Диссертация (1141522), страница 9
Текст из файла (страница 9)
j ,i =tн.в. j + н.в. j +1 н.в. j (t j ,i − t j )t j +1 − t j(2.15)где индекс j – часы суток; i –минуты.2.3.3 Математическая модель потерь теплоты баком-аккумуляторомОдной из задач математического моделирования баков-аккумуляторов является подбор бака объемом достаточным для бесперебойного обеспечения потребителя горячей водой, при этом завышение объема бака исключается по рядупричин, среди которых: повышение капитальных затрат, увеличение нагрузки наконструкции пола или опор.В соответствии с ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения», удельный объем бака-аккумулятора, м3, определяется как 0,06 от площадисолнечных коллекторов для II климатического района, 0,07 – для III и 0,08 – дляIV. Определение объема бака для I климатического района не нормируется, однако, зачастую именно эти зоны обладают значительными радиационными ресурсами.
С этой точки зрения представленная в ВСН методика определения объема бака-аккумулятора не является исчерпывающей.Первичный выбор объема бака основывается на количестве потребителей инеобходимом максимуме горячей воды на каждого из них. Режимы и объемы потребления горячей воды подробно описаны в 2.7. Бак-аккумулятор, как буфернаяемкость, предназначен для сглаживания неравномерности потребления и поступления тепла в систему в течение суток и более длительных периодов.
С этой точки зрения бак-аккумулятор следует рассматривать не как резервуар, способныйвместить определенный объем воды Vнагр, а как объем теплоносителя (воды), спо-50собный сохранять тепловую энергию Q, Дж, в течение требуемого периода времени.Пиковые значения поступления в систему тепловой энергии за счет преобразования коллекторами солнечной радиации в течение суток не совпадает с величиной ее потребления.
Неиспользованное своевременно тепло необходимо сохранить до ее потребления. Величина потребления и поступления энергии в системеизвестна для каждого часа суток. Требуемый объем бака-аккумулятора Vнагр, м3,определяется исходя из разности указанных величин в часы, когда поступлениетепла в систему превышает его потребление и определяется по формуле:nVнагр =∑ ∆Qi =1cв ∆t мiρв(2.16)где ∆Qi – положительная разность между поступающей в систему тепловойэнергией и ее потреблением каждый час, Дж; cв – табличное значение теплоемкости воды, Дж/кг∙°C; Δtм – разница температур горячей и холодной воды в рассматриваемом месяце, °C; ρв – табличное значение плотности воды, кг/м3.Расчет объема бака-аккумулятора необходимо производить на условия ясного дня месяца с наибольшей интенсивностью солнечной радиации.При моделировании длительного процесса работы системы солнечного теплоснабжения необходимо также учитывать тепловые потери бака-аккумулятора.С учетом высоких требований к тепловой изоляции, бак-аккумулятор состоитиз: внутреннего металлического бака объемом Vнагр, слоя теплоизоляции из огнестойкого материала (полиэфир, полипропилен и др.) и внешней металлическойили тканевой изоляции.Процесс теплообмена через плоские и цилиндрические поверхности описывается математическими моделями, наиболее полно представленными в [80].Теплопередача от нагретой в баке воды в помещение осуществляется черезмногослойные стенки бака.
На рисунке 2.4.1 и рисунке 2.4.2 представлены схемытеплопередачи через плоские (дно и крышка бака) и цилиндрическое (вертикальные стенки бака) многослойные поверхности.51Рисунок 2.4.1– Теплопередача через дно и крышку бака-аккумулятораРисунок 2.4.2 – Теплопередача через стенки бака-аккумулятораПри условии tпом и λст = const, количество теплоты, передаваемое от горячейводы к металлическому дну (крышке) внутреннего бака Qпот.б.1, Дж, за время τопределяется по формуле [80]:Qпот.б . 1 α нагр Sд.бt ( tнагр .ср − tст.1 )=(2.17)где αнагр – коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке внутреннегобака, Вт/м2°C; Sд.б.
– площадь дна (крышки) бака, м2; τ – время, с; tнагр.ср – температура воды в баке, °C; tст.1 – температура внутренней поверхности стенки внутреннего бака, °C.То же количество теплоты проходит через дно (крышку) внутреннего бака,теплоизоляцию и внешнюю изоляцию, его значение определяется по следующимформулам:52=Qпот.б .1λ1S t (t − t )δ 1 д.б ст.1 ст.2(2.18)=Qпот.б . 1λ2S t (t−t )δ 2 д.б ст.2i ст.3(2.19)=Qпот.б . 1λ3S t (t − t )δ 3 д.б ст.3 ст.4(2.20)где λ1, λ2, λ3 – коэффициенты теплопроводности материалов внутреннего металлического бака, слоя изоляции и внешней металлической (тканевой) изоляциисоответственно, Вт/м°C; δ1, δ2, δ3 – толщина стенок внутреннего металлическогобака, слоя изоляции и внешней металлической (тканевой) изоляции соответственно, м; tст.2– температура внешней поверхности стенки внутреннего бака (внутренней поверхности изоляционного слоя), °C; tст.3 – температура внешней поверхности стенки изоляционного слоя (внутренней стенки внешней металлической (тканевой) изоляции), °C; tст.4 – температура внешней поверхности внешней металлической (тканевой) изоляции, °C.Количество теплоты, передаваемое от поверхности внешней изоляции бака вокружающую среду, определяется по формуле:=Qпот.б .1 α пом Sд.бt ( tст.4 − tпом )(2.21)где tпом – температура окружающей среды (помещения), °C; αпом – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности внешней изоляции в окружающую среду (помещение), Вт/м2°C.Общее термическое сопротивление теплопередачи через дно или крышку бака-аккумулятора определяется путем суммирования термических сопротивленийвсех перечисленных стадий:1α нагрТакимобразом,+δ1 δ 2 δ 31Sд.бt+ +=+(t − t )λ1 λ2 λ3 α пом Qпот.б .1 нагр.ср помтермическоесопротивлениеаккумулятора совместно определяется по формуле:крышкии(2.22)днабака-53Qпот.б .1 = 2Sд.бt ( tнагр.ср − tпом )311δ+∑ m +α нагрm =1λm(2.23)α помКоличество теплоты, передаваемое от горячей воды к металлическим стенкам внутреннего бака Qпот.б.2 за время τ определяется по формуле:=Qпот.б .
2 π hd1α нагр ( tнагр .ср − tст.1 )t(2.24)где d1 – внутренний диаметр внутреннего металлического бака, м; h – высотабака, м.Количество теплоты, проходящее через стенки бака и тепловую изоляцию,определяется по следующим формулам:=Qпот.б . 2l1dln 2d1=Qпот.б . 2Qпот.б . 2=l2dln 3d2l2dln 4d32π h ( tст.1 − tст.2 )t(2.25)2π h ( tст.2 − tст.3 )t(2.26)2π h ( tст.3 − tст.4 )t(2.27)где d2 – наружный диаметр внутреннего металлического бака, м; d3 – наружный диаметр изоляционного слоя, м; d4 – наружный диаметр внешней металлической (тканевой) изоляции, м.Количество теплоты, передаваемое от стенок поверхности изоляции бака вокружающую среду, определяется по формуле:=Qпот.б .2 π hd 4α пом ( tст.4 − tпом )t(2.28)Общее термическое сопротивление стенок бака-аккумулятора определяетсясуммой термических сопротивлений на всех стадиях и в итоговом виде представляется формулой:Qпот.б .2 =π h(tнагр.ср − tпом )t1d1α нагрd1 31+ ∑ lm ln m+1 +d m d 4α пом2 m=1(2.29)54Общее количество тепловых потерь бака аккумулятора Qпот.б в каждый интервал времени составляет сумму тепловых потерь через стенки, дно и крышкубака и определяется по формуле:Qпот.бS д .б= t (tнагр.ср − tпом ) 2 ⋅+311dm+∑ + αα помm =1 lmнагрπh+11 3 1 d m+11 + ∑ ln+d1α нагр 2 m=1 lmd m d 4α пом (2.30)2.3.4 Математическая модель потерь теплоты трубопроводамиНагретый в коллекторе теплоноситель транспортируется в теплообменник иобратно в коллектор с помощью изолированного трубопровода.
Теплопередача оттеплоносителя в трубопроводе в окружающую среду осуществляется через стенкитруб и изоляцию. Трубопровод системы солнечного теплоснабжения располагается в помещении и на открытом воздухе (рисунок 2.5.1), в связи с чем, тепловыепотери на различных участках определяются по-разному.Рисунок 2.5.1 Система трубопроводов солнечного теплоснабжения.55Процесс теплообмена через цилиндрические поверхности трубопроводовописывается математическими моделями, наиболее полно представленными в[80].На рисунках 2.5.2 и 2.5.3 представлены схемы теплопередачи через стенки иизоляцию подающего трубопровода для наружного и внутреннего участков соответственно.Рисунок 2.5.2– Теплопередача через стенки наружного подающего трубопроводаРисунок 2.5.3– Теплопередача через стенки внутреннего подающего трубопроводаДля участков подающего трубопровода, расположенных вне здания количество теплоты Qпот.н.п.тр, Дж, передаваемое от теплоносителя стенкам труб, определяются по формуле:56=Qпот.н.п .тр π d н.п .тр.1lн.п .трα п.н.t ( tкол − tп.н.1 )(2.31)где dн.п.тр.1 – внутренний диаметр наружного подающего трубопровода, м;lн.п.тр– длина наружного подающего трубопровода, м;αп.н – коэффициент теплоотдачитеплоносителя к внутренней поверхности подающего наружного трубопровода,Вт/м2°C;tкол – температура теплоносителя на наружном участке подающего трубопровода, °C;tп.н.1 – температура внутренней поверхности стенки наружного трубопровода, °C.Количество теплоты, проходящее через стенки труб и изоляцию, определяется по формулам:Qпот.н.п .тр =Qпот.н.п .тр =2π lн.п .тр lн.1t ( tп.н.2 − tп.н.1 )dln н.п .тр.2d н.п .тр.1(2.32)2π lн.п .тр lн.2t ( tп.н.3 − tп.н.2 )dln н.п .тр.3d н.п .тр.2(2.33)где λн.1 – коэффициент теплопроводности материала наружного трубопровода, Вт/м°C; λн.2– коэффициент теплопроводности материала изоляции наружноготрубопровода, Вт/м°C; tп.н.2 – температура наружной поверхности стенки наружного трубопровода, °C; tп.н.3 – температура наружной поверхности изоляциинаружного трубопровода, °C; dн.п.тр.2 – наружный диаметр наружного подающеготрубопровода, м; dн.п.тр.3 – наружный диаметр изоляции наружного подающеготрубопровода, м.Количество теплоты, передаваемое от поверхности изоляции подающегонаружного трубопровода в окружающую среду, определяется по формуле:=Qпот.н.п.тр .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
