Гелиосистема

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства(72) Авторы Капустин Николай Федорович Снежко Эдуард Константинович Дегтеров Дмитрий Валентинович Кузьмич Василий Васильевич(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по механизации сельского хозяйства(57) 1. Гелиосистема, содержащая бак-аккумулятор с подающим и обратным трубопроводами, гелиоколлекторы с входными и выходными патрубками, двигатель и насос с входным и выходным трубопроводами, отличающаяся тем, что гелиоколлекторы дополнительно оснащены каркасом, центральными осями, вилками с плоскостями симметрии, расположенными перпендикулярно плоскостям рабочих поверхностей гелиоколлекторов и проходящими через их центральные оси, и трубчатым элементом, противоположные концы которого пропущены через вилки гелиоколлекторов, и установлены в каркасе с возможностью поворота вокруг своих центральных осей относительно каркаса, двигатель выполнен в виде теплового двигателя и состоит из смонтированной в каркасе с возможностью вращения внешней кольцевой обечайки и смонтированной на трубчатом элементе с возможностью вращения внутренней кольцевой обечайки, механически связанных между собой посредством установленных радиально и равномерно по их окружностям емкостей переменного объема, заполненных легкокипящим жидким теплоносителем, а насос состоит из качающих поршней, закрепленных своими концами на внешней и внутренней обечайках двигателя и установленных попеременно между его емкостями переменного объема, и обратных клапанов, при этом каркас смонтирован на неподвижной опоре с возможностью 95392013.10.30 вращения относительно этой опоры вокруг оси, установленной перпендикулярно центральным осям гелиоколлекторов, а внутренняя полость трубчатого элемента снабжена поперечной перегородкой, разделяющей его на входной и выходной трубопроводы насоса. 2. Гелиосистема по п. 1, отличающаяся тем, что каркас дополнительно содержит установленные в его центре внешнюю кольцевую обечайку и термочувствительные элементы, размещенные радиально и равномерно по окружности этой обечайки и выполненные в виде емкостей переменного объема, заполненных легкоиспаряющимся жидким теплоносителем и гидравлически сообщенных между собой посредством влагопроницаемых капиллярно-пористых пластинчатых элементов и полого кольцевого канала,смонтированного на трубчатом элементе. 3. Гелиосистема по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что стенки емкостей переменного объема двигателя и термочувствительных элементов каркаса выполнены гофрированными, а светопропускающие днища этих емкостей закреплены на внешних обечайках двигателя и каркаса соответственно.(56) 1. , 4306544 , МПК 24 3/02, 1981. 2.694747 1, МПК 24 3/02, 1978. 3.1180654 , МПК 24 2/42, 1984. 4.941805 , МПК 24 3/02, 1980. 5.2189, МПК 24 2/42, 1998 (прототип). Полезная модель относится к области солнечной энергетики и может быть использована для подогрева и перекачивания воды и водных растворов, например, для нужд сельского хозяйства, в частности для предварительного подогрева воды, питающей котлы парогенераторов, промывочные участки и душевые на фермах, для инкубационных цехов рыбхозов, капельного полива растений и фертигации. Известны устройства для преобразования энергии солнечной радиации в тепловую энергию нагрева жидкости 1, 2, 3, 4, основанные на принципе термосифонной (естественной) циркуляции нагреваемый в гелиоколлекторе теплоноситель (вода), поднимаясь вверх, поступает в бак-аккумулятор, уступая место холодной воде со дна бака. Эти устройства имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД) и небольшую тепловую производительность, т.