автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Энергоустановка для теплоснабжения потребителей с использованием солнечных нагревателей в климатических условиях Ирака

На правах рукописи

Мохаммед Камил Али Гази

ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ИРАКА

05.14.01- Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АПР 2015

005566808

Новочеркасск - 2015

005566808

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М-И. Платова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ефимов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Амерханов Роберт Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».

Воронин Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и экспертиза недвижимости» ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН)

Защита состоится 15 мая 2015 г. в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.08, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» в аудитории 149 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» http://www.npi-tu.ru/.

Автореферат разослан «¿^ » /¿¿¿у? 201^ года.

Ученый секретарь ,г<"Т

диссертационного совета Батищев Денис Владимирович

Актуальность избранной темы: В настоящее время в мировой практике для отопления и горячего водоснабжения применяеться котельная техника, не эффективно использующая дорогое органическое топливо. При этом расходуется определённое количество дефицитного природного газа. Такая схема использования топлив считается не рациональной, так как большие затраты расходуются на организацию и транспорт подвода тепла к потребителю. Поэтому многие страны при теплоснабжении переходят на малую распределённую энергетику, базирующуюся на возобновляемых источниках энергии - солнечных нагревателях и тепловых насосах.

В регионах, где имеется достаточное количество солнечной радиации в зимний и осенне-весенний периоды года, считается эффективным применение солнечной энергии для нагрева воды с целью отопления и горячего водоснабжения.

Работая по принципу объединения традиционных и нетрадиционных источников энергии, лучше всего использовать солнечные коллекторы, которые при воздействии прямых солнечных лучей дают возможность получать дешевую и дефицитную теплоэнергию. Это позволяет снижать стоимость потребляемой энергии.

Степень разработанности темы:

История применения солнечных нагревателей для теплоснабжения зданий начиналась с 1890-х годов, когда впервые были применены крышные солнечные водонагреватели. С 1920-х годов началась массовая установка солнечных нагревателей для производственных целей в Америке, а затем в Японии и других странах

В 1980-х годах были проведены первые работы по установке солнечных энергосистем в Армении под руководством О.С. Попеля, который в настоящее время ведет работы по возобновляемым источникам энергии в ФГБУН ОИВТ РАН.

К известным зарубежным исследователям солнечной теплоэнергетики относятся Дж. Даффи, У. Бекман, А.К. Сотерис, В.А. Амиратам, С. Фабио и др., работы которых анализируются в диссертации.

Настоящая работа носит законченный характер по практическому применению солнечных энергетических установок в климатических условиях Ирака. В диссертации определены возможности солнечной радиации в регионе; разработаны варианты схем солнечных энергоустановок; даны рекомендации по применению и регулированию процессов энергоснабжения.

Цель работы: Разработка конструктивных схем и режимов работы системы отопления и горячего водоснабжения с использованием солнечных нагревательных установок и теплообменников в климатической зоне Ирака.

Задачи исследования: - проведение системного анализа существующей в настоящее время информации по солнечным энергоустановкам и характеристикам солнечной радиации в

з

климатической зоны Ирака; -разработка математической модели для прогнозирования использования солнечной радиации в условиях регионального климата Ирака;

- с помощью математического моделирования и экспериментально проанализировать эффективность работы солнечных нагревателей и бойлерных теплообменников при различном конструктивном и схемном их исполнении;

- разработка технологических схем и режимов работы солнечной энергоустановки, позволяющих регулировать температуру воды на теплоснабжение потребителей.

Научная новизна работы:

1. С помощью математического моделирования и компьютерной программы с учетом некоторых статистических данных впервые определены характеристики изменения ежедневной, сезонной и годовой солнечной радиации в климатической зоне Ирака осредненные за двадцатипятилетний период наблюдений.

2. Установлено впервые, что максимальное количество солнечной энергии в условиях г. Мосул (Ирак) можно получать на наклонную плоскость солнечного коллектора с сентября по апрель с постоянным углом наклона 75°, а с апреля по сентябрь при изменяющемся угле наклона от 75° до 0° и обратно.

3. Разработана математическая модель и компьютерная программа, которая отличается от известных тем, что учитывает оригинальные особенности конструкции плоских солнечных нагревателей и позволяет определять для них основные тепломеханические характеристики нагрева воды.

4. Разработана новая методика регулирования температуры нагрева воды на отопление и горячее водоснабжение, отличающаяся тем, что в процессе регулирования изменяется расход теплоносителя первого контура, что позволяет поддерживать температуру теплоснабжения в заданных пределах.

