WO2009075611A2

WO2009075611A2 - Heating panel

Info

Publication number: WO2009075611A2
Application number: PCT/RU2008/000764
Authority: WO
Inventors: Aleksandr Andreevich Khamitov
Original assignee: Aleksandr Andreevich Khamitov
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-06-18
Also published as: RU2355954C1; WO2009075611A3

Abstract

The inventive heating panel is designed in the form of a row of finned pipes for a heat carrier, therein said finning elements (2) are arranged on a pipe (1) in such a way that they are offset along the longitudinal axis thereof in relation to the finning elements of the other pipes. The end faces of the finning elements are chamfered at an angle (α and β) to the longitudinal axis of the pipe. Said finning elements are made in the form of a collar (3) which tightly embraces the pipe and has at least three longitudinal fins (4, 5) disposed along the collar circumference symmetrically with respect to a plane passing along the longitudinal axis of the pipe. The use of the heating panel in a solar collector makes it possible to increase the surface area of a heat-absorbing surface which is accessible for directed and scattered energy, in particular for lateral radiation coming from any side, thereby increasing efficiency. The use of the heating panel in public service and industrial heating and cooling devices makes it possible to improve heat-exchange conditions by convection and infrared radiation. In addition, the finning elements may be also offset about the longitudinal axis of the pipe. In such a case, the longitudinal fins are disposed on the collar symmetrically with to two planes passing along the longitudinal axis of the pipe, thereby additionally increasing efficiency.

Description

Тепловая панель Thermal panel

Изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано в солнечных коллекторах, а также в приборах отопления и охлаждения коммунально-бытового и промышленного назначения.The invention relates to solar technology and can be used in solar collectors, as well as in heating and cooling devices for domestic and industrial use.

Известна тепловая панель солнечного коллектора, выполненная в виде находящейся в тепловом контакте с теплоносителем неподвижной теплопоглощающей пластины, рабочая поверхность которой выполнена в форме чередующихся треугольных выступов и впадин (патент RU No 2032861, публ. 1995г.).Known thermal panel of the solar collector, made in the form of a stationary heat-absorbing plate in thermal contact with the coolant, the working surface of which is made in the form of alternating triangular protrusions and depressions (patent RU No. 2032861, publ. 1995).

Недостатком этой конструкции является низкая прочность и невысокая долговечность конструкции, обусловленная применением пластины в качестве корпуса для теплоносителя. Другим недостатком является небольшая теплопоглощающая поверхность.The disadvantage of this design is the low strength and low durability of the structure, due to the use of the plate as a housing for the coolant. Another disadvantage is the small heat-absorbing surface.

Наиболее близкой по технической сути к заявляемой является тепловая панель солнечного коллектора, содержащая каналы для теплоносителя в виде ряда оребренных труб, элементы оребрения труб в форме плотно охватывающей трубу обечайки с двумя продольными ребрами, расположенными в одной плоскости. Элемент оребрения трубы выполнен из двух листовых пластин с выемками полуцилиндрической формы, плотно охватывающих трубу по периметру. Плоские части листовых пластин соединены сваркой и образуют два продольных ребра (патент RU M.23489, публ. 2002 г.).The closest in technical essence to the claimed one is the solar panel thermal panel containing channels for the coolant in the form of a series of finned tubes, tube finning elements in the form of a tightly covering shell pipe with two longitudinal ribs located in the same plane. The pipe fin element is made of two sheet plates with half-cylindrical recesses tightly covering the pipe around the perimeter. The flat parts of the sheet plates are connected by welding and form two longitudinal ribs (patent RU M.23489, publ. 2002).

Недостатком данной конструкции является низкая способность к теплопоглощению рассеянной энергии из-за малой площади поглощающей поверхности и невысокая эффективность при боковом облучении.The disadvantage of this design is the low ability to heat absorption of dissipated energy due to the small area of the absorbing surface and low efficiency with lateral irradiation.

Целью изобретения является повышение КПД тепловой панели за счет увеличения поверхности, поглощающей лучевую и рассеянную энергию в течение светового дня, повышения равномерности нагрева теплоносителя в трубах в течение светового дня при использовании тепловой панели в солнечных коллекторах, за счет улучшения условий теплообмена при использовании тепловой панели в приборах отопления и охлаждения.The aim of the invention is to increase the efficiency of the thermal panel by increasing the surface absorbing radiation and dissipated energy during daylight hours, increasing the uniformity of heating of the coolant in the pipes during daylight hours when using a thermal panel in solar collectors, by improving heat transfer conditions when using a thermal panel in heating and cooling appliances.

