Диссертация (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 2

Фрида [14], гелиоресурсы Иркутской области оченьбогаты и почти равны таковым в Крыму, который в СССР был избран длясооружения первой солнечной электростанции. Прямая солнечная радиация наперпендикулярную поверхность в Иркутске всего на 3 % меньше, чем вЕвпатории. Во многих местах Приангарья солнечное сияние продолжается более2000 ч/год и превышает этот показатель для Кисловодска.

Средняя суточнаяпродолжительность солнечного сияния на юге Иркутской области равна 6,6 ч, а вГрузии – 5,5 ч. Основным препятствием распространения гелиотеплоснабжения вСибири является высокая стоимость вакуумных коллекторов и снижение КПДплоских гелиоколлекторов с уменьшением температуры наружного воздуха.Учитывая вышеописанные факты, можно сделать вывод, что в ВосточнойСибири, наравне с Краснодарским краем, есть возможность организации научноисследовательской лаборатории по изучению потенциала солнечной энергетики.6К настоящему времени известно множество подходов к решению задачтепломассопереноса в системе солнечного теплоснабжения, которые не всегдаучитывают гидравлические характеристики системы и климатические условия.Поэтому важно еще на стадии разработки солнечного коллектора выявитьэффективность тех или иных конструктивных решений.

Это можно сделать припомощи математического моделирования процессов тепломассопереноса вплоском солнечном коллекторе.Анализ различных моделей плоских солнечных коллекторов и опыта ихприменения показали, что большинство из них малоэффективны в регионах схолодным климатом. При этом солнечная активность в большей части данныхрегионовимеетвысокийуровень.Основнойпричинойэтогоявляетсяориентированность производителей коллекторов на их использование в районах степлым и умеренным климатом. Поэтому теплоизоляционные параметрыгелиоустановок оптимальны для данных регионов, но в регионах с холоднымклиматом они показывают худшие результаты.Степень разработанности темы диссертации.

Исследованием процессовтепломассопереноса в различных средах, а также направлениями солнечнойэнергетики и проектированием солнечных коллекторов занималось множествороссийских и зарубежных ученых, которые отражали свои исследования внаучных статьях, учебных пособиях и диссертационных 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 [15], У. Блэк [15], В.П.Исаченко, Ю.И. Шаров [16], А.С. Сукомел, Е.А. Краснощеков, В.И. Крутов [17],С.А. Кляйн, Г.Ц. Хоттель, Б.Б. Вёрц, Дж. Твайделл, А.Уэйр, Г.П. Гарг, П.А.Хаванов [18], В.Г. Гагарин [19], В.И. Бодров [20], П.В Садилов [21], М.Н.Чекардовский, М.П. Калашников, И.А. Галимов [22], Л.Ю. Уразаева [22], У.Х.Газиев [23], В.В. Нащокин [24], Л.В. Арнольд [25].На тему солнечной энергетики был написан ряд диссертационных работ.Среди них работа кандидата технических наук Митиной И.В. [26], в которой онаописывает повышение эффективности солнечных коллекторов при применении7вакуумированных стеклопакетов; работа кандидата технических наук РахноваО.Е.

[27], где рассматриваются экологические проблемы развития современнойэнергетики,технологиипреобразованияэнергиисолнечногоизлучения,наблюдения и расчеты солнечного излучения и экспериментальные исследованияэффективности солнечных коллекторов; работа кандидата технических наукСулейманова М.Ж. [28], где описывается экспериментальное исследованиетеплотехнических характеристик солнечных коллекторов и водонагревательныхустановок; работа кандидата технических наук Такаева Б.В. [29] на тему«Разработкавоздушногосолнечногоколлектораспрозрачнойтепловойизоляцией и оптимизация систем солнечного теплоснабжения»; работа кандидататехнических наук Трошкиной Г.Н.

[30], где описаны методы расчета системсолнечноготеплоснабжения,исследованиетеплоизоляционныхсвойствпрозрачной сотовой тепловой изоляции, расчет теплопотерь коллектором исоединительными трубопроводами и т.д.; работа кандидата технических наукПетренко В.Н. [31], в которой описана автоматизации система управленияэнергокомплексом на базе гелиоустановки.Цель и задачи. Целью данной работы является разработка способаповышения эффективности процессов тепломассопереноса в плоском жидкостномсолнечном коллекторе, используемом в системе отопления и ГВС, за счетприменения меандрообразных тепловоспринимающих трубок, с последующейоптимизацией гидродинамического режима потока теплоносителя.-исследование возможности использования потенциала солнечнойэнергетики в Восточной Сибири при помощи солнечных коллекторов;-расчет процессов тепломассопереноса в плоском солнечном коллектореи поиск технических решений по повышению эффективности гелиоустановки приработе в климатических условиях, приравненных к Крайнему Северу, таких какклиматическая зона Восточной Сибири;-разработка новой конструкции солнечного коллектора с применениемновых технических решений;8-проектированиеисборкаиспытательногостендасолнечныхколлекторов;-разработка методики испытания нового коллектора;-сравнительныйанализновогосолнечногоколлекторасужесуществующими.Второстепенными задачами являются:-изучение мирового и российского рынков солнечных коллекторов иконкурентоспособности нового солнечного коллектора на этих рынках;-применение солнечного коллектора с новой конструкцией в системахтеплоснабжения различных объектов.Объектомисследованияявляетсяплоскийсолнечныйколлектор,разработанный с учетом климатической зоны Восточной Сибири.Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса вплоских солнечных коллекторах и влияние их конструктивных особенностей напротекание данных процессов.Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:1.Впервыеметодомматематическогомоделированиядоказаноувеличение температуры теплоносителя на выходе из плоского жидкостногосолнечногоколлекторазасчетприменениямеандрообразныхтепловоспринимающих трубок.2.Впервые разработана методика повышения эффективности солнечногоколлектора посредством увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки трубыктеплоносителюзасчетизменениягидравлическогорежимапотокатеплоносителя в меандрообразных тепловоспринимающих трубках.3.Разработан новый теплообменник плоского солнечного коллектора,состоящий из меандрообразных трубок для нагревательной текучей среды,минимизирующий гидравлические сопротивления и повышающий эффективностьсолнечного коллектора за счет уменьшения ширины его прямого изолированногоребра.94.Полученафизическаямодельдляопределениятемпературытеплоносителя на выходе из солнечного коллектора в зависимости от длиныканалов и начальной температуры.5.Впервые разработана экспериментальная методика для испытанийразличных гелиоустановок в натурных условиях г.

Иркутска, проводимых наразработанном экспериментальном стенде.6.Экспериментальнымпутемопределенанеэффективностьиспользования плоских солнечных коллекторов при температуре наружноговоздуха ниже - 15 оС.Теоретическую и практическую значимость диссертационной работысоставляют:-Новый тип плоского солнечного коллектора SUN 1, который можетэффективно применяться как в районах с теплым и умеренным климатом, так и склиматическими условиями, приравненными к Крайнему Северу, и которыйобладаетулучшеннымитеплоизоляционнымисвойствамииканаламимеандрообразной формы, которые, в свою очередь, обладают сравнительнонизким гидравлическим сопротивлением и позволяют повысить температурутеплоносителя на выходе из солнечного коллектора. Данная гелиоустановкаполностью собрана из местных материалов, обладает ремонтопригодностью,невысокой стоимостью и хорошей конкурентоспособностью на отечественномрынке солнечных коллекторов.

SUN 1 может использоваться на любых объектах.-Физическая модель для определения температуры теплоносителя навыходе из солнечного коллектора и установленные пределы использованиягелиоустановок позволят расширить исследования гелиосистем, используемыхдля отопления и горячего водоснабжения, а также разработать эффективныепроектные решения.-Разработанный и собранный экспериментальный стенд, являющийсяединственным в Восточной Сибири, позволяет проводить испытания любыхтипов коллекторов, а также обеспечивать учебный процесс для специальностейбакалавриата, магистратуры и курсов повышения квалификации.10-Разработанная методика эксперимента может быть использована как виспытаниях солнечных коллекторов, так и в лабораторных практикумах.-Представленная в данной работе методика расчета количествасолнечных коллекторов, необходимого для отопления и горячего водоснабженияобъектов, может применяться для любых типов зданий.Методологияиметодыдиссертационногоисследования.Длядостижения поставленной цели в работе использовались методы наблюдения исравнения,методытеоретическиелабораторногоисследования,ипромышленногополученныеметодомконструирования,математическогомоделирования процессов тепломассопереноса в системах твердое тело-твердоетело и твердое тело-жидкость в плоских солнечных коллекторах, с последующимэкспериментальным подтверждением полученных результатов.

Кроме того,использовались климатические данные, полученные на основе практическихнаблюдений различных метеостанций на протяжение последних 30 лет.Положения, выносимые на защиту:-Новый теплообменник плоского солнечного коллектора, состоящий измеандрообразных трубок для нагревательной текучей среды, минимизирующийгидравлические сопротивления и повышающий эффективность солнечногоколлектора за счет уменьшения ширины его прямого изолированного ребра.-Новая конструкция плоского жидкостного солнечного коллектора смеандрообразными тепловоспринимающими трубками, пониженным полнымкоэффициентом тепловых потерь и низким гидравлическим сопротивлением.-Физическая модель определения температуры теплоносителя на выходеиз солнечного коллектора в зависимости от длины каналов и начальнойтемпературы.-Методикаопределениянеобходимогоколичествасолнечныхколлекторов для теплоснабжения объекта с последующим применениемэнергосервисных контрактов.Степень достоверности результатов.

В ходе исследований и расчетов,проведенных в данной работе использовались источники и научные работы11признанных российских и мировых ученных. Достоверность результатов былаподтверждена экспериментально при помощи поверенных измерительныхприборов.Личный вклад автора в получении результатов. Разработка методов,экспериментальныеисследования,атакжеобработкаэкспериментальнойинформации, представленные в диссертации, проводились лично автором. Авторпринимал активное участие в обсуждениях и опубликовании результатов.Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работыдокладывались:1.Всероссийскаянаучно-практическаяконференция"Ресурсоэнергосбережение в строительстве и системах жизнеобеспеченияурбанизированных и малонаселенных территорий», ФГБОУ ВПО ИрГТУ,г.Иркутск, 25 ноября 2011 г.2.Научно-практическаяБайкалТЭК-2012конференция"Ресурсоэнергосбережениесвмеждународнымстроительствеиучастиемсистемахжизнеобеспечения урбанизированных и малонаселенных территорий", ФГБОУВПО ИрГТУ, г.