RU2639920C2 - Method of utilisation of solar flow to thermal energy - Google Patents

Abstract

FIELD: heating.SUBSTANCE: technological scheme includes the following blocks: source of luminous flux, luminous flux heat exchanger, scheme control element, consumers of warm water in hotels, the flow of circulating water or antifreeze is supplied in a shell and tube heat exchanger to cool the received RTC flow of hot water or antifreeze, inside the heat exchanger ten copper pipes are installed, water or antifreeze flows in pipes, which are heated by the luminous flux, the technological scheme of using the solar flux in hot water. Luminous flux affects the RTC, in RTC in working condition technical vacuum is created, to maintain it adequate isolation of RTC is required the heat exchanger of the luminous flux for heating water or antifreeze has an elliptical cover of PVC glass and copper pipes containing steel grids that contribute to the turbulence of hydrodynamic flow of heated water or antifreeze and the elimination of stagnant zones, each pipe is surrounded by a glass pipe made of PVC, having an elliptical cross-section, hot water or antifreeze is served from luminous flux heat exchanger to the shell and tube heat exchanger, equipped with a shut-off valve and having rolled pipes for the turbulence.EFFECT: high efficiency of the luminous flux heat exchanger.4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к способу преобразования энергии светового потока в тепло, и предназначено для получения горячей воды для бытовых нужд. При этом используется ресурсосберегающая и малоотходная технология утилизации солнечной энергии.The invention relates to the field of use of solar energy, in particular to a method for converting the energy of a light stream into heat, and is intended to produce hot water for domestic use. At the same time, a resource-saving and low-waste technology for the utilization of solar energy is used.

В качестве аналога принят способ аккумулирования солнечной энергии и устройство для его осуществления. Изобретение относится к гелиоэнергетике, в частности к гелиотеплицам с грунтовым водоносным аккумулятором тепла. В этом способе выбирается местность, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли. Там устанавливаются вертикальные скважины с забоем для снижения уровня грунтовых вод. Регулирование температуры воздуха теплицы и корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляционным контуром, нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляют за счет солнечной энергии. Изобретение должно обеспечить высокую эффективность использования солнечной радиации и ее аккумулирования в водоносном грунте для круглогодичного энергоснабжения культивационных сооружений, увеличения вегетационного периода, снижения себестоимости продукции. Способ аккумулирования солнечной энергии, включающий преобразование солнечной радиации в тепло на принципе парникового эффекта, передачу посредством циркуляционного контура этого тепла в грунтовый аккумулятор в теплый период года и обратно в холодный период, дублирование на время резкого похолодания традиционным источником теплоснабжения, отличающийся тем, что аккумулирование солнечной энергии осуществляют в водоносном грунте, где грунтовые воды очень близки к поверхности земли, под огражденным шатром гелиотеплицы поверхностным слоем земли, для чего располагают уровень грунтовых вод ниже корнеобитаемого слоя грунта, выкачивают грунтовую воду из водоносного слоя грунта, нагревают ее в гелиотеплице за счет солнечной радиации, закачивают нагретую воду в водоносный слой грунта, а зону действия центральной выкачивающей скважины и периферийных и периферийных закачивающих скважин, над которой установлена геотеплица, формируют в виде перевернутого конуса с заданным радиусом основания, а вершина конуса совпадает с забоем скважины, при этом регулирование температуры воздуха в гелеотеплице и температуры корнеобитаемого слоя грунта осуществляют циркуляцией воды грунтового аккумулятора, теплопередачей через корнеобитаемый сой грунта аккумулированного тепла [1].As an analog, a method of accumulating solar energy and a device for its implementation are adopted. The invention relates to solar energy, in particular to solar heat sinks with an underground aquifer heat accumulator. In this method, a terrain is selected where groundwater is very close to the surface of the earth. Vertical wells are installed there with a bottom to reduce the level of groundwater. The air temperature of the greenhouse and the root layer of the soil is regulated by a circulation circuit, heating or cooling of the coolant is carried out due to solar energy. The invention should provide high efficiency in the use of solar radiation and its accumulation in an aquifer for year-round energy supply of cultivation facilities, increase the growing season, and reduce production costs. A method of accumulating solar energy, including the conversion of solar radiation into heat on the principle of the greenhouse effect, transferring this heat through the circulation circuit to an soil accumulator in the warm season and back to the cold period, duplication for a period of cold snap with a traditional heat supply source, characterized in that the solar accumulation energies are carried out in an aquifer, where groundwater is very close to the surface of the earth, under a fenced-in tent of helioteplice surface with a layer of land, for which the groundwater level is located below the root layer of the soil, pump out ground water from the aquifer of the soil, heat it in the solar thermal cell due to solar radiation, pump the heated water into the aquifer of the soil, and the zone of action of the central pumping well and peripheral and peripheral injectors wells, over which the geothermal is installed, is formed in the form of an inverted cone with a given radius of the base, and the top of the cone coincides with the bottom of the well, while the temperature control in zduha geleoteplitse and temperature in the root layer of soil water circulation carried precoat battery, heat transfer through the root zone soil accumulated heat soi [1].