Для достижения цели в тепловой панели, содержащей каналы для теплоносителя в виде ряда оребренных труб, элементы оребрения, выполненные в виде обечайки, плотно охватывающей трубу для теплоносителя, и имеющей продольные ребра, размещенные по окружности обечайки симметрично плоскости, проходящей через продольную ось трубы, элементы оребрения расположены на трубе относительно элементов оребрения на соседних трубах со смещением в направлении продольной оси трубы, выполнены с торцами, скошенными под углом к продольной оси трубы, и содержат, по меньшей мере, три продольных ребра.To achieve the goal in a thermal panel containing channels for the coolant in the form of a series of finned tubes, finning elements made in the form of a shell, tightly covering the pipe for the coolant, and having longitudinal ribs placed around the circumference of the shell symmetrically to the plane passing through the longitudinal axis of the pipe, the finning elements are located on the pipe relative to the finning elements on adjacent pipes with an offset in the direction of the longitudinal axis of the pipe, are made with ends beveled at an angle to the longitudinal axis of the pipe, and contain at least three longitudinal ribs.

В частном случае элементы оребрения, установленные на одной трубе, расположены относительно элементов оребрения на соседней трубе со смещением вдоль продольной оси трубы и дополнительно вокруг продольной оси трубы, при этом продольные ребра элементов оребрения размещены по окружности обечайки симметрично двух плоскостей, проходящих через продольную ось трубы.In a particular case, the fins installed on one pipe are located relative to the fins on an adjacent pipe with an offset along the longitudinal axis of the pipe and additionally around the longitudinal axis of the pipe, while the longitudinal ribs of the fins are placed around the circumference of the shell symmetrically to two planes passing through the longitudinal axis of the pipe .

Заявленная совокупность признаков, а именно, расположение элементов оребрения на трубе относительно элементов оребрения на соседних трубах со смещением в направлении продольной оси трубы, выполнение элементов оребрения с торцами, скошенными под углом к продольной оси трубы, при наличии на обечайках элементов оребрения, по меньшей мере, трех продольных ребер, размещенных по окружности обечайки симметрично плоскости, проходящей через продольную ось трубы, позволяет:The claimed combination of features, namely, the location of the fins on the pipe relative to the fins on adjacent pipes with an offset in the direction of the longitudinal axis of the pipe, the implementation of the fins with ends, beveled at an angle to the longitudinal axis of the pipe, if there are at least fins on the shells , three longitudinal ribs placed around the circumference of the shell symmetrically to the plane passing through the longitudinal axis of the pipe, allows you to:

- при использовании в солнечных коллекторах открыть теплопоглощающие поверхности элементов оребрения большей площади для одновременного доступа солнечных лучей и рассеянной энергии для бокового облучения с любой стороны, благодаря тому, что теплопередающая панель имеет симметричную развитую пространственную структуру, минимизирующую тени, накладываемые элементами оребрения друг на друга, что повышает эффективность поглощения как лучевой, так и рассеянной энергии, повышает равномерность нагрева труб для теплоносителя в течение светового дня и, таким образом, повышает КПД;- when used in solar collectors, open the heat-absorbing surfaces of finning elements of a larger area for simultaneous access of sunlight and dissipated energy for lateral irradiation from either side, due to the fact that the heat transfer panel has a symmetrical developed spatial structure that minimizes shadows imposed by finning elements on each other, which increases the absorption efficiency of both radiation and dissipated energy, increases the uniformity of heating of pipes for the coolant during ovogo of the day and thus increases the efficiency;

- при использовании в приборах отопления и охлаждения открыть теплообменные поверхности элементов оребрения для доступа конвективных потоков воздуха и для передачи инфракрасных излучений, что улучшает условия теплообмена на поверхностях элементов оребрения и, соответственно, повышает КПД.- when used in heating and cooling devices, open the heat-exchange surfaces of the fin elements for access of convective air flows and for transmitting infrared radiation, which improves the heat transfer conditions on the surfaces of the fin elements and, accordingly, increases the efficiency.

