Розробка методик розрахунку та вибір раціональних параметрів систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами




Скачати 313,71 Kb.
Дата конвертації23.12.2016
Розмір313,71 Kb.







Державна металургійна академія України
Золотько Костянтин Євгенович
УДК 621.472, 662.997
РОЗРОБКА МЕТОДИК РОЗРАХУНКУ ТА ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ З ПЛОСКИМИ СОНЯЧНИМИ КОЛЕКТОРАМИ
05.14.04 –Промислова теплоенергетика.
Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата

технічних наук



Дніпропетровськ –1998
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Дніпропетровському державному університеті, Міністерства освіти України.
Науковий керівник (консультант) д.т.н Габринець В.О. професор Дніпропетровського державного університету
Офіційні опоненти:

Д.т.н., професор Рядно О.А. , начальник кафедри вищої математики та інформатики Академії митної служби України

К.т.н , доцент Потапов Б.Б. , доцент кафедри промислової теплоенергетики Державної металургійної академії України
Провідна установа: Інститут газа НАН України (м.Київ)
Захист відбудеться 16 березня 1999 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Державної металургійної академії України. М. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна , 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державної металургійної академії України М. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна , 4.


Автореферат розісланий 1 лютого 1999р.
Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради Цапко В.К.


Актуальність теми. У теперішній час спостерігається істотний дефіцит енергії практично у всіх областях народного господарства. Основними шляхами подолання цього дефіциту є впровадження ресурсо- та енергозберігаючих технологій; використання повторного тепла; застосування джерел енергії, що поновлюються. В майбутньому можливо ще більше ускладнення енергетичної ситуації, пов'язане з обмеженими запасами традиційного органічного палива, труднощами застосування ядерної енергетики та з проблемами забруднення навколишнього середовища. Тому зростає інтерес до повторних джерел енергії - тепла, що скидається енергоємкістними виробництвами, та до джерел енергії, що поновлюються: вітрові, геотермальні, сонячні та т. ін.

Системи опалення та гарячого водопостачання, що засновані на використанні названих джерел енергії, дозволяють суттєво знизити енерговитрати підприємства. Ці системи можуть знайти широке застосування у промисловості, комунальному господарстві та сільскогосподарському виробництві. Загальна величина енерговитрат на теплопостачання становить у цілому по країні близько 30% річного енергоспоживання.

У теперішній час найбільший інтерес викликають геліосистеми теплопостачання. Проте створення таких систем вимагає значних капітальних витрат. Тому у кожному випадку необхідно обгрунтування ефективності використання геліотехнічних систем теплопостачання у конкретних кліматичних умовах, визначення раціонального складу установок та найкращих строків їх експлуатації. Для проектування систем теплопостачання вимагаються інженерні методики та розрахункові співвідношення теплових процесів, які протікають у геліоустановці. Це і визначає актуальність цієї роботи.

Метою дисертаційної роботи є розробка методик розрахунку ефективних систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами на базі уточнених математичних моделей теплових процесів, а також вибір раціональних параметрів таких систем.

Поставлена мета досягається рішенням таких задач:

1. Розробка методик проектування систем теплопостачання, що використовують плоскі сонячні колектори та рідинни теплові акумулятори (ТА).

2. Розробка моделі та дослідження процесу нестаціонарного теплообміну у приймачу проміневої енергії (ППЕ) такої системи - плоскому сонячному колекторі.


  1. Дослідження найбільш характерних режимів роботи системи приймач проміневої енергії - рідинний тепловий акумулятор та створення методик їх

розрахунку.

4. Вивчення впливу метеорологічних факторів та конструктивних парметрів окремих елементів на ефективність роботи геліосистеми теплопостачання.

5. Розробка рекомендацій по проектуванню систем сонячного теплопостачання промислових та комунальних об'єктів на основі експериментальних даних та результатів обчислювального експерименту .

Наукова новизна. В результаті проведених розрахунково-аналітичних досліджень розроблена математична модель, що описує нестаціонарний теплообмін у приймачу проміневої енергії. На основі цієї моделі одержані співвідношення для визначення раціональних характеристик промислових систем теплопостачання та її окремих елементів.

Одержані нові експериментальні результати, по теплообміну у системі теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія.

Запропоновані нові співвідношення для визначення параметрів спільної роботи плоского сонячного колектора та теплового акумулятора для найбільш характерних режимів роботи системи теплопостачання, що дозволяють врахувати теплоємкість елементів системи, циклічність надходження енергії та деякі інші фактори:

- при добовому циклі акумулювання енергії та вимушеному русі теплоносія у контурі ППЕ;

- при вільній конвекцiї теплоносія у контурі приймача проміневої енергії протягом доби;

- при сезонному акумулюванні енергії.

