автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности автономных сельскохозяйственных тепловодонагревателей с принудительной циркуляцией теплоносителя за счет применения фотоэлектрических преобразователей

АКАДЕМИЯ АГРАРНЫХ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ Э" МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (БелНИИМСХ)

УДК 631.172:621.472

КИТИКОВ Вадим Олегович

Повышение эффективности автономных сельскохозяйственный; гелиоподонагреиателей с принудительной циркуляцией теплоносители за счет применения фотоэлектрическая преобразователей

05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск, 1996

Работа иыподвена в Белорусском научно-исследовательском инс 1итутв механизации сельского хозяйства (БелНИИМСХ).

Научный руководитель

Официальные оппоненты :

Оппонирующая организация -

академик Академии аграрных наук Республики Беларусь ¡1 Росеельхоаакадэмии. доктор технических наук,профессор Севернее М. Ы.

академик Академии аграрных наук Республики Беларусь, доктор технических паук, профессор Герасимович Л С.

доктор технических наук, профессор Передня В. И.

Главное управление научно-технического прогресса Минсельхозпрода Республики Беларусь

¡Защита состоится /СО/!£/)Я 1996г. в /¿?"'ч. на заседа

ним совета но защите диссертаций Л- 05. 30.01 в Белорусском науч ио-иселедовательскоы институте механизации сельского хозяйства п адресу:

220610, г. Мине к-49, ул. Кнорина, 1, БелНИИМСХ

С диссертацией можно оэнакометься в библиотеке БелНИЙШХ.

Автореферат разослан ".,¿1" /ОЮ'Я^РРлШ'оу.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

Я Шуковсклй

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Главно!! задачей научно-технических разработок, в том числе и разработок в области механизации сельскохозяйственного производства, является снижение прямых и овеществленных энергозатрат, отнесенных к единице произведенной продукции. Увеличение объемов производства и снижзние энергоемкости сельскохозяйственной продукции в условиях острого дефицита топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) требуют вовлечения в энергетический 5алаис возобновляемых' источников энергии.

В сельском хозяйстве Республики Беларусь 30£ всей энергии >асходуется на отопление и горячее водоснабжение бытовых и прока-(одственных объектов. До 80% затрат электроэнергии и дефицитных ¡идов топлива в летний период можно экономить за счет применения елиоводонагревательных систем.

Серийно выпускаемые в наи«?й республике и СНГ гелиоводонагре-атели, как правило, основаны )<"> принципе естественной! термоси-онной) циркуляции.; КПД их не превышает 0,45 вследствие малой корости движения теплоносителя и больших теплопотерь.

Широкомасштабное производство и внедрение тагах технических редств требует оптимизации конструктивных параметров и режимов аботы по критерию энергетической эффективности. Поэтому научные ^следования, направленные на создание автономной саморегулирую-эйся гелиосистемы повышенной эффективности с приводом электрона-эса от фотоэлектрического преобразователя (ЯШ), являются акту-тьными и имеют важное народнохозяйственное значение.

Связь работы с крупными научными программами. Работа провеса в соответствии с республиканской научно-технической програм->й "Ресурсосбережение" по заданию N 4.13 "Разработать передвиж-то автономную гелиосистему для обеспечения горячего водоснабке-¡я сезонных объектов, имеющую повышенную теплопроизводителькость . счет применения концентрирующих элементов с заданной струкгу-й и СКШ", которое выполнялось в Белорусском ИЛИ механизации льского хозяйства в 19ЭЗ-1995Г. г.

Цель и задачи исследования, Конечной целью исследования ста-разработка и внедрение самонасграившо!денел на оптимальный регат боты автономной гелиосистемы с принудительной циркуляцией плоносителя (ГШ), обеспечиваний более высокую эффективность пучения горячей воды на технологические и битовые нужда и отвесней требованиям экологии, В связи с этим было необходимо:

- изучить особенности процессов преобразования солнечной энергии в гелиосистемах активного типа;

- дать теоретическое обоснование автономной гелиосистемы е

принудительной циркуляцией;

- выявить в ходе экспериментальных исследований закономерности теплообменных процессов в гелиоколлекторе (ГК) и взаимодействия двух составляющих ГПА - теплоприемной и фотоэлектрической;

- установить зависимости эффективности ГПА (КПД, теплопроиа-Еодителыюсти и температуры нагрева воды) от основных конструктивных и режимных параметров;

- создать опытный образец гелиосистемы, обеспечивающий увеличение КПД не менее чем на 10... 15%.

Научная новизна полученных реаультатов. Предложен новый подход в создании высокоэффективных.гелиоводонагревательных систем -на. основе принципа, автоматического саморегулирования скорости циркуляции теплоносителя за счет применения ФЭП. Теоретическое обоснование гелиосистем дополнено рассмотрением тепло-массообмен-15ах процессов в рабочем контуре автономного гелиоводонагревателя с принудительной циркуляцией и составлением методики его расчета, связывающей показатели эффективности системы с основныш метеорологическими факторами и тепловой нагрузкой конкретных сельскохозяйственных объектов.