к. скорость циркуляции и количество получаемого тепла находятся в прямой зависимости от разности температур воды на выходе и входе в гелиоколлектор. В то же время с ростом этой разности увеличиваются тепловые потери в окружающую среду. Наиболее близкой к заявленной полезной модели является гелиосистема принудительной циркуляции 5, выбранная в качестве прототипа. Она содержит бак-аккумулятор с подающим и обратным трубопроводами, гелиоколлекторы с входными и выходными патрубками, двигатель и насос с входным и выходным трубопроводами. Принудительная циркуляция жидкого теплоносителя в системе позволяет повысить эффективность теплосъема с рабочей поверхности гелиоколлекторов. Однако и это устройство имеет свои недостатки отсутствие возможности поворота рабочих поверхностей гелиоколлекторов в сторону солнца и двойное преобразование энергии солнечной - в электрическую и электрической - в механическую, что снижает эффективность работы гелиосистемы в целом. Задачей полезной модели является повышение эффективности работы гелиосистемы. Указанный результат достигается за счет того, что в гелиосистеме, содержащей бакаккумулятор с подающим и обратным трубопроводами, гелиоколлекторы с входными и выходными патрубками, двигатель и насос с входным и выходным трубопроводами, гелио 2 95392013.10.30 коллекторы дополнительно оснащены каркасом, центральными осями, вилками с плоскостями симметрии, расположенными перпендикулярно плоскостям рабочих поверхностей гелиоколлекторов и проходящими через их центральные оси, и трубчатым элементом,противоположные концы которого пропущены через вилки гелиоколлекторов, и установлены в каркасе с возможностью поворота вокруг своих центральных осей относительно каркаса. Кроме того, двигатель выполнен в виде теплового двигателя и состоит из смонтированной в каркасе с возможностью вращения внешней кольцевой обечайки и смонтированной на трубчатом элементе с возможностью вращения внутренней кольцевой обечайки,механически связанных между собой посредством установленных радиально и равномерно по их окружностям емкостей переменного объема, заполненных легкокипящим жидким теплоносителем, а насос состоит из качающих поршней, закрепленных своими концами на внешней и внутренней обечайках двигателя и установленных попеременно между его емкостями переменного объема, и обратных клапанов. При этом каркас смонтирован на неподвижной опоре с возможностью вращения относительно этой опоры вокруг оси, установленной перпендикулярно центральным осям гелиоколлекторов, а внутренняя полость трубчатого элемента снабжена поперечной перегородкой,разделяющей его на входной и выходной трубопроводы насоса. Ко всему прочему, каркас дополнительно содержит установленные в его центре внешнюю кольцевую обечайку и термочувствительные элементы, размещенные радиально и равномерно по окружности этой обечайки и выполненные в виде емкостей переменного объема, заполненных легкоиспаряющимся жидким теплоносителем и гидравлически сообщенных между собой посредством влагопроницаемых капиллярно-пористых пластинчатых элементов и полого кольцевого канала, смонтированного на трубчатом элементе. Притом стенки емкостей переменного объема двигателя и термочувствительных элементов каркаса выполнены гофрированными, а светопропускающие днища этих емкостей закреплены на внешних кольцевых обечайках двигателя и каркаса соответственно. Сущность полезной модели поясняется фигурами на фиг. 1 изображена схема гелиосистемы на фиг. 2 - разрез по а-а (на фиг. 1) на фиг. 3 - разрез по б-б (на фиг. 1) на фиг. 4 - вид по стрелке А (на фиг. 1) на фиг. 5 - разрез по в-в (на фиг. 3). Гелиосистема (фиг. 1) содержит гелиоколлекторы 1 (ориентированные на солнце в южном направлении, пунктирной линией показано их положение в направлении на восток или запад), теплоизолированные бак-аккумулятор 2, подающий трубопровод 3 и обратный трубопровод 4. Трубопроводы 5 и 6 соединяют гелиосистему с потребителем тепла и источником холодной воды соответственно. Теплоприемники расположены внутри гелиоколлекторов 1, которые имеют тепловую изоляцию, светопропускающее покрытие и отражающий экран, как, например, описано в 4. Гелиоколлекторы 1 установлены с возможностью вращения в каркасе 7 на своих центральных осях 8 и оснащены вилками 9 (фиг. 1 и 4) с плоскостями симметрии, расположенными перпендикулярно плоскостям рабочих поверхностей гелиоколлекторов 1 