Недостатком предлагаемого способа аккумулирования солнечной энергии является то, что солнечный поток используется только для регулирования температуры воздуха в теплице и корнеобитаемого слоя.The disadvantage of the proposed method of accumulation of solar energy is that the solar stream is used only to control the temperature of the air in the greenhouse and the root layer.

Наиболее близким по технической сущности является бытовой солнечный водонагреватель, служащий для получения горячей воды для бытовых нужд с помощью солнечного излучения (прототип). Бытовой солнечный водонагреватель выполнен в виде трехгранной призмы, в объеме которого содержится бак-аккумулятор воды, а теплоприемной поверхностью (тепловой коллектор) выполнен в виде наклонной грани призмы. Кроме того, внутри бака-аккумулятора, параллельно теплоприемной поверхности установлена специальная разделительная панель, играющая роль дефлектора и выполненная из жесткого теплоизолированного материала (например, твердый пенопласт). Разделительная панель примыкает к боковым (треугольным) граням бака и имеет зазоры с другими поверхностями для обеспечения конвективных потоков. Изобретение должно обеспечить улучшение эксплутационных и потребительских свойств (компактность, простоту изготовления и эксплуатации, дешевизну), повышение эффективности использования светового излучения путем снижения тепловых потерь в облачную погоду и ночью [2].The closest in technical essence is a domestic solar water heater, which is used to produce hot water for domestic use using solar radiation (prototype). A domestic solar water heater is made in the form of a trihedral prism, the volume of which contains a water storage tank, and the heat-receiving surface (heat collector) is made in the form of an inclined face of the prism. In addition, inside the storage tank, parallel to the heat-receiving surface, a special dividing panel is installed, which acts as a deflector and is made of rigid heat-insulated material (for example, rigid foam). The separation panel is adjacent to the side (triangular) sides of the tank and has gaps with other surfaces to provide convective flows. The invention should provide improved operational and consumer properties (compactness, ease of manufacture and operation, low cost), increased efficiency of use of light radiation by reducing heat loss in cloudy weather and at night [2].

Одним из вариантов является устройство для аккумулирования солнечной энергии, отличающееся тем, что патрубок для отвода горячей воды находится на уровне верхней кромки разделительной панели.One of the options is a device for storing solar energy, characterized in that the pipe for draining hot water is at the level of the upper edge of the separation panel.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- отсутствие эффективных теплообменных устройств, что приводит к довольно низкому к.п.д. использования светового потока;- the lack of efficient heat transfer devices, which leads to a rather low efficiency use of a light stream;

- неудобство эксплуатации, заключающееся в том, что отсутствие незамерзающего теплоагента может приводить к нарушению работы устройства при низких температурах окружающего воздуха.- inconvenience of operation, consisting in the fact that the absence of an anti-freezing heat agent can lead to disruption of the device at low ambient temperatures.