Зазначені співвідношення дозволяють визначити раціональні конструктивні та режимні параметри роботи.

Одержані нові співвідношення, які дозволяють оцінювати вплив метеорологічних та конструктивних факторів на ефективність роботи геліосистеми. Вони визначають степінь заміщення необхідного споживачеві тепла за рахунок енергії сонячного випромінювання залежно від характеристик окремих елементів системи та кліматичних умов.

Практична цінність роботи полягає у слідуючому:

- розроблені методики розрахунку характеристик спільної роботи важливіших вузлів системи теплопостачання - приймача проміневої енергії та теплового акумулятора. Проведений аналіз впливу режимних факторів та конструктивних параметрів на ефективність використання геліотехничних систем теплопосточання;

- інженерни методики розроахунку були використани для визначення теплових характеристик систем попереднього нагріву води, що надходить у парові та водогрійнй котли промислового призначення, нагріву ванн з електролітом та деякиких інших установок;

- створені комп'ютерні програми, які забезпечують на основі чисельного моделювання ефективний пошук раціональних конструктивних рішень, які поліпшують характеристики геліосистем;

- результати теоретичних та експериментальних досліджень були використани при складанні технічного завдання на проектування системи теплопосточання та охолодження для АОЗТ "Металургспецремстроймонтаж";

- запропоновані практичні рекомендації по проектуванню систем теплопостачання.

Отримани результати експериментальних досліджень теплових та дінамічних характеристи процесів, що протікають при сумісній роботі приймача лучистої енергії та теплового акумулятора.

Результати роботи можуть бути використані при розробці та проектуванні осистем тепло- та гарячого водопостачання різних об'єктів промислового, комунального та сільскогосподарського призначення.

До захисту виносяться:

1. Уточнена математична модель теплових процесів, що протікають у прицмачу проміневої енергії.

2. Експериментальні дані по спільній роботі приймача лучистої енергії та теплового акумулятору для режиму вільної конвекцiї теплоносія у контурі ППЕ. Результати експериментальних досліджень нестаціонарних теплових процесів у плоскому сонячному колекторі при течії теплоносія в його поглинаючому елементі.

3. Методика визначення теплових характеристик спільної роботи приймача проміневої енергії та рідинного теплового акумулятору при сезонному акумулюванні енергії та вимушеному русі теплоносія.

4. Методика визначення зміни протягом доби теплових характеристик спільної роботи плоского сонячного колектора та рідинного теплового акумулятору при вимушеному русі та при вільній конвекцiї теплоносія у контурі приймача проміневої енергії.

5. Узагальнені співвідношення для визначення степені заміщення необхідного споживачеві тепла за рахунок енергії сонячного випромінювання.

6. Практичні рекомендації та розрахункові співвідношення по проектуванню систем сонячного теплопостачання.

Апробація роботи. Основні положення та результати роботи доповідались на робітничій нараді по використанню сонячної енергії (Ізраіль, м.Бет Берл, 1995 р); IV науково-практичній конференції з питань використання нетрадиційних та поновлювальних джерел енергії (АР Крим, 1995 р); V науково-практичній конференції з питань використання нетрадиційних та поновлювальних джерел енергії (АР Крим, 1996 р); міжнародній конференції " Екологізація виробництва та управління відходами" (Днiпропетровськ, 1996 р); міжнародній конференції "Стійкий розвиток забруднення оточуючого середовища та екологічна безпека " (Днiпропетровськ, 1995 р); міжнародній конференції по перспективних дослідженнях "Конверсiя та екологія" (Днiпропетровськ, 1997); щорічних конференціях Днiпропетровського держуніверситету.

Особистий внесок автора. Особисто автором:

- розроблена уточнена математична модель процесу нестаціонарного

теплообміну у плоскому сонячному колекторі;

- розроблені методики розрахунку найбільш характерних режимів роботи геліоколектора спільно з рідинним тепловим акумулятором у системах теплопостачання;

- проведені систематичні експериментальні дослідження з метою підтвердження розроблених методик розрахунку процесів нестаціонарного теплообміну у плоскому сонячному колекторі та визначення основних характеристик геліосистем з вільною конвекцією теплоносія у контурі ГК;

- створено комплекс обчислювальних програм для розрахунку основних характеристик роботи геліоколектора спільно з тепловим акумулятором;

- проведена оцінка впливу кліматичних умов на ефективність роботи системи теплопостачання;

- проведено обчислювальний експеримент.

Публикації. Основні матеріали роботи опубліковані у 6 роботах.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, 4 таблиць, списку літератури (83 найменувань). Загальний обсяг роботи - 171 сторінка, який містить 120 сторінок машинописного тексту та 80 малюнків.

основний зміст роботи


У вступі обгрунтувана актуальність теми, показана наукова новизна та практична цінність роботи, викладені основні положення та отримані результати, доведена їх достовірність.

Перший розділ присвячений аналізу проблеми та огляду наукових публикацій по дослідженню теплообміну у системах теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. Зроблено аналітичний огляд існуючих методик визначення основних характеристик таких систем.

Аналіз літературних даних показує , що теплові процеси, які протікають у геліосистемах, вивчені недостатньо. Існуючі методики визначення характеристик геліоустановок не дозволяють враховувати істотні особливості їх роботи. Так, оцінка впливу теплоємкості елементів плоского сонячного колектора на ефективність його роботи виконана лише деякими авторами та не дозволяє у достатній мірі враховувати взаємозалежні та взаємообумовлені теплові процеси, що протікають у приймачу проміневої енергії, та проводити обгрунтований вибір проектних параметрів геліосистем.

Визначення ефективності роботи геліотехнічних систем теплопостачання пов'язане з необхідністю урахування багатьох параметрів , як метеорологічних, так і конструктивних. Спільна робота приймача проміневої енргії та теплового акумулятора описана у більшості випадків тільки для добового циклу акумулювання енергії та не для всіх режимів роботи, що представляють практичний інтерес. Багато із сформульованих задач не доведено до можливості їх використання при проектуванні систем теплопостачання в цілому, а їх використання для моделювання спільної роботи ППЕ та ТА у ряді випадків ускладнено.

Невелика кількість робіт присвячена проектуванню геліоустановок для теплопостачання. Причому у цих публікаціях наведені рекомендації, засновані на експериментальних дослідженнях або математичному моделюванні конкретних геліосистем. Для розповсюдження висновків на інші установки або інші умови роботи є обов'язковим проведення додаткових досліджень. У зв'язку з цим наприкінці розділа визначені основні задачі цих досліджень.

У другому розділі розглянуто теплообмін у розомкнутих системах теплопостачання та їх основному елементі - приймачу проміневої енергії. Протягом світлового дня відбувається зміна кiлькості сонячної енергії, що падає на ППЕ. Тому режим його роботи характеризується істотною нестаціонарністю процесів, що в значній мірі позначається на ефективності роботи всієї системи теплопостачання.

Запропоновано математичний опис роботи плоского сонячного колектора з рідинним теплоносієм при таких допущеннях:

- теплофізичні властивості матеріалів не залежать від температури;

- температура теплоносія у геліоколекторі змінюється тільки в напрямку його руху.

У рівнянні збереження енергії для елементарної ділянки плоского сонячного колектора враховано вбирання сонячної енергії, зміну внутрішньої енергії, теплові втрати в оточуюче середовище, енергія, що виноситься теплоносієм, та енергія, що пеpедається теплопроводністю від більш нагрітої ділянки ППЕ менш нагрітій. Проведені розрахунково-аналітичні дослідження впливу різних складових показали , що теплова проводимість елементів ППЕ у багатьох практично важливих випадках мало впливає на величину надмірної температури теплоносія. Так, при витратах теплоносія близько 0,001 кг/(м2с) вплив теплової проводимості складає до 2%. Це дозволило спростити рівняння збереження енергії та записати його у вигляді:


, (1)
де Е - інтенсивність сонячної радіації, що падає на плоский сонячний колектор;

К- коефіцієнт теплових втрат плоского сонячного колектору;

F - площа поверхні поглинаючого елемента ППЕ, яка освітлюється сонцем;

L - довжина плоского сонячного колектора;

- коефіцієнт сприйняття приймача проміневої енергії, який показує яка частка падаючої сонячної енергії поглинається поверхнею ППЕ;

(y;2)- надмірна температура теплоносія відносно температури оточуючого середовища;

mc- сумарна теплоємкість елементів геліоколектора, що враховує розподіл температури по товщині ППЕ;

G - витрата теплоносія;

2- час, який відраховується від моменту початку освітлення поверхні приймача проміневої енергії;

с- питома теплоємкість теплоносія.



Зміну інтенсивності сонячної радіації, що приходиться на нахилену поверхню, можна описати такою залежністю:

, (2)

де 2 - час, який відраховується від моменту початку освітлення ППЕ;

к - час закінчення освітлення поверхні плоского сонячного колектора, який відраховується від моменту сходу сонця;

н- час початку освітлення поверхні приймача проміневої енергії, який відраховується від моменту сходу сонця;

Rb- коефіцієнт перерахунку інтенсивності сонячної радіації з горизонтальної поверхні на нахилену;

Еm- максимальна за добу інтенсивність сонячної радіації.

