Устройство для регулирования циркуляции теплоносителя в гелеотехнических установках
Регулятор циркуляции теплоносителя в гелиотехнических установках предназначен для управления расходом теплоносителя в гелиотехнических системах. В корпусе устройства установлены два термочувствительных элемента изготовленных из сплава с эффектом памяти формы, соединенных по дифференциальной схеме. Точка соединения термоэлементов связана с узлом настройки и рычагом клапана регулятора расхода теплоносителя. Один из термоэлементов снабжен световым экраном, а параллельно другому термоэлементу установлена пружина настройки. Устройство контролирует уровень солнечной радиации и регулирует расход теплоносителя энергетической системы, повышает экологическую безопасность, увеличивает срок службы, обеспечивает возможность использования в наземных и космических условиях.
Изобретение относится к приборостроению, в частности к области автоматического регулирования теплообмена в двухконтурных схемах гелиотехнических систем и может быть использовано в солнечной энергетике.
Известно, что в настоящее время использование невозобновляемых источников энергии (нефть, уголь, газ) ограничено, прежде всего, экологически. По оценке экспертов, дальнейшее развитие мировой энергетики связано с энергосберегающими технологиями и освоением экологически чистых, возобновляемых источников энергии, к которым относится прямая солнечная радиация.
Утилизация прямой солнечной энергии наиболее безопасна, с точки зрения экологии, в системах с двухконтурной циркуляцией теплоносителя, когда более короткий «солнечный» контур, содержащий токсичные низкокипящие жидкости отделен от основного, связанного с потребителем энергии. Оптимизация работы таких систем требует регулирования циркуляции теплоносителя в зависимости от степени освещенности, определяющей температуру теплоносителя.
Большая часть устройств, известных в этой области, включает в себя электронные схемы, требующие при работе подвод энергии от внешних источников питания, что трудно совместить с задачами солнечной энергетики, например, а.с. №133951 1, кл. С05D 25/02, 1986 г.
Известны также устройства регулирования теплоносителя, способные работать без подвода энергии (а.с. №1509844, кл. G05D 23/02, 1987 г.; а.с. №1828293, кл. G05D 23/02, 1995 г.; а.с. №1831149, кл. G05D 23/02, 1995 г.; патент RU №2130197, кл. G05D 23/02, 1999 г.).
Недостатком этих устройств является невозможность регулирования циркуляции теплоносителя в отношении степени освещенности, а также
использование экологически вредных веществ (толуол и др. веществ с большим коэффициентом расширения).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для регулирования температуры а.с. №1509843, кл. G05D 23/02, 23.09.89 г. Устройство содержит три термочувствительных элемента в виде термобаллонов соединенных между собой по дифференциальной схеме с помощью капилляров и сильфонов. Давление, создаваемое в баллонах, через штоки передается на противоположные плечи рычага, воздействующего на клапан, регулирующий поток теплоносителя. Два из трех термобаллонов контролируют температуру внутренней среды, а третий, включенный на встречу им, - температуру наружной среды. Разность гидравлических давлений, возникающая во включенных навстречу друг другу термобаллонах и зависящая от перепада температур между внутренней и внешней средой, преобразуется в перемещение штоков передающих движение через рычаг клапану, изменение положения которого, приводит к регулируемому изменению расхода теплоносителя.
Недостатком этого устройства является использование термочувствительной жидкости, утечки которой во время длительной эксплуатации энергетической системы могут привести к значительному загрязнению окружающей среды. Другим существенным недостатком является малое число рабочих циклов (срабатывания), что связано с наличием сильфонных узлов. В условиях частой смены освещенности (например, при значительной облачности) этот недостаток ведет к малому сроку службы.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании автономного прибора с большим сроком службы, работающего в непрерывном режиме с осуществлением регулирующей функции и имеющего простую конструкцию.
Техническим результатом, который может быть получен в результате использования предлагаемого изобретения, является регулирование циркуляции
теплоносителя в гелиотехнических установках с целью оптимизации их работы.
Технический результат достигается тем, что, как и известное устройство, предлагаемый регулятор теплоносителя содержит термочувствительные элементы, соединенные между собой по дифференциальной схеме, один из элементов контролирует температуру среды находящуюся в одних условиях, другой - температуру среды, находящуюся в других условиях, возникающий дифференциал преобразуется в перемещение клапана, регулирующего расход теплоносителя.
В отличие от известного в предлагаемом устройстве для регулирования циркуляции теплоносителя в гелиотехнических установках термочувствительные элементы выполнены из сплава с эффектом памяти формы, при этом один из элементов постоянно открыт для прямой солнечной радиации, а другой постоянно закрыт от нее с помощью светового экрана.
Достижение технического результата основано на свойствах сплава с эффектом памяти формы, из которого изготовлены чувствительные элементы, а так же на эффекте поглощения световой энергии, падающей на поверхность непрозрачного тела. Между затененным и освещенным элементами возникает перепад температуры, который вследствие эффекта памяти формы приводит к соответствующей деформации элементов, которая преобразуется в перемещение клапана, обеспечивающего регулирование потока теплоносителя.
На чертеже изображено устройство для реализации предлагаемого решения.
Устройство состоит из термочувствительных элементов I и 2, соединенных по дифференциальной схеме, рычага поворота вентиля 3, связанного с точкой соединения свободных концов термочувствительных элементов 1 и 2. Один из термоэлементов снабжен световым экраном 4, а параллельно другому термоэлементу установлена пружина 5, один конец которой соединен с общим концом термоэлементов
1 и 2 через рычаг поворота 3, а другой - с установленным в корпусе винтом настройки 6.
Устройство работает следующим образом.
Поскольку два чувствительных элемента 1 и 2 включены навстречу друг другу по отношению к направлению перемещения клапана вентиля 3, постольку этот клапан в отсутствии различия в степени солнечной освещенности элементов (ночное время, сплошная облачность и т.д.) будет оставаться неподвижным в некотором положении, в том числе, возможно, в крайнем, исходном состоянии. При появлении открытого солнца, степень освещенности элемента 1 будет зависеть от интенсивности солнечного излучения. В то же время элемент 2 постоянно находится в затененном состоянии благодаря световому экрану 4. В этом случае между элементами 1 и 2 возникает разность температур, что приводит к разному (по сравнению с исходным состоянием) соотношению долей термодинамических фаз, из которых состоит вещество обоих элементов. Так как коэффициент жесткости элементов, изготовленных из такого материала, зависит от его свойства, то упругость каждого из элементов будет отличаться в той степени, в какой отличается их степень освещенности. Вследствие этого освещенный элемент 1 будет сжиматься, а затененный элемент 2 - растягиваться, что в итоге приведет к перемещению клапана вентиля 3 относительно его исходного положения. В результате при неодинаковой степени освещенности элементов (и, соответственно, при возникновении разности температур между ними и одновременном изменении температуры теплоносителя) клапан будет перемещаться на величину, пропорциональную амплитуде колебания температуры теплоносителя. При этом узел настройки в виде пружины 5 и винта настройки 6 корректирует характер перемещения клапана.
При необходимости, в случае жидкого теплоносителя, устройство может быть снабжено термосифонным узлом (не показан), который совместно с регулятором и с учетом теплоемкости теплоносителя и
чувствительных элементов образует самосогласованную систему, способствующую оптимизации работы установки.
Предлагаемый регулятор может быть использован как в целях нагрева, так и охлаждения, а так же для вентиляции. Он является работоспособным и в наземных и в космических условиях, в отличие от прототипа,
Существенное преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что оно может выдерживать более 106 рабочих циклов, что в условиях достаточно частой смены уровня солнечной освещенности, в особенности на околоземной орбите, является важным обстоятельством.
Чувствительные элементы могут быть изготовлены из сплава на основе никелида титана, имеющего широкий интервал фазовых превращений и большой ресурс рабочих циклов. Этим требованиям соответствует сплав, легированный цирконием, палладием и медью.
Предлагаемое устройство обеспечивает непрерывное длительное регулирование теплового режима гелиотехнических установок, следовательно, оно соответствует условию «промышленная применимость»
Устройство для регулирования циркуляции теплоносителя в гелиотехнических установках, содержащее два термочувствительных элемента, соединенных между собой по дифференциальной схеме, каждый из которых находится в разных температурных условиях, точка соединения термоэлементов связана с узлом настройки и рычагом клапана регулятора расхода теплоносителя, отличающееся тем, что термочувствительные элементы выполнены из сплава с эффектом памяти формы, один из которых контролирует температуру среды, находящейся в условиях воздействия прямой солнечной радиации, а другой - температуру среды, закрытой от прямых солнечных лучей с помощью светового экрана.
