Автореферат диссертации (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 3

- средняя температура теплоносителя, град.; Та - температура окружающей среды, град.; Eg- мощность солнечного излучения, Вт/м2; UL - коэффициент тепловых потерь, Вт/м2∙град.11 Воспользовавшись исходными данными, полученными ранее, и проведя анализ влияния ULна эффективность коллектора, удалось выяснить, что оптимальным значением светопрозрачныхслоев в конструкции плоской гелиоустановки для работы в климатической зоне Восточной Сибирибудет 2. Если взглянуть на рисунки 1 и 2 данное количество стеклянных покрытий снизитоптический КПД на 10 %, однако при этом снизит значение полного коэффициентатеплопроводности на 3 Вт/м2∙град., что является максимальным понижением.Полный коэффициенттепловых потерь, Вт/ м2∙град.76543210123Количество светопрозрачных покрытий, шт.4Величинаоптического КПД,%Рисунок 1- Влияние количества светопрозрачных покрытий полный коэффициент тепловых потерь10080604020001234Количество светопрозрачных покрытий, шт5Рисунок 2 - Зависимость оптического КПД плоского солнечного коллектора от количествасветопрозрачных покрытийПри исследовании распределения температуры теплоносителя в направлении потока удобнеевсего применить метод математического моделирования.

Для этого в главе II трубопроводсолнечного коллектора был представлен в виде системы координат (рисунок 3). При этом дляудобства расчета допустим, что теплоноситель движется в одной плоскости, расположеннойстрого вертикально.Представим элемент жидкости как материальную точку, движущуюся вдоль оси y иимеющую тепловую энергию, описываемую выражением m∙Cp∙Tf, где m – расход теплоносителя,кг/с; Ср – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг∙град.); Tf – температура теплоносителя вконкретной точке; град.12 Рисунок 3 - Баланс энергии для элемента жидкостиТеплоноситель поступает в коллектор при температуре T н и выходит при более высокойтемпературе T к . При этом в каждой точке элемент жидкости будет иметь некую температуруT . Спомощью рисунка 3 баланс энергии для элемента жидкости на участке одной трубы длиной ∆y,поглотившего энергию q , был представлен в следующем видеmC T |mC T |mC T |∆yq∆0 (2)Далее уравнение было разделено на ∆y.

Найдя предел при ∆y → 0 и, подставив выражение (3)дляq , было полученоqWF SmCU TWF S(3)TTU T0(4)Это выражение было проинтегрировано и, предположив, что F и U не зависят от y (приграничном условии T |T н ), было получено следующее распределение температуры:к(5)eнгде W – расстояние между трубками коллектора, м; F' – эффективность коллектора; S – энергиясолнечного излучения, поглощенного единицей поверхности (1 м2), Вт; UL – полный коэффициенттепловых потерь, Вт/м2∙град.; Ta – температура воздуха, град.; Ср - удельная теплоёмкость,Дж/(кг·град.).Если длина коллектора в направлении потока равна L, то температуру жидкости на выходе изколлектора T к можно определить, заменяяв выражении (5) величиной L.T к можно выразить из следующего уравнения:TкTSUe∙ TнTSU(6)13 Была получена необходимая формула для вычисления температуры жидкости на выходе изколлектора T к :Tкe∙ TнTSUTSU (7)Как видно из выражения (7), чем дальше материальная точка продвигается по оси y, темвыше становится её температура.

Используя расширенный комплект исходных данных,графически представим зависимость температуры от длины трубы (рисунок 4) в солнечномколлекторе со средним значением эффективности. Значение температуры теплоносителя на входеТемпературатеплоносителя, оСв коллектор было принято равным 10 оС.12,5012,0011,5011,0010,5010,000123456789Длина трубы коллектора, м101112Рисунок 4 - Зависимость значения температуры теплоносителя от длины трубы коллектораКак видно из рисунка 4, температура теплоносителя имеет линейную зависимость от длинытрубы коллектора. Чем больше эта длина, тем будет выше температура теплоносителя на выходеиз этой трубы.

Происходит это благодаря увеличению времени нахождения теплоносителя подвоздействием солнечного излучения.В ходе гидравлического анализа было установлено, что меандрообразная форматепловоспринимающих трубок (рисунок 5) позволит разместить в корпусе коллекторатрубопровод, длина которого будет в 2,5 раза больше длины корпуса коллектора, при этом,разделив поток теплоносителя на несколько каналов, удалось получить достаточно низкоегидравлическое сопротивление (таблица 1) для того, чтобы его преодолел циркуляционный насосминимальной мощности. В качестве расчетного значения расхода было выбрано минимальноезначение расхода циркуляционного насоса минимальной мощности типа UPS 25-40.

Суммарныепотери давления на участках 1-7 и 7'-1' составили 0,14 м в.ст. и 0,078 м в.ст. соответственно. Итогообщая сумма потерей давления в солнечном коллекторе составляет 0,812 м в.ст. Для сравнения,при использовании единственной меандрообразной трубки диаметром 12 мм (длиной 31 м) или 22мм (длиной 25 м), суммарные потери давления составят 13,6 м в.ст. и 2,1 м в.ст. соответственно.Данное решение позволит повысить коэффициент теплоотдачи от трубы к теплоносителю,зависящий от критерия Рейнольдса, за счет изменения гидравлического режима потокатеплоносителя циркуляционным насосом с минимальными затратами мощности.14 3541250,6640072000Потеридавления наместныесопротивления Z, ПаСуммарныепотеридавления ∆P,Па20,06Сумма коэф.местныхсопротивлений ΣζРасход теплон.G, л/с17-7'Длина участкаL, мДиаметрнаружный Dн,ммСкоростьтеплон. V, м/сУдельныелинейныепотеридавления R,Па/мЛинейныепотеридавления RL,ПаУчастокТаблица 1. Гидравлический расчет тепловоспринимающих труб плоского солнечного коллектора821,793906,00∑(RL+Z)Примечания10115906,00 31 калач ζ=0,7;5906,00 = 0,6 м в.ст.Рисунок 5 - Схематическое изображение плоского солнечного коллектора с удлиненнымитепловоспринимающими трубкамиТакже в данной главе было установлено, что увеличение количества тепловоспринимающихтрубок увеличивает эффективность плоского солнечного коллектора за счет того, что у каждой изтрубок будет свое прямое ребро, меньшее по размеру, чем ширина корпуса коллектора как вслучае применения одной трубки (формулы 8 и 9).(8)где WD – ширина изолированного ребра солнечного коллектора, т.е.

W – расстояние междутрубами, м; а D – диаметр трубы, м; h- коэффициент теплоотдачи от стенки трубы кжидкости;D – внутренний диаметр трубы, м;C – проводимость соединения листа с трубой; F –эффективность прямого ребра коллектора прямоугольного профиля, равнаяF //(9)В свою очередьn = (UL/λлδ)1/2(10)где λл - коэффициент теплопроводности листа, Вт/(м∙град.); δ - толщина лучепоглощающего листа,м.15 В третьей главе была представлена новая модель плоского жидкостного солнечногоколлектора SUN 1 (рисунок 6), в конструкции которой были применены эффективные техническиерешения, а именно меандрообразная форма тепловоспринимающих трубок, увеличенная толщинатыльной теплоизоляции, теплоотражающий слой на внутренней стороне боковых стенок, двойнойсветопрозрачный слой и разборная конструкция корпуса, позволяющая производить ремонтгелиоустановки (рисунок 7).Рисунок 6 - Плоский жидкостный солнечный коллектор SUN 1Рисунок 7 – Солнечный коллектор SUN 1 в разрезе1 - стеклопакет; 2 - деревянные штапики; 3 - стальной лучепоглощающий лист; 4 - гребенка; 5 медные трубки; 6 - фольга; 7 - утеплитель; 8 - корпус из фанеры; 9 – выходные патрубкиДля испытания и сравнения данного солнечного коллектора с аналогом был разработан исобран стенд (рисунок 8), являющийся единственным в Восточной Сибири.

В качестве аналогабыл выбран солнечный коллектор «Сокол». Также для проведения отдельных исследований встенд был включен вакуумный солнечный коллектор HY-CY. Для проведения экспериментов наданной установке была разработана методика. В дальнейшем на стенде можно осуществлятьиспытания новых моделей солнечных коллекторов, исследования в области солнечноготеплоснабжения, а также лабораторные практикумы со студентами.16  Рисунок 8- Принципиальная схема испытательного стенда1-солнечный коллектор SUN 1; 2-солнечный коллектор «Сокол»; 3-солнечный коллектор HY-CY; 4-ёмкостный водонагреватель; 5радиатор; 6-перемычка; 7-циркуляционный насос; 8-расходомер; 9-фильтр; 10-манометр; 11-термодатчик; 12-сливной кран; 13воздухоотводчик; 14-термометр ёмкостного водонагревателя; 15-контрольно-измерительный прибор; 16-расширительный бак; 17-кранМаевского; 18-запорный кран.17 В четвертой главе было экспериментально и инструментально подтверждено преимуществодвойного остекления, увеличенной толщины тыльной изоляции и, самое главное, былаподтверждена эффективность применения меандрообразной формы тепловоспринимающихтрубок.

Благодаря техническим нововведениям солнечный коллектор SUN 1 показал хорошиерезультаты в испытаниях и в сравнении с коллектором "Сокол", особенно это заметно в зимний ипереходный периоды. Экспериментальные графики для всех периодов года представлены нарисунках 9, 10, 11 и 12.Таблица 2. Значение мощности солнечного излучения (03.07.2012)Время, минТемпература на выходеиз коллекторов, оССолнечная акт-ть, Вт/м20102030405060902,6929,0948,9946,1968,8998,7981,635,033,031,029,027,025,023,021,019,017,015,0"Сокол"выходSUN 1выходВход0102030405060Продолжительность эксперимента, мин.Рисунок 9 - Изменение температуры теплоносителя на входе и на выходе во времени (03.07.2012,12:20, ясно, температура воздуха +26°С)Из рисунка 9 видно, что, благодаря меандрообразной форме трубок, уже на 10-й минутеэксперимента температура теплоносителя на выходе из солнечного коллектора SUN 1 больше, чемтемпература теплоносителя на выходе из солнечного коллектора "Сокол".