Така система рівнянь в аналізуємой літературі не розглядалась. Одержано аналітичне рішення системи рівнянь (1), (2) з використанням перетворення Лапласа. Встановлено, що у кожному перерізі приймача проміневої енергії зміна температури теплоносія у часі відбувається у два етапа. Значення на першому етапі не залежить від витрати теплоносія та теплового потоку, який ним виноситься. На другому етапі ці фактори мають вирішальне значення. Умова переходу від першого етапу до другого:

,

де *- інтервал часу, протягом якого теплота, винесена теплоносієм, дорівнює теплоті, яка накопичена за рахунок теплоємкості ділянки плоского сонячного колектора, що розглядається.

Одержані співвідношення для визначення величини фазового зсуву. Фазовий зсув не змінюється з часом та для даного ППЕ є постійною величиною.

Вплив теплоємкості елементів геліоколектора на його температуру показано на прикладі розташованого горизонтально ППЕ, коли витрата теплоносія чере поглинаючий елемент відсутна.

На мал. 1 приведені графіки зміни температури приймача промінеої енергії протягом світлового дня для двох випадків - без урахування та з урахованням теплоємкості його елементів. Як видно з цих графіків, максимальне значення температури теплоносія та час її досягнення залежать від теплової ємкості. Причому, час досягнення максимальної температури у випадку урахування теплоємкості елементів ППЕ зсунуто на величину фазового зсуву відносно випадку, коли mc=0.

З метою вивчення різних режимів роботи та перевірки отриманих аналітичних залежностей спроектована та виготовлена експериментальна установка (мал. 2). Температура теплоносія вимірялись у п'яти переізах з записом зміни їх значень у часі.

Отримані аналітичні співвідношення для визначення надмірної температури теплоносія по довжині приймача проміневої енергії у часі з урахованням теплоємкості його елементів задовільно узгоджуються з експериментальними даними (мал. 3, 4). Результати розрахунків з похибкою не перевершуючою 16% збігаються з експериментальними даними. Таким чином, підтверджена можливість застосування основних розрахункових співвідношень для обчислення проектних параметрів геліоколектора.

Теплоємкість приймача проміневої енергії істотно впливає на характер зміни температури, час досягнення та величину температури теплоносія.

Тому при проектуванні систем сонячного теплопостачання необхідно враховувати теплоємкість елементів плоского сонячного колектора.

Третій розділ присвячений дослідженню теплообміну у системах теплопостачання в умовах спільної роботи рідинного теплового акумулятору та плоского сонячного колектора.

Розглянуто нагрів рідини у тепловому акумуляторі системи теплопостачання протягом доби при вимушеному русі теплоносія у контурі геліоколектора.

Одержано співвідношення для визначення надмірної температури рідини у тепловому акумуляторі для найбільш характерних режимів роботи:

а) рідина у тепловому акумуляторі активно перемішується, надмірна температура теплоносія на вході у ППЕ (по відношенню до температури оточуючого середовища) дорівнює надмірній температурі у ТА;

б) рідина у тепловому акумуляторі не перемішується , а надмірна температура теплоносія на вході у плоский сонячний колектор постійна;

в) передача тепла від приймача проміневої енергії до теплового акумулятора здійснюється через теплообмінник, який розташований у ТА.

Рівняння збереження енергії для цих випадків має вигляд:



, (3)

де Cта - теплова ємкість теплового акумулятора;

а- надмірна температура рідини у тепловому акумуляторі по відношенню до температури оточуючого середовища;

2- температура теплоносія на виході з ППЕ;

- час, який відраховувається від моменту сходу сонця;

Ата- приведений коефіцієнт теплових втрат ТА.

Рівняння (3) розв'язано для випадку, коли границі інтегрування змінюються залежно від інтенсивності сонячної радіації та температури у ТА.

Одержано аналітичне рішення та проведено рзрахунково-аналітичні дослідження систем з добовим циклом акумулювання енергії при вимушеному русі теплоносія у контурі приймача проміневої енергії. Показано, що при проектуванні таких установок необхідно враховувати

наступне: тривалість циркуляції теплоносія слід обирати залежно від кiлькості тепла, що надходить у тепловий акумулятор, та кiлькiстю енергії, що витрачається на роботу насоса; перемішування рідини у тепловому акумуляторі, що знижує кiлькiсть отриманного від геліосистеми тепла; раціональна витрата теплоносія у контурі приймача проміневої енергії залежить від періоду часу, за який теплова енергія повинна витрачатись споживачем.

