергию, причем выход преобразователя лучистой энергии в электрическую энергию соединен со входом преобразователя электрической энергии в тепловую энергию, а преобразователь электрической энергии в тепловую энергию расположен внутри первой емкости в ее нижней части. Такой вариант выполнения циркуляционного насоса не требует дополнительных затрат энергии по сравнению с циркуляционными насосами, приводимыми в движение какими-либо двигателями, а расположение преобразователя электрической энергии в тепловую энергию внутри первой емкости в ее нижней части позволяет сформировать восходящий конвективный поток подвижного теплоносителя за минимальное время, что уменьшает время выхода автономного нагревателя на рабочий режим и тем самым повышает его потребительские свойства.

В частном случае (п.7 формулы изобретения) преобразователь лучистой энергии в электрическую энергию содержит солнечную батарею, а преобразователь электрической энергии в тепловую энергию содержит электрические лампы. Такое построение циркуляционного насоса снижает затраты на его изготовление.

В частном случае (п.8 формулы изобретения) прозрачное окно первой стенки первой емкости содержит раму и N листов из прозрачного материала, где N = 2, 3, 4, ..., причем листы из прозрачного материала установлены в раме друг за другом с зазорами. Такое построение прозрачного окна снижает потери тепловой энергии через него за счет того, что между листами из прозрачного материала находится воздух, являющийся теплоизолятором.

В частном случае (п.9 формулы изобретения) циркуляционный контур снабжен тепловым аккумулятором. Такое построение автономного нагревателя позволяет увеличить время его работы после прекращения действия потока лучистой энергии.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего заявляемое техническое решение, варианта выполнения и чертежами, на которых:
- на фиг. 1 - 3 приведены рисунки, иллюстрирующие обоснование преимущества заявляемого технического решения по сравнению с прототипом;
- на фиг.4 приведен поперечный разрез автономного нагревателя;
- на фиг. 5 приведен разрез варианта конструктивного выполнения прозрачного окна.

Автономный нагреватель содержит (фиг.4) первую емкость 1, вторую емкость 2, нижний циркуляционный трубопровод 3, роль верхнего циркуляционного трубопровода выполняет область 4 соединения первой емкости 1 и второй емкости 2. Первая емкость 1, верхний циркуляционный трубопровод 4, вторая емкость 2 и нижний циркуляционный трубопровод 3 связаны в циркуляционный контур, который заполнен подвижным теплоносителем 5. Первая стенка первой емкости 1 снабжена прозрачным окном 6, а внутренняя поверхность третьей стенки первой емкости 1 снабжена отражателем 7. Вторая емкость 2 содержит теплообменную систему 8. Первая емкость 1, вторая емкость 2, нижний циркуляционный трубопровод 3 и верхний циркуляционный трубопровод 4 снабжены теплоизоляцией 9.

Автономный нагреватель содержит циркуляционный насос, включающий солнечную батарею 10 и электрические лампы 11, причем выход солнечной батареи 10 соединен со входом электрических ламп 11. Электрические лампы 11 размещены внутри первой емкости 1 в ее нижней части.

Циркуляционный контур снабжен тепловым аккумулятором 12. Поток лучистой энергии показан на фиг.4 под номером 13.

Прозрачное окно 6 может быть выполнено (фиг.5) следующим образом. Оно содержит установленную в первой стенке 14 первой емкости 1 раму 15, в прорезях которой установлены N листов 16 из прозрачного материала, где N = 2, 3, 4,....

Автономный нагреватель работает следующим образом (фиг.4). Поток лучистой энергии 13, например от солнца, после прохождения через прозрачное окно 6 в первой емкости 1 проходит через подвижный теплоноситель 5, где происходит поглощение лучистого потока 13. Та часть лучистого потока 13, которая не поглотилась подвижным теплоносителем 5, попадает на отражатель 7, отражается от него и снова проходит через подвижный теплоноситель 5, при этом тоже происходит поглощение энергии лучистого потока 13 подвижным теплоносителем 5. Таким образом, лучистый поток дважды проходит через подвижный теплоноситель, в результате чего увеличивается количество поглощенной энергии.

Подвижный теплоноситель 5, поглотив энергию лучистого потока 13, нагревается и движется в первой емкости 1 вверх, как показано на фиг.4 стрелкой, после чего нагретый подвижный теплоноситель 5 через верхний циркуляционный трубопровод 4 попадает во вторую емкость 2, где он омывает теплообменную систему 8 и отдает проходящему через теплообменную систему 8 подвижному теплоносителю второго контура свою тепловую энергию. При этом подвижный теплоноситель 5 охлаждается и движется вниз по второй емкости 2, как показано стрелками на фиг.4, затем проходит по нижнему циркуляционному трубопроводу 3 в нижнюю часть первой емкости 1, после чего процесс повторяется.

Для повышения эффективности работы автономного нагревателя и ускорения его выхода в рабочий режим может быть включен циркуляционный насос, который в описываемом варианте конструктивного выполнения работает следующим образом. Солнечная батарея 10 преобразует энергию лучистого потока в электрическую энергию, которая в электрических лампах 11 преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия передается подвижному теплоносителю 5, в результате чего нагретый подвижный теплоноситель 5 поднимается вверх по первой емкости 1, что увеличивает скорость циркуляции подвижного теплоносителя 5 в циркуляционном контуре. Увеличение скорости циркуляции подвижного теплоносителя 5 в циркуляционном контуре повышает эффективность работы автономного нагревателя и ускоряет его выход на рабочий режим.

Прозрачное окно 6 первой стенки первой емкости 1 работает следующим образом (фиг. 5). Поток лучистой энергии 13 с малыми потерями проходит через N расположенных друг за другом листов 16 из прозрачного материала. Охлаждение подвижного теплоносителя 5 через прозрачное окно 6 снижается за счет того, что в зазорах между листами 16 из прозрачного материала находится воздух, который является хорошим теплоизолятором.

Источники информации
1. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. М.: Наука, 1967. - С. 327.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. - С. 211, 419.

3. Солнечный генератор. Авт. свид. СССР 1825071, приор. от 04.04.90, публ. 20.02.96, Бюл. 5, МПК 6 F 24 J 2/00.

4. Солнечный коллектор. Авт. свид. СССР 1815526, приор. от 20.08.90, публ. 15.05.93, Бюл. 18, МПК 5 F 24 J 2/08, 2/38.

5. Бак солнечного коллектора с прозрачным кожухом. Патент США 4520795, публ. 04.06.85, т. 1055, 1, МПК 3 F 24 J 3/02, НКИ 126-443.

6. Отопительная система, использующая солнечную энергию. Заявка Японии 60-25705, публ. 19.06.85, 5-643, МПК F 24 J 2/04.

7. Солнечный водонагреватель. Авт. свид. 1814003, приор. от 19.03.91, публ. 07.05.93, Бюл. 17, МПК 5 F 24 J 2/20.

8. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. М.: Энергия, 1968. - 360 с.

9. Дульнев Г. Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. - 440 с.

Формула изобретения

1. Автономный нагреватель, содержащий связанные в циркуляционный контур первую емкость, верхний циркуляционный трубопровод, вторую емкость и нижний циркуляционный трубопровод, при этом циркуляционный контур заполнен подвижным теплоносителем, отличающийся тем, что первая стенка первой емкости снабжена прозрачным окном, а жидкий теплоноситель содержит поглощающую добавку.

2. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что вторая емкость снабжена теплообменной системой.

3. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность третьей стенки первой емкости снабжена отражателем.

4. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что циркуляционный контур снабжен теплоизоляцией.

5. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит циркуляционный насос.

6. Автономный нагреватель по п. 5, отличающийся тем, что циркуляционный насос содержит преобразователь лучистой энергии в электрическую энергию и преобразователь электрической энергии в тепловую энергию, причем выход преобразователя лучистой энергии в электрическую энергию соединен со входом преобразователя электрической энергии в тепловую энергию, а преобразователь электрической энергии в тепловую энергию расположен внутри первой емкости в ее нижней части.

7. Автономный нагреватель по п. 6, отличающийся тем, что преобразователь лучистой энергии в электрическую энергию содержит солнечную батарею, а преобразователь электрической энергии в тепловую энергию содержит электрические лампы.

8. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что прозрачное окно первой стенки первой емкости содержит раму и N листов из прозрачного материала, где N = 2, 3, 4 . . . , причем листы из прозрачного материала установлены в раме друг за другом с зазорами.

9. Автономный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что циркуляционный контур снабжен тепловым аккумулятором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5