Задачей данного изобретения является разработка нового способа утилизации солнечного потока в тепловую энергию с использованием новой энергосберегающей технологии. Кроме того, повышение к.п.д. основного устройства технологической схемы преобразования солнечного потока в горячую воду.The objective of the invention is to develop a new method of utilizing solar flux into thermal energy using a new energy-saving technology. In addition, the increase in efficiency the main device of the technological scheme for converting the solar flow into hot water.

Указанная техническая задача решается с помощью разработки новой технологической схемы использования солнечного потока в горячую воду. Эта технологическая схема включает следующие блоки: источник светового потока - I, теплообменник светового потока (ТСП) - II, управляющий элемент схемы (бойлер) - III, потребители теплой воды (душ, кондиционеры, обогрев в номерах гостиниц) - IV. (Фиг. 1). Световой поток (1) воздействует на ТСП. В ТСП в рабочем состоянии создается технический вакуум. Для его поддержания требуется достаточное изолирование ТСП. Поток водопроводной воды (2) подается в кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения полученной в ТСП горячей воды. Из этого теплообменника поток горячей вода подается в гостиничный комплекс. Поток циркулирующей воды (тосол) (3) из бойлера подается в ТСП, в котором нагревается под действием солнечного потока. Из ТСП поток воды (4) (тосол) возвращается в кожухотрубный теплообменник.The specified technical problem is solved by developing a new technological scheme for using the solar stream in hot water. This technological scheme includes the following units: light source - I, light stream heat exchanger (TSP) - II, control element (boiler) - III, consumers of warm water (shower, air conditioning, heating in hotel rooms) - IV. (Fig. 1). Luminous flux (1) acts on the PMT. In TSP in working condition creates a technical vacuum. To maintain it, sufficient isolation of the TSP is required. The flow of tap water (2) is fed into the shell-and-tube heat exchanger to cool the hot water received in the TSP. From this heat exchanger, a stream of hot water is supplied to the hotel complex. The flow of circulating water (antifreeze) (3) from the boiler is supplied to the TSP, in which it is heated by the action of the solar stream. From TSP, the water flow (4) (antifreeze) is returned to the shell and tube heat exchanger.

Поток циркулирующей воды (тосола) подается в бойлер для нагревания водопроводной воды. Водопроводная вода из управляющего элемента схемы подается потребителям горячей воды (5). В управляющем элементе схемы (бойлере) температура воды доводится до 70°C. ТСП имеет следующие габаритные размеры: 2 м, 0,12 м. Внутри теплообменника установлены десять медных трубок, которые имеют диаметр 0,006 м. В этих трубках течет вода (тосол), которая нагревается световым потоком (6). Кроме того, в ТСП используются эллиптическая крышка из ПВХ (8) и теплообменный элемент (7). Коробка теплообменника светового потока должна изготавливаться из сплава алюминия (9) [3-5]. Предусмотрена работа ТСП как самотеком, так и с использованием нагнетательного насоса. В ТСП используются алюминиевые входные-выходные штуцеры (10-12) (Фиг. 2). Кроме того, в предлагаемом способе предусмотрено отдельное нагревание каждой трубки. Эта трубка окружена стеклянной трубкой (ПВХ), которая имеет эллиптическое сечение (13).The flow of circulating water (antifreeze) is supplied to the boiler for heating tap water. Tap water from the control element of the circuit is supplied to consumers of hot water (5). In the control element of the circuit (boiler), the water temperature is brought to 70 ° C. TSP has the following overall dimensions: 2 m, 0.12 m. Ten copper tubes that have a diameter of 0.006 m are installed inside the heat exchanger. Water (antifreeze) flows in these tubes, which is heated by a light stream (6). In addition, the ESP uses an elliptical PVC cover (8) and a heat exchange element (7). The luminous flux heat exchanger box should be made of aluminum alloy (9) [3-5]. The operation of the TSP is provided both by gravity and using a pressure pump. The TSP uses aluminum input-output fittings (10-12) (Fig. 2). In addition, the proposed method provides for a separate heating of each tube. This tube is surrounded by a glass tube (PVC), which has an elliptical cross section (13).