При створенні систем теплопостачання, що діють на протязі цілого року у кліматичних умовах України з високим коефіцієнтом заміщення традиційних джерел енергії, слід застосовувати сезонні акумулятори тепла. При виборі характеристик геліосистеми важливу роль відіграє зміна середньої температури ТА протягом сезону, яка визначається сумісною роботою елементів системи.

Добова зміна внутрішньої енергії теплоакумулюючої речовини при спільній роботі теплового акумулятора, плоского сонячного колектора та споживача теплоти , коли рідина одночасно служить теплоносієм у контурі ППЕ та системи теплопостачання може бути записана у вигляді:
, (4)
де dUТА/dz - добова зміна внутрішньої енергії рідини у тепловому акумуляторі;

- кiлькiсть тепла, що надходить від приймача проміневої енергії;

Qп/сут- теплові втрати з теплоакумулятору;

Qсп - добове споживання тепла;

Qр - тепло необхідне для розігріву теплоносія у контурі геліоколектора до початкової температури теплового акумулятору.

Одержані аналітичні співвідношення, що дозволяють визначати надмірну температуру рідини у тепловому акумуляторі стосовно до температури оточуючого середовища наприкінці дня для режимів роботи , коли надмірна температура рідини нижче, дорівнює або вище температури необхідної споживачеві.

Проектування систем теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія в контурі ППЕ, які отримали найбільше розповсюдження, ускладнено через взаємозв'язок температури та витрати теплоносія. Окрім того, на витрату теплоносія впливає багато факторів, наприклад взаємне розташування теплового акумулятору та геліоколектора, гідравлічний опір контуру ППЕ та ін.

Для визначення основних характеристик установки з природною ціркуляцією теплоносія була розроблена методика розрахунку. Ця методика дозволяє визначити середню температуру рідини у тепловому акумуляторі та витрату теплоносія у контурі приймача проміневої енергії протягом доби залежно від конструкцiї установки та метеорологічних факторів. При цьому враховується:

- залежність інтенсивності сонячної радіації, часу початку та закінчення природної конвекції від кута нахилу ППЕ;

- зміна коефіцієнта пропускання скла залежно від кута падіння прямої сонячної радіації на ППЕ, забруднення скла та ін;

- вплив теплової ємкості елементів ППЕ на характер зміни температури теплоносія;

- відбір теплоти з ТА на потреби споживача;

- взаємне розташування елементів установки, гідравлічний опір контуру ППЕ, наявність теплообмінника та ін.

З метою перевірки методики розрахунку системи теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія у контурі приймача проміневої енергії були проведені експериментальні дослідження такої установки. Вони показали , що прийняті допущення та припущення при розробці методики не вносять значних похибок (результати розрахунків з похибкою не більш 15% збігаються з досвідними даними) і ця методика може бути використана при тепловому розрахунку таких систем (мал. 5, 6).

За допомогою розробленої методики були проведені розрахунково-аналитичні дослідження систем теплопостачання, які показали, що в установках невеликої потужності вплив коефіцієнта теплових втрат ППЕ позначається в меньшій степені; теплообмінник у контурі ППЕ погіршує ефективність системи і тому його слід установлювати у випадках, коли експлуатація установки без нього неможлива; найбільшу кiлькiсть енергії установка виробляє при кутах установки ППЕ близьких до оптимального для даного періоду року.

В четвертому розділі дана оцінка впливу кліматичних умов на ефективність роботи систем теплопостачання.

В гелітехничних осистемах теплопостачання мають бути передбачені додаткові (дублюючі) джерела енергії, які працюють на традиційному паливі, та акумулятори тепла. Тому при проектуванні таких установок виникають питання про те, яку кiлькiсть потрібного тепла можна забезпечити за рахунок сонячного випромінювання , які необхідні потужності додаткових джерел енергії та об'єм акумуляторів тепла. Для аналізу різних схем систем теплопостачання були одержані співвідношення, які дозволяють визначити степінь заміщення необхідному споживачеві тепла за рахунок енергії сонячного випромінювання залежно від конструкцiї ППЕ, кліматичних умов місцевості, температури теплоносія та інших факторів.

За допомогою вказаних співвідношень оцінено вплив кліматичних умов різних регіонів України на ефективність використання систем гарячого водопостачання та опалення. Дослідження довели, що величина коефіцієнта заміщення традіційних систем опалення в значній мірі залежить не тільки від географічної широти , але також і від конкретних кліматичних умов місцевості, таких, як коефіцієнт сонячного сяйва та температура оточуючого середовища. Так, у грудні значення коефіцієнта значно відрізняються один від одного і ця розбіжність (між регіоном м.Луганська та м.Чернівців) досягає 46%. В той же час, у листопаді розбіжність менше (до 12%). Як показують розрахунки, розбіжність між регіонами у випадку застосування геліосистем гарячого водопостачання істотньо менше, ніж у системах опалення, наприклад, максимальна різниця площі приймача проміневої енергії між південними регіонами (м.Одеса) та північними (м.Чернігів) становить не більше 25%.

