Солнечный нагреватель жидкости

 

Солнечный нагреватель жидкости, например воды, предназначен для применения в бытовых моечных агрегатах, душевых установках, а также в системах горячего водоснабжения зданий. Устройство содержит заполняемый жидкостью бак с входным и выходными патрубками, перекрытый со стороны падающих солнечных лучей одним или двумя слоями оптически прозрачной изоляции (стеклом или целлофаном), расположенный с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию лучей поверхности плавающего в баке противня. На контактирующей с жидкостью поверхности дна противня установлен один или несколько перфорированных фланцев со штуцерами, на каждый из которых посажен входной конец гибкого шланга, выходной конец которого сопряжен по меньшей мере с одним из выходных патрубков бака. Нагреватель позволит повысить скорость нагрева жидкости. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике, в частности касается устройства для нагрева жидкости (воды) энергией солнечного излучения, применяемого преимущественно в бытовых моечных агрегатах, душевых установках для дачных и фермерских владений. Устройство может быть применено также в системах горячего водоснабжения зданий и специальных объектов, а также для обогрева помещений жидкостными теплоносителями, в том числе водой.

Известен солнечный нагреватель жидкости, содержащий теплоизолированный заполняемый жидкостью бак с входным и выходным патрубками, перекрытый со стороны падающих солнечных лучей одним или несколькими слоями оптически прозрачной изоляции. Обращенная к солнцу тепловоспринимающая поверхность бака, выполняющая функции преобразователя энергии оптического излучения в тепловую, зачернена либо покрыта селективно поглощающим оптическое излучение слоем материала /1/.

Недостатки описанного водонагревателя обусловлены тем, что его эффективная эксплуатация возможна только при полном заполнении бака жидкостью, т. е. в условиях непрерывного ее протекания под напором, что ограничивает эффективное использование, например, в бытовых моечных агрегатах, в системах горячего водоснабжения зданий и других применениях из-за образования при эксплуатации воздушной прослойки, отделяющей нагреваемую солнцем поверхность преобразователя от поверхности воды.

Известен солнечный нагреватель жидкости /2/, выбранный нами в качестве прототипа, содержащий заполняемый жидкостью теплоизолированный бак с входным и выходными патрубками, перекрытый со стороны солнечных лучей одним или несколькими слоями прозрачной для солнечных лучей изоляции, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию солнечных лучей поверхности плавающего в баке противня, выполненного из теплопроводного материала с зачерненной внутренней поверхностью.

Недостатки прототипа обусловлены образованием градиента температур между кондуктивно нагреваемым слоем жидкости, примыкающим ко дну плавающего противня, и слоем более холодной жидкости на дне бака, откуда осуществляется отбор ее через нижний выходной патрубок, что увеличивает время нагрева жидкости.

Целью предлагаемого изобретения является создание солнечного нагревателя жидкости повышенной эффективности работы с увеличенной скоростью нагрева потребляемой жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в солнечном нагревателе жидкости, заполняющей бак с входным и выходными патрубками, закрытый со стороны падающих солнечных лучей по меньшей мере одним слоем оптически прозрачной изоляции, располагаемой с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию солнечных лучей поверхности плавающего в баке противня, на контактирующей с жидкостью поверхности дна указанного противня или вблизи него установлен открытый входной конец гибкого шланга, противоположный выходной конец которого сопряжен по крайней мере с одним из располагаемых в нижней части бака выходных патрубков.

Цель достигается также тем, что открытый входной конец гибкого шланга сопряжен через штуцер с пропускающим жидкость перфорированным фланцем, установленным и закрепленным на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня.

Цель достигается и тем, что перфорированный фланец со штуцером и присоединенным к нему гибким шлангом установлен на наружной поверхности дна плавающего противня со смещением относительно продольной оси выходного патрубка, смонтированного с внешней стороны дна бака.

Еще одним средством достижения цели является то, что сопрягаемый с дном бака выходной патрубок снабжен штуцером, выступающим во внутреннюю полость бака и соединенным с выходным концом гибкого шланга.

Достижению технического результата способствует также то, что гибкий шланг выполнен в форме по меньшей мере одного витка спирали, располагаемого в объеме жидкости.

И, наконец, еще одним средством достижения технического результата является то, что на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня установлены два, три или большее количество перфорированных фланца со штуцерами, соединенными с входными концами гибких шлангов, выходные концы которых соединены с одним или большим количеством нижних выходных патрубков бака.

Предложенные варианты исполнения солнечного нагревателя жидкости согласно предлагаемому изобретению представлены на чертежах.

Фиг. 1. Солнечный нагреватель жидкости с одним перфорированным фланцем и гибким шлангом, вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг. 2. Солнечный нагреватель жидкости с тремя перфорированными фланцами, гибкими шлангами и выходными патрубками, вид сбоку, частично в разрезе.

Показанный на фиг. 1 и 2 солнечный нагреватель жидкости выполнен в виде прямоугольного теплоизолированного бака 1, заполняемого жидкостью 2, например водой. Бак имеет входной патрубок 3 с запорным краном и два, три (см. фиг. 2) или большее количество располагаемых в верхней и нижней части бака выходных патрубка 4 и 5, один из которых (например, верхний патрубок 4) может быть использован для стока жидкости при переполнении бака, а патрубок 5 - для непрерывного или дискретного потребления (стока) подогреваемой жидкости.

Выходной патрубок 5 также имеет запорный кран 6 и может быть сопряжен с сетчаткой насадкой 7 или шланговой насадкой (на фиг. не показано), образуя душевую установку.

Бак 1 изготавливают из подходящей пластмассы или из листового металла, например из нержавеющей стали. Наружные стенки бака покрывают теплоизолирующим слоем 8 (утеплителем).

Со стороны падающих солнечных лучей 9 (показано стрелками) бак 1 перекрыт по меньшей мере одним слоем прозрачной для оптических лучей изоляции 10, например листовым стеклом или целлофаном. Этот слой изоляции 10 образует воздушный зазор 11 с обращенной к изоляции поверхностью 12 плавающего в баке противня 13. Поверхность 12 противня 13 покрыта лучепоглощающим материалом, например черной краской (без глянца), поглощающей энергию солнечных лучей и способствующей эффективному нагреву дна противня 13.

На контактирующей с жидкостью поверхности дна противня 13, изготовленного из легкого теплопроводного материала, например из алюминия или его сплавов, или вблизи него установлен открытый входной конец 14 гибкого шланга 15, противоположный выходной конец которого сопряжен по крайней мере с одним выходным патрубком 5 бака 1.

В предложенном варианте исполнения устройства входной конец 14 гибкого шланга 15 сопряжен через штуцер 16 с перфорированным фланцем 17, обеспечивающим пропускание жидкости, установленным и закрепленным на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня 13, например, методом контактной сварки или при помощи эпоксидной смолы.

Фланец 17 со штуцером 16 изготавливают тонкостенным из того же материала, из которого изготовлен плавающий противень 13. Перфорированный фланец 17 со штуцером 16 и присоединенным к нему гибким шлангом 15 установлен и закреплен на наружной поверхности дна плавающего противня 13 со смещением относительно продольной оси выходного патрубка 5, смонтированного с внешней стороны бака 1. При этом выходной патрубок 5 также снабжен выступающим во внутреннюю полость бака 1 штуцером 18, к которому присоединен конец 19 гибкого шланга 15.

Гибкий шланг 15 выполнен, например, из силиконовой резины, в форме по крайней мере одного витка спирали, свободно располагаемого в объеме жидкости в баке 1, исключая таким образом перегиб и перекрытие канала шланга в процессе стока (расходования) жидкости и опускания противня 13 в крайнее нижнее положение в баке при эксплуатации солнечного нагревателя.

Второй вариант исполнения солнечного нагревателя жидкости (см. фиг.2) предусматривает установку и закрепление на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня 20 двух, трех или большего количества перфорированных фланцев 21, 22 и 23 со штуцерами, соединенными с выходными концами гибких шлангов 24, 25 и 26, выходные концы которых соединены с двумя 27 и 28 или большим количеством выходных патрубков бака 29. Выходные патрубки 27 и 28 имеют один 30 или два 31 и 32 штуцера соответственно.

Кроме того, во втором варианте исполнения солнечного нагревателя жидкости (см. фиг. 2) могут быть использованы два 33 и 34 прозрачных для оптических лучей слоя изоляции, перекрывающих бак 29 и противень 20.

Слой изоляции 33 целесообразно изготавливать из оконного стекла, обеспечивающего, наряду с пропусканием солнечного излучения, устойчивость к воздействию окружающей среды (дождя, снега, пыли и т.п.) при использовании в душевых установках, моечных агрегатах и устройствах для горячего водоснабжения зданий, а слой изоляции 34 - из целлофана или тонкого оконного стекла (толщина 1,5 - 3,0 мм), исключающих конвективный теплообмен между зачерненным дном противня 20 и окружающей средой.

Этот вариант исполнения устройства предпочтителен для использования при проектировании установок горячего водоснабжения зданий. Он также может быть использован для солнечного нагревателя воды в моечном агрегате, предусматривающем, наряду с применением его в качестве душевой установки, также для автономной подачи подогретой воды на традиционную мойку (умывальник, мытье посуды и т.п.).

Нагрев и потребление жидкости, например воды, с помощью предложенного солнечного нагревателя осуществляется следующим образом (см. фиг.1 и 2).

При заполнении бака 1 или 29 жидкостью (водой) через входной патрубок 3, например, от водопроводной сети плавающий противень 13 или 20 всплывает и поднимается в крайнее верхнее положение в баке, определяемое уровнем верхнего выходного патрубка 4, вместе с перфорированным фланцем 17 (или фланцами 21, 22, 23, фиг. 2) со штуцерами и входными концами гибких шлангов 15, 24, 25 и 26.

Солнечные лучи 9 проходят через оптически прозрачный для них (показано стрелками) слой изоляции 10 (или слой изоляции 33 и 34, фиг. 2) и поглощаются на внутренней, покрытой лучепоглощающим материалом поверхности плавающих противней 13 и 20, нагревая их до температуры 70-90^oC. За счет кондуктивной теплопередачи и высокой теплопроводности материала противней и установленных на них перфорированных фланцев 17, 21, 22, 23 со штуцерами энергия солнечного излучения, преобразованная в тепловую, передается в примыкающий к ним объем жидкости, нагревая ее.

При этом за счет перекрытия обращенной к солнцу поверхности противней 13 и 20 (или бака) слоями оптически прозрачной изоляции 10, 34 и 33 образуется воздушный зазор 11, существенно снижающий (см. фиг. 2) конвективный теплообмен дна противней 13 или 20 с окружающей средой (проявляется "парниковый эффект"), что способствует быстрому накоплению тепла и эффективному нагреву примыкающей к противням жидкости.

Вместе с тем жидкость 2 в нижней части бака, где расположены выходные патрубки 5, 27, 28, остается длительное время относительно холодной из-за неудовлетворительных процессов диффузии нагретой жидкости и недостаточной кондуктивной теплопередачи.

Примыкающая к противням 13 или 20 нагретая жидкость через отверстия перфорированных фланцев 17 или 21, 22, 23 и соответствующих им штуцеров при открытом кране выходного патрубка 5 или патрубков 27 и/или 28 поступает по гибким шлангам 15 или 24, 25, 26 на потребление (сток подогретой жидкости).

Таким образом, существенно сокращается время приготовления нагретой жидкости для потребления как в дискретном, так и в непрерывном режиме стока из-за отсутствия необходимости прогрева всего объема жидкости в баке. Это преимущество позволяет проектировать солнечные нагреватели жидкости с баками увеличенной глубины, что важно при использовании их для горячего водоснабжения зданий.

Кроме того, эффективность солнечного нагревателя существенно повышается за счет увеличения градиента температуры между дном противней 13 или 20 и слоем примыкающей к ним потребляемой жидкости, обусловленного перемешиванием ее нижних слоев с верхними при стоке через перфорированные фланцы 17 или 21, 22, 23.

Эффективность нагрева жидкости повышается также за счет дополнительной теплопередачи от нагретых противней 13 и 20 в объем жидкости за счет разветвленных (перфорированных) стенок фланцев и штуцеров, находящихся в тепловом контакте одновременно с противнями и жидкостью.

Применение гибких шлангов в форме по меньшей мере одного витка спирали, соединенной входными и выходными концами со штуцерами, а также смещение продольных осей нижнего выходного патрубка относительно фланцев со штуцерами позволяет максимально использовать нагреваемый объем жидкости при опускании противней 13 и 20 в крайнее нижнее положение в баке.

Таким образом, преимущества предлагаемого устройства вытекают из возможности существенного повышения эффективности работы и увеличения скорости нагрева потребляемой жидкости как в непрерывном, так и в кратковременном (дискретном) режиме эксплуатации солнечного нагревателя.

Литература: 1. Авторское свидетельство СССР N 282819, кл. F 24 J 3/02, 1970 г.

2. Патент РФ N 2108520, кл. F 24 J 2/04, Опубл. 10.04.98 г., Бюлл.N 10.

Формула изобретения

1. Солнечный нагреватель жидкости, содержащий заполненный жидкостью бак с входным и выходными патрубками, закрытый со стороны падающих солнечных лучей по меньшей мере одним слоем прозрачной для оптических лучей изоляции, расположенной с воздушным зазором относительно обращенной к ней и поглощающей энергию солнечных лучей поверхности противня, плавающего в баке, отличающийся тем, что на контактирующей с жидкостью поверхности дна указанного противня или вблизи него установлен открытый входной конец гибкого шланга, противоположный выходной конец которого сопряжен, по крайней мере, с одним из располагаемых в нижней части бака выходных патрубков.

2. Солнечный нагреватель жидкости по п.1, отличающийся тем, что открытый входной конец гибкого шланга сопряжен через штуцер с пропускающим жидкость перфорированным фланцем, установленным и закрепленным на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня.

3. Солнечный нагреватель жидкости по пп.1 и 2, отличающийся тем, что перфорированный фланец со штуцером и присоединенным к нему гибким шлангом установлен на наружной поверхности дна плавающего противня со смещением относительно продольной оси нижнего выходного патрубка, смонтированного с внешней стороны дна бака.

4. Солнечный нагреватель жидкости по пп.1 - 3, отличающийся тем, что сопрягаемый с дном бака выходной патрубок снабжен штуцером, выступающим во внутреннюю полость бака и соединенным с выходным концом гибкого шланга.

5. Солнечный нагреватель жидкости по пп.1 - 4, отличающийся тем, что гибкий шланг выполнен в форме по крайней мере одного витка спирали, располагаемого в объеме жидкости.

6. Солнечный нагреватель жидкости по пп.1 - 5, отличающийся тем, что на контактирующей с жидкостью поверхности дна противня установлены два, три или большее количество перфорированных фланцев со штуцерами, соединенными с входными концами гибких шлангов, выходные концы которых соединены с одним или большим количеством нижних выходных патрубков бака.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2