Практическая значимость полученных результатов. По отношению к гелиосистемам с естественной циркуляцией теплоносителя новая гелиосистема имеет более высокий коэффициент полезного действия и повышенную теплопроизводительность ( на 20... 25% ). Разработанные теплообменники-трубопроводы из полимерных материалов позволяют снизить затраты на изготовление гедиоколлектора за счет упрощения конструкции, а такл«е уменьшить его металлоемкость на 10 кг с 1 м2 по отношению к базовому коллектору Ц. 08. ПНХ, и на 25 кг/м2 - в сравнении с ГК типа Б. 8-440.

На основании исследований создан опытный образец автономной гелиосистемы принудительной циркуляции с приводом насоса от <КЭГ (ГДМ-2,4), который по результатам эксплуатационных испытаний рекомендован к выпуску опытной партией для широкой проверки в хо-вяйствах Республики Беларусь.

Экономическая значимость полученных результатов. Эффективность ГПА, выраженная в энергоемкости технологического процессе гелиоводонагрева, повышается на 12% в сравнении с базовым вариантом гелиосистемы (коэффициент экодогичности 2=1). Удельная экономическая эффективность внедрения составляет 114.0 руб. (в ценаг 1,01.1996г.) на 1 кВгч выработанной теплоты.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: - принцип автоматического саморегулирования расхода теплоно-

сителя в гелиосистеме с принудительной циркуляцией, позволяющий повысить КПД преобразования солнечной энергии в тепловую;

- установленные экспериментально закономерности гидродинамики и теплообмена в гелиоколлекторе, а также оптимальные соотношения конструктивных параметров и релшы работы системы исходя из теплопроизводительности и выходной температуры теплоносителя;

- конструктивные особенности коллекторов /уш гелиосистем с принудительной циркуляцией теплоносителя, снижающие металлоемкость ГК и затраты на его изготовление;

- методика инженерного расчета гелиосистемы, учитывающая особенности гелиотермического способа нагрева воды и тепловую нагрузку объекта-потребителя горячей воды.

Личный вклад соискателя: Предложен новый подход в повышении эффективности гелиоводонагрева путем создания автономных саморегулирующихся гелиосистем. Автором выполнены теоретическая разра-Зотка методики инженерного расчета и экспериментальные исследования теплотехнических, гидравлических и вольт-амперных характеристик ГПА, положенные в основу конструкции опытного образца автошиной гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Апробация результатов диссертации. Основные положения дис-зертационной работы доложены на научно-теоретических и науч-ю-практических конференциях (г. Минск,ЕелНШШХ,1993-1995г. г.) ,на гаучно-технической конференции "Моделирование сельскохозяйственна процессов и машин"(г. Шнек, ВАТУ, 1994г.), на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые техноло-'ии"( г. Гродно, 1994г.), на международном симпозиуме "Холодный ядер-1Ый синтез и новые источники энергии'Ч г. Минск, 1994г.), на между-[ародной научно-технической конференции, посвященной 75-летию ЯТИ (г. Минск, 1995г.), на научно-практическом семинаре, посвящен-юм проблемам энергосбережения в сельскохозяйственном произ-юдстпе (г. Гомель, 1995г.).

Опубликованность результатов. Основные результаты спублико-аны в четырех статьях в научно-технических журналах и сборниках рудов, семи тезисах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе-ия, общей характеристики работы, пяти глав, выводов, списка ис-ользованкых источников (124 наименования, из них 10 на иностран-ых языках) и приложений. Изложена на 93 страницах машинописного екста и содержит 47 иллюстраций и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность разрабатываемой

тематики и ее эффективность,которая заключается в реализации npi ципа автоматического саморегулирования скорости циркуляции теплой сителя и повышении тем самым КПД гелиоводонагревателя.

В первой главе "Состояние вопроса и выбор направления исследований" определена потребность в топливно-энергетических ресурсах на производство продовольствия и рассмотрена экономия ТЭР как основа научно-технического прогресса, вследствие чего сделан вывод - дальнейшее наращивание производства сельскохозяйственной продукции невозможно без широкомасштабной экономии материальных ресурсов и ТЭР, разработки и внедрения новых ресурсосберегающих технологий и технических средств, вовлечения в энергетический баланс возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Наибольшим потенциалом среди ВИЭ в Республике Беларусь обладает энергия солнечеого излучения. Белорусскими учеными-метеорологами М. А. Гольдбергом и А. X Шкляром обоснованы оптимальные южные и юго-восточные склоны крутизной 45° и 30°, приход солнечной ра-'диации на которые в теплое полугодие наибольший.

На основе анализа данных по годовому изменению солнечной активности и сопоставления их с удельной теплопроизводительностьк гелиосистем и тепловой нагрузкой основных сельскохозяйственны!! потребителей установлено, что наибольшая эффективность использования гелиоводонагревателей достигается в период апрель - сентябрь, а доля замещения традиционных источников горячего водоснабжения в этот период составляет 30... 80%.

Существующие гелиоводонагреватели с термосифонной циркуляцией имеют КПД 40... 45%. Стремление интенсифицировать теплообмен i повысить эффективность гелиосистемы за счет принудительной циркуляции в рабочем контуре привело к созданию различных схем и конструкций, общий недостаток которых - неавтономность, т.е. зависимость функционирования от наличия вблизи сетей электроснабжения. Кроме того, существует необходимость изменять скорость движеню теплоносителя в соответствии с уровнем интенсивности • солнечно! радиации, что требует применения дорогостоящих автоматически: устройств и сильно усложняет систему.

.Резерв повышения эффективности гелиоводонагревателей следуем искать в использовании принципов самонастройки комбинированны; гелиосистем на оптимальный режим работы. С этой точки вренш большое значение имеет применение фотоэлектрических преобразователей для привода электронасоса в автономной гелиосистеме с принудительной циркуляцией.

Во второй главе "Программа и методика исследований гелиосистемы с принудительной циркуляцией автономного типа' ванэчеаы объем п порядок проведения теоретических и эксперимен

тальных исследований; приведены основные выражения для теплотехнических, гидравлических и вольт-амперных характеристик ГПА, которые сводятся к определению теплопроизводительности, термического КПД системы, гидравлического сопротивления теплообменника-трубопровода, мощности, необходимой для перемещения теплоносителя, и мощности,' генерируемой 20П; описан порядок математической обработки опытных данньгс.

Созданная экспериментальная установка (рис. 1) позволяет проводить испытания с различными типами гелиоколлекторов и минимальной переналадкой в соответствии с ГОСТ 28310-89 "Коллекторы солнечные".

Комбинированную гелиосистему ГПА можно разделить условно на две составляющие: теплоприемную и силовую (фотоэлектрическую). В теплоприемную часть входит исследуемый гелиоколлектор (рис. 1), закрепленный вместе с пиронометром на подвижной раме, обеспечивающей регулировку угла наклона; теплоизолированный бак-аккумулятор (БД). Силовая составляющая включает источник энергии в виде батареи ФЭП, электродвигатель (ЭД) постоянного тока малой мощности с циркуляционным насосом.

Принцип, работы комбинированной гелиосистемы заключается в следующем. Холодным теплоносителем (водой) заполняется рабочий гидравлический контур "ГК-ВА", и после подключения ЭД к источнику тока гелиосистема начинает работать в режиме автоматического са-

(Г

I »

5

—(я)

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 -гелисютллектор;

2 -пиронометр; 3 -бак-аккумулятор; 4 -батарея ФЭП; 5 - электродвигатель; 6 -насос; 7,8 -термопарн

морегулиронанип. Теплоноситель нагревается посредством энергии солнечного излучения и проходит по юналам теплообменника с переменной скоростью, задаваемой насосом, ЭД которого питается током, генерируемым ФЭП, изменяющимся с изменением интенсивности солнечной радиации. Вода циркулирует по замкнутому контуру и по мере нагрева до нужной температуры отводится потребителю или накапливается в аккумуляторе.

В ходе экспериментальных исследований регистрировались изменения интенсивности солнечной радиации, скорости ветра и температуры окружающей среды, а также соответствующие этим изменениям распределение температур в рабочем гидравлическом контуре, расход теплоносителя, потери напора в ГК и вольт-амперные характеристики в цепи ФЗП-ЭД.

В качестве основных показателей эффективности Функционирования гелиосистемы приняты удельная теплопроизводительность и термический коэффициент полезного действия.

В третьей главе "Теоретическое обоснование самонастраивающейся гелиосистемы" рассмотрены исходные требования к гелиосистемам кг« техническим средствам для выполнения технологического процесса горячего водоснабжения в сельском хозяйстве; изложена методика их расчета при принудительном движении теплоносителя, учитывающая нестационарность поступления энергетического потока и тепловую нагрузку объекта- потребителя горячей воды; проведена оценка эффективности разработки методами инженерного прогнозирования.

На основе данных по тепловой мощности потребителя (Цт),режимам горячего водоснабжения и среднедневной удельной производительности гелиосистемы в условиях РБ определяется необходимая площадь коллекторного поля (Ас) и объем использования гелиоводо-нагрева в годовом и сезонном теплоснабжении.

Для расчета Ас получена зависимость:

Ас = ЕСркнМиг - / (1|СЕ), (1)

где N - количество потребителей; Ьс -среднесуточная норма горячен воды на одного потребителя, кг; кн - коэффициент часовой неравномерности потребления; Ср - удельная теплоемкость, кВтч/кг°С; -требуемая технологическими условиями температура горячей воды, °С; - температура сетевой холодной воды, °С; п=-среднесуточное значение КПД гелиосистемы; Е - интенсивность суммарной солнечной радиации. кВтч/ы2.

Долю гелионагрэва в годовом и сезонном объеме горячего водоснабжения (коэЗфтшент замещения) можно определить как отноше-

ние количества теплоты, переданной потребителю,, к полной его тепловой потребности:

Г = (0!. / дт)1СШ . (2)

Результаты расчетов при составлении исходных требований к гелиоводонагревателям для конкретных сельскохозяйственных потребителей представлены в табл. 1.

На основании этих данных и анализа природно-климатических условий эксплуатации проводится расчет и проектирование автономного гелиоводонагревзтеля с принудительной циркуляцией. В общем случае система представляет собой гелиоколлектор,. бак-аккумулятор и нагрузку,отбирающую воду с постоянным расходом и возвращающую ее от источника постоянной температуры обратно в бак(рисЕ).

Энергетический баланс такой системы для определенного промежутка времени можно выразить уравнением:

(¡и'= 0и - опб - , (3)

где (}и' - полезная энергия, получаемая аккумулятором, кВтч; 0и -производительность ГК, кВтч; Опб - теплопотери в БА и соединительных трубопроводах, кВтч; 01. - тепловая энергия, передаваемая потребителю, кБгч.

Рис.2. Схематическое распределение энергии в гелиосистеме

С учетом массы воды в рабочем контуре гелиосистемы (т) и расхода ее при отборе потребителем (т) уравнение (3) преобразуется в основное динамическое уравнение методики расчета гелио-водонагревателя с принудительной циркуляцией, позволяющее определить суммарное колличество тепла в любой составляющей гидравли-

а

Таблица

Результаты расчета гелиотеилоснабжения отдельных сельскохозяйственных объектов

Г - п 1 ........................... Суточная потребно- Расчетная -г шю- ------- , Коэффициент|

1 сть в горячей воде. щдць ГК, О м~ замещения,%|

| Тип л.

1 1 1

| об'ькта техноло- бытовые система с

1 ■ гические нуады естествен Г Г! А сезон год |

! нужды ной цир-

1 1 1Г=55°С tr=45°C ку ляцей

1 |Дом приусадеб-

|ного типа :

| -семья из 3-4 ■

1 человек - 200 4,4 3,5 80 40 |

| -семья' из 5-6

| человек - 300 6,6 5,4 80 40 |

|Молочно-товар-

ная ферма:

I -МТФ-200 3000 450 88 71 60 30 |

1 -МТФ-400 6000 650 120 90 42 21 i

| -МТФ-800 12500 800 120 90 20 10 |

I Свиноводство:

I -свинарник-ма

I точник(ЮОгол) 1500 200 . 43 35 60 зо i

1 -свинарник-от

I кормочник

I (400гол) 600 200 21 16 60' зо i

(Птицефабрика

1(100 тыс. кур-

I несушек) гоооо 650 120 90 26 13 i

IПередвижная

1 доильная уста-

1новка (УДС-ЗА) 250 - 6,2 5,0 80 80 |

IПередвижная ге

|лиодушеван ус-

тановка на 6-8

1человек - 300 6,6 5,4 ! 80 40 |

1 » 1 _____ > 1 t 1

веского рабочего контура:

file

(та,'>г,------- = AcFr[ Ет(<«с) - UL(tn- ta)] -

dt

- 0JA)6(te - ta) - (r:iCp)L(t6 - tc), (4)

где dtG- приращение температуры поды в ВЛ,°0; tfi- температура на входе в ГК,°С: ta - температура окружающей среды,°С; Fr - коэ#и-циент отвода тепла от коллектора; («te)-' оптический КПД ГК; Ul -общий коэффициент потерь ГК, Пт/°С-м2; (ИА)б - приведенный коэффициент теплопотерь в БЛ ,Вт/°0; Ет - интенсивность солнечной радиации (инсоляция),Вт/м2.

Полезная энергия Qu определяется из следующего выражения для производительности пеФокуснрукщего коллектора с учетом его тепло-потерь: г

|dQu = AcFrC Ет(«г'с) - UL(tfi- ta) Kit

¡dQu - G Cpttrc- f.f j)dt (5)

i , ..

где tfo- температура яодн на внходе I'K,°C.

Теплопотери в ЕА и соединительных трубопроводах (составляющая Qn6 в (3)) определяются зависимостью:

dQii6 = (UA)6(te'- ta)dx . ' (6)

где te' - средняя температура воды в БД, °С.

Полезная тепловая энергия, передаваемая потребителю, шрата-ется из условия соответствия тепературы поды в БА уровню нагрева, предъявляемому технологичеаскми условиями:

| 0, если te'<tc

Ql - i Qr(tri' - tc)/(tr - tc), если tc<t.6'<tr (7)

I QT, если trí'Hr ч

При сравнении различных систем гелиотеплоснабкения между со-5ой и с традиционшш источниками представляет интерес оценка энергетических характеристик за определенный промежуток времени эксплуатации (месяц.сеооп,год). В dvom случпе коэффициент оаиспг-шя определяется по выражению: п

f = С fi(QT)i/Qrñ, О)

t-i

vie ft- месячный коэффициент замещения для 1-го месяца; (QT)t-Tfe-шовая нагрузка систены теплоснабжения для i-ro месяца! кВтч; 0-п~ юлная тепловая нагрузка.кВтч.

Инженерный прогноз разрабоачш ГПА показал эффективность проводимых исследований по выбранным критериям( целям),главные из кото-рых-создать выгодную с энерго-экономической и экологической точек зрения гелиосистему горячего водоснабжения и обеспечить ее новизну. 1Ь силе стратегии предлагаемый гелиоводонагреватель на 11% превосходит базовый с термосифонной циркуляцией теплоносителя и на 25 и 42% соответственно -электрический и огневой варианты водонагрева.

В четвертой главе "результаты экспериментальных исследований PIIA" выполнен сравнительный' анализ эффективности комбинированной гелиосистемы путем исследования тепло- и массо-обменных процессов в гидравлическом рабочем контуре, на основе чего построены графические рекомендационные зависимости для определения главных конструктивных параметров ГПА-активных гелиопри-емных площадей ГК и ФЭП.

Исследованием динамики нагрева и охлаждения .теплоносителя (воды) в гелиосистеме установлено, что продолжительность ее эффективной работы ограничена промежутком времени с IOqs до 12qq. .. 13qq часйв в зависимости от уровня инсоляции. Чтобы продлить время эффективной работы гелиоколлектора и тем самым повысить его дневной ЕГЩ, используется двух- или трехразовый отбор подогретой воды, что удачно сочетается с режимами ее потребления в условиях сельскохозяйственного производства.

Анализ эффективности гелиосистем с различными способами циркуляции теплоносителя показал, что автономная самонастраивающаяся система с приводом насоса от ФЭП для одинаковых условий инсоляции-в основной части рабочего периода имеет КПД 0,5. ,.0,55 и удельную часовую теплопроизводительность - 0,45 кВгч/м2, что на 20...25% выше в сравнении с термосифонной установкой, и на 10... 15% - по отношению к гелиосистеме с непрерывной циркуляцией ( рис. 3).

В результате исследования конвективного теплообмена и гидродинамики в экспериментальном ГК при изменении рабочего расхода теплоносителя от 0,03 до 0,1 м/с обоснованы параметры теплообменника-трубопровода -внутренний диаметр и эффективная длина. - —

Рнс.3. Изменение удельной тешшроизводительности гелиосистемы: 1-режнм автоматической саморегуляции расхода; 2-вепрерывнач цирку-*ацш1 (В»?Окг/ч) ; З-Герыосифонная циркуляция теплоносителя.

В заданных пределах скорости циркуляции рекомендованы ПВХ-трубки диаметром 20мм для теплообменника-трубопровода общей длиной доЭОм.

Оптимальные условия работы гелиоколлектора с точки зрения максимальной тенлопроизводительности соответствуют режиму, при котором сроднил температура воды в ГК не превышает 40°С. Формула, описывающая процесс теплоотдачи в этом случае, имеет в!щ:

' N1.1 = 0,07 Ке°-е9 , (9)

где Ре - критерий Рейнольдса, Ми - критерий Нуссельта.

Взаимодействие двух составляющих ГПА (теплоприемаой и фотоэлектрической) характеризуется конструктивно-гидравлическим параметром: е = Аф/АСс, ,

где Ас,Аф - соответственно активная площадь ГК и ФЭП, и2; г, - коэффициент гидравлического сопротивления трения.

Экспериментальный подбор оптимального соотношения Ас и А® представлен в виде графических зависимостей типа а = ПИе), аппроксимированных следующим выражением:

г .

• | е = 0,9 + 0,24Не, если 17°С

| е = 1,1 + 0,241?е, если 17°С < 25°С (10)

I

В ходе экспериментальных исследований установлено,что температура теплоносителя на выходе ГК зависит от метеорологических и режимных параметров, а именно: интенсивности солнечной радиации, разности температуры теплоносителя в ГК и температуры окружающей среды (/йн), конструктивно-гидравлического параметра. Использованный нами комплекс (Ет Д1Н е) позволил установить графически и описать выражением вид этой зависимости для реальных условий ра-5оты гелиосистемы-в Республике Беларусь:

Ьго = 0,2б(ЕтДЬ(1е)0:54 (И)

На основе исследований разработаны комограммные графические зависимости для определения оптимального соотношения гелиоприем-!ы)< площадей ГПА, соответствующего максимальной эффективности в заданных условиях освещенности (рис.4). Предложенный принцип составления рекомендационных характеристик может исиольяоьаться и ¡ля других гелиосистем- различной мощности и конструктивного яс-юлнения, посколысу позволяет разработчику систематизировать все эсновные расчетные зависимости, представив юс в вид» гдобннх для толкователя номограмм.-

Рис.4, Номограмма для расчета теплопроизводгкэльности "ПА и соотношения Ар/Ас

Г лава 5 "Энергетический анализ эффективности гелиоводо-нагревательных систем" содержит.- энергетический расчет ГПА, данные эксплуатационных испытаний 1сомбинированной гелиосистемы и расчет экономико-экологической эффективности внедрения.

В лаборатории использования ТЭР БелНИИМОХ разработана универсальная методика энергетического анализа, позволяющая установить уровень интенсификации новых технологий и оборудования,в том числе и на базе ВИЗ. Главное преимущество методики в том. что она дает объективную сравнительную оценку по затрата).: материально-энергетических ресурсов на единицу произведенной лроду1сции независимо от конъюнктуры цеп и уровня инфляции.

В качестве базы сравнения для энергетического расчета нового гелиоводонагрев&теля использованы три вида водонагрева: при помощи огневых котлов на природном органическом топливе, злектронаг-рев и гелиоводонагрев (термосифонкая установка на основе металли-

Таблица 2

Результаты расчета энергоемкости технологического процесса водонагрева (кВтч на 1 кВтч выработанной теплоты)

1..... 1 I 1 1 ........ " 1 Г--------------- -1 (Альтернативные ви-|

1 Наименование |Новый |Вазовый 1 ды водонагрева (

1 |вариант |вариант- |--г

1 показателя |гелиосис |гелиосис- -(электрона| котел |

1 (темы - | тема |греватель| КВ-300 {

I 1...... | ГПА 1 1 ГГВ-180 1 ( УАП-400 | 1 - (

1 11. Прямые удельные 1 1 ! 1 г -------- —1 1 1

1 энергозатраты - 1 - 1 1 1,44 ! 3,02 (

18. Удельные затрата,ове- 1 1 1 1

1 ществленные в энерго- 1 1 . 1 1

1 носителе , 1 - 1 I 2,96 | 1.23 |

13. Энергоемкость обору- 1 1 1 1

1 дования 1 0,32 I 0,36 1 0,0? | 0,19 |

14. Энергоемкость зданий 1 Г 1 !

1 и сооружений 1 - 1 1 2,84 |

15. Полная энергоемкость 1 1 Г.

1 с учетом экологичес- 1 ' Г 1 • 1

! кой чистоты продукции! 0,32 ! 0,36 1 5,14 1 10,1 (

16. Энергоемкость затрат 1 1 1 ! !

1 живого труда 1 0,044 1 0,050 ! ' 0,0ЯЗ|

1 1........._., 1........... .., ................. (

ческого гелиоколлектора Б. 8-440). Результаты расчета энергозатрат (табл. 2) показывают, что применение гелиоводонагревателей в системах горячего водоснабжения позволяет снизить полную энергоемкость на 4,8. ..9,8 кВгч на 1 кВтч выработанной теплоты и исключить энергозатраты, связанные с использованием энергоносителей и специальных помещений для котлов, а также затраты на -проведение природоохранных и социально-экономических мероприятий.

Преимущества новой гелиосистемы по отношению к базовому варианту гелноводонагревателя связаны с повышенной теплопроизводи-тельностью и снижением удельной энергоемкости оборудования за счет применения новых облегченных ГК на основе, морозо- износостойких ПВХ-трубок.

Получены следующие значения показателей (критериев) энергетической эффективности новой гелиосистемы по отношению к базовой: обобщенный коэффициент энергозатрат Кэ= 0,88; коэффициент энергозатрат живого труда Кэж= 0,89.

Анализ уровня интенсификации разработки свидетельствует о снижении энергоемкости получения горячей воды на 12% при экономии затрат живого труда на 11%.

Эксплуатационные испытания опытного образца гелиоводонагрева теля показали, что среднедневная теплопроизводительность ГДЫ-2,4 в режиме автоматического саморегулирования скорости циркуляции составляет 7,5 кВтч, что на 25% выше, чем в режиме термосифонной циркуляции (6,0 кВтч).

Годовой экономический эффект внедрения гелиосистемы составляет 1237тыс. руб. (в ценах на 1.01. 9бг.) при сроке окупаемости 4,'8 года. •

ВЫВОДЫ

1. Применение в сельском хозяйстве Республики Беларусь гелиоводонагревателей позволяет экономить 30... 80% затрат электроэнергии и котельного топлива, расходуемых в летний период (апрель-сентябрь) для нагрева воды на технологические и бытовые нужды.

2. Использование принципа автоматического саморегулирования расхода теплоносителя в рабочем контуре повышает эффективность преобразования энергии солнечного излучения в гелиосистемах активного типа Термический КПД ГПА равен 0,5.-..0,55 , что на 20. ..25% выше, чем в термосифонных установках, и на 10...15% - по сравнению с аналогами гелиосистем принудительной циркуляции с приводом насоса от электросети.

3. Изучены исходные требования к гелиосистемам для обеспечения технологического процесса горячего водоснабжения в сельскохозяйственном производстве и процессы тепло- массообмеиа в автономном гелиоводонагреватеде с принудительной циркуляцией теплоносителя. На основании этого разработана методика инженерного расчета ГПА, позволяющая связать конструктивные особенности системы и показатели ее эффективности, учитывающая случайный характер прихода солнечной радиации и тепловую нагрузку потребителя.

4. 'Методами инженерного прогнозирования дана оценка эффективности проводимых исследований. По силе стратегии предлагаемый гелиоводонагреватель на 11% превосходит базовый с термосифонной циркуляцией и на 25 и 42% соответственно -электрический и огневой варианты водонагрева.

5. Проведенные натурные испытания предложенных конструкций гелиоколлекторов с полимерными теплообменниками-трубопроводами показали, что удельная теплопроизводителыюсть их при скорости циркуляции 0>60 кг/ч на 0,06... 0,1кВтч/м2 превышает аналогичный показатель для серийно выпускаемых в СНГ гелиоколлекторов типа Б. 8-440 и Ц. 08. ПВХ.

6. Связь между характеристиками теплообмена и гидродинамическими условиями прохождения теплоносителя, выраженная основными критериями подобия, позволила определить оптимальные режимы теп-лосъема в ГК. Графическая зависимость, характеризующая максимальную теплопроизводителыюсть системы, .аппроксимирована при помощи степенной зависимости типа Ни = сЯел.

Установлено, что эффективность взаимодействия двух составляющих ГПА - тешгоприемной и фотоэлектрической - может оцениваться конструктивно-гидравлическим параметром £ , характеризующим степень совершенства конструкции комбинированной гелиосистемы.

7. По результатам экспериментальных исследований ГПА составлены номограммы для определения оптимального отношения гелиопри-емных площадей (Аф/ Ас), соответствующего максимальной эффективности гелиосистемы в заданных условиях освещенности.

8. Создан-и испытан опытный образец автономной самонастраивающейся гелиосистемы с приводом электронасоса от ФЭП.

Энергетический анализ ГПА дал положительный результат. Пс отношению к базовому'варианту гелиоворонагревателя общий показатель уровня интенсификации составил 12% (коэффициент зкологич-ности 2=1).

Удельная экономическая эффективность внедрения составляет 1140 руб. на 1кВтч выработанной теплоты.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Китикоз В. О. Новые методы получения энергии: осознанная реальность и жизненная необходимость// Общество и наука: проблемы взаимодействия в условиях формирования рыночных отношений. Тез. докл. конф. -Минск, 1993. -с. 61-63.

2. Нитиков В. О. Экономия ТЭР и научно-технический прогрес// Человек и техника в контексте культуры. Тез. докл. конф.-Минск, 1994. -с. 146-148.

3. Севернев М. М. , Кузьмич а К , Китиков В. О. Математическое моделирование ГПА//Моделирование сельскохозяйственных процессов и машин. Тез. докл. конф.-Минск, 1994.-с. 58

4. Севернев М. М. , Кузьмич В. К , Китиков а О. Разработка передвижной автономной гелиосистемы //Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии. Тез. докл. конф.-Гродно, 1994.-с. 130-131.

5. Кузьмич В. В., Китиков В. О. Автономная передвижная гелио-душевая ГДМ-3// Достижения науки и передовой практики, рекомендуемые для внедрения в агропромышленное производство Республики Беларусь. Серия 4. Механизация и электрификация.-Минск, 1994.-с. 28-31.

6. Севернев М. М. , Кузьмич В. В. , Китиков В. 0. Получение энергии за счет использования высокоэффективной комбинированной гелиосистемы// Холодный ядерный синтез и новые источники энергии. Тез. докл. конф. -Минск, 1994. -с. 88-91.

7. Севернев М. М. , Кузьмич К В., Китиков Е 0. Комбинированная гелиосистема с принудительной циркуляцией//Вести АН Беларуси. Сер, физ.-техн. наук.-1995, N2.-с. 111-115.

8. Севернев М. М., Кузьмич В. Е ; Китиков Е 0. Разработка передвижной автономной гелиосистемы. // Труды науч. - технич. конф. "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии. "Часть2. /Под ред. А. И. Свириденка. -Гродно, 1995. -е. 344-348.

9. Китиков Е О. Ресурсосберегающие технологии на фермах мясо-молочного направления западного региона Франции( провинция Бретань)//Человек. Техника. Экология. Тез. докл. конф. -Минск, 1995. -с. 197.

10. Китиков ЕО. Возможности повышения эффективности гелио-коллектора// Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА. Тез. докл. конф. В 8-ми частях. Ч. 1-Минск, 1995. -с. 146.

11: Китиков Е 0. Эффективность работы автономного гелиоводо нагревателя с принудительной циркуляцией/ Ред. журн. "Изв. вузов I энергетических объединений СНГ. Энергетика. "-Минск, 1995.'-6с. -Деп. в ВИНИТИ 22.11. 95, N 3104-В95.

РЕЗШЕ

КИТИКОВ ВАДИМ ОЛЕГОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Ключевые слова: энерго-ресурсосбережение, гелиоводонагрева-тель, расход теплоносителя, фотоэлектрический преобразователь ((ТОП), автоматическое саморегулирование скорости циркуляции.

Объекты исследования: автономный комбинированный гелиоводо-нагреватель с принудительной циркуляцией теплоносителя, гелиово-донагреватель с термосифонной циркуляцией.

Цель работы: разработать и внедрить автономную самонастраивающуюся на оптимальный режим работы гелиосистему с принудительной циркуляцией теплоносителя (ГПА), обеспечивающую более высокую эффективность получения горячей воды на технологические и бытовые нужды и отвечающую требованиям экологии.

Методы исследования и аппаратура: метод сравнительной оценки эффективности гелиоводонагреватеяьных систем 'по энергетическому критерию, методы и принципы теории подобия, пиронометр, расходомер, термокомплект, дифманометр, трубка Пито, тахометр, вольтметр.

Полученные результаты и их новизна: реализован принцип автоматического саморегулирования в гелиосистеме с принудительной циркуляцией теплоносителя за счет использования ФЭП, что позволяет повысить КПД гелиоводонагрева на 20... 25%; составлена методика инженерного расчета, связывающая показатели эффективности системы с основными метеорологическими факторами и тепловой нагрузкой конкретных сельскохозяйственных объектов; разработаны теплообменники-трубопроводы из полимерных материалов, снияаюшие металлоемкость гелиоколлектора и затраты на его изготовление.

Степень использования: на основании, исследований создан опытный образец автономной гелиосистемы•принудительной циркуляции с приводом насбса от ФЭП (ГДМ-2,4), который прошел эксплуатационные испытания и рекомендован для выпуска опытной партией'с широкой проверкой в хозяйствах Республики Беларусь.

Область применения: гелиосистема для децентрализованного горячего водоснабжения в сельском хозяйстве, источник низкопстенци-альной тепловой энергии для автономных сезонных объектов.

РЭЗШЭ

К1Ц1КАУ ВАДЗШ ЛЛЕГАВ1Ч

ПАВЫШЭННЕ ЭФЕКТКУНАСЦ1 АЙАНОМНЫХ СЕЛЬСКАГАСПАДАРЧЫХ ГЕЛIЯВОДАНАГРАВАЛЬШ КАУ 3 ПРЫМУСОВАЙ ЦЫРКУЛЯЦЫЯЙ ЦЕПЛАН0СББ1ТА ВЫКАРЬЮТАННЕМ ЯОТАЭЛЕКТРЫЧНЫХ ПЕРАУТВАРАЛЬШКАУ

Ключавыя словы: энерга-рзсурсазберажэнне, гел1яводанаграва-льшк, расход цепланосьб1та, фотаэлектрычны пераутваральншСЮТ), аутаматычнае самарэгуляванне хуткасш цыркуляцыь

Аб'екты даследавания: аутаномны камб!наваны гел1Яводанагра-вальнт з прымусовай цыркуляцыяй цепланосьбиа, гел1ЯВоданагра-вальшк а тэрмас 1 фоннай цыркуляцыяй.

Мэта працы: распрацоука аутаномнай самарэгулюючайся гел1яс1-стэмы э прымусовай цыркуляцыяй цепланосьбИа, якая эабяспечвае вышэйшую эфектыунасць атрымання гарачай вады на тэхналапчныя 1 хатшя патрэбы пры захаванн! экалогН.

Метады даследавання 1 апаратура: метад параунання эфекгыу-насщ гел1Яводанагравальных с1стэм па энергетычнаму крытэрыю, метады 1 прынцыпы тэорьа падобнасц1, транометр, расходамер, тэрма-камплект, дыфманометр, трубка Што, тахометр, вольтметр.

Атрыманыя вышк» 1 1х наврана: рэал^ааваны прынцып аутаматы-чнага самарэгулявання у гел^яс^стэме э прымусовай цыркуляцыяй це-планосьб1та шляхам выкарыстання ®ЭП, што дазваляе павял^чыць ККД геЛ1Яводанагрзва на 20. ..25%; экладэена методыка шжынернага разлуку, якая звязвае паказчыкд эфекты^насщ сютэмы з асно5Д1ым1 ме-тэаралапчным! фактарам1 1 цеплапатрэбнасцю канкрэтных сельскага-спадарчых аб'ектау; распрацаваны цеплаабменнШ-трубаправоды з пал!мерных матэрыялау, як1я зникаюць металаем1стасць гел1якалек-тара г выдатк! на яго выраб.

Ступень выкарыстання: у вышку даследаванняу створана аута-номная гел1яс!стэма прымусовай цыркуляцьп з прыводам помпы ад ЕЭП (ГДМ-2,4), якая прайшла эксплуатацыйныя выпрабаванн! I рэкаменда-вана да выпуску вопытнай партыяй з шырокай праверкай у гаспадар-ках Рзспубл1к1 Беларусь.

Вобласць выкарыстання: гел1яс1стэма для 'дэцэнтрал1заванага гарачага водазабеспячэння аб'екта? сельскай гаспадарк!, аутаном-ных сезонных аб'екта?.

SUMMARY

VADIM OLEGOVICH KITIKOV

IMPROVEMENT OF THE EFFICIENCY OF HELIOWATERHEATER

WITH FORCED CIRCULATION BY USING OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM

Key words: economy of .energy and resources; heliowaterhea-ter, heatbearer flowrate, photovoltaic system, self-regulation of circulation.

Research objects: heliowaterheater with forced circulation of heatbearer, heliowaterheater with natural circulation.

Research goal: R & D of highly effective heliowaterheater with self-regulation forced circulation.

Research methods and equipment: method of comparative evaluation of efficiency of heliowaterheater based on power-estimates, similarity method, pirometer, flowmeter, thermocouples, Pito-pipe, RPM-meter, voltmeter.

Data obtained and novelv of results: method of self-regulation of circulation of heatbearer by using of photovoltaic system, wich increase the efficiency of the system from 20% to 25%; the method of numerical and analytical optimization of heliosystem, taking into consideration main meteorological factors, and heat load of the particular consumer; non-toxic FVC heat exchangeres and pipelines wich decrease metal consumption and labour cost of heliocollectors are designed.

Extent of using: heliowaterheater with self-regulation forced circulation (GDM-2,4) is made.

The area of using: the equipment for hot water supply to dairies, Farmers, mobil stations.

Подписано в печать 9.09.96 r. Формат 60 x 84 '16, Объем 1,0 пвч.л. Тираж 100 эцд, Зашз № 138

Отпечатано яа ротапринте БелНЙИШХ. 220610. Нинся, Пнорина, I.