Теплообменный элемент ТСП (14) служит для интенсификации теплообменного процесса и имеет стальные ситчатые пластинки (4 шт.), что приводит к турбулизации потока воды и ликвидации застойных зон (Фиг. 3). Установка ситчатых пластинок в теплообменном элементе существенно изменяет гидродинамику в нем. Наиболее эффективно выравнивает профиль скорости первая ситчатая пластинка, тогда как ближе к выходу одной секции теплообменного элемента вновь начинает формироваться неравномерный профиль скорости.The heat exchange element TSP (14) serves to intensify the heat exchange process and has steel sieve plates (4 pcs.), Which leads to turbulization of the water flow and the elimination of stagnant zones (Fig. 3). The installation of sieve plates in a heat exchange element substantially changes the hydrodynamics in it. The first sieve plate most effectively aligns the velocity profile, while closer to the exit of one section of the heat exchange element, an uneven velocity profile begins to form again.

Таким образом, предложенный метод моделирования теплообмена теплообменного элемента с ситчатыми пластинками позволяет достаточно строго рассчитывать гидродинамику в нем и на ее основе прогнозировать протекание теплообмена [6].Thus, the proposed method for modeling heat transfer of a heat exchange element with sieve plates allows one to rather strictly calculate the hydrodynamics in it and predict heat exchange through it [6].

В технологической схеме используется кожухотрубчатый теплообменник (управляющий элемент), который в настоящее время является самым распространенным аппаратом в химической (нефтехимической) промышленности (Фиг. 4). Теплопередающая поверхность аппарата может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Для улучшения работы этого теплообменника предусматривается использование вальцованных внутренних трубок. Это приводить к турбулизации потоков воды, что приводит к снижению габаритов теплообменника. В результате теплообмена, обеспечивающего температуру воды во внутренних трубках - 70°C, жидкость в межтрубном пространстве может закипать и приводить к сбою работы теплообменника. Для исключения этого предусмотрена специальная запорная арматура (гидросифон, входные и выходные запорные клапаны и термопары).In the technological scheme, a shell-and-tube heat exchanger (control element) is used, which is currently the most common apparatus in the chemical (petrochemical) industry (Fig. 4). The heat transfer surface of the device can range from several hundred square centimeters to several thousand square meters. To improve the operation of this heat exchanger, the use of rolled inner tubes is provided. This leads to turbulization of water flows, which leads to a decrease in the dimensions of the heat exchanger. As a result of heat transfer, ensuring the temperature of the water in the inner tubes is 70 ° C, the liquid in the annulus can boil and lead to malfunction of the heat exchanger. To eliminate this, special shut-off valves are provided (hydro-siphon, inlet and outlet shut-off valves and thermocouples).

Расчет экономического эффекта технологической схемы получения тепловой энергии представлен в таблице 1.The calculation of the economic effect of the technological scheme for producing thermal energy is presented in table 1.

Резюмируя вышеизложенное, можно заключить:Summarizing the above, we can conclude:

1) на предлагаемой установке преобразования солнечного потока в тепловую энергию можно провести опытно-промышленные эксперименты в течение летнего периода;1) on the proposed installation of converting the solar flux into thermal energy, it is possible to conduct pilot experiments during the summer period;

2) для отработки конструкции трубчатого теплообменника требуются лабораторные эксперименты;2) laboratory experiments are required to test the design of the tubular heat exchanger;

3) для исследования запорной и другой арматуры теплообменника необходима предварительная проектная проработка. Кроме того, такая же проработка требуется для контрольно-измерительной аппаратуры.3) for the study of shut-off and other valves of the heat exchanger requires preliminary design study. In addition, the same study is required for instrumentation.

Источники информацииInformation sources

1. Патент N RU 2275560, М. кл² F24J 2/34, 2006.1. Patent N RU 2275560, M. cl ² F24J 2/34, 2006.

2. Патент N RU 2350853, М. кл² F24J 2/34, 2008.2. Patent N RU 2350853, M. cl. ² F24J 2/34, 2008.

3. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Теплопередача в солнечных батареях. // Демидовские чтения - Тула. 2012. С. 257-259.3. Fedorov A.Ya., Melentyeva T.A., Melentyeva M.A. Heat transfer in solar panels. // Demidov readings - Tula. 2012.S. 257-259.

4. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Математическое моделирование процессов в солнечных батареях. // Международный журнал экспериментального образования. М., изд-во РАЕ. С. 138-140.4. Fedorov A.Ya., Melentyeva T.A., Melentyeva M.A. Mathematical modeling of processes in solar panels. // International Journal of Experimental Education. M., publishing house of RAE. S. 138-140.

5. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. / М., изд-во Энергоиздат. 1981. С. 24.5. Baklastov A.M., Gorbenko V.A., Udyma P.G. Design, installation and operation of heat and mass transfer plants. / M., publishing house Energoizdat. 1981, p. 24.

6. Федоров А.Я. Математическое моделирование химических реакторов с быстрыми жидкофазными реакциями. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук // Тула, изд-во ТулГУ. 1995. С. 26.6. Fedorov A.Ya. Mathematical modeling of chemical reactors with fast liquid-phase reactions. Abstract for the degree of Doctor of Technical Sciences // Tula, publishing house of TulSU. 1995.S. 26.

Claims (1)

Технологическая схема включает следующие блоки: источник светового потока, теплообменник светового потока, управляющий элемент схемы, потребители теплой воды в гостиницах, поток циркулирующей воды или тосола подается в кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения полученной в ТСП потока горячей воды или тосола, внутри теплообменника установлены десять медных трубок, в трубках течет вода или тосол, которые нагреваются световым потоком, технологическая схема использования солнечного потока в горячую воду, отличающаяся тем, что световой поток воздействует на ТСП, в ТСП в рабочем состоянии создается технический вакуум, для его поддержания требуется достаточное изолирование ТСП, теплообменник светового потока для нагревания воды или тосола содержит эллиптическую крышку из ПВХ стекла и медные трубки, содержащие стальные сетки, способствующие турбулизации гидродинамического потока нагретой воды или тосола и ликвидации застойных зон, каждая трубка окружена стеклянной трубкой из ПВХ, имеющей эллиптическое сечение, из теплообменника светового потока горячая вода или тосол подается в кожухотрубчатый теплообменник, снабженный запорной арматурой и имеющий вальцованные трубки для турбулизации.The technological scheme includes the following units: a light flux source, a light flux heat exchanger, a control element of the circuit, warm water consumers in hotels, a circulating water or antifreeze flow is supplied to a shell-and-tube heat exchanger to cool the hot water or antifreeze flux obtained in the TSP, ten copper tubes are installed inside the heat exchanger , water or antifreeze flows in the tubes, which are heated by a light stream, a technological scheme for using the solar stream in hot water, characterized in that it the flux acts on the TSP, a technical vacuum is created in the TSP in working condition, sufficient isolation of the TSP is required to maintain it, the light flux heat exchanger for heating water or antifreeze contains an elliptical PVC glass cover and copper tubes containing steel grids that contribute to turbulence of the heated hydrodynamic flow water or antifreeze and eliminate stagnant zones, each tube is surrounded by an elliptical PVC glass tube, hot water or antifreeze from the heat exchanger of the light flux l shelltube fed into a heat exchanger equipped with a stop valve and having a tube rolled turbulence.

Images