Автореферат диссертации (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления)

       Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования "Иркутский национальный исследовательскийтехнический университет" Научный руководитель:Кандидат технических наук, доцентТолстой Михаил ЮрьевичОфициальные оппоненты:Калашников Михаил Петрович,доктор технических наук, профессор,ФГБОУВО«Восточно-Сибирскийгосударственный университет технологийи управления», строительный факультет,деканЧекардовский Михаил Николаевич,доктор технических наук, доцент,ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальныйуниверситет»,кафедра"Теплогазоснабжения и вентиляции", профессорВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт системэнергетикиим.Л.А.МелентьеваСибирскогоотделенияРоссийскойакадемии наук (ИСЭМ СО РАН)Защита состоится «28» февраля 2018 г.

в 15:00 на заседании диссертационногосовета Д 212.38.10, созданного на базе Федерального государственного бюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет», поадресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть». С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО«Национальный исследовательский Московский государственный строительныйуниверситет http://www.mgsu.ru Автореферат разослан «___» ___________ 201_ г.Ученый секретарьдиссертационного советаГогина Елена Сергеевна3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации. Важность таких систем жизнеобеспечения как тепло- иэнергоснабжение, обеспечивающих комфортные условия проживания для людей, сложнопереоценить.Ежегодное потребление угля в мире составляет примерно 3 млрд.

т. Одна крупная ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) в среднем сжигает примерно 2 млн. т угля в год для нужд тепло- иэлектроснабжения.Кроме ТЭЦ существуют гораздо более экологически чистые источники энергии илиальтернативные источники энергии. К ним относятся вода, грунт, Солнце, ветер, биотопливо и др.На данный момент в мире ведется активное освоение данного вида энергетики, которые имеютряд достоинств:-данныетехнологиилегкоинтегрироватьвужесуществующиесистемыэнергоснабжения;-общедоступность возобновляемых ресурсов позволяет уменьшить зависимость странот импорта традиционного вида топлива;-мобильность данных технологий позволяет использовать их даже в самых отдаленныхместностях;-возможность применения наукоемких технологий;-экологически чистое производство энергии;-неисчерпаемость источников энергии.Как видно из Атласа ресурсов солнечной энергии на территории России под авторством О.С.Попеля, С.Е. Фрида, гелиоресурсы Иркутской области очень богаты и почти равны таковым вКрыму, который в СССР был избран для сооружения первой солнечной электростанции.

Прямаясолнечная радиация на перпендикулярную поверхность в Иркутске всего на 3 % меньше, чем вЕвпатории. Во многих местах Приангарья солнечное сияние продолжается более 2000 ч/год ипревышает этот показатель для Кисловодска. Средняя суточная продолжительность солнечногосияния на юге Иркутской области равна 6,6 ч, а в Грузии – 5,5 ч. Основным препятствиемраспространения гелиотеплоснабжения в Сибири, является, высокая стоимость вакуумныхколлекторов и снижение КПД плоских гелиоколлекторов с уменьшением температуры наружноговоздуха.К настоящему времени известно множество подходов к решению задач тепломассопереносав системе солнечного теплоснабжения, которые не всегда учитывают гидравлическиехарактеристики системы и климатические условия. Поэтому важно еще на стадии разработкисолнечного коллектора выявить эффективность тех или иных конструктивных решений.

Это4 можно сделать при помощи математического моделирования процессов тепломассопереноса вплоском солнечном коллекторе.Анализ различных моделей плоских солнечных коллекторов и опыта их примененияпоказали, что большинство из них малоэффективны в регионах с холодным климатом. При этомсолнечная активность в большей части данных регионов имеет высокий уровень. Основнойпричиной этого является ориентированность производителей коллекторов на их использование врайонахстеплымиумереннымклиматом.Поэтомутеплоизоляционныепараметрыгелиоустановок оптимальны для данных регионов, но в регионах с холодным климатом онипоказывают худшие результаты.Степеньразработанноститемыдиссертации.Исследованиемпроцессовтепломассопереноса в различных средах, а также направлениями солнечной энергетики ипроектированием солнечных коллекторов занималось множество российских и зарубежныхученых, которые отражали свои исследования в научных статьях, учебных пособиях идиссертационных работах.

Среди них О.С. Попель, С.Е. Фрид, Г. Реттих, Дж. Даффи, У.А. Бекман,И.Г. Староверов, В.Н. Богословский, Н.Б. Варгафтик, А.Н. Сканави, Ф. Крейт, У. Блэк, В.П.Исаченко, Ю.И. Шаров, А.С. Сукомел, Е.А. Краснощеков, В.И. Крутов, С.А. Кляйн, Г.Ц. Хоттель,Б.Б. Вёрц, Дж. Твайделл, А. Уэйр, Г.П. Гарг, П.А.

Хаванов, В.Г. Гагарин, В.И. Бодров, П.ВСадилов, М.Н. Чекардовский, М.П. Калашников, И.А. Галимов, Л.Ю. Уразаева, У.Х. Газиев, В.В.Нащокин, Л.В. Арнольд.На тему солнечной энергетики был написан ряд диссертационных работ. Среди них работакандидата технических наук Митиной И.В., в которой она описывает повышение эффективностисолнечных коллекторов при применении вакуумированных стеклопакетов; работа кандидататехнических наук Рахнова О.Е., где рассматриваются экологические проблемы развитиясовременной энергетики, технологии преобразования энергии солнечного излучения, наблюденияи расчеты солнечного излучения и экспериментальные исследования эффективности солнечныхколлекторов; работа кандидата технических наук Сулейманова М.Ж., где описываетсяэкспериментальное исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов иводонагревательных установок; работа кандидата технических наук Такаева Б.В.

на тему«Разработка воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией и оптимизациясистем солнечного теплоснабжения»; работа кандидата технических наук Трошкиной Г.Н., гдеописаны методы расчета систем солнечного теплоснабжения, исследование теплоизоляционныхсвойствпрозрачнойсотовойтепловойизоляции,расчеттеплопотерьколлекторомисоединительными трубопроводами и т.д.; работа кандидата технических наук Петренко В.Н., вкоторой описана автоматизации система управления энергокомплексом на базе гелиоустановки.5 Цель и задачи.

Целью данной работы является разработка способа повышенияэффективности процессов тепломассопереноса в плоском жидкостном солнечном коллекторе,используемомвсистемеотопленияиГВС,засчетприменениямеандрообразныхтепловоспринимающих трубок, с последующей оптимизацией гидродинамического режимапотока теплоносителя.Основными задачами, поставленными для достижения данной цели являются:- исследование возможности использования потенциала солнечной энергетики в ВосточнойСибири при помощи солнечных коллекторов;- расчет процессов тепломассопереноса в плоском солнечном коллекторе и поисктехнических решений по повышению эффективности гелиоустановки при работе в климатическихусловиях, приравненных к Крайнему Северу, таких как климатическая зона Восточной Сибири;- разработка новой конструкции солнечного коллектора с применением новых техническихрешений;- проектирование и сборка испытательного стенда солнечных коллекторов;- разработка методики испытания нового коллектора;- сравнительный анализ нового солнечного коллектора с уже существующими.Второстепенными задачами являются:- изучениемировогоироссийскогорынковсолнечныхколлекторовиконкурентоспособности нового солнечного коллектора на этих рынках;- применение солнечного коллектора с новой конструкцией в системах теплоснабженияразличных объектов.Объектом исследования является плоский солнечный коллектор, разработанный с учетомклиматической зоны Восточной Сибири.Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса в плоских солнечныхколлекторах и влияние их конструктивных особенностей на протекание данных процессов.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.

Методомматематическогомоделированиядоказаноувеличениетемпературытеплоносителя на выходе из плоского жидкостного солнечного коллектора за счет применениямеандрообразных тепловоспринимающих трубок.2. Разработана методика повышения эффективности солнечного коллектора посредствомувеличения коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю за счет изменениягидравлического режима потока теплоносителя в меандрообразных тепловоспринимающихтрубках.3. Разработан новый теплообменник плоского солнечного коллектора, состоящий измеандрообразных трубок для нагревательной текучей среды, минимизирующий гидравлические6 сопротивления и повышающий эффективность солнечного коллектора за счет уменьшенияширины его прямого изолированного ребра.4. Получена физическая модель для определения температуры теплоносителя на выходе изсолнечного коллектора в зависимости от длины каналов и начальной температуры.5.

Разработана экспериментальная методика для испытаний различных гелиоустановок внатурных условиях г. Иркутска, проводимых на разработанном экспериментальном стенде.6. Экспериментальнымпутемопределенанеэффективностьиспользованияплоскихсолнечных коллекторов при температуре наружного воздуха ниже - 15 оС.Теоретическую и практическую значимость диссертационной работы составляют:- Новый тип плоского солнечного коллектора SUN 1, который может эффективноприменяться как в районах с теплым и умеренным климатом, так и с климатическими условиями,приравненными к Крайнему Северу, и который обладает улучшенными теплоизоляционнымисвойствами и каналами меандрообразной формы, которые, в свою очередь, обладаютсравнительно низким гидравлическим сопротивлением и позволяют повысить температурутеплоносителя на выходе из солнечного коллектора.