и проходящими через их центральные оси 8. Каркас 7 установлен на неподвижной опоре 10 с возможностью вращения вокруг оси 11. Через вилки 9 пропущены концы трубчатого элемента 12, который служит плавающей опорой для внутренних кольцевых обечаек емкостей 13 и 14 переменного объема (фиг. 2 и 3) соответственно. Внешняя кольцевая обечайка 15 (фиг. 2) центральной части каркаса 7 механически соединена с трубчатым элементом 12 при помощи по крайней мере двух рядов установленных равномерно по окружности внешней кольцевой обечайки 15 термочувствительных элементов, выполненных в виде емкостей 13 переменного объема с гофрированными стенками,заполненных легкоиспаряющимся жидким теплоносителем, гидравлически сообщенных между собой с помощью кольцевого канала 16 и снабженных с одной стороны (на внешней кольцевой обечайке 15 каркаса 7) светопропускающими днищами 17, а с другой - влагопроницаемыми капиллярно-пористыми пластинчатыми элементами 18 кольцевого канала 6. 3 95392013.10.30 Внутренние и внешние кольцевые обечайки 19 (фиг. 3) установлены на трубчатом элементе 12 (плавающей опоре) и в каркасе 7 соответственно, на подшипниках 20 скольжения и механически связаны друг с другом посредством по крайней мере одного ряда размещенных равномерно по окружностям кольцевых обечаек 19 емкостей 14 переменного объема с гофрированными стенками, заполненных легкокипящим жидким теплоносителем 21 и установленных попеременно между емкостями 14 переменного объем качающих поршней 22 (на фиг. 3 заштрихована вода). Качающие поршни 22 гидравлически сообщены через трубчатый элемент 12 с подающим трубопроводом 3 и гелиоколлекторами 1 посредством обратных клапанов 23 и 24(фиг. 5) соответственно, радиально установленных равномерно по окружности трубчатого элемента 12 по крайней мере двумя рядами, разделенными поперечной перегородкой 25 трубчатого элемента 12. Посредством гибких шлангов 26 (фиг. 2) гидравлически сообщаются между собой обратный трубопровод 4 с внутренней полостью трубчатого элемента 12(плавающей опоры), внутренняя полость трубчатого элемента 12 - с входными патрубками гелиоколлекторов 1, а выходные патрубки гелиоколлекторов 1 (на фигурах не показаны) - с подающим трубопроводом 3 (фиг. 1) соответственно. Таким образом, двигатель (тепловой) состоит из внутренней и внешней кольцевых обечаек 19, смонтированных на подшипниках 20 скольжения на трубчатом элементе 12 и в каркасе 7 соответственно и механически связанных между собой с помощью емкостей 14 переменного объема, заполненных легкокипящим жидким теплоносителем 21 и установленных попеременно между емкостями 14 переменного объема. Насос состоит из тех же внутренней и наружной кольцевых обечаек 19, механически связанных между собой посредством качающих поршней 22, гидравлически сообщенных с полостями трубчатого элемента 12, разделенными перегородкой 25, при помощи обратных клапанов 23 и 24. Каркас 7, смонтированный на опоре 10, поворотом вокруг оси 11 устанавливается таким образом, чтобы его ось симметрии была перпендикулярна плоскости эклиптики (движения солнца по небосводу) в данное время года, причем спицы 27 (фиг. 4) каркаса 7 снабжены упорами 28, ограничивающими вращение гелиоколлекторов 1 в пределах угла от нуля до 180. Гелиосистема работает следующим образом. Вначале через специальные клапаны (на фигурах не показаны) заполняются легкоиспаряющимся жидким теплоносителем, например этиловым спиртом или эфиром, емкости 13 переменного объема (фиг. 2) термочувствительных элементов каркаса 7. Затем заполняются легкокипящим жидким теплоносителем 21, например аммиачной водой, емкости 14 переменного объема (фиг. 3) двигателя. После чего в гелиосистему подается вода от источника холодной воды последовательно через трубопровод 6, бак-аккумулятор 2, обратный трубопровод 4, гибкий шланг 26, внутреннюю полость трубчатого элемента 12 (до поперечных перегородок 25), обратный клапан 23 (фиг. 5), полости качающих поршней 22 насоса, обратные клапаны 24, внутренние полости трубчатых элементов 12 (после поперечных перегородок 25) и через гибкие шланги 26, надетые на входные и выходные патрубки гелиоколлекторов 1, сам гелиоколлектор 1 и подающий трубопровод 3 - снова в бак-аккумулятор 2. При возникновении потока солнечной радиации 0 он проходит через светопропускающие днища 17 емкостей 13 переменного объема (термочувствительные элементы), расположенные на горячей (солнечной) стороне каркаса 7, в результате чего происходит нагрев находящегося во влагопроницаемых капиллярно-пористых пластинчатых элементах 18 легкоиспаряющегося жидкого теплоносителя, его испарение, перемещение паров по кольцевому каналу 16, конденсация этих паров на капиллярно-пористых пластинчатых элементах 18, находящихся в холодной (теневой) зоне каркаса 7. Вследствие миграции теплоносителя из горячей (солнечной) зоны в холодную (теневую) в горячей зоне емкости 13 переменного объема сокращаются (укорачиваются), а в холодной, наоборот, удлиняются,4 95392013.10.30 создавая эксцентричное положение оси трубчатого элемента 12 (плавающей опоры) относительно оси симметрии каркаса 7. Причем величина и направление создаваемого таким образом эксцентриситета зависит от направления потока солнечной радиации и его интенсивности соответственно. При этом концы трубчатых элементов 12 воздействуют (при перемещении направления эксцентриситета) на вилки 9 гелиоколлекторов 1, поворачивая последние вокруг их центральной оси 8 в положение, при котором плоскости рабочих поверхностей гелиоколлекторов 1 становились перпендикулярными направлению возникающего в данный момент времени эксцентриситета (направлению потока солнечной радиации). Одновременно на солнечной стороне происходит разогрев легкокипящего жидкого теплоносителя 21 в емкостях 14 переменного объема двигателя, увеличение объема его парожидкостной фазы и, соответственно, удлинение емкостей 14 в горячей (солнечной) зоне и, наоборот, сокращение емкостей 14 в холодной (теневой) зоне каркаса 7. Поскольку все емкости 14 переменного объема установлены своими концами на наружных и внутренних кольцевых обечайках 19 с возможностью вращения на подшипниках 20 скольжения, а сами обечайки устанавливаются эксцентрично благодаря действию на трубчатый элемент 12 (плавающую опору) более мощных капиллярных сил пластинчатых элементов 18,то в результате (под действием тепла солнечной радиации) происходит постоянное (пока не исчезнет источник тепла) вращение наружных обечаек 19 относительно эксцентрично установленного трубчатого элемента 12 и каркаса 7. При этом качающие поршни 22 в процессе вращения обечаек 19 сжимаются и разжимаются и через обратные клапаны 23 и 24 прокачивают воду через гелиоколлекторы 1. Нагретая в гелиоколлекторах 1 вода поступает через подающий трубопровод 3 в верхнюю часть бака-аккумулятора 2, а на ее место через обратный трубопровод 4 поступает холодная вода со дна бака-аккумулятора 2. Теплоноситель (вода) циркулирует по замкнутому контуру и,по мере нагрева до требуемой температуры, отводится потребителю по трубопроводу 5. Взаимодействие трех составляющих такой гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоприемной (гелиоколлектор, бак-аккумулятор), транспортирующей (насос с приводом в виде теплового двигателя) и ориентирующей (центральные оси и вилки для слежения гелиоколлекторов за солнцем) - можно охарактеризовать как автономную работу гелиосистемы с автоматическим саморегулированием расхода теплоносителя. С увеличением интенсивности солнечной радиации растет угловая скорость вращения двигателя и насоса и степень сжатия качающих поршней, т.е. растет расход теплоносителя, что позволяет поддерживать постоянство его температуры на входе в бак-аккумулятор. У всех составляющих есть общий источник энергии - Солнце, что обеспечивает синхронность их работы без дополнительных средств автоматизации. Такая конструкция элементов гелиосистемы позволяет обеспечить эффективность и автономность ее работы и повысить коэффициент полезного действия на 25-30 . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6