Расположение элементов оребрения на одной трубе относительно теплопоглощающих элементов на соседней трубе со смещением вокруг их продольной оси позволяет еще более минимизировать тени от бокового облучения, делает более открытыми теплообменные поверхности элементов оребрения для поглощения рассеянной энергии, для доступа воздуха, конвектирующего вдоль ребер, и для передачи инфракрасных излучений. При этом можно сократить расстояние между соседними трубами, тем самым увеличить количество элементов оребрения на единице площади, и, следовательно, увеличить суммарную площадь теплообменных поверхностей и КПД. Выполнение элементов оребрения с ребрами, симметричными двум плоскостям, позволяет увеличить количество ребер, то есть увеличить площадь теплообменной поверхности, что также повышает КПД.The location of the finning elements on one pipe relative to the heat-absorbing elements on the adjacent pipe with an offset around their longitudinal axis allows even more to minimize shadows from lateral irradiation, makes the heat-exchange surfaces of the finning elements more open for absorbing scattered energy, for accessing air convecting along the ribs, and for transferring infrared radiation. In this case, the distance between adjacent pipes, thereby increasing the number of finning elements per unit area, and, therefore, increasing the total area of heat exchange surfaces and efficiency. The implementation of the elements of the fins with ribs symmetrical to two planes, allows to increase the number of ribs, that is, to increase the area of the heat exchange surface, which also increases the efficiency.

На фиг.l представлена тепловая панель с элементами оребрения, имеющими одну плоскость симметрии. На фиг. 2 представлен элемент оребрения с семью ребрами, симметричными одной плоскости симметрии (поперечное сечение). На фиг. 3 представлен элемент оребрения с тремя ребрами, симметричными одной плоскости симметрии (поперечное сечение). На фиг. 4 показана тепловая панель с элементами оребрения, имеющими три ребра (вид сбоку). На фиг. 5 показана тепловая панель с элементами оребрения, расположенными на соседних трубах с разворотом на 180° (вид сбоку). На фиг. 6 представлен элемент оребрения с ребрами, симметричными двум плоскостям симметрии (поперечное сечение).Figure l shows a thermal panel with fin elements having one plane of symmetry. In FIG. Figure 2 shows a finning element with seven edges symmetrical to one plane of symmetry (cross section). In FIG. Figure 3 shows a rib element with three ribs symmetrical to one plane of symmetry (cross section). In FIG. 4 shows a thermal panel with fin elements having three ribs (side view). In FIG. 5 shows a thermal panel with fins located on adjacent pipes with a 180 ° turn (side view). In FIG. Figure 6 shows a finning element with ribs symmetrical to two planes of symmetry (cross section).

Тепловая панель содержит каналы для теплоносителя в виде ряда труб 1, на которых расположены элементы оребрения 2, размещенные на соседних трубах со смещением вдоль продольной оси трубы (фиг.l). Элементы оребрения 2 выполнены в виде обечайки 3, плотно охватывающей трубу 1 для теплоносителя и имеющей продольные ребра 4, 5, 6, 7. Торцы элементов оребрения 2 выполнены под углом α и β к продольной оси трубы 1 (фиг. 1, 4, 5). Такое выполнение торцов элементов оребрения, размещенных на одной трубе, в совокупности со смещением элементов оребрения относительно элементов оребрения, расположенных на соседних трубах, при использовании в солнечных коллекторах открывает пространство для прямого и рассеянного облучения поверхности нижних ребер 7, средних ребер 5, 6 и верхних ребер 4 элементов оребрения 2 и открывает пространство для бокового облучения ребер элементов оребрения, размещенных на соседних трубах; при использовании в отопительных и охлаждающих приборах открывает теплообменные поверхности элементов оребрения для доступа конвективных потоков воздуха и для передачи инфракрасных излучений. ^' The thermal panel contains channels for the coolant in the form of a series of pipes 1, on which are located the elements of the fins 2, placed on adjacent pipes with an offset along the longitudinal axis of the pipe (Fig. L). The elements of the fins 2 are made in the form of a shell 3, tightly covering the pipe 1 for the coolant and having longitudinal ribs 4, 5, 6, 7. The ends of the elements of the fins 2 are made at an angle α and β to the longitudinal axis of the pipe 1 (Fig. 1, 4, 5 ) This embodiment of the ends of the fins, placed on one pipe, in conjunction with the offset of the fins relative to the fins located on adjacent pipes, when used in solar collectors, opens up space for direct and diffuse irradiation of the surface of the lower ribs 7, middle ribs 5, 6 and upper ribs 4 of the elements of the fins 2 and opens up space for lateral irradiation of the ribs of the elements of the fins, located on adjacent pipes; when used in heating and cooling devices, it opens the heat-exchange surfaces of fins for access of convective air flows and for transmitting infrared radiation. ^''

Ребра элементов оребрения могут быть расположены по окружности оболочки 3 симметрично одной (фиг 2, 3) или двум (фиг. 6) плоскостям, проходящим через продольную ось трубы 1. Выполнение элементов оребрения с одной плоскостью симметрии необходимо для равномерности нагрева теплоносителя в течение светового дня и предпочтительно при использовании в плоских коллекторах, а также в отопительных и охлаждающих приборах.The ribs of the fins elements can be located around the circumference of the shell 3 symmetrically to one (Fig. 2, 3) or two (Fig. 6) planes passing through the longitudinal axis of the pipe 1. The implementation of the fins with one plane of symmetry is necessary for uniform heating of the coolant during light days and preferably when used in flat collectors, as well as in heating and cooling appliances.

Выполнение элементов оребрения с двумя плоскостями симметрии (фиг. 5, 6) позволяет без снижения равномерности облучения и теплопередачи теплообменных поверхностей увеличить количество ребер, устанавливать элементы оребрения на одной трубе с разворотом вокруг продольной оси трубы относительно элементов оребрения на соседних трубах. При этом уменьшается расстояние между трубами 1 и, соответственно, увеличивается плотность размещения теплопоглощающих элементов. Такая тепловая панель предпочтительна при использовании в солнечных коллекторах с концентраторами, обеспечивающими всестороннее облучение теплопередающей панели, а также в отопительных и охлаждающих приборах.The implementation of the finning elements with two planes of symmetry (Fig. 5, 6) allows, without reducing the uniformity of radiation and heat transfer of the heat exchange surfaces, to increase the number of ribs, to install finning elements on one pipe with a turn around the longitudinal axis of the pipe relative to the finning elements on adjacent pipes. This reduces the distance between the pipes 1 and, accordingly, increases the density of heat-absorbing elements. Such a thermal panel is preferable when used in solar collectors with concentrators providing comprehensive irradiation of the heat transfer panel, as well as in heating and cooling devices.

При использовании¹ тепловай панели в солнечных коллекторах величина смещения элементов оребрения на соседних трубах, значения углов α и β зависят от угла наклона плоскости коллектора к горизонту, от ориентации коллектора к сторонам света. При оптимальном наклоне плоскости коллектора к горизонту и южной его ориентации оптимальное значение углов α и β составляет 45°, а смещение элементов оребрения в соседних рядах - половину их длины. В том случае, когда плоскость коллектора установлена с ориентацией, отличной от оптимального положения, соответствующего максимальному зенитальному положению солнца, элементы оребрения на трубах могут быть развернуты вокруг продольной оси трубы с направлением плоскости симметрии элемента оребрения в сторону максимального зенитального положения солнца.When using ¹ thermal panel in solar collectors, the magnitude of the displacement of the finning elements on adjacent pipes, the values of the angles α and β depend on the angle of inclination of the collector plane to the horizontal, on the orientation of the collector to the cardinal points. With an optimal inclination of the collector plane to the horizon and its southern orientation, the optimal values of the angles α and β are 45 °, and the displacement of the finning elements in adjacent rows is half their length. In the case when the collector plane is set with an orientation different from the optimal position corresponding to the maximum zenithal position of the sun, the fins on the pipes can be deployed around the longitudinal axis of the pipe with the direction of the plane of symmetry of the fin element toward the maximum zenithal position of the sun.

Тепловые панели могут быть изготовлены различными способами.Thermal panels can be made in various ways.

Монтаж тепловых панелей, изображенных на фиг. 1, 2, осуществляется следующим образом. Элементы оребрения 2, изготовленные из алюминиевого профиля, наклеивают на поверхность стальной трубы 1 посредством теплопроводного клея. Благодаря тому, что внутренний диаметр обечайки 3 немного меныпе.диаметра трубы 1, обеспечивается упругий тепловой контакт, который необходим для компенсации разницы в тепловом расширении. Фиксацию элемента оребрения 2 в направлении поперечном оси трубы 1 обеспечивают выполнением поверхности контакта длиной, большей половины окружности трубы.Installation of the heat panels shown in FIG. 1, 2, as follows. The fins 2 made of an aluminum profile are glued to the surface of the steel pipe 1 by means of heat-conducting glue. Due to the fact that the inner diameter of the shell 3 is slightly smaller than the diameter of the pipe 1, elastic thermal contact is provided, which is necessary to compensate for the difference in thermal expansion. The fixation of the fin element 2 in the direction of the transverse axis of the pipe 1 is ensured by the implementation of the contact surface with a length greater than half the circumference of the pipe.

Для изготовления сборных элементов оребрения (фиг. 3) тепловой панели (фиг. 4) используют две гнутые пластины. Обечайка элемента оребрения образована концевыми участками 8 верхней пластины и центральной выемкой 9 нижней пластины. Ребра элемента оребрения образованы концевыми участками 10 нижней пластины и центральной частью 11 верхней пластины. При монтаже приваривают или припаивают к трубе плотно прижатую нижнюю пластину. Затем концевые участки верхней пластины приваривают по линии 12 к нижней пластине и трубе. После этого производят сжатие в поперечном направлении ребра, образованного центральной частью верхней пластины, чем достигают плотный тепловой контакт с трубой.For the manufacture of prefabricated elements of the fins (Fig. 3) of the thermal panel (Fig. 4), two bent plates are used. The shell of the fin element is formed by the end sections 8 of the upper plate and the central recess 9 of the lower plates. The ribs of the fin element are formed by the end sections 10 of the lower plate and the central part 11 of the upper plate. During installation, a tightly pressed lower plate is welded or soldered to the pipe. Then, the end sections of the upper plate are welded along line 12 to the lower plate and pipe. After this, compression is made in the transverse direction of the rib formed by the central part of the upper plate, which ensures close thermal contact with the pipe.

При изготовлении элементов оребрения тепловой панели (фиг.5, 6) алюминиевый профиль разрезают под углом. В элементы оребрения вставляют трубу и производят дорнование трубы с раздачей трубы по диаметру до плотного упругого контакта с внутренней поверхностью обечайки.In the manufacture of elements of the fins of the thermal panel (figure 5, 6), the aluminum profile is cut at an angle. A pipe is inserted into the fins and a pipe is burned with a diameter distribution of the pipe to tight elastic contact with the inner surface of the shell.

В качестве элемента оребрения может быть использована также отливка из алюминиевого сплава.As an element of the fins can also be used casting of aluminum alloy.

При небольшой длине труб, например, при изготовлении радиаторов отопления, элементы оребрения могут быть получены в сборе с трубой одновременной заливкой на трубу литьем под давлением. With a small length of pipes, for example, in the manufacture of heating radiators, fins can be assembled with the pipe by simultaneous injection molding onto the pipe.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM

1. Тепловая панель, содержащая каналы для теплоносителя в виде ряда оребренных труб, элементы оребрения труб, выполненные в виде обечайки, плотно охватывающей трубу для теплоносителя, и имеющей продольные ребра, размещенные по окружности обечайки симметрично плоскости, проходящей через продольную ось трубы, отличающаяся тем, что элементы оребрения расположены на трубе относительно элементов оребрения на соседних трубах со смещением в направлении продольной оси трубы, выполнены с торцами, скошенными под углом к продольной оси трубы, и содержат, по меньшей мере, три продольных ребра.1. A thermal panel containing channels for the coolant in the form of a series of finned tubes, pipe finning elements made in the form of a shell, tightly covering the pipe for the coolant, and having longitudinal ribs placed around the circumference of the shell symmetrically to a plane passing through the longitudinal axis of the pipe, characterized in that the fins are located on the pipe relative to the fins on adjacent pipes with an offset in the direction of the longitudinal axis of the pipe, made with ends beveled at an angle to the longitudinal axis of the pipe, and erzhat, at least three longitudinal ribs.

2. Тепловая панель по пункту 1, отличающаяся тем, что элементы оребрения, установленные на одной трубе, расположены относительно элементов оребрения на соседней трубе со смещением вокруг продольной оси трубы, при этом продольные ребра элементов оребрения размещены по окружности обечайки симметрично двух плоскостей, проходящих через продольную ось трубы. 2. The thermal panel according to paragraph 1, characterized in that the finning elements mounted on one pipe are located relative to the finning elements on the adjacent pipe with an offset around the longitudinal axis of the pipe, while the longitudinal ribs of the finning elements are placed around the circumference of the shell symmetrically to two planes passing through the longitudinal axis of the pipe.