автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Оптимизация работы солнечных параболоцилиндрических коллекторов

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАБОЛОЦШШНДРИЧЕ СКИХ КОЛЛЕКТОРОВ

1.1. Обзор работ по исследованию параболоцилин-рических коллекторов

1.2. Постановка задачи исследований

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБО

ЛОЦШШНДРИЧЕСКИХ КОЛЛЕКТОРОВ

2.1. Выбор оптимального диаметра трубы-приемника для параболоцилиндрического концентратора

2.2. Выбор оптимального параболоцилиндрического концентратора с приемником в виде трубы

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА НА модели КОТЛА ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОЛЛЕКТОРА

3.1. Экспериментальный стенд и методика проведения эксперимента

3.2. Обработка и обсуждение результатов экспериментальных исследований

3.2.1. Определение местных температур на поверхности трубы и качественный анализ кривых распределения этих температур

3.2.2. Определение значений средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи для различных положений трубы и их сравнительный анализ.

3.2.3. Сравнение, полученных из эксперимента, значений средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи со значениями этих коэффициентов, вычисленными по известным из литературы формулам.

3.2.4. Получение обобщенных зависимостей в 1фитериальном виде для определения средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи для данной серии экспериментов

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ЛШЕРАТУРА.

В В Е Д Е Н И Е ХХУ1 съезд КПСС определил, что главными направлениями неуклонного подъема народного хозяйства являются ускорение его перевода на преимущественно интенсивный путь развития, рациональное использование созданного производственного потенциала, всемерная экономия материальных, трудовых и финансовых ресурсов /24/. Для выполнения широкой программы экономического и социального развития страны на восьмидесятые годы в производство вовлекаются огромные сырьевые, топливно-энергетические и другие материальные ресурсы. Однако добыча сырья и топлива обходится все дороже, а запасы полезных ископаемых небезграничны. Ограниченность запасов минерального топлива, быстро растущие потребности человечества в энергии заставляют искать новые энергетиче ские источники. Одним из альтернативных источников, способным во многих случаях заменить минеральное топливо, является солнечная энергия. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывается на необходимость увеличения масштабов использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии, в том числе солнегшой энергии /24/. Наиболее перспективным и практически осуществимым направлением является использование энергии солнца для низкопотенциальных процессов отопления, горячего водоснабжения и охлаждения зданий. На эти цели в отдельных случаях приходится до 80% топлива, потребляемого городом /25/.В Советском Союзе при высоком уровне электрификации имеются обпгарные пустынные и полупустынные районы с малой плотностью населения. В этих районах находится много маломощных рассредоточеннБк потребителей, централизованное энергоснабжение которых на обозримую перспективу нецелесообразно. Доставка же топлива в такие районы встречает серьезные трудности. Между тем большинство этих районов имеет благоприятные климатические и радиационные условия, позволяющие уже в настоящее время применять солнечные установки для регулирования теплового режима зданий. К таким районам относятся пустыни, полупустыни, пустынные степи и горные районы Средней Азии и Казахстана, Несмотря на ряд преимуществ солнечной энергии, ее практическое использование не получило еще широкого распространения. Одна из причин, сдерживающих применение энергии солнечного излучения, заключается в следующем. Высокая стоимость материалов и отсутствие достаточно дешевой технологии изготовления солнечных установок, сложность и недостаточная надежность автоматического управления, малоизученность отдельных процессов, происходящих в аппаратах солнечных установок для тепло- и хладоснабжения, низкое их термодинамическое совершенство, а также различные конструктивные недостатки. Анализ литературных данных по использованию энергии солнца для низкопотенциальных процессов отопления, горячего водоснабжения и охлаждения зданий показывает, что одной из эффективных солнечных установок для комбинированного использования является параболоцилиндрический коллектор. Как для варианта отопления, так и для варианта охлаждения требуются црактически одинаковые площади поверхностей концентраторов параболоцилиндрических коллекторов. Это цреимущество позволяет рассчитывать комбинированные установки, принимая за базовый любой из двух вариантов как охлаждение, так и отопление. При этом техникоэкономические показатели комбинированной установки в целом заметно не изменяются. Тем не менее, параболоцилиндрические коллекторы имеют в настоящее время ограниченное применение, хотя и существуют отдельные конструкции, которые находятся на стадии экспериментальных или опытно-промышленных образцов. Это объясняется отсутствием оптиьальных с технико-экономической и с конструктивной точек зрения конструкций, что связано, в частности, с отсутствием удобной для инженерных расчетов и конструирования оптимизации геометрических параметров, а кроме того, с малоизученностью процессов теплообмена в котлах параболоцилиндрических коллекторов. В связи с этим, в данной работе рассматриваются вопросы, связанные с оптимизацией геометрических параметров концентратора и котла параболоцилиндрического коллектора, а также экспериментально исследован теплообмен на модели котла параболоцилиндрического коллектора,

ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных данных по оптимизации работы параболоцилиндрических коллекторов показал, что большинство работ носит частный характер. Не рассматриваются вопросы оптимизации геометрических параметров единой системы концентратор -приемник. Отсутствуют работы по экспериментальному исследованию теплообмена на моделях котлов параболоцилиндрических коллекторов.

2. Исследованы возможности оптимизации геометрических параметров параболоцилиндрических коллекторов, при этом определены зависимости, позволяющие выбрать: а) оптимальный диаметр трубы-приемника для заданного параболоцилиндрического концентратора, б) оптимальный параболоцилиндрический концентратор с заданной трубой-приемником.

3. Проведено экспериментальное исследование теплообмена на модели котла (трубы) параболоцилиндрического коллектора при горизонтальном и наклонном положениях трубы и различном положении зоны нагрева (фокальной полосы) на поверхности трубы. При этом: а) определено распределение местных температур на поверхности трубы и дан качественный анализ кривых распределения этих температур. Проведенный анализ показал, что неравномерные по окружности тепловые граничные условия (фокальный обогрев) в сочетании с наличием свободной конвекции приводят во всех случаях к неравномерному распределению по периметру и длине местной температуры Ти* на стенке труби. Кроме того, качественный анализ показал различие характеров распределения местных температур в качественном и количественном отношениях для положений трубы №№ 1,2,3,4 при трех рабочих режимах; б) определены значения средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи для положений трубы №№ 1,2,3,4. Сравнение полученных значений коэффициентов теплоотдачи показало, что перемещение зоны нагрева (фокальной полосы) по поверхности трубы влечет за собой изменение числа Nu , как при горизонтальном расположении трубы, так и при наклонном. Почти во всех случаях при перемещении зоны нагрева по поверхности трубы от ее нижней образующей на угол J& , значения числа Ми уменьшаются в среднем на 12,04% для положений трубы №1 и №2 и на 5,18% для положений Ш и М. Установка трубы наклонно под углом d = 38°, по сравнению с горизонтальным расположением, дает увеличение значений числа

Nu в среднем на 54,27% для положений №1 и №3 и на 72,9% для положений №2 и №4; в) проведен сравнительный анализ порченных из эксперимента значений средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи со значениями этих коэффициентов, вычисленными по известным из литературы формулам. Данный анализ показал, что экспериментальные значения числа Nu в среднем на 112% больше значений числа Nuj по известным из литературы формулам; г) для данной серии экспериментов получены обобщенные зависимости вида Mu-c-ftQj -K0-El и Ш-Cfiey , позволяющие определять значения средних по длине трубы коэффициентов теплоотдачи. - расход теплоносителя, кг/сек. в - количество тепла, переданного теплоносителю, Вт.

С - удельная теплоемкость, Дж/кг°С. с( - средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи, Вт/м2оС.

Tip- - местная температура стенки трубы, °С.

Tut - средняя по длине трубы температура стенки, °С.

7/ - средняя по длине трубы температура теплоносителя, °С.

Ti - среднеобъемная температура теплоносителя на входе в трубу, °С.

Ti - среднеобъемная температура теплоносителя на выходе из трубы, °С. d - наружный диаметр трубы, м.

Jsh. - внутренний диаметр трубы, м.

F ~ площадь поверхности трубы, м2.

L - длина трубы, м.

Ни - экспериментальное значение числа Нуссельта.

NUj - значение числа Нуссельта по известным из литературы формулам.

Я - коэффициент теплопроводности воды, Вт/м°С.

Gz,- —-/7и*-7/) - число Грасгофа.

У - коэффициент кинематической вязкости, м/сек. Re^- число Рейнольдса. Plj- число Прандтля. Ra=Gz:P%- число Рэлея.

1. Hassan Kamal-Eldin, El-Refaie Mohamed Fawzi. Theoretical performance of cylindrical parabolic solar concentrators.-"Solar Energy", 1973, v.15, И 3, p.219-244.

2. Дурдыев X., Давлетов А., Ходжиев M., Розыев Б. Выбор оптимального диаметра трубы-приемника для параболоцилиндри-ческого отражателя. - Известия АН ТССР, сер.ФТХ и ГН, 1977, №6, с.32-39.

3. Дурдыев X., Давлетов А., Ходжиев М., Розыев Б. Выбор оптимального параболоцилиндрического концентратора с приемником в виде трубы. - Известия АН ТССР, сер.ФТХ и ГН, 1977, №5, с.32-40.

4. Lumsdaine Edward, Cherng J.C. On exchangers used with solar concentrators. - "Solar Energy", 1976, v.18, N 2, p.157-158.

5. Lee D.O., Schimmel W.P., Ir. An axial temperature differential analysis of linear focused collectors for solar power. - "9th Intersoc.Energy Convers.Eng.Conf., San Francisco Calif., 1974, p.347-353.

6. Ramsey I.W., Gupta B.P., Knowles G.R. Experimental evaluation of cylindrical parabolic solar collector. - "Trans. ASME", 1977, С 99, N 2, p.163-168.

7. Sark I.A., Soliman S.H., Heina IT.H. Optical performance of fixed zenitmovinp azimuth parabolo-cylindrical concentrator. - "Rev.int.hiliotechn.",1977, 1er semestre,p31-34.

8. Михеев M.A. - В кн.: Теплопередача и тепловое моделирование. - М.: Энергия, Изд-во АН СССР, 1959, с.122-137.

9. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энрегия, 1973, с.73-86.

10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. -М.: Энергоиздат, 1981, с.173-190.

11. Петухов B.C., Краенощеков Е.А., Нольде Л.Д. - Теплоэнергетика, 1956, №12, с.41-47.

12. Петухов B.C., Нольде Л.Д. - Теплоэнергетика, 1959, М, с.72-80.

13. Петухов Б.С., Поляков А.Ф. - ТВТ, 1967, т.5, М, с.87-95.

14. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др./Под ред.Леонтьева А.И. Теория тепломассообмена. - М.: Высшая школа, 1979, с.244-272.

15. Юдаев Б.Н. Теплопередача. - М.: Высшая школа, 1981, с.186-190.

16. Singh P., Cheema L.S. Performance and optimization of a cylindrical-parabola collector. - "Solar Energy"» 1976, v.18, N 2, p.135-141.

17. Cobble M.H. Theoretical concentrations of solar furnaces.-"Solar Energy", 1961, v.5» N 2, p.61-72.

18. Lee D.O., Schimmel W.P. An axial and lysis of linear focused collectors for solar power. - "9th Intersoc.Energy Convers.Eng.Conf.", San-Francisco, Calif.", 1974.

19. Даффи Дж., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Пер. с англ./Под ред. Ю.Н.Малевского.-М.: Мир, 1977. - 420 е., ил.

20. Петухов B.C. Опытное изучение процессов теплопередачи.-М.: Госэнергоиздат, 1952. - 344 с.

21. Петухов B.C. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. - М.: Энергия, 1967. - 412 с.

22. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. - М.: Энергия, 1979. - 424 с.

23. Patankar S.V.» Spalding D.B. "A Calculation Procedure for Heat, Mass, and Momentum Transfer in Three-Dimensional Parabolic Flows", International Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, v.15» p.1787-1806.

24. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - M.: Политиздат, 1981. -223с.

25. Родимкин Е.Д., Монокрович Э.И. Теплоснабжение и хладофи-кация городов Средней Азии. - Ташкент: АН УзССР, 1962. -172 е., ил.

26. Cheng К.С., Hong S.W. Combined Free and Forced Laminar Convection in Inclined Tubes. - Applied Scientific Research, 1972, v.27, p.19-38.

27. Hwang G.I., Cheng K.C. Boundary Vorticity Method for Con-vective Heat Transfer with Secondary Flow-Application to the Combined Free and Forced Laminar Convection in Horizontal Tubes. - Heat Transfer, 1970, v.4, paper Uo. HC3.5, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1970.

28. Faris G.F., Viskanta R. An Analysis of Laminar Combined Forced and Free Convection Heat Transfer in a Horizontal Tube. - International Journal of Heat and Mass Transfer, 1969, v.12, p.1295-1629.

29. Del Casal E., Gill W.N. A Note on natural Convection Effects in Fully Developed Horizontal Tube Flow. - AIChE Journal, 1962, v.8, p.570-574.

30. Morton B.R. Laminar Convection in Uniformly Heated Horizontal Pipes at Low Rayleigh Numbers. - Quartely Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1959» v.22, p.410-420.

31.Siegwarth D.R., Mikesell R.D., Readal T.C., Hanratty T.I.

Effect of Secondary Prow on the Temperature Field and Primary Plow in a Heated Horizontal Tube. - International Journal of Heat and Mass Transfer, 1969» v. 12, p.1535-1552.

32. Igbal M. Free Convection Effects Inside Tubes of Prat-Prate Solar Collectors. - Solar Energy, 1966, v. 10, p.207-211.

33. Ede A.I. The Heat Transfer Coefficient for Plow in a Pipe. - International Journal of Heat and Mass Transfer, 1961, v.4, p.105-110.

34• Reynolds W.C. Heat Transfer tu Fully Developed Lamunar Frow in a Circular Tube with Arbitrary Circumferential Heat Flux. - Journal of Heat Transfer, Trans.ASME, Series C, 1960, v.82, p.108-112.

35. Ньюэлл M., Берглес. Анализ совместной свободной и вынужденной конвекции для полностью развитого ламинарного потока в горизонтальных трубах. - Теплопередача, 1970, №1, с.87.

36. Саббах, Азиз, Эль-Арини, Хамад. Смешанная конвекция в наклонных круглых трубах. - Теплопередача, 1976, № 2, с.187.

37. Шэннон, Дюпыо. Совместное воздействие свободной и вынужденной конвекции при ламинарном течении в горизонтальной трубе с равномерным тепловым потоком. - Теплопередача, 1968, № 8, с.78.

38. Маккомас, Эккерт. Смешанная свободная и вынужденная конвекция в горизонтальной круглой трубе. - Теплопередача, 1968, № 2, с.1.

39. Метэйс, Эккерт. Режимы вынужденной смешанной и свободной конвекции. - Теплопередача, 1964, № 2, с.196.

40. Андреев А.А. Автоматические показывающие самопишущие и регулирующие приборы. Л.: Машиностроение, 1973. - 288 е., с ил.

41. Гордов А.Н. Основы пирометрии. JI.: Металлургия, 1971. -448 с., с ил.

42. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1968. - 97 с., с ил.

43. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1973. - 776 е., с ил.

44. Монтаж приборов и средств автоматизации. (Справочник). М.: Энергия, 1972. - 504 е., с ил. Авт.: А.К.Абадашьян, К.А. Алексеев, В.С.Антипин и др.

45. Львов М.А. Приборы теплотехнического контроля. М.: Машгиз, 1959. - 460 с, с ил.

46. Правила 28-64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: Изд-во стандартов, 1964. - 152 е., с ил.

47. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, 704 е., с ил.

48. Соловцев В.К. Контрольно-измерительные приборы. М.: Высшая школа, 1969. - 272 е., с ил.

49. Турачин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергия, 1966. - 684 е., с ил.

50. Чертов А.Г. Международная Система Единиц Измерений. М.: Высшая школа, 1967. - 286 е., с ил.

1. Hassan Kamal-Eldin, El-Refaie Mohamed Pav/zi. Theoretical performance of cylindrical parabolic solar concentrators."Solar Energy", 1973, v.15, H 3, p.219-244.

2. Дурдыев X., Давлетов A., Ходжиев М., Розыев Б. Выбор оптимального диаметра трубы-приемника для параболоцилиндрического отражателя. Известия АН ТССР, сер.ФТХ и ГН, 1977, №6, с.32-39.

3. Дурдыев X., Давлетов А., Ходжиев М., Розыев Б. Выбор оптимального параболоцилиндрического концентратора с приемником в виде трубы. Известия АН ТССР, сер.ФТХ и ГН, 1977, №5, с.32-40.

4. Liamsdaine Edward, Gherng J,C« On exchangers used with solar concentrators. "Solar Energy", 1976, v.18, N 2, p.157-158. 5. Lee D.O., Schimmel V/.P., Ir. An axial temperature differential analysis of linear focused collectors for solar power. "9th IntersОС.Energy Convers.Eng.Conf., San Prancisco Calif., 1974, p.347-3 5. Ramsey I.W., Gupta B.P., Knov/les G.R. Experimental evaluation of cylindrical parabolic solar collector. "Trans. ASME", 1977, С 99, N 2, p.163-168.

6. Sark I.A., Soliman S.H., Heina IT.H. Optical performance of fixed zenitmovinp azimuth parabolo-cylindrical concentrator. "Rev.int.hiliotechn.",1977, ler semestre,p31-34.

7. Михеев M.A. В кн.: Теплопередача и тепловое моделирование. М.: Энергия, Изд-во АН СССР, 1959, с.122-137.

8. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, I98I, с.173-190.

9. Петухов B.C., Краснощеков Е.А., Нольде Л.Д. Теплоэнергетика, 1956, №12, C.4I-47.

10. Петухов B.C., Нольде Л.Д. Теплоэнергетика, 1959, М с.72-80.

11. Петухов B.C., Поляков А.Ф. ТБТ, 1967, т.5, М с.87-95.

12. Исаев С И Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др./Йод ред.Леонтьева А.И, Теория тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1979, с.244-272.

13. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, I98I, с.186-190.

14. Singh Р., Cheema L.S. Performance and optimization of a cylindrical-parabola collector. "Solar Energy"» 1976, V.18, N 2, p.135-141.

15. Cobble M.H. a?heoretical concentrations of solar firmaces."Solar Energy", 1961, v.5» N 2, p.61-72. 18. Lee D.O.f Schimmel W.P. An axial and lysis of linear focused collectors for solar power. "9th Intersoc.Energy Convers.Eng.Conf.", San-Prancisco, Calif.", 1974.

16. Даффи Дне., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Пер. с англ./Под ред. Ю.Н.Малевского.М.: Мир, 1977. 420 с ил.

17. Петухов B.C. Опытное изучение процессов теплопередачи.М.: Госэнергоиздат, 1952. 344 с.

18. Петухов B.C. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967, 412 с.

19. Patankar S.V., Spalding D.B. "А Calculation Procediire for Heat, Mass, and Momentum Transfer in Three-Dimensional Parabolic Flows", International Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, v.15f p.1787-1806.

20. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, I98I. -223с.

21. Родимкин Е.Д., Монокрович Э.И. Теплоснабжение и хладофикация городов Средней Азии. Ташкент: АН УзССР, 1962. 172 с ил.

22. Cheng к с Hong S.V/. Combined Pree and Forced Laminar Convection in Inclined Tubes. Applied Scientific Research, 1972, V.27, p.19-38.

23. Hwang G.I., Cheng K.G. Boundary Vorticity Method for Convective Heat Transfer with Secondary Plow-Application to the Combined Pree and Forced Laminar Convection in Horizontal Tubes. Heat Transfer, 1970, v.4, paper No. NC3.5» Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1970.

24. Paris G.E., Viskanta R. An Analysis of Laminar Combined Forced and Free Convection Heat Transfer in a Horizontal Tube. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1969, V.12, p.1295-1629. 29. Del Casal E., Gill W.U. A Note on natural Convection Effects in Fully Developed Horizontal Tube Plow. AIChE Journal, 1962, V.8, p.570-574.

25. Morton B.R. Laminar Convection in Uniformly Heated Horizontal Pipes at Low Rayleigh Hurabers. Quartely Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1959, v.22, p.410-420.

26. Siegv/arth D.R., li/Iikesell R.D., Readal T.C., Hanratty T.I.

27. Igbal M. Free Convection Effects Inside Tubes of FratPrate Solar Collectors. Solar Energy, 1966, v.10, p.207-211. 33. Ede A.I. The Heat Transfer Coefficient for Plow in a Pipe. International Joui*nal of Heat and Mass Transfer, 1961, V.4, p.105-110. 34» Reynolds W.C. Heat Transfer tu Fully Developed Lamunar Prow in a Circular Tube with Arbitrary Circumferential Heat Р1гдх. Journal of Heat Transfer, Trans.ASME, Series C, I960, V.82, p.108-112.

28. Ньюэлл M., Берглес. Анализ совместной свободной и винужденной конвекции для полностью развитого ламинарного потока в горизонтальных трубах. Теплопередача, 1970, М C.87.

29. Саббах, Азиз, Эль-Арини, Хамад. Смешанная конвекция в наклонных круглых трубах. Теплопередача, 1976, 2, с.187.

30. Шэннон, Дюпью. Совместное воздействие свободной и вынужденной конвекции при ламинарном течении в горизонтальной трубе с равномерным тепловым потоком. Теплопередача, 1968, 8, 78.

31. Маккомас, Эккерт. Смешанная свободная и вынужденная конвекция в горизонтальной круглой трубе. Теплопередача, 1968, 2, C.I.

32. Метэйс, Эккерт. Режимы вынужденной смешанной и свободной