На основі проведених аналітичних досліджень зроблені висновки та зформульовані наступні рекомендації по раціональному вибору геліосистем: геліоустановки доцільно розташовувати у будинках,що мають низькотемпературну систему опалення (температура теплоносійя на вході у систему опалення 35 - 40 0С) та додаткову теплоізоляцію; у геліоустановках теплопостачання, з метою збільшення частки енергії, необхідної споживачеві на опалення будинку за рахунок використання сонячної радіації, у системах опалення та гарячого водопостачання слід застосовувати окремі приймачи проміневої енергії; недоцільне застосування геліоустановок гарячого водопостачання цілий рік без сезоного теплового акумулятора на теріторії України; найбільший вплив на ефективність роботи геліосистем гарячого водопостачання надає географічна широта місцевості, метеорологічні умови впливають незначно.

В п'ятому розділі розглянуто результати чисельного моделювання систем теплопостачання промислового призначення та надані практичні рекомендації по їх застосуванню. За допомогою розрахункових методик розроблено технічне завдання на проектування абсорбційній системи охолодження безперервної дії для АОЗТ "Металлургспецремстроймонтаж". Аналогічні абсорбційні системи доцільно застосовувати на підприємствах для кондиціювання приміщень та одержання холоду для технологічних потреб.

Системи теплопостачання з плоскими сонячними коллекторами здатні забезпечувати попереднє нагрівання води у парових котлах невеликої продуктивності, зокрема барабанних, для яких температура води на вході повинна складати 215 0С. В більшості промислових водогрійних котлах, що використовуються у системах теплопостачання, з метою запобігння корозії поверхні нагрівання, температура води на вході у котел має бути вище точки роси продуктів згоряння (для котлів, працюючих на природному газі, не нижче 60 0С). Такий температурний рівень у літній період можуть забезпечити геліосистеми. В таблиці наведено деякі характеристики установок з плоскими сонячними коллекторами, що забезпечують попереднє нагрівання води для парових та водогрійних котлів. Для лiквiдацiї золових відкладень у
Таблиця.

Системи попереднього нагрівання води парових та водогрійних котлов.

водогрійних котлах використовується водне промивання. Так, для промивання котла ПТВМ-50-1 необхідно 12 м3 води з температурою 70 0С. При цьому також можуть застосовуватись геліосистеми з природною циркуляцією теплоносія у контурі ППЕ. Площу сонячного колектора, яка залежить від типу котла, періодичності промивання, кліматичних умов та періоду застосування, доцільно визначати на основі розробленої методики.

Показана можливість теплопостачання промислових об'єктів, тепличного господарства, нагрівання ванн з електролітом, розрахована економія органічного палива та ступінь зменьшення кiлькості шкідливих викидів до навколишнього середовище при їх використанні.


ВИСНОВКИ
1. Запропонована уточнена математична модель роботи приймача проміневої енергії, що враховує теплоємкість та теплову проводимість його елементів.

2. Шляхом рішення одномірної задачі теплопровідності плоского геліоколектора при русі рідинного теплоносія та синусоїдальному законі підведення енергії одержані нові залежності, що описують характер зміни температури теплоносія у часі та по довжині ППЕ з урахованням теплоємкості його елементів.

3. Встановлено істотний вплив власної теплової ємкості приймача проміневої енергії на швидкість його прогрівання та значення температури, що досягається теплоносієм. Аналітично одержані формули для обчислення фазового зсуву за часом та амплітуди зміни температури теплоносія протягом світлового дні.

4. Запропонована методика визначення потрібного часу, що відраховується від моменту сходу сонця, для прогрівання плоского сонячного колектора до заданої температури , що дозволяє оцінювати тривалість спільної його роботи зі споживачем теплоти та тепловим акумулятором.

5. Розроблена аналітична методика розрахунку добового нагріву рідинного теплового акумулятору від приймача проміневої енергії при вимушеній циркуляції теплоносія з урахованням теплоємкості елементів ППЕ.

6. Розглянуто новий спосіб розрахунку природної циркуляції теплоносія у контурі приймача проміневої енергії та добового надходження від нього теплоти у ТА. При цьому враховується вплив взаємного розташування елементів установки та гідравлічних характеристик контуру на степінь підвищення температури теплоакумулюючої речовини.