5. Разработана технологическая схема и режимы работы солнечной водонагревательной системы, отличающаяся тем, что применено вместо одного три параллельно соединенных бойлерных теплообменника, которые позволяют при поочередном отключении их изменять расход теплоносителя первого контура и, таким образом, регулировать температуру воды для теплоснабжения потребителя.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- Решена задача расчета и применения солнечных энергоустановок для отопления и горячего водоснабжения с учетом суточного, месячного, сезонного и годового изменения солнечной радиации в условиях Ирака.

-Предложенные методические разработки по расчету теплообменников для солнечных энергоустановок рекомендуется использовать в проектных организациях.

- Методы регулирования температуры воды на отопления и горячее водоснабжение рекомендуются для применения в организациях, занимающихся монтажом, наладкой и эксплуатацией солнечных энергоустановок.

Методология и методы диссертационного исследования:

В работе проведен анализ информации по вопросу исследований; выявлены проблемы; поставлена задача на исследование; проведены теоретические исследования; создана опытная установка, на которой проведены эксперименты по исследованию процессов в теплообменниках; даны рекомендации по расчетам величин солнечной радиации и теплообменников и возможности их использования в климатических условиях Ирака.

В работе над диссертацией использовались, как теоретические методы с разработкой математического моделирования по определению почасовой солнечной радиации в течение года и процессов в солнечных и бойлерных теплообменниках, так и экспериментальные исследования процессов происходящих в бойлерах.

Положения, выносимые на защиту:

- новые технические решения по применению солнечных энергоустановок для теплофикации в условиях Ирака;

- математическая модель и компьютерная программа для расчета теплообменников солнечной энергоустановки;

-метод регулирования температуры нагрева воды для отопления и горячего водоснабжения.

Степень достоверности исследования: Степень достоверности полученных результатов высокая, так как обеспечивается применением передовых компьютерных средств численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в вычислительных задачах, и хорошим соответствием получаемых результатов с экспериментальными данными.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей, для которых использовались фундаментальные законы тепломассообмена с учетом физических особенностей исследуемых процессов и с применением современных вычислительных средств (Microsoft Excel, Grapher, Microsoft Visual Basic 6.0, AutoCAD 2010, Microsoft Visio). Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров.

Реализация результатов исследования. Результаты работы внедрены в:

- курсах дисциплин «Нетрадиционная энергетика» и «Природоохранные технологии в энергетике», проводимых для студентов и бакалавров на кафедре ТЭСиТ; имеется акт внедрения;

- научно-производственной деятельности ООО НПП «Донские технологии»; имеется акт внедрения.

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались на:

- II международной научной конференции (Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2013.

- XXI международной заочной научно-практической конференции (Научная дискуссия: вопросы технических наук), Москва, 2014.

- Региональной научно-технической конференции (Студенческая научная весна-2014), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014.

- XII международной научно-практической конференции (Современные энергетические системы и комплексы и управление ими), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014.

- VII международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов (Энергосбережение - теория и практика), Москва, 2014.

- XXXVI Сессии Всероссийского научного семинара «Кибернетика энергетических систем»- 2014: / Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ)-Новочеркасск: ЮРГПУ.

Личный вклад автора состоит в:

- проведении системного анализа существующей в настоящее время информации о солнечных энергоустановках, в том числе и в условиях Ирака;

- разработке математических моделей и компьютерных программ расчета характеристик солнечной радиации в условиях Ирака и теплообменников солнечных энергоустановок;

- создании экспериментального стенда и проведении исследований режимов работы тестовых теплообменников с имитацией нагрева от солнечных нагревателей;

- разработке методов регулирования температуры нагрева для целей теплофикации от солнечных энергоустановок.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и ее структура: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и 6 приложений. Содержит 172 страниц, 64 иллюстраций, 8 таблиц. Список используемых источников включает 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулирована цель работы и перечислены решаемые задачи, представлена научная новизна и практическая значимость, дан общий вывод оценки расчетных результатов.

В первой главе проведен анализ использования энергетических комплексов и солнечных систем, которые подразделяются на концентрирующие и не концентрирующие солнечные системы, их температурных диапазонов, и возможность применения каждой системы на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Проведен анализ температур и количества солнечной энергии, попадающей во всех районах Ирака. Эти данные могут применяться для построения систем теплоснабжения на основе использования нетрадиционной энергии солнечного

излучения, которая является одним из надежных источников энергии в связи с географическим положением Ирака в солнечном поясе на Земле.

В работе представлен обзор предыдущих исследований, направленных на определение ряда параметров, которые влияют на работу солнечного коллектора. Так как теплообменник является ключевым компонентом в пароводяной системе отопления, часть раздела представляет собой обобщение исследований, посвященных кожухотрубным теплообменникам. На основании анализа информационных источников была поставлена и решена задача, отвечающая следующим требованиям:

- Прогнозирование почасового объема солнечного излучения в условиях климата г. Мосул (Ирак), которое падает, как на горизонтальную, так и на наклонную панели в зависимости от количества ежемесячной средней радиации, на основе построения математической модели и компьютерной программы, и сравнение результатов двух различных вариантов расчета для получения достоверного результата.

- Построение математической модели и компьютерной программы для прогнозирования тепловой работы активной системы плоского солнечного коллектора для климатических условий г. Мосул (Ирак), соединенного с системой бойлерных теплообменников отопления и горячего водоснабжения.

- Построение экспериментального стенда для анализа тепловых и гидравлических режимов работы кожухотрубного теплообменника для получения таких данных, как тепловая нагрузка, общий коэффициент теплопередачи и потери давления.

- Анализ существующих технологических схем и разработка новых способных эффективно проводить регулирование температуры горячей воды.

Во второй главе разработана математическая модель и компьютерная программа для прогнозирования солнечной радиации ежечасно поступающей на земную поверхность при прямом, рассеянном и общем солнечном излучение, основанное на ежемесячном среднедневном значении общего количества радиации, вычисленное для горизонтальной поверхности но условиям климата г. Мосул (Ирак) (широта: 36.19 Ы, долгота: 43.09 Е, высота: 223 м над уровнем моря). Это математическое исследование состояло из двух процедур анализа, во-первых, солнечное излучение на горизонтальной поверхности, а во-вторых, солнечное излучение на наклонной панели.

Среднее дневное распределение солнечного излучения является одним из ключевых параметров для многих сфер солнечной энергетики. Оно дает основу для прогнозирования мгновенного солнечного излучения, исходя из средних ежемесячных показателей дневного излучения. Регионам, для которых отсутствуют данные по замерам солнечного излучения, для их определения можно использовать эмпирические уравнения, разработанные целым рядом исследователей. Иногда

проектирование солнечных энергосистем требует точных значений часовой суммы солнечной радиации, которые можно определять на основе дневных показаний.

Общее часовое значение солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, (/,Л, Вт/м"), может быть вычислено из общей дневной радиации, Н, кДж/м2, в день с учётом параметра времени V, 1/с, определяемое по уравнению Дж.Даффи и У.Бекмана:

УН

3.6

24

соз(н')-соз(>1'л)

8т(мЛ--—•'И', •СОз(и'.)

; 180 5 у ''

где

дг = 0.409+0.51 бвт^е, -60) >> = 0.6609+ 0.467зт(^-60) . Солнечная радиация при любом часовом угле (уу) определяется как:

(1)

(2)

(3)

(4)

Е,,=1\ 1 + 0.033 сое

360 Ли

365 [с°8(ф)соз(б)соз(11') + зт(ф)5т(5)] , (5)

где 1ЗС - солнечная постоянная равная 1367 Вт/м2; Ап - количество дней года до момента измерения, считая с 1 января; ф - угловое расположение к северу или югу от экватора. Значение широты варьируются от -90° до 90°; 6 - это наклон земной оси по отношению к восходящему солнцу в астрономический полдень.

Общая солнечная радиация состоит из прямой радиации, идущей прямо от солнечного диска и диффузной компоненты, рассеянной по поверхности от купола неба, которая зависит от яркости и может быть определена из уравнения Колларес-Перейра и Рабл. Среднее дневное рассеянное излучение Нл определяется как:

На =я(0.775 + 0.0060б(и'л.-90)-[0.505 + 0.00455(н',-90)]со8(115^г.-103)) . (6)

Часовые значения рассеянной солнечной радиации могут быть вычислены из уравнения Лю и Джордана как:

24 ««(и1) —««(м^)

л • / \ ЯИ', / ч

(7)

Прямая компонента солнечной радиации на горизонтальную поверхность земли в этом случае определяется из уравнения:

Ал = Ал - Л/ • (8)

Общая солнечная радиация на наклонной поверхности представляется суммой прямой, рассеянной и отраженной радиацией как:

/1 + соз(Р)"

2

= + / Д1-4)

1 + 1 + 0.2/,,,

-С08(Р)

2

где А, - это показатель анизотропии, который моделирует часть рассеянной радиации, которая должна рассматриваться как рассеянная в дальнейшем; К/, - это часовой геометрический фактор; / - коэффициент поправки на облачность; р - это угол между наклоном интересуемой поверхности и линией горизонта; - часовой угол, для которого зенитный угол составляет 90°.

Рис. 1 Колебания среднемесячной дневной солнечной радиации по месяцам в период 1980-2005 гг

а) б)

Рис. 2 Изменения часовых значений максимально расчетной солнечной радиации на горизонтальной (а) и на наклонной (б) поверхности в течение года

В главе представлен анализ данных часовой солнечной радиации в зависимости от среднемесячных значений общей дневной солнечной радиации на протяжении 25 лет (1980-2005) (рис. 1), измеряемых на горизонтальных

поверхностях в районе г. Мосул в Ираке. На рис. 2,а показаны часовые значения максимально расчетной солнечной радиации на горизонтальную поверхность 21-го числа каждого месяца с февраля по декабрь осредненные за 25 лет. Часовые значения максимально расчетной радиации увеличивается с февраля по июнь примерно на 54,3%, а затем снижается с июня по декабрь на 75,3%.

На рис. 2,6 представлены расчетные часовые значения максимальной солнечной радиации на наклонной поверхность 21-го числа каждого месяца с февраля по декабрь осредненные за 25 лет (угол наклона указан на графике, рис. 2,6). Тенденция изменения солнечной радиации такая же, как и на горизонтальной поверхности. Расчетные часовые значения максимальной радиации увеличиваются с февраля по июнь на 29,1%, а затем снижается с июня по декабрь на 45,9%. Графики рисунков 2,а и 2,6 доказывают, что количество получаемого солнечного излучения на поверхности зависит от её наклона, а увеличение почасового излучения на наклонную поверхность в сравнении с горизонтальной поверхностью составляет примерно 46,4 % и 39 % для весны и осени соответственно.

300

1 51 101 151 201 251 301 351 Дни года

Рис. 3 Оптимальные углы наклона на протяжении года для солнечного коллектора и соответствующие ему значения общего солнечного излучения в г. Мосул

На рис. 3 показаны углы наклона, которые позволяют получить максимальные количества радиации и соответствующие ему солнечное излучение. Диапазон углов наклона, которые поддерживают оптимальную солнечную радиацию, равен 0°-75° к горизонтальной поверхности. Очевидно, чтобы получить максимальное количество солнечной радиации из коллектора в период с сентября по апрель, угол наклона необходимо держать практически постоянно равным 15°, в то время как соответствующие значения для периода с апреля по сентябрь получаются при изменяющемся угла наклона с 75° до 0° в июне и затем с 0° до 75° в сентябре.

В третьей главе дан теоретический анализ технологических схем передачи радиации на землю, солнечные коллекторы и теплообменники, и описаны варианты построения теплосистемы, работающей от солнечной энергии.

При стабильных условиях полезное тепло, полученное солнечным коллектором, равно энергии, поглощенной теплоносителем, за вычетом потерь тепла в окружающую среду. Полезная энергия может быть определена как:

(10)

& = [/„(та)-и^-Та)] = тСр(Тп - Г,) ,

где Ас - это общая площадь апертуры коллектора, м ; /п - общая (прямая и рассеянная) солнечная энергия, попавшая на апертуру коллектора, Вт/м2; т -проницаемость поверхности (стекла); а - коэффициент, учитывающий поглощение пластиной; С4 - общий коэффициент потери тепла солнечного коллектора Вт/(м2К); Tj — температура жидкости, попадающей в коллектор, °С; Та - температура окружающей среды, °С; т — массовый расход жидкости, проходящей через коллектор, кг/с; Ср - удельная теплоемкость жидкости в коллекторе, Дж/(кг К); Та -температура жидкости, выходящей из коллектора, °С; - фактор теплоотвода коллектора. Фактор теплоотвода коллектора учитывает разность температур пластины коллектора и жидкости теплоносителя на входе.

= тСр_(_

АРА

ехр

-АРУ? тСр

(П)

а) б) в)

Рис. 4 Типы расположения труб в плоском коллекторе

Если эффективность третьего варианта (рис.4,в) выполнения плоских коллекторов принять за 100 %, то эффективность первых двух вариантов (рис. 4,а и 4,6) в зависимости от конструктивной схемы расположения труб внутри коллектора будут равны 10,3 % и 5,8 % по отношению к третьему варианту соответственно.

В главе проанализированы режимы работы системы «солнечный коллектор-теплообменник» при различных вариантах соединения панелей 1 (рис.5) (параллельное б, г, последовательное а, в) и различных вариантах соединения бойлерных теплообменников 2 (в трубы а, б и межтрубное пространство в, г). Конструктивно схема рассматриваемой энергоустановки состоит из 24 плоских солнечных коллекторов, с ориентацией на юг. Каждый коллектор имеет размеры в 2 м в длину, 1,5 м в ширину, расстояние между медными трубами внутри коллектора 10 см, с внутренним и внешним диаметрами 14,5 мм и 21 мм.

Солнечные коллекторы 1 насосом 4 питают теплоносителем систему теплообменников 2 по замкнутому контуру. Система теплонагрева состоит из трех кожухотрубных теплообменников. Эта система может работать с одним, двумя или тремя теплообменниками, соединенными параллельно друг с другом. В главе анализировались режимы работы, когда теплоноситель первого, замкнутого контура подводился как в трубное, так и в межтрубное пространство.

-шж

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 5 Конструктивные схемы солнечной установки 1- солнечный коллектор, 2- кожухотрубный теплообменник, 3- шиберная задвижка, 4- насос , 5- первый контур теплоносителя.

В таблицах 1 и 2 даны результаты анализа систем «солнечный коллектор -теплообменник» при различном соединении коллекторов и в трубное и межтрубное пространство теплообменников.

Таблица 1

Характеристики системы «солнечный коллектор - теплообменник» при соединении _солнечных коллекторов в межтрубное пространство теплообменников_

Соединение солнечных коллекторов Солн. Колл. ДТ СО Нагрузк а теплооб менник а (кВт) Коэф. теплопередач и в теплообменнике кВт/(м2 К) Падения давления в трубном (Па) Падения давления в межтрубном, (кПа) Эффективно сть солн. колл.%

Макс Мин. Мин. Макс

Последовательный 21 Дек. 21,5 5,67 14,27 1,294 850 118,5 48,3 82,7

21 Июн. 55,8 23,5 42,04 1,31 849,9 112

Параллельный 21 Дек. 13,09 3,9 7,56 1,292 850,31 120,1 29,4 57,6

21 Июн 34,3 16,3 27,21 1,3 850,1 114,4

Таблица 2

Характеристики системы «солнечный коллектор - теплообменник» при соединении _________в трубное пространство теплообменников_

Соединение солнечных коллекторов Солн. Колл. ДТ (•С) Нагрузк а теплооб менник а (кВт) Коэф. теплопереда чп в теплообмен нике кВт/(м2 К) Падения давления в трубном (Па) Падения давления в межтрубном, (кПа) Эффективно сть солн. колл.%

Макс Мин. Мин. Макс

Последов-ательнын 21 Дек. 18,94 3,22 13,88 0,675 94,96 61,73 48,58 83,68

21 Июн. 49,01 13,35 41,76 0,783 89,18 58,45

Параллельный 21 Дек. 12,09 2,54 7,53 0,667 95,11 61,6 31,02 66,64

21 Июн 31,71 10,62 28,53 0,765 89,67 59,13

В таблицах 3 и 4 даны результаты анализа при последовательном и параллельном соединении солнечных панелей при работе первого контура на один, два и три бойлерных теплообменника.

Таблица 3

Нагрузки системы «солнечный коллектор - теплообменник» при соединении

Соединены Нагрузка теплообменника (кВт)

1 теплообмен ника 2 теплообме нников 3 теплообменн иков Различие между 1 и 2 теплооб. % Различие между 1и 3 теплооб.%

Последовательный 21 Дек. 14,27 7,13 4,76 50 66,67

21 Июн. 42,04 21,02 14 50 66,67

Параллельный 21 Дек. 7,56 3,78 2,52 50 66,67

21 Июн 27,21 13,6 9,07 50 66,67

Таблица 4

Коэффициента теплопередачи в системе «солнечный коллектор - теплообменник» при соединении солнечных коллекторов со сложной системой теплообменников

Соединены общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике (Вт/м2 К)

1 теплообме нника 2 теплообме нников 3 теплообменн иков Различие между 1 и 2 теплооб. % Различие между 1 и 3 теплооб. %

Последовательный 21 Дек. 1,294 1,2 1,14 7,04 12

2! Июн. 1,31 1,23 1,17 5,83 10,2

Параллельный 21 Дек. 1,292 1,19 1,13 7,22 12,25

21 Июн 1,3 1,22 1,16 6,26 10,83

Анализ таблиц 1 — 4 показывает, что наибольшей эффективностью обладают технологические схемы систем «солнечный коллектор - теплообменник» при последовательном соединении солнечных коллекторов и с тремя параллельно подключенными теплообменниками.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований работы кожухотрубных теплообменников.

(а) (б)

Рис. 6 Схема экспериментального стенда 1-теплообменник; 2- насос холодной воды; 3- насос горячей воды; 4- шиберная задвижка; 5- перегреватель; 6- нагревательный элемент; 7- бак холодной воды; 8- поплавок; 9- подвод горячей воды; 10- подвод холодной воды; 11- в канализацию.

Схема испытательного стенда изображена на рис. 6. Он состоит из тестовой секции кожухотрубного бойлерного теплообменника, систем для циркуляции воды, насосов, панелей управления и измерительных инструментов.

Холодная вода подается из бака 7 постоянного уровня объемом в 250 л. Вода прокачивается одноступенчатым центробежным насосом 2 из бака через тестовую секцию 1. Горячая вода также прокачивается одноступенчатым центробежным насосом 3 из другого нагревающегося бака 5 объемом в 250 л через тестовую секцию 1 и возвращается в нагревающийся бак 5 для перегрева. Вода в перегревателе нагревается четырьмя нагревательными элементами общей электрической мощностью в 12 кВт, Определенное расположение нагревательных элементов с использованием термостата с диапазоном температур в 30-80 °С обеспечивает контроль над температурой воды в процессе испытаний. Движение холодной и горячей воды контролируется задвижками, расход измеряется при помощи вертикальных ротаметров с переменным сечением.

|

I 1 с 1

I

а) б)

Рис. 7 Изменение нагрузки на теплообменник (а) и коэффициент теплопередачи (б) в зависимости от расхода технологической жидкости

0.2 0.24 0.28 0*2 0.36 04 0 44 0 4« 0.52 Расход (кг/с)

.2 0.24 0.28 0.32 0 36 04 0 44 0-18 0.52 Расход (кг/с)

при температуре на входе трубки 60 'С

—4—0194нг/с рабочей жидкости 0 237 кг/с рабочей жидкости —е-0 28 кг/с рабочей жидкое !и

при температуре на входе трубки 60 "С

—♦—0 194к;Д рабочей жидкисш -•-О ¿¡/кг/с рабочейжидкое 1 и • О 28 кг/с рабочей жидк.х ш

Проведенный анализ изменения процессов в системе кожухотрубного теплообменника показал различные условия теплообмена в зоне ламинарного и турбулентного движения воды (рис. 7).

Нагрузка теплообменника варьировалась в диапазоне между 2,146 кВт и 11,7 кВт, общий коэффициент теплопередачи изменялся от 220,1 Вт/(м2 К) до 693,5 Вт/(м~ К) для диапазона температур 40 - 60 °С и требуемых расходов рабочей жидкости на протяжении всего экспериментального исследования.

В пятой главе дан анализ работы солнечного коллектора, который отличается от работы традиционных нагревательных систем. Традиционные системы отопления работают на условиях, которые определяет потребитель энергии, т.е. изменение нагрузки потребления происходит за счет увеличения или уменьшения расхода органического топлива, подаваемого для сжигания его в котлах. В системах солнечного отопления и горячего водоснабжения изменения

15

нагрузки происходит только по «правилам» определяемым производителем, т.е. возможностями солнца обеспечивать необходимую энергию.

Традиционные циркуляционные контуры системы, объединяющие в себе солнечный коллектор и теплообменники, работают с циркуляционным насосом, который обеспечивает постоянство расхода теплоносителя в первом контуре. Работа такой схемы проанализирована в главе 3 (рис. 5). Расход теплоносителя, проходящего через солнечные нагреватели, остается постоянным, а в процессе изменения солнечной активности изменяется температура рабочей среды в циркулирующем контуре «солнечные нагреватели - теплообменники». Таким образом, в теплообменнике в первой половине дня температура повышается, а во второй начинает снижаться, как показано для летнего режима на рис. 8 (кривая 3). График показывает, что температура в теплообменнике может падать до температуры окружающей среды. При наличие автоматического регулирования, нагрев рабочей среды (кривая 4) в теплообменнике начинает работать только в тот период, когда температура солнечного нагрева (кривая 2) становится выше необходимой температуры горячего водоснабжения, например, 60 "С (зависимость 1).

Как показано в главе 4 теплообменник при постоянном расходе теплоносителя может изменять нагрузку только за счет изменения температуры теплоносителя. Такой вариант производства энергии не всегда удовлетворяет потребителя. Для него важно иметь необходимую нагрузку и при определенной температуре. Поэтому в работе рассмотрена система солнечного обогрева, работающего при постоянной температуре с изменяющейся нагрузкой в соответствии с возможностями солнечной радиации.

Как только появляется возможность получать тепло за счет солнечного излучения (на рис. 8 это происходит примерно в 6 часов утра летом), температура теплоносителя в солнечном коллекторе поднимается до необходимого значения (60 °С) при практически нулевом его расходе (кривая 5). С увеличением температуры солнечного излучения расход теплоносителя в контуре «солнечный нагреватель — теплообменник» поднимается с учетом поддержания температуры горячего водоснабжения. Во второй половине дня расход начинает снижаться по мере уменьшения возможности солнечной радиации. Расход теплоносителя становится нулевым после захода солнца (примерно в 20.00). Таким образом, при переменном расходе теплоносителя солнечная радиация будет использоваться более эффективно, чем при постоянном расходе, когда регулирование температуры в теплообменнике происходит за счет подмешивания холодной воды на выходе из теплообменников горячего водоснабжения в контуре «солнечный нагреватель — теплообменник». Эффективность второго метода регулирования температуры горячего водоснабжения подчеркивается увеличением площади между осью абсцисс и кривой 5 (рис. 8) в сравнении с площадью между осью абсцисс и кривой 4.

Т, °с

50

Рис. 8 Изменение температуры теплоносителя с постоянным расходом в зависимости от активности солнечного излучения

1 - температура горячего водоснабжения; 2 - температура, создаваемая солнечным излучением; 3 - температура рабочей среды в теплообменнике без регулирования; 4 - температура рабочей среды в теплообменнике с регулированием; 5 - температура рабочей среды в теплообменнике с регулированием при изменяющемся расходе теплоносителя; 6 - реальная температура горячего водоснабжения.

Изменения расхода теплоносителя в схеме «солнечный нагреватель — теплообменник» можно добиваться несколькими способами:

- изменением числа оборотов двигателя циркуляционного насоса;

- изменением количества параллельно работающих теплообменников;

- комбинированным способом использования насоса с переменным числом оборотов и несколькими теплообменниками, подключенными в схему параллельно.

Изменение с нагрузки с изменяющимся расходом теплоносителя для 24 солнечных коллекторов, соединенных последовательно с системой параллельно соединенных 3-х теплообменников поясняется на рис. 9. На рисунке видно, что нагрузка солнечных коллекторов изменяется от 5,23 кВт до 17,3 кВт при использовании одного теплообменника. При этом расход теплоносителя солнечных коллекторов увеличивается от 0,222 до 0,884 кг/с. При использовании двух теплообменников нагрузка возрастает от 17,3 кВт до 26,0 кВт. Расход теплоносителя при этом увеличивается от 0,611 до 1,152 кг/с. При использовании трех теплообменников нагрузка возрастает от 26,0 кВт до 41,6 кВт. Расход теплоносителя изменяется от 0,916 до 1,95 кг/с.

Рис. 9 Изменение нагрузки расходом 24-х солнечных коллекторов соединенных последовательно с теплообменниками системы

Как видно из рисунка, интервал нагрузки от 11,97 кВт до 21,82 кВт может обеспечиваться двумя способами: работой одного теплообменника либо двух теплообменников со скачкообразным изменяем расхода теплоносителя. При нагрузке 17,32 кВт может использоваться один теплообменник с расходом 0,884 кг/с или два теплообменника с расходом 0,611 кг/с. Также интервал нагрузки от 22,05 кВт до 29,99 кВт может обеспечиваться работой двух теплообменников либо трех теплообменников со скачкообразным изменяем расхода теплоносителя. При нагрузке 25,99 кВт может использоваться два теплообменника с расходом 1,152 кг/с или три теплообменника с расходом 0,916 кг/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа является новым этапом исследования, которая позволит разрабатывать эффективные энергоустановки для теплоснабжения потребителей, использующих солнечные нагреватели с учетом климатических условий республики Ирак. Эта работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции и теплотехника» Южно-Российского Государственного политехнического университета (Новочеркасский Политехнический Институт). Основные выводы и результаты:

1. В ходе исследования были определены осреднённые суточные значения солнечного излучения на основе двадцатипятилетних наблюдений, попадающие на горизонтальную и наклонную поверхности в районе г. Мосул (республика Ирак) для каждого месяца года, рассчитанные на базе математической модели и компьютерной программы, разработанной диссертантом для этой цели.

Определено, что в полдень можно получать до 950 Вт/м2 в июне и до 500 Вт/м2 в декабре общей солнечной энергии, что примерно в три раза превышает возможности солнечной радиации в Ростовском регионе России и что говорит о положительных перспективах использования солнечной энергии в климатических условиях Ирака.

2. Определены оптимальные углы наклона солнечных панелей, используемых в условиях Ирака, для всего периода года, используемых в условиях Ирака. Установлено, чтобы получить максимальное количество солнечной радиации в период с сентября rio апрель ежегодно, угол наклона солнечных панелей необходимо держать постоянно равным 75°, в то время как соответствующие значения для периода с апреля по сентябрь получаются при изменяющемся угле наклона от 75" до 0° к июню и затем от 0° до 75° к сентябрю.

3. С помощью математического моделирования и компьютерной программы, разработанной автором, была проанализирована эффективность работы теплообменников солнечных плоских нагревателей при различном их конструктивном исполнении н при последовательном и параллельном присоединении панелей, а также при различных вариантах соединения трех бойлерных теплообменников в межтрубное и в трубное пространство при параллельной схеме нх соединения. Анализ показал, что наибольшей эффективностью обладают технологические схемы систем «солнечный коллектор -теплообменник» при последовательном соединении солнечных коллекторов с тремя параллельно соединенными бойлерными теплообменниками при подводе теплоносителя первого контура в межтрубное пространство бойлеров.

4. Стендовые экспериментальные исследования тестовых кожухотрубных теплообменников в диапазоне нагрузок, получаемых от солнечных коллекторов 2,15 - 11,7 кВт в климатических условиях Ирака, подтвердили обоснованность ранее принятых решений; общий коэффициент теплопередачи от теплоносителя первого контура к теплоносителю второго контура изменялся от 220,1 Вт/(м" К) до 693,5 Вт/(м2 К) при ламинарном и турбулентном движении воды для всего диапазона требуемых температур горячего водоснабжения и расходов рабочей жидкости.

5. Разработана технологическая схема использования солнечной радиации, состоящая нз 24 солнечных коллекторов и трех теплообменников, подключенных параллельно на максимальную мощность получения тепловой энергии 42 кВт рекомендуемых к применению в климатических условиях Ирака .

6. Разработан метод эффективного регулирования подготовки горячей воды с заданной температурой в технологический схеме энергоустановки «солнечный коллектор - теплообменник» за счет изменения расхода теплоносителя первого контура при постоянном отборе воды на отопление и горячее водоснабжение. Предложен вариант такого регулирования путем изменения расхода теплоносителя за счет последовательного отключения и включения трех параллельно соединенных бойлерных теплообменников.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Рецензируемые научные издания, рекомендованные ВАК:

1. Ефимов, II.H. Перспективы использования солнечных энергоустановок в условиях Ирака / Ефимов Н.Н., Мохаммед Камил Али Гази // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2013. -№ 6. - С.57-61.

2. Мохаммед Камил Али Гази Экспериментальные исследования теплообменика солнечной энергоустановки / Мохаммед Камил Али Гази // Изв. вузов. Сев,-Кавк. регион. Техн. науки. -2014. -№ 1. - С.33-35.

3. Мохаммед Камил Али Гази Солнечная энергетика в климатических условиях Ирака / Мохаммед Камил Али Гази // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2014. -№ 4. - С.32-36.

4. Мохаммед Камил Али Гази Влияние угла наклона солнечного коллектора на создания наибольшего эффекта получении энергии излучения / Мохаммед Камил Али Гази, Ибрахим Ахмед Халид // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2014. -№ 5. - С.30-34.

Публикации в других научных изданиях:

5. Мохаммед Камил Али Гази The Configurations and operating systems of the parabolic trough solar collectors used in electricity production/ Мохаммед Камил Али Гази // Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей-2013: II международной научной конференции / Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ)- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2013- С.137-142.

6. Мохаммед Камил Али Гази Solar génération technologies used in electricity production/ Мохаммед Камил Али Гази // Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей- 2013: II международной научной конференциин / Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ)- Новочеркасск: ЮРГТУ, 2013- С. 142-147.

7. Мохаммед Камил Али Гази Classifications of the heat exchangers and its applications/ Мохаммед Камил Али Гази // Научная дискуссия: вопросы технических наук: XXI Международная заочная научно-практическая конференция/ Международный центр науки и образования, Москва- 2014 -№ 4(17) - С.167-172.

8. Мохаммед Камил Алн Гази Solar energy collectors /Мохаммед Камил Али Гази // Студенческая научная весна- 2014: материалы регион, научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж. Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ)-Новочеркасск: ЮРГПУ, 2014-С. 156-157.

9. Ибрахим Ахмед Халид Использование солнечной энергии в Ираке / Ибрахим Ахмед Халид, Мохаммед Камил Али Гази // Современные энергетические системы и комплексы, и управление ими: XII международной научно-практической конференции/ Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ)- Новочеркасск: ЮРГПУ, 2014,-С. 15-18.

10. Мохаммед Камил Али Гази Solar water heating systems / Мохаммед Камил Али Гази, Ибрахим Ахмед Халид // Современные энергетические системы и комплексы, и управление ими: XII международной научно-практической конференции/ Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ>- Новочеркасск: ЮРГПУ, 2014,- С. 40-42.

11. Мохаммед Камил Али Гази Конструктивные особенности и возможности использования кожухотрубных теплообменников // энергосбережение - теория и практика: VII международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов / энергосбережение теория и практика, Москва- 2014.

Мохаммед Камил Али Гази

ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ИРАКА

Автореферат

Подписано в печать 12.03.2015. Формат 60x84 '/|б- Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-0348.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru