Автореферат диссертации (1141521), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Анализ работроссийских и зарубежных авторов показал различия в подходах к моделированию ССТ с точкизрения детализации модели.Моделирование работы солнечных коллекторов (СК) различных конструкций наиболееизучено. Как правило, учитывают тепловые потери, угол наклона, ориентацию по сторонамсвета, поглощательную способность селективного покрытия. Подходы к моделированиюработы других элементов системы не столь однозначны и общеприняты. Так, не во всехмоделях учитываются тепловые потери трубопроводов и бака-аккумулятора.
Подробноемоделирование работы теплообменного аппарата,Изменениемвеличиныкоэффициентакак правило, не рассматривается.теплопередачиисуточнойнеравномерностьюпотребления энергии пренебрегают.Существующее программное обеспечение для моделирования работы гелиосистем, в томчисле на основе солнечных коллекторов, представлено двумя программными комплексами:Polysun компании VelaSolaris (Винтертур, Швейцария) и T-SOL компании Valentin SoftwareGmbH (Берлин, Германия).Данныепрограммныепродуктыпредставляютразличнуюстепеньдетализациирезультатов, некоторые из которых излишни с точки зрения бытового потребителя(температура воды в 12 слоях бака-аккумулятора, тепловые потери каждого фасонногоэлемента, значение критерия Рейнольдса и др.).
С другой стороны, моделирование работы ССТпроизводится для часовых интервалов, что может привести к получению недостоверныхрезультатов об обеспеченности потребителя.Значительным достоинством Polysun и T-SOL является подход к моделированиюпоступления солнечней радиации, учитывающий как неравномерность ее поступления втечение суток, так и то, что режимы не одинаковы изо дня в день.12Вовторойглавеописываютсясредствадляавтоматизациимногофакторногоперспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий. Исследования,проводимые в настоящей работе относятся к следующим видам обеспечения САПР:информационной, математическое, методическое, программное.Общее описание ССТ и процесса ее работы также содержится во второй главе.
На рисунке2 представлена упрощенная схема солнечного теплоснабжения, включающая в себя: солнечныйколлектор (СК), теплообменник, бак-аккумулятор, циркуляционный насос, трубопроводы,систему теплопотребления. Данная схема содержит минимальный набор элементов и описываетпроцесс функционирования ССТ в общем виде и может дополняться элементами и связями взависимости от ее назначения.Рисунок 2 – Схема системы солнечного теплоснабжения для ГВС с принудительнойциркуляцией теплоносителя.1 – СК; 2 – бак-аккумулятор; 3 – система трубопровода; 4 – теплообменник; 5 –циркуляционный насос.Eрад – поток солнечной радиации, приходящий на поверхность коллектора от Солнца,МДж/м2; Gгв – расход теплоносителя в системе, кг/ч; Q – количество теплоты передаваемое оттеплоносителя воде в баке-аккумуляторе с помощью теплообменника, Дж; Qпот.тр – тепловыепотери через тепловую изоляцию трубопроводов, Дж; Qпот.б – тепловые потери через тепловуюизоляцию бака-аккумулятора, Дж; Qпот.кол – тепловые потери СК, Дж; tгр1 – температуратеплоносителя в подающем трубопроводе, °C; tгр2 – температура теплоносителя в обратномтрубопроводе, °C; tнагр1 – начальная температура воды в баке-аккумуляторе, °C; tнагр2 – конечнаятемпература воды в баке-аккумуляторе, °C; tкол – средняя температура теплоносителя вколлекторе, °C.Преобразование солнечной радиации в тепловую энергию, доступную потребителю,происходит в СК.
Часть радиации Eрад, поглощенная СК, преобразуется в тепловую энергиюQс.к. и поступает в систему через соединительные трубопроводы в виде нагретого до температур13tгр1 теплоносителя. В баке-аккумуляторе теплоноситель в процессе теплообмена передает частьтеплоты воде, находящейся в баке, нагревая ее до температурыtнагр2.
Остывший теплоноситель,продолжая циркулировать в системе, возвращается в СК с температурой tгр2. В бакеаккумуляторе поддерживается постоянный процесс подпитки холодной водой. При движениитеплоноситель теряет часть тепловой энергии за счет тепловых потерь в СК, в подающем иобратном трубопроводах, в баке-аккумуляторе. В связи с чем, температура в различных точкахсистемы в рассматриваемый временной интервал отличается.Математическое моделирование работы ССТ основывается на уравнении тепловогобаланса:где Qс.к.(1)Qс.к . = Qпотр + Qпот.тр + Qпот.б + Qпот.кол– количество солнечной радиации, преобразованной в СК в теплоту, Дж; Qпотр –количество теплоты, поступающей к потребителю, Дж.Для определения значений слагаемых, входящих в уравнение (1),используютсяматематические модели всех элементов системы.Для моделирования работы ССТ, наиболее приближенной к реальности, из имеющиесячасовых значений солнечной радиации и температуры наружного воздуха с помощью методалинейной интерполяции были получены соответствующие значения для каждой минуты часа.Нагретый в СК теплоноситель через систему трубопровода поступает в теплообменникбака-аккумулятора,с помощью которого, часть тепла Q, Дж, передается воде в баке-аккумуляторе.Количество теплоты, отданное теплоносителем в рассматриваемый интервал времени Qгр,Дж, определяется по формуле:Gгр(tгр1 − tгр 2 )t(2)3600где cгр – теплоемкость теплоносителя в теплообменнике, Дж/кг°C; Gгр – массовый расход=Qгр cгртеплоносителя, кг/ч; tгр1 – температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °C; tгр2 –температура теплоносителя в обратном трубопроводе, °C.Количество теплоты, воспринятое водой в баке в рассматриваемый интервал времениQнагр, Дж, определяется по формуле:=Qнагр cнагр ρ нагр Vнагр (tнагр 2 − tнагр1 )tгде cнагр – теплоемкость воды в баке, Дж/кг°C; ρнагр(3)– плотность воды в баке, кг/м ; Vнагр –3объем бака-аккумулятора, м3; tнагр1 – температура воды в нижней части бака, °C; tнагр2 –температура воды в верхней части бака, °C.Так как агрегатные состояния сред не меняется, уравнение баланса записываетсяследующим образом:14==Q cнагр ρ нагр Vнагр ( tнагр 2 − tнагр1)tGгрcгр ( tгр1 − tгр 2 )t(4)3600Количество теплоты Q, передаваемое от теплоносителя воде в баке-аккумуляторе впроцессе теплообмена определяется по формуле:=Q KF ∆tlnt(5)где K – коэффициент теплопередачи, Вт/м°C; F – площадь боковой поверхности спиралитеплообменника, м2; Δtln– средняя логарифмическая разность температур теплоносителя и водыв баке, °C.Так как значения входных данных являются дискретными с одинаковым интерваломнаблюдений, значения показателей в течение каждого интервала считаются постоянными.Средняя логарифмическая разность температур сред на каждом временном интервалерассчитывается по следующей формуле:( tгр1 − tнагр 2 ) − ( tгр 2 − tнагр1 )∆tln =(6)tгр1 − tнагр 2lntгр 2 − tнагр1Коэффициент теплопередачи теплообменника рассчитывается с помощью уравненияаддитивности термических сопротивлений:K=1(7)нарdТО1+ln+ нарвнвнdТОα гр 2lст dТО dТО α нагр11внгде λст – коэффициент теплопроводности материала стенки теплообменника, Вт/м°C; dТОнар– внутренний диаметр трубки теплообменника, м; dТО– наружный диаметр трубкитеплообменника, м.ккВ уравнении (5) величины K и Δtln являются сложными функциями величин tгр и tнагр(температуры теплоносителя после теплоотдачи и температуры воды после тепловосприятия).Обе эти величины можно выразить друг через друга с помощью уравнения (4) и уменьшитьколичество неизвестных следующим образом:c ρ V (t 2 − tнагр1 )t гр1 − нагр нагр нагр нагр2tгр=cгр Gгрcгр Gгр (t гр1 − tгр 2 )tнагрtнагр1 +=2cнагр ρ нагрVнагрТаким образом, уравнение (4) становится функцией одной переменной Q = f (tгр2 ) .(8)Так как процесс теплообмена осуществляется между двумя разными жидкостями сразными физическими свойствами и режимами течения, функции для вычисления свойств15данных сред и их коэффициентов теплоотдачи (тепловосприятия) также индивидуальны длякаждой из них.Параметры сред (плотность и теплоемкость) зависят от температуры и состава среды иобычно представляются в табличном виде.
Для удобства построения итерационного процессатабличные данные были заменены аппроксимирующими их зависимостями.Распределение нагрузки на горячее водоснабжение в течение суток играет существеннуюроль при подборе аккумулирующей емкости. Характер потребления индивидуален для каждогопотребителя.ВданнойработепримоделированииработыССТучитывалсярежимпотребления,характеристики которого получены в результатеанализа значений потреблениягорячей воды жилых многоквартирных зданий Москвы, фиксирующих объемы потребленияводы с интервалом в один час.В выборке не учитывались квартиры с практически нулевым потреблением в течение дня,а также квартиры с часовыми значениями потребления горячей воды, превышающим 280 л.Данное допущение основывается на максимально адекватном количестве воды, потребляемымодним человеком в течение часа на нужды личной гигиены (душ) и уборку (в том числе мытьепосуды), которое составляет максимум 80 л, а также на нормативном значении среднейзаселенности московских квартир – 3,5 человека.Методика повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданийзаключается в анализе результатов многофакторного перспективного моделирования работыССТ гражданских зданий.Оцениваются основные показатели безопасной и эффективнойработы системы: температура воды tнагр2, температура теплоносителя в коллекторе tкол,длительность периодов необеспеченности τнеоб.Недопустимым условием эксплуатации системы является достижение теплоносителем иводой температуры кипения.
Температура кипения воды - 100°C, пропиленгликоля - 188°C.Рекомендации по совершенствованию проектных решений ССТ на основе результатовчисленного моделирования описаны ниже:1.При необходимости сократить короткие периоды необеспеченности. Еслирезультат моделирования работы ССТ показал, что обе температуры tнагр2 и tкол неприближаются к недопустимым значениям, рекомендуется увеличить площадь коллекторногополя без увеличения объема бака-аккумулятора. Если температура воды tнагр2 приближается ктемпературе кипения, рекомендуется увеличить не только объем коллекторного поля, но иобъем бака-аккумулятора.2.При необходимости сократить длительные периоды необеспеченности. Исходяиз величины наибольшего периода необеспеченности τнеоб.max, рассчитывается недостающийобъем бака-аккумулятора:16t необ .maxVсут ( 33 − t х.в )(9)∆Vб =24 (75 − t х.в.
)Площадь коллекторов необходимо увеличить пропорционально увеличению объема бака.3.При обнаружении в работе системы перегрева воды/теплоносителя. Если приэтом в работе системы не наблюдается избыточная выработка тепловой энергии в течение всегопериода эксплуатации, рекомендуется увеличить объем бака-аккумулятора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