7. Одержані аналітичні співвідношення, що пов'язують зміну температури теплоакумулюючої речовини при спільній роботі плоского сонячного колектора з тепловим акумулятором та споживачем, середньомісячними метеорологічними даними, параметрами одноконтурної установки. Це дає можливість на етапі проектування визначати енергетичні характеристики системи та оцінювати її коефіцієнт корисної дії.

8. Розроблений комплекс комп’ютерних програм для розрахунку та розрахункового моделювання процесів, що протікають в елементах сонячної установки , а також для розрахунку її параметрів при спільній роботі геліоколектора, рідинного теплового акумулятору та споживача тепла.

9. Запропоновані нові аналітичні співвідношення, дозволяючі на етапі проектування геліосистем теплопостачання оцінити можливу частку тепла, що отримується за рахунок сонячного випромінювання, в загальному енергетичному балансі установки. Проведен аналіз впливу кліматичних умов України на ефективність застосування геліосистем опалення та гарячого водопостачання.

10. Розроблена експериментальна установка та методика визначення коефіцієнта теплових втрат та коефіцієнта захоплення сонячної радіації дослідним шляхом. Порівняння дослідних даних з результатами аналітичних розрахунків дає задовільне узгодження (похибки не перевершують 7%).

11. Експериментально перевірена можливість використання запропанованих методик розрахунку у випадку природньої циркуляції теплоносія. Показано задовільне узгодження дослідних та розрахункових даних (результати розрахунків з похибкою не перевершуючою 15% збігаються з досвідними даними).

12. Кожна задача, що розглядається утримує аналіз впливу конструкцiї та режимів роботи геліосистем на їх ефективність. Приведені рекомендації по проектуванню таких установок. На основі аналізу різних теплотехнічних установок показана можливість практичного використання методик, що розроблені у роботі, для проектування систем з плоскими сонячними колекторами для охолодження та теплопостачання промислових об'єктів , що сприяє економії органічного палива та зменшенню кiлькості шкідливих викидів у оточуюче середовище.

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах:

1. Сиворакша В.Е., Золотько К.Е., Марков В.Л., Петров Б.Е. Определение основных параметров гелиоколлектора с учетом нестационарности процессов теплообмена //Экотехнология и ресурсосбережение. - 1995. - №5. - С.14-17.

2. Расчет гелиосистем с естественной циркуляцией теплоносителя/ В.Е.Сиворакша, К.Е.Золотько, В.Л.Марков, Б.Е.Петров, С.В.Белановский//Проблемы высокотемпературной техники. - Днепропетровск:Изд-во ДГУ. - 1997. - С.118-127.

3. Золотько К.Е. Определение эффективности применения гелиосистем теплоснабжения//Проблемы высокотемпературной техники. - Днепропетровск:Изд-во ДГУ. - 1997. - С.48-53.

4. Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения: Учебное пособие /В.Е.Сиворакша, К.Е.Золотько, В.Л.Марков, Б.Е.Петров/ Под ред. В.Ф.Приснякова. - Днепропетровск.: Изд-во ДГУ, 1995. - 196 с.

5. Стаценко И.Н., Сиворакша В.Е., Золотько К.Е., Марков В.Л., Петров Б.Е. Солнечная энергия и экология //Труды Междунар. конф. “Конверсия и экология”. - Днепропетровск:ДГУ. - 1997. - С131-132.

6. The experimental and definition of the characteristics collectors for latitude of Dniepropetrovsk /В.Ф. Присняков, В.Е. Сиворакша, В.Л.Марков, Б.Е. Петров, К.Е. Золотько, В.А. Габринец //ECE /UNESCO /WEC /MOEL Worcshop on solar energy Held at Bet Berl, Israel - 31. 7. - 4. 8. 95. - Р. 134 - 140.
Золотько К.Є. Розробка методик розрахунку та вибір раціональних параметрів систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.14.04. - промислова теплоенергетика, - Дніпропетровська металургійна академія, Днiпропетровськ, 1998.

Дисертація присвячена питанням проектування систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. Розроблено нові методики розрахунку надходження тепла від системи теплопостачання при вимушеній та природній циркуляції теплоносія. Запропонована уточнена математична модель роботи плоского сонячного колектора, яка враховує теплоємкість та теплову проводимість його елементів. Проведено обчислювальний експеримент. Показано, що теплоємкість істотньо впливає на швидкість прогрівання та значення температури теплоносія. Експериментально досліджено нестаціонарні теплові процеси, що протікають у плоскому сонячному колекторі та у системі тепопостачання з вільною конвекцією теплоносія. Запропоновано рекомендації по вибору раціональних параметрів систем попереднього нагрівання теплоносія для використання у парових та водогрійних котлах, установках нагрівання ванн з електролітом, охолодження та теплопостачання промислових об'єктів, розташованих у різних регіонах України.

