Автореферат диссертации (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 4

Данная тенденциянаблюдается на протяжении всего эксперимента. К 60-й минуте значение температурытеплоносителя на выходе из солнечного коллектора SUN 1 достигло 31,5 оС и продолжает расти.Таблица 3. Значение мощности солнечного излучения (12.01.2013)Время, мин0102030405060Солнечная акт-ть, Вт/м2719,9775,4750,8761,0842,9322,0844,918 Температура на выходе изколлекторов, оС10,05,0"Сокол"выход0,0-5,00102030405060SUN-1выход-10,0Вход-15,0-20,0Продолжительность эксперимента, мин.Рисунок 10 - Изменение температуры теплоносителя на входе и на выходе во времени (12.01.2013,13:00, ясно, температура воздуха -18°С)Из таблицы 3 и рисунка 10 видно, что температуры теплоносителя повышаются напротяжении всех 60-ти минут эксперимента, при том что наружная температура составляла - 18°С.

До 20-й минуты эксперимента солнечный коллектор SUN 1 нагрел теплоноситель быстрее, чем"Сокол". Это произошло благодаря меандрообразной форме трубок коллектора SUN 1. Однако засчет разницы в площадях, резкого падения солнечной активности, а также отсутствия усолнечного коллектора SUN 1 селективной поверхности к 60-й минуте T"Сокол" значительно превысила Tкксолнечного коллектораSUN 1.Таблица 4. Значение мощности солнечного излучения (10.04.2013)Температура на выходеиз коллекторов, оСВремя, минСолнечная акт-ть, Вт/м20863,610881,420818,230700,540755,350468,360390,920,015,0"Сокол"выход10,0SUN 1выход5,0Вход0,001020304050Продолжительность эксперимента, мин.60Рисунок 11 - Изменение температуры теплоносителя на входе и на выходе во времени (10.04.2013,14:55, переменная облачность, тем-ра воздуха +7°С)Из таблицы 4 видно, что солнечная активность повышается до 10-й минуты эксперимента,далее до 40-й минуты активность падает, а затем резко повышается и снова начинает падать.После 50-й минуты солнечная активность значительно снизилась, в связи с чем листы сильно19 остыли и температура начала падать.

Благодаря тому, что у солнечного коллектора SUN 1 двасветопрозрачных слоя, его UL меньше, чем у коллектора "Сокол", и его абсорбер остываетмедленнее. А, как видно из рисунка 11, благодаря меандрообразной форме трубок,TкSUN 1 напротяжении всего опыта была больше, чем у коллектора "Сокол".Таблица 5. Значение мощности солнечного излучения (23.07.2013)Температура на выходеиз коллекторов, оСВремя, минСолнечная акт-ть, Вт/м20741,110700,120650,130762,840821,050839,860892,443,041,0"Сокол"выходSUN 1выходВход39,037,035,033,001020304050Продолжительность эксперимента, мин.60Рисунок 12 - Изменение температуры теплоносителя на входе и на выходе во времени (23.07.2013,15:00, ясно, тем-ра воздуха +30°С)Замеры проводились через час после снятия брезента.

Из таблицы 5 заметно, что до 20-йминуты эксперимента солнечная активность постепенно понижалась. Поэтому по рисунку 12видно, что температура теплоносителя на выходе из солнечного коллектора SUN 1 к 20-й минутеупала на 0,2 оС. Благодаря селективной поверхности на лучепоглощающем листе, температуратеплоносителя на выходе из солнечного коллектора "Сокол" постепенно росла на протяжениивсего эксперимента. После 20-й минуты эксперимента температура теплоносителя на выходе изколлектора SUN 1 начала расти и к 60-й минуте достигла значения 42,1 оС и продолжила расти, вто время как интенсивность роста температуры теплоносителя на выходе из коллектора "Сокол"значительно упала.Стоит отметить, что апертура коллектора SUN 1 в 2 раза меньше, чем у коллектора "Сокол".По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод, что плоский солнечныйколлектор SUN 1 можно считать прошедшим натурные испытания и пригодным к применению всистемах отопления и горячего водоснабжения в климатических условиях приравненных кКрайнему Северу.

Вместе с тем, было установлено, что при температуре наружного воздуха ниже-15оС использование плоских солнечных коллекторов в системах отопления и ГВСнецелесообразно ввиду того, что температура лучепоглощающего листа не поднимается выше 15оС.20 Послепроведенногосравнениярасчетногоиизмеренногозначенийтемпературытеплоносителя на выходе из солнечного коллектора (рисунок 13) было установлено, что разницамежду ними не превышает 5 %. Это означает, что эксперимент достоверен.35,00Значение температуры, оС30,0025,0020,0015,00Расчетнаятемпература10,005,00Измеренныетемпературы0,00-5,0030.06.2012 03.07.2012 06.10.2012 27.10.2012 28.12.2012 12.01.2013 30.03.2013 05.04.2013-10,00Дата замераРисунок 13 - Сравнение расчетного и измеренного значений температуры теплоносителя навыходе из солнечного коллектораВ данной главе были рассчитаны термодинамические параметры солнечного коллектораSUN 1.

В итоге расчетный средний КПД гелиоустановки SUN 1 составил 61 %, что являетсясредним значением среди существующих гелиоколлекторов. Оптический КПД SUN 1 составил 72%. COP (Coefficient of performance - коэффициент преобразования поглощенной абсорбероминтенсивности облучения коллектора в полную полезную энергию) составил 65 %. Сводныйрасчет представлен в таблице 6.Таблица 6. Сводная таблица результатов расчета термодинамических параметров и КПДсолнечного коллектора SUN 1КоэфКоэффициент Коэффициент Полный ЭффективКоэффициентностьтеплопотерькоэфтеплопотерьКоэффифициентпрямого теплоотдачиОптичерез нижнюю через верхнюю фициентциентэффекотстенкиребраческийчастьтеплопочастьотводатрубы к тивнос-типрямоуколлектора Ub, коллектора Ut, терь UL,теплаFR КПДколлекгольного жидкости,222тора, F'Вт/ м ∙КВт/ м ∙КВт/ м ∙К профиля, Fhfoi0,273,303,570,76711,500,750,740,72ПолныйКПД0,65В пятой главе была произведена оценка рынка солнечных коллекторов в России, порезультатам которой выяснилось, что рынок на территории нашей страны развит слабо.

Былодоказано, что благодаря ряду технических преимуществ, описанных в данной работе, невысокойстоимости, которая составила от 13 до 15 тыс. рублей, в зависимости от применяемых материалов,21 а также учитывая слабо развитый рынок гелиоколлекторов в России, SUN 1 являетсяконкурентоспособным.Также был выполнен расчет необходимого количества коллекторов для разных объектов г.Иркутска, а именно: 4-х этажный жилой дом, детский сад на 140 мест (административное здание)и производственный объект. Срок окупаемости SUN 1 для каждого объекта составил 9, 13 и 9 летсоответственно для территории Иркутской области при существующих тарифах на энергоресурсы.Для территории рядом расположенных областей (Бурятии, Читинской области и Красноярскогокрая) окупаемость составит 3, 4 и 3 года соответственно.В рамках работы над диссертационной работой был выполнен расчет количества солнечныхколлекторов, необходимого для покрытия тепловой нагрузки на горячее водоснабжение объектовпоселка Листвянка Иркутской области в период с апреля по октябрь с целью снятия нагрузки скотельной и улучшения экологической обстановки поселка.Расчетное количество солнечных коллекторов составило 203 шт.

Такое количествосолнечных коллекторов позволит полностью покрыть расчетную суточную тепловую нагрузку наГВС в период с февраля по октябрь и от 60 до 80 % нагрузки в период с ноября по январь. Приэтом в феврале (при температуре наружного воздуха выше - 15 оС), марте, апреле, мае и сентябреизлишки тепла могут также покрыть и часть тепловой нагрузки на отопление. В системесолнечного теплоснабжения будет задействована уже имеющаяся ёмкость, объёмом 6,5-7 м3. Срококупаемости для данного объекта составил 4,1 года.С увеличением тарифов на энергоносители уменьшится срок окупаемости.

Однако при том,что срок эксплуатации плоских солнечных коллекторов составляет до 40 лет, а коллекторы SUN 1ремонтопригодны, то можно сделать вывод, что применение данных гелиоустановок дастбольшую экономию средств и энергоресурсов в административных, жилых и производственныхзданиях.Методика расчета количества и срока окупаемости солнечных коллекторов, представленнаяв данной главе, может применяться для расчета и проектирования систем солнечноготеплоснабжения.ЗАКЛЮЧЕНИЕИтоги выполненного исследования:-Разработан новый теплообменник солнечного коллектора, состоящий из несколькихмеандрообразных тепловоспринимающих трубок.

Такие тепловоспринимающие трубки позволяютповысить температуру теплоносителя на выходе из солнечного коллектора и обладаютсравнительно низким гидравлическим сопротивлением, что дает возможность повышенияэффективности солнечного коллектора за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от трубы ктеплоносителю, зависящего от коэффициента Рейнольдса, при помощи увеличения расхода22 теплоносителя с минимальными затратами энергии, а также уменьшенной шириной прямогоизолированного ребра, что также увеличивает эффективность коллектора.-РазработанановаяконструкцияплоскогосолнечногоколлектораSUN1смеандрообразными тепловоспринимающими трубками, улучшенной тыльной и фронтальнойтеплоизоляцией, а также новыми техническими, термодинамическими и гидродинамическимихарактеристиками, эффективность которого подтверждена эмпирически и экспериментально, иобладающий высокой конкурентоспособностью.

На данный коллектор был получен патент РФ.-Полученная физическая модель позволяет определить температуру теплоносителя навыходе из солнечного коллектора, что в свою очередь позволит более полно оценитьэффективность солнечного коллектора в различных системах отопления и ГВС при разныхпогодных условиях и технологических особенностях.-Создан единственный в Восточной Сибири испытательный стенд солнечныхколлекторов с экспериментальной методикой, применяемые для испытания новых моделейсолнечных коллекторов, проведения экспериментов в области солнечной теплоэнергетики, а такжев курсах повышения квалификации и учебно-методических занятиях со студентами;-Разработана методика расчета количества солнечных коллекторов и их срокаокупаемости для любого объекта в любой точке России, которая была успешно применена длярасчета системы солнечного теплоснабжения пос. Листвянка Иркутской области.-Установленные пределы использования плоских солнечных коллекторов позволятразрабатывать более оптимальные решения при проектировании систем гелиотеплоснабжения.Наоснованиипроведенныхисследованийможносформулироватьследующиерекомендации по использованию результатов диссертации:1.Применять разработанную полезную модель плоского солнечного коллектора смеандрообразными тепловоспринимающими трубками, улучшенной тыльной и фронтальнойтеплоизоляцией, а также новыми техническими, термодинамическими и гидродинамическимихарактеристиками в системах солнечного теплоснабжения.2.Использоватьгелиостендсразработаннойэкспериментальнойметодикойдляпромышленных испытаний новых типов солнечных коллекторов, а также в учебном процессе.3.Обеспечить применение физической модели определения температуры теплоносителяна выходе из солнечного коллектора и установленных пределов использования гелиоустановокпри проектировании новых моделей гелиоустановок, а также при проектировании системсолнечного теплоснабжения.4.Использовать методику расчета количества солнечных коллекторов и их срокаокупаемости при подготовке технико-коммерческих предложений, а также при проектированиисистем солнечного теплоснабжения.23 Перспективы дальнейшей разработки темы:1.Расширение исследований процессов тепломассопереноса в плоском солнечномколлекторе с целью повышения КПД и эффективности гелиоустановок.2.Расширение и систематизация исследований технических и проектных решенийсистемы солнечного теплоснабжения зданий при помощи полученной физической модели иустановленных пределов применения солнечных коллекторов.3.Испытание новых моделей солнечных коллекторов на разработанном испытательномстенде, проведение демонстрационных сеансов для ознакомления с энергосберегающимитехнологиями, а также проведение учебно-методических занятий на данном стенде.4.Создание учебного пособия для расчета потенциала солнечной энергетики в различныхрегионах Российской Федерации и ряда других стран, а также для определения необходимогоколичества солнечных коллекторов для теплоснабжения различных объектов в рамках курсового идипломного проектирования.5.Разработка программного продукта для расчета количества солнечных коллекторов,необходимого для теплоснабжения различных объектов, и проекта реализации солнечныхколлекторов на основе энергосервисных контрактов.СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИПубликации в изданиях из "Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должныбыть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученойстепени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук", ВАК Минобрнауки РФ1.