Диссертация (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 10

При разработке солнечного коллектора дляиспользования в условиях мягкого или умеренного климата величина полногокоэффициента тепловых потерь не оказывает существенного влияния наэффективность его работы. Поэтому эффективным техническим решением втаком случае будет использование одного светопрозрачного слоя, получив приэтом максимально возможный оптический КПД. Однако в климатическихусловиях, приравненых к условиям Крайнего Севера UL будет иметь большоезначение. Из формулы 1.28 заметно, что при низком значении UL в зимнее времяКПД солнечного коллектора будет минимальным. В таком случае необходимоподобрать оптимальное количество светопрозрачных слоев, при которомгелиоустановка будет иметь максимальный КПД.

Воспользовавшись исходнымиданными, полученными в разделе 2.1, и проведя анализ на примере раздела 2.2,удалось выяснить, что оптимальным значением светопрозрачных слоев вконструкции плоской гелиоустановки для работы в климатической зонеВосточной Сибири будет 2. Если взглянуть на рисунки 2.5 и 2.6, данноеколичество стеклянных покрытий снизит оптический КПД на 10 %, однако приэтом снизит значение полного коэффициента тепловых потерь на 3 Вт/м2∙град.,что является максимальным понижением.2.3 Распределение температуры теплоносителя в направлении потокаПринаправленииисследованиипотокараспределенияудобнеевсеготемпературыприменитьметодтеплоносителявматематическогомоделирования. Данный метод уже не раз успешно применялся при исследованиипроцессов тепломассопереноса в различных системах и средах [18], [22], [79-90].Далее будет приведено описание математической модели течения потокатеплоносителя.

Для этого представим трубопровод солнечного коллектора в виде59 системы координат (рисунок 2.8). При этом для удобства расчета допустим, чтотеплоноситель движется в одной плоскости, расположенной строго вертикально.Рисунок 2.8 - Баланс энергии для элемента жидкостиПредставим элемент жидкости как материальную точку, движущуюся вдольоси y и имеющую тепловую энергию, описываемую выражением m∙Cp∙Tf, где m –расход теплоносителя, кг/с; Ср – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг∙град.); Tf –температура теплоносителя в конкретной точке; град.Теплоноситель поступает в коллектор при температуре T н и выходит приболее высокой температуре T к .

При этом в каждой точке элемент жидкости будетиметь некую температуруT . С помощью рисунка 2.8 и [54] баланс энергии дляэлемента жидкости на участке одной трубы длиной ∆y, поглотившего энергию q ,можно представить в следующем видеmC T |mC T |mC T |∆∆yq0(2.2)Теплоноситель поступает в коллектор при температуре T н и выходит приболее высокой температуре T к . При этом в каждой точке элемент жидкости будет60 иметь некую температуруT .

С помощью рисунка 2.8 и [54] баланс энергии дляэлемента жидкости на участке одной трубы длиной ∆y, поглотившего энергию q ,можно представить в следующем видеmC T |mC T |mC T |∆yq∆0(2.2)Согласно [54] разделим уравнение на ∆y, найдём предел при ∆y → 0 иподставим выражение (1.15) дляq , то получимWF SmCU T0T(2.3)Интегрируя это выражение согласно [54] и предполагая, что F и U независят от y (при граничном условии T |T н ), получим следующеераспределение температуры:к(2.4)eнгде W – расстояние между трубками коллектора, м; F' – эффективностьколлектора; S – энергия солнечного излучения, поглощенного единицейповерхности (1 м2), Вт; UL – полный коэффициент теплопроводности, Вт/м2∙град.;Ta – температура воздуха, град.; Ср - удельная теплоёмкость, Дж/(кг·град.).Если длина коллектора в направлении потока равна L, то температуружидкости на выходе из коллектора T к можно определить, заменяяв выражении(2.4) величиной L.T к можно выразить из следующего уравнения:TкTSUe∙ TнTSU )(2.5)Получим необходимую нам формулу для вычисления температурыжидкости на выходе из коллектора T к :61 Tкe∙ TнTSSTUU(2.6)Как видно из выражения (2.6), чем дальше материальная точка продвигаетсяпо оси y, тем выше становится её температура.

Используя расширенный комплектисходных данных, представленных ранее, графически представим зависимостьтемпературы от длины трубы (рисунок 2.9) в солнечном коллекторе со среднимзначением эффективности. Зададим значение температуры теплоносителя наТемпература теплоносителя, оСвходе в коллектор равное 10 оС.12,5012,0011,5011,0010,5010,000123456789101112Длина трубы коллектора, мРисунок 2.9 - Зависимость значения температуры теплоносителя от длины трубыколлектораКак видно из рисунка 2.9, температура теплоносителя имеет линейнуюзависимость от длины трубы коллектора.

Чем больше эта длина, тем будет вышетемпература теплоносителя на выходе из этой трубы. Происходит это благодаряувеличению времени нахождения теплоносителя под воздействием солнечногоизлучения.Уравнение линии тренда рисунка 2.9 будет выглядеть следующим образом:62 y = 1,191x + y0(2.7)Заменив в выражении y0 на T н , а x на L получаем следующее выражение:Tк1,191L(2.8)TнВывод: Используя математическую модель распределения температурытеплоносителя в направлении потока удалось установить, что благодаряувеличению времени нахождения теплоносителя под воздействием солнечногоизлучения за счет увеличения длины тепловоспринимающих трубок солнечногоколлектора температура теплоносителя на выходе из гелиоустановки возрастает.В свою очередь это позволит ускорить нагревание теплоносителя и снизитьфинансовые затраты на производство плоского солнечного коллектора, путемуменьшенияколичестватепловоспринимающихтрубисоединительныхфитингов.2.4 Гидравлический анализ режима движения теплоносителя в плоскомсолнечном коллекторе с увеличенной длиной тепловоспринимающих трубокЧтобы разместить удлиненную тепловоспринимающую трубку в корпусесолнечногоколлекторастандартногоразмера,необходимопридатьейопределенную форму.

Если придать тепловоспринимающей трубе коллекторамеандрообразную форму, то в солнечном коллекторе со стандартным размеромкорпуса можно разместить канал теплоносителя длиной, превышающей высотукорпуса в несколько раз. Однако из-за большого количества местныхсопротивлений величина гидравлических потерь будет высокой. В связи с этимпридется использовать циркуляционный насос большей мощности, что увеличитфинансовыезатраты.Поэтомунеобходимоминимизироватьвеличинугидравлических потерь и одновременно с этим максимизировать длинутепловоспринимающих труб коллектора.

Данного эффекта можно добиться,использовав несколько тепловоспринимающих трубок, соединенных между собойгребенками и другими фитингами, как показано на рисунке 2.10. Такое63 техническое решение разобьет общий поток теплоносителя внутри коллектора нанесколько более мелких, что в свою очередь снизит количество местныхсопротивленийтрубопровода,приэтомувеличиввремянахождениятеплоносителя под воздействием солнечного излучения.

Кроме того, данноерешение позволит повышать скорость теплоносителя, а соответственно и егорасход, используя циркуляционный насос меньшей мощности, снизив тем самымфинансовые затраты. Повышение скорости и расхода теплоносителя позволитувеличить коэффициент теплоотдачи от трубы к жидкости, что в свою очередьповысит эффективность солнечного коллектора.Рисунок 2.10 - Схематическое изображение плоского солнечного коллектора судлиненными тепловоспринимающими трубкамиДля поиска оптимального гидравлического режима в трубопроводнойсистеме солнечного коллектора, представленной на рисунке 2.10, необходимо64 провести гидравлический анализ. Суть его будет заключаться в определениисуммарныхопределенияпотерьдавленияоптимальноговмеандрообразныхколичествазагибовитрубкахколлекторасоответственноидлинытепловоспринимающих трубок в корпусе солнечного коллектора площадью 2 м2.Потери давления на участке трубопровода (Па) - линейные и местныесопротивления, находят по формуле (2.9):(2.9)ΔP RL zгде R - удельные линейные потери давления на 1 м трубопровода, Па/м (зависитот диаметра трубопровода и расхода воды проходящего по этим трубам).Определяется по номограмме в приложении Д СТО НП «АВОК» 6.3.1-2007«Трубопроводы из медных труб для систем внутреннего водоснабжения иотопления.

Общие технические условия.» [91, с. 62]); L - длина рассчитываемогоучастка, м; z – местные потери давления на участке, Па. Определяются поформуле (2.10):z =  2v2g(2.10)где g – ускорение свободного падения, м/с2; v - скорость теплоносителя, м/с.Определяется по номограмме в приложении Д СТО НП «АВОК» 6.3.1-2007 [91, с.62]; ∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений (определяются потаблице Б.1 СТО НП «АВОК» 6.3.1-2007 [91, с.

47]).Предположив, что потери давления на участках 1-7 и 2'-1' величинапостоянная, гидравлический расчет был выполнен только для одного типовогозмеевика и сведен в таблицу 2.6. В качестве расчетного значения расхода быловыбрано минимальное значение расхода циркуляционного насоса минимальноймощности типа UPS 25-40.65 Таблица 2.6 - Гидравлический расчет тепловоспринимающих труб плоскогоУчастокРасход воды G, л/сДлина участка L, мДиаметр наружный Dн , ммСкорость воды v, м/сУдельные линейные потеридавления R, Па/мЛинейные потери давленияRL, ПаСумма коэффициентовместных сопротивлений ΣζПотери давления наместные сопротивления Z,ПаСуммарные потеридавления ∆P, Пасолнечного коллектора с несколькими меандрообразными трубкамиПримечания12345678910117-7'0,065100,6400200021,73906,005906,0031 калачζ=0,7;∑(RL+Z)5906,00= 0,6 м в.ст.Если использовать одну меандрообразную трубку, то, как видно из таблицы2.7, величина суммарных потерь давления не позволит использовать маломощныйнасос, что приведет к увеличению стоимости системы отопления.

Использованиетрубок большего диаметра позволит снизить суммарные потери давления, однакоэто значительно увеличит стоимость солнечного коллектора.Если обратить внимание на формулы (1.16) и (1.17), то можно увидеть, что сувеличением ширины изолированного ребра коллектора, эффективность прямогоребра гелиоустановки прямоугольного профиля уменьшается, а следовательноуменьшается и эффективность солнечного коллектора. При использовании однойтрубы ребром коллектора будет являться вся площадь коллектора и поэтомуможно сделать вывод, что использование нескольких трубок коллектора сменьшейвеличинойсолнечного коллектора.ребрапозволитповыситьэффективностьплоского66 Таблица 2.7. Гидравлический расчет тепловоспринимающих труб плоскогоУчастокРасход воды G, л/сДлина участка L, мДиаметр наружный Dн , ммСкорость воды V, м/сУдельные линейные потеридавления R, Па/мЛинейные потери давленияRL, ПаСумма коэффициентовместных сопротивлений ΣζПотери давления наместные сопротивления ZСуммарные потеридавления ∆P, Пасолнечного коллектора с одной меандрообразной трубкойПримечания13456789101112Диаметр трубы 12 мм1-1'0,363110230009300021,743400,00136400,0031 калачζ=0,7;8750,0021500,0025 калачейζ=0,7;Диаметр трубы 22 мм1-1'0,36252215101275017,5Вывод: Гидравлический анализ тепловоспринимающих труб плоскогосолнечного коллектора показал, что при использовании меандрообразных каналовтеплоносителя стандартного размера можно разместить трубопровод, длинакоторого в 2,5 раза больше длины корпуса коллектора, существенно увеличив приэтом время нахождения теплоносителя под воздействием солнечного излучения.При этом суммарные потери давления в трубопроводе коллектора оказалисьотносительно невысоки, что позволит увеличить скорость теплоносителя с цельюперехода от ламинарного течения к турбулентному, что в свою очередь увеличиткоэффициент теплоотдачи от трубы к жидкости, а следовательно и КПД плоскогосолнечного коллектора.