Ключові слова: система теплопостачання, теплоносій, плоский сонячний колектор, теплообмін, тепловий акумулятор.


Zolot'ko K.E. Development of techniques of account and choice of rational parameters of heating systems with flat solar collectors. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree of technical sciences by speciality 05.14.04 - industrial power system, - Dnipropetrovsk metallurgical academy, Dnipropetrovsk, 1998.

The dissertation is devoted to problems of designing of heating systems with flat solar collectors. New techniques of calculation of heat transfer from heating system with compelled and natural circulation of the heat-carrier have been developed. Specified mathematical model of heat exchange in a flat solar collector, taking into account thermal capacity and thermal conductivity of its elements, is offered. Computing experiment has been made. Thermic capacity influences essentially the speed of heating and the value of temperature of the heat-carrier. Non-stationary thermal processes, proceeding in a system with thermal accumulator and free convection of the heat-carrier and flat solar collector, have been experimentally investigated. The recommendations of the choice of rational parameters of systems of preliminary heating of the heat-carrier for use in steam and water-heating boilers, installations of heating of baths with electrolyte, cooling and heat suply for industrial objects, located in various regions of Ukraine, have been formulated .

Key words: heating system, heat-carrier, flat solar collector, heat exchange, thermal accumulator.


Золотько К.Е. Разработка методик расчета и выбор рациональных параметров систем теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04. - промышленная теплоэнергетика, - Днепропетровская металлургическая академия, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам проектирования систем теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами. Создание таких систем требует значительных капитальных затрат. Поэтому в каждом случае необходимо обоснование эффективности использования гелиотехнических систем теплоснабжения в конкретных климатических условиях, определение рационального состава установок и наилучших сроков их эксплуатации. Для проектирования систем теплоснабжения требуются инженерные методики и расчетные соотношения тепловых процессов, протекающих в гелиоустановке, что определяет актуальность настоящей работы.

В результате проведенных расчетно-аналитических исследований разработана уточненная математическая модель, описывающая нестационарный теплообмен в приемнике лучистой энергии. На основании этой модели получены новые соотношения для определения рациональных характеристик системы теплоснабжения и ее отдельных элементов.

Получены новые экспериментальные данные по теплообмену в приемнике лучистой энергии и в системе теплоснабжения со свободной конвекцией теплоносителя плоском солнечном коллекторе.

Предложены новые соотношения для определения параметров совместной работы плоского солнечного коллектора и теплового аккумулятора для наиболее характерных режимов работы системы теплоснабжения, позволяющие учесть влияние теплоемкости элементов системы, цикличность поступления энергии и другие факторы:

- при суточном цикле аккумулирования энергии и вынужденном движении теплоносителя в контуре плоского солнечного коллектора;

- при свободной конвекции теплоносителя в контуре плоского солнечного коллектора на протяжении суток;

- при сезонном аккумулировании энергии.

Указанные соотношения позволяют производить выбор рациональных конструктивных параметров системы теплоснабжения, и определяются оптимальные режимы функционирования ее узлов.

Получены новые соотношения, которые позволяют оценивать влияние метеорологических и конструктивных факторов на эффективность работы гелиотехнической системы теплоснабжения. Эти соотношения определяют степень замещения необходимого потребителю тепла за счет энергии солнечного излучения в зависимости от характеристик отдельных элементов системы и климатических условий. Разработаны инженерные методики расчета характеристик совместной работы важнейших узлов системы теплоснабжения, а именно приемника лучистой энергии и теплового аккумулятора. Выполнен анализ влияния режимных факторов и конструктивных параметров на эффективность использования гелиотехнических систем теплоснабжения. Данные инженерные методики были использованы для определения тепловых характеристик систем предварительного нагрева воды, поступающей в паровые и водогрейные котлы промышленного назначения, нагрева ванн с электролитом и некоторых других установок.

Создан комплекс компьютерных программ, которые обеспечивают на основе численного моделирования эффективный поиск рациональных конструктивных решений, направленных на улучшение характеристик гелиотехнических систем теплоснабжения. Предложены практические рекомендации по проектированию таких систем.



Получены результаты экспериментальных исследований тепловых и динамических характеристик процессов, протекающих при совместной работе плоского солнечного коллектора и жидкостного теплового аккумулятора.

Ключевые слова: система теплоснабжения, теплоноситель, плоский солнечный коллектор, теплообмен, тепловой аккумулятор.


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка