автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности солнечных установок теплоснабжения путем интенсификации конвективного теплообмена

г*«»«®

/

На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКЕКТИШЮСТИ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛССНАБЙЕННЯ ПУТЕМ ИНТЕНПЙЛКАЦШС КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ж'

МОСКВА, 1998

- г -

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре "Тепломассообменные процессы и установки".

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Сергиевский З.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Яновский Л.С.

доктор технических наук, профессор Кааанджан Б.И.

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет Леса

Защита диссертации состоится " 1998 г. в 14

часов в аудитории Г-410 на заседании диссертационного совета К.053.16.03. в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная улица, дом 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан: " " 1998 года.

Ученный секретарь диссертационного Совета К.053.16.0Я /

ш

к.т.н., доцент___\М )___Н.В. Кулешов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Проблема использования нетрадиционных источников энергии в различных отраслях народного хозяйства все больше и больше занимает научную общественность многих стран мира. Если после первого энергетического кризиса 1973 г. мировое сообщество волновал вопрос возможности надежного обеспечения энергией, то в настоящее время в условиях все возрастающей экологической нагрузки интеграция энергетической и экономической политики стала центральным требованием во многих странах мира.

В настоящее время общий объем энергопотребления в мире оценивается в 11-12 млрд. т условного топлива в год. При этом в структуре мирового анергопроизводства примерно 60 X приходится на долю нефти и газа, до 30 X - на долю угля и около 10 X - на гидравлическую и ядерную энергию. Перспективы использования в качестве энергоносителей нефти, газа и угля ограничиваются их запасами: согласно ориентировочным расчетам при современных масштабах добычи и потребления нефти и газа их мировых запасов хватит на 35-40 лет, угля - на 400-450 лет. Примерно 76 X разведанных запасов приходится на страны Ближнего и Среднего Востока и Латинской Америки.

На долю стран СНГ приходится 6.5-7.5 X ее мировых запасов, т.е. 8-10 млрд. т, и при современной интенсивности добычи (400-500 млн. т в год) этих ресурсов может хватить на 15-25 лет. Как только закончится кризисный спад производства, потребление электроэнергии промышленностью резко возрастет. Тогда обнаружатся ограниченные возможности электроэнергетики, тем более, что необходимого резервирования мощностей у нее нет с 1990 года. Около 20Х всей энергии, потребляемой в России, затрачивается на отопление и горячее водоснабжение жилых домов и общественных зданий. На одно лишь отопление жилых домов расходуется 122 всех энергоресурсов, расходуемых в стране.

Один из выходов из создавшегося положения - развитие альтернативной энергетики малой и средней мощности.

Использование мобильных установок малой и средней мощности бытовых систем солнечного теплоснабжения могло бы обеспечить весьма значительную экономию энергоресурсов.

В районах благоприятных для использования солнечной энер-

гии, проживает около 130 млн. человек, в том чиоле более 60 млн. в сельской местности.

С помощью солнечных коллекторов можно органиаовать горячее водоснабжение и отопление дома, коттеджа, садового домика, теплицы, животноводческой фермы. Это полезное устройство во многих странах уже давно стало привычным элементом Сыта.

Солнечное теплоснабжение, то есть отопление и горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений является направлением, наиболее подготовленным для практического применения по сравнению с другими аспектами использования солнечной энергии такими, например как преобразование ее в электроэнергию.

Работа посвящена разработке схем эффективного использования солнечной энергии основанной на применении новых технических решений с использованием лучепоглощяющей поверхности, профилированной сферическими углублениями для интенсификации ради-ационно-конвективного теплообмена солнечных батарей в гелиокол-лекторах используемых в современном теплоснабжении жилых зданий

Цель данной работы.

Выбор путей и средств усовершенствования режимных и конструктивных параметров плоских воздухонагревателей в составе систем - утилизаторов солнечной энергии, в связи с чем в качестве задач исследования выдвигается следующее:

Разработать и создать экспериментальную установку по исследованию гидродинамики и радиационно-конвективного теплообмена в плоском солнечном коллекторе. Провести экспериментальное исследование солнечного воздухонагревателя на лабораторном стенде с имитатором солнечного излучения.

Разработан метод определения теплообменных характеристик в каналах с профилированными поверхностями и измерения с помощью термоанемометрического датчика, чувствительного к направлению потока, этих характеристик.

Исследовать локальные характеристики плоского солнечного коллектора и способов управления ими, экспериментальное исследование влияния полусферических углублений на профили осреднен-ной скорости и пульсаций скорости, влияние на профили осреднен-ной температуры и пульсаций температуры. На основе анализа экспериментальных данных изучить влияние углублений на структуру течения и теплообмена.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных результатов исследований.

Разработка инженерной методики по усовершенствованию режимных и конструктивных параметров воздухонагревателя - коллектора солнечной.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в:

1. Получены новые данные по экспериментальному и расчетному исследованию радиационно-конвективного теплообмена на поверхности, профилированной сферическими углублениями.

2. Предложен вариант лучевоспринимающей плоской поверхности воздушного коллектора, способствующий существенному росту теплоотдачи с поверхности.

2. Проведено исследование структуры полей скоростей и температур развивающегося турбулентного течения в плоском канале проточного солнечного коллектора.

4. Получены новые зависимости по теплообмену в плоских каналах воздушных коллекторов низкопотенциальных солнечных установок.

Практическая ценность.

Полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании новых солнечных коллекторов, теплонапряженного энергетического оборудования с целью сокращения габаритов, оптимизации характеристик течения, экономии энергоресурсов, увеличение теплосъема на начальных участках рабочей поверхности, уменьшение продольного градиента температуры. А также для разработка, оптимизация, конструирование и производство солнечных установок, имеющих высокую эффективность при допустимых капиталозатратах.

На защиту выносится.

Анализ экспериментальных и расчетных данных результатов исследований на поверхности, профилированной сферическими углублениями.

Результаты экспериментальных исследований осредненной скорости и пульсаций скорости, температуры и пульсаций температуры, а также физические представления о природе одиночного вихря в сферической лунке на гладкой поверхности, методику расчета теплообмена в рабочем канале солнечного коллектора.

Численное моделирование течения и теплообмена в канале.

Рекомендации по улучшению основных рабочих параметров солнечного коллектора и солнечной установки теплоснабжения.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались:

1. На XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, ИТТФ АН Украины, Киев, июнь 1992.

2. На областной научно-технической конференции "Наука и новая технология в развитии Павлодар - Экибастузского региона. ", ГШ, Павлодар, Республика Казахстан, апрель 1993.

3. На IX школа-семинар молодых ученых и специалистов, МГТУ им. Баумана, Москва, май 1993.

4. На Всероссийской научно-технической конференции "Высшая школа России и конверсия.", МАИ, Москва, ноябрь 1993.

5. На Международной конференции "Проблемы энергетики Казахстана", Каз.ГТУ, Павлодар, Казахстан, июль 1994.

6. На Первой Российской национальной конференции по теплообмену, МЭИ, Москва, ноябрь 1994.

7. Стендовый доклад на Второй международной научно-техническая конференция "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики", МЭИ, Москва, октябрь 1995.

8. На второй Всероссийской научно-практическая конференции "Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии.", МАИ, Москва, декабрь 1996.

9. На IV Межреспубликанской конференции " Оптические методы исследования потоков.", МЭИ, Москва, июнь 1997.

10. На Второй Российской национальной конференции по теплообмену, МЗИ(ТУ), Москва, октября 1998.

Публикации.

Основные положения изложены в научно-технических отчетах и публикациях [1-9].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа структурно состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 65 наименований. Общий объем диссертации - 161 страниц, вклюкая 46 рисунков и 10 таблиц.

- 7 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности теш диссертационной работы, формулируются ее цели и задачи, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе выполнен обзор современного состояния рассматриваемой проблемы. Содержится анализ литературных источников по использованию низкопотенциальных теплоэнергетических установок прямого преобразования солнечной радиации в тепловую энергию с помощью плоских воздушных коллекторов. Также технический уровень и качество солнечных коллекторов, выпускаемые в Российской Федерациии, и недостатки отечественной продукции.

Из анализа публикаций следует, что:

- на одно лишь отопление жилых домов расходуется 12% всех энергоресурсов, используемых в России;

- в районах благоприятных для использования солнечной энергии, проживает около 130 млн. человек, в том числе более 60 млн. в сельской местности;

- в районах с годовым приходом солнечной радиации не менее 1200 кВт*ч/м2 при эффективном использовании этой энергии можно будет обеспечить до 25% теплопотребления в системах отопления, до 50% - в системах горячего водоснабжения и до 75% - в системах кондиционирования воздуха;

- без ущерба для экологической среды может быть использовано 1.5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1.62*1016 кВт*ч в год (что эквивалентно огромному количеству топлива - 2*1012 т условного топлива), при этом мощность потока энергии составляет 1.85*1012 кВт.

Технический уровень и качество солнечных коллекторов, которые выпускались в СССР, был низок. Коллекторы отечественного производства значительно уступали зарубежным аналогам по долговечности, материалоемкости, теплотехническим характеристикам.

Наиболее эффективно использовать солнечные установки в сфере децентрализованного теплоснабжения. Обращаясь к сфере децентрализованного теплоснабжения следует прежде всего отметить такой типичный вид потребителя тепла, как индивидуальный жилой дом. Индивидуальные жилые дома, не охваченные системами централизованного теплоснабжения, составляют основу жилого фонда в сельской местности и многих городах Российской Федерации. В

последнее время в стране получает интенсивное развитие массовое коттеджное строительство, также крайне слабо или совсем не охваченное централизованным теплоснабжением. Поэтому первым, наиболее типичным и массовым видом потребителя для солнечного теплоснабжения или горячего водоснабжения следует Еыбрать индивидуальный жилой дом (коттедж).

Один из перспективных регионов использования автономных солнечных домов - прибрежная зона Черного моря с мягким климатом, сравнительно коротким отопительным периодом, чистой атмосферой, высокой солнечной радиацией, повышенными требованиями к экологической защите окружающей среды и трудностями с обеспечением топливом.

Во второй главе представлен обзор основных работ по использованию сферических углублений для интенсификации поверхностей теплообмена. Описывается механиэм интенсификации теплообмена внутри сферического углубления и на участке последействия. В сферическом углублении образуется трехмерное течение, характер которого определяется многими параметрами. На участке последействия углубления приводит к изменению осредненного поля течения, интегральных характеристик и турбулентности потока.

Таким образом, для создания инженерного метода расчета интенсификации теплообмена сферическими углублениями в теплооб-менных устройствах необходимо экспериментально исследовать процессы конвективного теплообмена в области сферического углубления в канале плоского проточного солнечного коллектора. Для этого в данной работе был выполнен комплекс опытных исследований процессов теплопереноса около поверхности сферического углубления, Енутри лунки и на участке последействия.

В третьей главе работы содержатся сведения об экспериментальной установке по исследованию радиационно-конвективного теплообмена в солнечных установках и методике проведения экспериментов. Здесь же приводятся результаты тарировочных экспериментов на начальном этапе эксплуатации установки.

Эксперименты по исследованию структуры турбулентного потока на пластине проводились на аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагнетание, схема которой приведена на рис.1. Воздух из помещения нагнетается в рабочий участок центробежным вентилятором 1 марки ДВ-1КМ, производительность кото- > рого изменялась путем регулирования выходного напряжения выпря-

мителя ВУ-70Б, подаваемого на электродвигатели вентиляторов, что позволило изменять скорость потока от 3 до 20 м/с. Перед поступлением в рабочий канал воздух проходит через фильтры 2, по гибкому соединительному шлангу 3 в ресиверную емкость 4, поступает в предварительный участок подготовки потока 10, состоящий из спрямляющей решетки 5, набора выравнивающих сеток 6, 7, 9 с размерами ячеек 0.4 х 0.4 мм, изготовленных из проволоки диаметором 0.25 мм и хонейкомба 8. Хонейкомб состоит из трубок диаметром 2 мм и длиной 22 мм с толщиной стенки 0.1 мм. После предварительного участка воздух поступал на рабочий участок 11. Исследования проводились в диапазоне чисел Ре от 6*105 до

105.

Рис.1 Схема экспериментальной аэродинамической установки открытого типа, работающей на нагнетание.

Перемещение датчика осуществлялось с помощью автоматического координатного устройства 12, управляемого с помощью компьютера и блока измерительной аппаратуры 13. Количество точек измерений по толщине пограничного слоя варьировалось. Минимальный шаг перемещения датчика составлял 10 микрон.

Для обеспечения качества и надежности экспериментальных данных при исследовании, был проведён тарировочный эксперимент на гладкой пластине, при тех же условиях. Данные снимались в 11 сечениях по длине исследуемой пластины. Первое сечение находилось от края на расстоянии 0.02 м, 2-ое сечение на расстоянии 0.07 м, 3-е на 0.12 м, 4-е на 0.173 м, 5-е на 0.219 м, б-е на 0.266 м, 7-е на 0.318 м, 8-е на 0.366 м, 9-е на 0.416 м, 10-е на 0.47 м, 11-е сечение на расстоянии 0.512 м. Результаты тари-ровочного эксперимента имеют хорошую сходимость с ранее полученными данными.

Измерение турбулентных характеристик осуществлялось в автоматическом режиме. Управление перемещением датчика и сбор экспериментальной информации осуществлялся при помощи компьютера 1ВМ-486 и интерфейса САМАС. Для возможности измерений поперек пограничного слоя было сконструировано координатное устройство, которое благодаря вращению микровинта, приводимого в движение шаговым двигателем, обеспечивало перемещение датчика, с задаваемым по программе интервалам движения. Количество точек измерений поперек пограничного слоя, как правило, составляло 45-60, при этом как минимум 4-5 точек приходилось на зону вязкого подслоя. Среднее и среднеквадратичное напряжение снималось с вольтметров модели 1076.

Созданная экспериментальная установка с использованием изложенных методик измерений и обработки, позволила получить данные о распределении различных характеристик турбулентного пограничного слоя на гладкой пластине с одиночной лункой.

В данной работе на основании измерений профилей осреднен-ной и пульсационной составляющей скорости и температуры исследованы структурные характеристики потока над поверхностью профилированной сферическими углублениями.

Аппаратурная реализация измерения в изотермических и неизотермических потоках показана на рис. 2.

Блок-схема измерении включает двухканальную термоанемомет-рическую систему фирмы "Т2Г с чувствительными элементами, диа-

метром нити 2.5 или 5 мкм. При измерения скорости термоанемометр 1050 работал в режиме постоянной температуры, сигнал с которого попадал на формирователь сигнала 1057, дающую возможность проводить фильтрацию сигнала как в области высоких, так и низких частот. Блок также позволяет пошаговое вычитание от сигнала постоянной составляющей, что повышает точность измерений. С помощью температурного блока 1040 в режиме постоянного тока проводились измерения осредненных и пульсационных характеристик температурного поля течения.

Перемещение датчиков, регистрация результатов, сбор и обработка информации осуществлялась при помощи автоматизированной системы.

сигнал от

Рис.2 Блок-схема аппаратурного комплекса применяемого для измерений осредненных и пульсационных характеристик турбулентного пограничного слоя

Перемещение датчиков термоанемометра осуществлялось коор-

динатным устройством с шаговым двигателем. Точность перемещения датчика - 0.001 мм.

Как уже отмечалось, при изучении структуры турбулентности возникает необходимость в датчиках с высоким пространственным и временным разрешением, так-как сказываются различные эффекты, влиявшие на корректность измерении. Это прежде всего тепловая инерция чувствительного элемента и концеЕые эффекты, возникающие при обтеканий чувствительного элемента в местах соединения с державкой. Передаточная функция для серийных датчиков, применяемых в данных исследованиях показало, что она мало отличается от единицы и данными эффектами можно пренебречь.

В четвертой главе данной работы проставлены экспериментальные данные и расчеты по инженерным методикам солнечных коллекторов.

Установлено, что до лунки профиль продольной скорости не претерпевает никаких изменений, т.е. не наблюдается влияние лунки вверх по потоку. Набегающий поток при входе в лунку дополнительно турбулизируется, перемешивается с находящейся в углублении жидкостью и увлекает частицы жидкости из зоны смешения в основное течение.

Измерение типа течения в пограничном слое выражается в формировании вниз по потоку от одиночной сферической лунки трех зон (рециркуляции, присоединения и релаксации). Структура течения и протяженность каждой из зон зависят от глубины (И) и диаметра (г!) лунки, а также от скорости потока и уровня начальной турбулентности. Интенсивность изменения пограничного слоя определяем по степени изменения гидродинамических и тепловых характеристик.

Из экспериментальных данных следует, что распределение скорости и её пульсации в лунке в продольных сечениях имеют одинаковый характер изменения и отличаются лишь масштабом. Таким образом, анализировать характер течения в лунке можно на примере центрального продольного сечения, где наиболее ярко проявляется изменение исследуемых характеристик.

Было замечено, что при входе потока е лунку наблюдается появление второго максимума в распределении продольных пульсаций в зтой области. Наблюдается меньшее заполненность профиля скорости по сравнению с плоской пластиной. Наибольшему изменению подвергается пристенная область профиля скорости. Обратное

течение на дне лунки указывает на зарождение вихря, или системы вихрей, определяющих структуры пограничного слоя гторичного смерчеобразного потока.

Что касается распределение температуры и ее пульсаций, то как и в случае скорости профили температуры при входе в лунку менее заполнены по сравнению с плоской пластиной. Кроме того, наблюдается несколько продольных максимумов пульсаций температуры в близи со стенкой, что приводит к резкой интенсификации теплоотдачи в этой точке. Измерение распределения локального коэффициента трения вдоль центрального продольного сечения указывает на существенную интенсификаццию теплообмена над лункой.

Наибольший коэффициент теплоотдачи, имеет место на выходе из лунки возле задней кромки (рис.3).

А) I э/А) 18"0

0

\ 0

j 1 \ / / ^ 4

\ у 4J

___ г s

0 0

OJ26 0.266 0.26 0.266 0.27 0.276 0.28 0.28Б 0.28 (0.206 0.3 0.306

Рис. 3 Отношение локальных значении коэффициентов « на поверхности углубления к значению «о на гладкой поверхности перед углублением.

Установленный факт неравномерности теплоотдачи по поверхности с ярко выраженными всплесками над лунками представляется весьма важным для дальнейшей интенсификации поверхности со сферическими углублениями.

Результаты по распределению числа Nu по длине профилированной сферическими углублениями поглощающей пластины аппроксимированы в выражение с использованием коэффициентов предложенных К.H.Presser:

NUji - 0.023 * Rej0' 8 * Рг0.43 * £1 * fF 0 * fE 0.08

На рис. 4 представлены расчеты полученные в результате обработки и анализа экспериментальных данных. Расчеты показывают распределение температур по длине плоского солнечного коллектора. Произведено сравнение базового ПСК (А) и улучшенного ПСК (В), где было применена поглощающая панель с сферическими лунками. Сравнительный анализ графиков А и В дают результаты о более лучшем перераспределении полей температур по длине ПСК, что оказывает влияние на уменьшение общего коэффициента тепловых потерь 1!ь и увеличение коэффициент эффективности поглощающей панели Ря.

т (С)

Рис. 4 Распределение по длине (О ПСК температур:

1- ТВых - темтература теплоносителя (воздуха);

2- ТПд - температура поглащающей пластины;

3- Тот - температура прозрачного покрытия (стекла); Полученные экспериментальные результаты распределения температуры по поверхности прозрачного покрытия аппроксимированы в выражение:

Тст - 120.99 - 42.08*Ь - 84.6*е~ь Полученные экспериментальные результаты распределения температуры по длине поглощающей пластины аппроксимированы в выражение :

Тпл - 1/[1.037*10"2*Ь - 5.767*10"2*1п(1)] Оценка при использовании плоских солнечных коллекторов показывает, что увеличение а коэффициента теплоотдачи солнечного

коллектора на 20 % приводит к росту КПД системы отопления со-лечного дома до 10 X.

Первым наиболее типичным и массовым видом потребителя для солнечного теплоснабжения или горячего водоснабжения следует выбрать индивидуальный жилой дом (коттедж). В последнее время в стране получает интенсивное развитие массовое коттеджное строительство, которое также крайне слабо или совсем не охваченное централизованным теплоснабжением. В данной работе выбран некий обобщенный тип индивидуального жилого дома с отапливаемым объемом 360 м3 при числе проживающих 6 человек. При этом нагрузка отопления и горячего водоснабжения определяется по действующим на территории Российской Федерации строительным СНиП-ам.

Все климатические данные, необходимые для расчета солнечных установок замещения приняты для Ь6° с.ш. 37.5° в.д., взяты из официальных климатических справочников.

На практике жидкостные системы встречаются чаще, чем воздушные. Это связано с тем, что жидкость имеет преимущества как теплоноситель и теплоаккумулирующий материал. К недостаткам жидкостных систем можно отнести то, что необходимо обеспечивать теплообмен с воздухом обогреваемого помещения и защиту от замерзания, кипения и коррозии. Это проблемы, с которыми не приходится сталкиваться при эксплуатации воздушных систем, существенны по той причине, что утечки жидкости могут вызвать серьезные повреждения оборудования. Обзор литературных данных показал, тепловые характеристики жидкостных и воздушных систем в сходных условиях примерно одинаковы.

Для определения коэффициента замещения нагрузки и теплоп-роизводительности активных систем солнечного теплоснабжения как параметров, необходимых и достаточных при оценке значимости для потребителя альтернативного энергоисточкика и его экономичности в сравнении с традиционными был использован известный Г - метод.

Расчеты проводились для разных вариантов потребления и при разных используемых теплоносителях (вода или воздух).

Тепловой расчет проводился для двух типов солнечных коллекторов: 1) базовый - плоский проточный воздушный солнечный коллектор с гладкой поглощающей панелью; 2) модернизированный -коллектор с поглощающей панелью с поверхностью профилированной шахматно-упорядоченной системой сферических углублений.

В последствии проводились сравнения двух основных вариан-

тов коллекторов и их характеристик.

Сравнение £' - графиков для систем нагрева жидкости и воздуха показывают, что при одинаковых значениях X и У воздушная система обеспечивает более высокий коэффициент замещения. Это особенно заметно при больших значениях Г и объясняется несколькими причинами. В режиме отопления средняя температура на входе в коллектор в системах с воздушным теплоносителем ниже (а следовательно, эффективность коллектора выше), чем в системах нагрева жидкости, поскольку в данной случае через воддухонагрева-тель циркулирует воздух с комнатной температурой.

Вторая причина заключается е том, что в галечных аккумуляторах температурная стратификация обычно сильнее, чем в баках с водой. Отчасти это объясняется меньшими значениями водяного эквивалента и ьоудухонш'реватолях.

Третья причина связана с тем, что в системах с воздушным теплоносителем не требуется теплообменник для передачи тепла от аккумулятора к воздуху, подаваемому в здание, а следовательно, отсутствует дополнительный перепад температур.

Наконец, в воздушной системе не происходит сброса энергии, как в жидкостной, когда температура жидкости достигает точки кипения.

В большинстве случаев, однако, нельзя утверждать, что воздушные системы более эффективны, чем системы нагрева жидкости. Коэффициент эффективности отвода тепла из солнечного коллектора Рй для воздухонагревателей обычно ниже. Поэтому значения X и У для воздушных систем, как правило, меньше, а следовательно, их характеристики могут быть равноценны, лучше или хуже характеристик жидкостных систем сравнимых размеров.

С помощью Г - метода, изложенного в работе, можно весьма просто рассчитать тепловые характеристики систем солнечного отопления и (или) горячего водоснабжения для любого географического пункта, для которого известны метеорологические данные.

Результаты расчетов тепловых характеристик лучше всего представить в виде зависимости доли годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, от площади коллектора.

Таким образом, для объективной оценки теплотехнической эффективности солнечных коллекторов используются перечисленные параметры (Тсс, Ри, 11ь), а не численные значения КПД коллектора.

На рис. 5, 6 представлены результаты таких расчетов.

0.8

0.6

0.4----

0.2

Б (ГП2)

Рис. 5 График зависимость доли годовой нагрузки (О, обеспечиваемой за счет солнечной энергии при отоплении коттеджа от площади солнечной установки 1

0.8

0.8

0.4

0.2

( I I I I

I I ( ^^

- . у/ I ...........

Э (т2)

16.7 26

44

60

76 87.6 100.0

О

Рис. 6 График зависимость доли годовой нагрузки (Г), обеспечиваемой за счет солнечной энергии при горячем водоснабжении коттеджа от площади солнечной установки

Применение {' - метода требует знание параметров коллектора Гя*(Тос) и Коэффициенты Р^(Га), и^к являются парамет-

рами предусмотренные ГОСТом и должны быть указаны в техническом паспорте солнечного коллектора. Измерение этих величин необходимо и достаточно для оценки теплотехнических качеств ПСК.

вывода.

1. Проведено комплексное исследование влияния сферических углублений на структуру потока, а также на изменение теплооб-менных характеристик солнечных коллекторов. Также проведена систематизация и анализ результатов по течению на профилированных поверхностях различных исследователей.

2. Установлены закономерности влияния на теплообмен и гидродинамику сферических углублений на участках до и после углублений.

3. Впервые было предложено использовать интенсификацию теплообмена путем нанесения лунок на поверхность для улучшения тепловых характеристик плоского проточного солнечного коллектора.

4. Получены новые данные по распределению скорости и тем-ператыры внутри коллектора с профилированной поверхностью.

5. В работе был предложен метод определения локальных характеристик солнечного коллектора, позволяющий более детально определять коэффициент использования тепла, общий коэффициент тепловых потерь (11ь), коэффициент эффективности отвода тепла из солнечного коллектора (Р'к).

6. Получены новые детальные исследования структуры потока и теплообмена в коллекторе для улучшенной лучевоспринимающей поверхности которая была покрыта сферическими углублениями, расположенными в строго определенном порядке.

7. Проведены разчеты по сравнению солнечных систем отопления жилого дома с простым и улучшенным солнечным коллектором.

При проведении экспериментов и расчетов установлено, что улучшенный солнечный коллектор повышает коэффициент замещения { на 2 X, если в системе солнечного теплоснабжения не изменялись другие приборы. Эффективность самого коллектора при применении сферических углублений на поверхности поглощающей понели воз-расла с 76 до 88 Г., что указывает на резервы мощности солнечной системы теплоснабжения.

- 19 -

Результаты сравнения коллекторов приведены в таблице

1 1 N ....... ПАРАМЕТРЫ Базовый ПСК i Улучшенный ПСК |

1 1 (tot) 0.8645 0.8645 |

1 2 Ut 4.28600 4.28600 |

1 з Fr 0.811 0.928 |

1 4 UL 4.31679 3.56405 |

1 5 (ttí)*FR 0.70120 0.80259 |

1 6 UL*Fr 3.50136 3.45205 |

1 7 Qh 340.723 393.265 |

1 8 n (%) 76.0543 87.7824 |

1 9 i f 30.276 32.188 | >

В результате разработана и реализована действующая модель солнечного коллектора, выбранной конструкции.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах и научно-технических отчетах:

1. Г.И.Кикнадзе, А.В.Медведев, Э.Д.Сергиевский. Экспериментальное исследование течения в одиночном полусферическом углублении на гладкой пластине при обтекании турбулизированным потоком. // Сборник научных трудов / Московский Государственный Университет Леса. - 1993. - Вып.252. - С.104-111.

2. Г.И.Кикнадзе, А.В.Медведев, Э.Д.Сергиевский. Гидродинамика обтекания одиночных полусферических углублений на исходно гладкой пластине при турбулизированном потоке. // Сборник научных трудов / Московский Государственный Университет Леса.

- 1993. - Вып.252. - С.152-156.

3. Г.И.Кикнад8е, А.В.Медведев, Э.Д.Сергиевский. Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при обтекании сферического одиночного углубления на пластине при турбулентном потоке воздуха. // Сборник научных трудов / Московский Государственный Университет Леса. - 1993. - Вып.252. - С.86-95.

4. Конвективный и радиационный теплообмен в каналах теплоэнергетических установок с интенсифицированным теплообменом. Сергиевский Э.Д., Косенков В.И., Кошкарбаев А.Н., Медведев A.B.

// Всероссийская научно - техническая конференция " Высшая школа России и конверсия.": докл., - М., - 1993, - С.176-177.

5. В.И.Косенков, А.В.Медведев, Э.Д.Сергиевский Интенсификация теплообмена в каналах теплоэнергетических установок. // Первая Российская национальная конференция по теплообмену: докл.,

- М. , - 1994, - Т.8, - С.123-126.

6. А.В.Медведев Влияние конструктивных параметров гелио-коллектора на его эффективность. // Вестник МЭИ. - 1995. - N5.

- С.25-30

7. А.В.Медведев Гелиосистема для теплоснабжения зданий. // Конверсия. - 1996. - N12. - С.14-16

8. В.И.Косенков, А.В.Медведев Применение тепловизионной техники и термоанемометра для исследования структуры потока в воздушном плоском солнечном коллекторе. // IV научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков": тез. докл., - М., - 1997. - С.66-67

9. А.В.Медведев, Э.Д.Сергиевский Экологические проблемы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) на примере солнечной энергии. // Научно-техническая конференция студентов и аспирантов вузов России "Радиоэлектроника и Электротехника в народном хозяйстве": тез. докл., - М.,

- 1998. - 1.2. - С.95-96

Псч- л- /,ZS_Тираж /¿>¿3 Заказ Qf)

Типография МЭИ. Красноказарменная, 13.

/*"» 4 А .'-Л ....... .. л -.V

А '/ • ¿? и - , -'•..> 1 ч - Н

и ! ' , . V; ч*" V/' Су

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Э. Д. Сергиевский

МОСКВА 1993

ОРДЕР Ж А Н 1 Е

стр.

Введение ................................................. 5

Условные обозначения ..................................... 10

Глава I Эффективность применения солнечного коллектора в отоплении и горячем теплоснабжении на территории Российской Федерации ............................. 12

'§ 1.1 Введение ........................................... 12

§ 1.2 Краткая климатическая характеристика Европейской части Российской Федерации с точки зрения использования солнечной энергии ..................................15

§ 1.3 О техническом уровне солнечных коллекторов и перспективах его повышения в России ....................... 18

§ 1.4 Методы расчета основных энергетических характеристик 21

§ 1.5 Долговременные характеристики системы солнечного теплоснабжения .......................................... 23

1.5.1 Расчет коэффициента замещения ( Г - метод ) ........ 23

1.5.2 Общий коэффициент тепловых потерь коллектора ....... 25

1.5.3 Коэффициент эффективности отвода тепла от солнечных коллекторов ................................................26

1.5.4 Потери теплоты связанные с прогревом коллектора .... 27

1.5.5 Влияние запыленности прозрачного покрытия и затенения корпусом коллектора на тепловую мощность солнечных коллекторов ........................................ 28

€3 1 в Пцяч^э экологических и социально-экономических Фа кторов при использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ) на примере солнечной энергии............................................................29

Выводы и задачи данного исследования ............... 40

Глава II Обзор исследований влияния сферических углублений на

характеристики турбулентного течения и теплообмена . 42

§ 2.1 Влияние упорядоченых сферических углублений на характеристики течения ................................. 42

'§ 2.2 Влияние сферических углублений на теплообмен и -трение развивающегося потока на пластине .............. 56

Выводы по 2-ой главе ............................... 75

Глава III Методика измерения скорости и температуры в рабочем канале солнечного коллектора и описание рабочих участков экспериментальной установки ...............

§3.1 Методика измерения и квалификационные исследования экспериментальных характеристик аэродинамической установки ....................................................76

§ 3.2 Методика исследования с применением зондовых методов 79

§3.3 Оценки погрешностей измерений ...................... 92

:§ 3.4 Описание рабочих участков и установки.............. 95

DDIÖU I! ы

feti глеше

л г>л IUI

Глава IV Экспериментальные исследование и анализ результатов 102

§ 4.1 Экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена при обтекании сферического одиночного углубления и поверхности профилированной сферическими

§ 4.2 Экспериментальные данные по теплообмену в плоском солнечном коллекторе с поверхностью профилированной

§4.3 Сравнение экспериментальных данных с данными полу-ченнными методом компьютерного моделирования тепло-

углублениями

102

сферическими углублениями

114

обмена в солнечном коллекторе

134

Выводы по 4-ой главе

153

Заключение

. 154

Список используемой литература

155

ВВЕДЕНИЕ

Проблема использования нетрадиционных источников энергии в различных отраслях народного хозяйства все больше и больше занимает научную общественность многих стран мира. Если после первого энергетического кризиса 1973 г. мировое сообщество волновал вопрос возможности надежного обеспечения энергией., то в настоящее время в условиях все возрастающей экологической нагрузки интеграция энергетической и экономической политики стала центральным требованием во многих странах мира.

В последние годы появились тревожные симптомы состояния отечественного рынка солнечных коллекторов: при явном дефиците (спрос в 5-6 раз превышает предложение) потребители отказываются от продукции наших заводов-изготовителей. Причина - отставание отечественных солнечных коллекторов от мирового технического уровня. Недостатки отечественной продукции: малая площадь поверхности теплообмена, большая удельная масса, следовательно материалоемкость, малый срок службы.

Технический уровень и качество солнечных коллекторов, выпускаемые в СССР, были низкими.

С целью повышения качества отечественных солнечных коллекторов был разработан и выпущен ГОСТ, вступивший в действие с 01.07.90 г. Однако и в последующий период в Российской Федерации выпускаемые коллекторы по некоторым параметрам не соответствовали требованиям указанного ГОСТа.

В настоящее время и в обозримом будущем развитие использования солнечной энергии будет связано, в основном, именно с преобразованием ее в тепло невысокого потенциала, достаточного

тг тт.т ттлтгтггт т? ПАП'ТТГЛПЛ п Атт/ллгтпйк/'лгггуст /-г .—ч гпт . ггп г .-г гч лч\ » птт»г.->гт

дли ит^шшпш! и гиуячеги видиипслилепил. ииълиплети«. -эти и идлии

стороны тем* что получение тепла за счет солнечной радиатщи реализуется с помощью относительно простых технических средств, а с другой - тем, что в балансе потребляемых видов энергии теплота занимает доминирующее место.

Работа посвящена повышению эффективного использования солнечной энергии, основанной на применении новых технических решений с использованием поглощающей поверхности, покрытой сферическими углублениями для интенсификации радиационно-конвективного теплообмена плоских коллекторов в солнечных установках, используемых в современном теплоснабжении жилых зданий и сельском хозяйстве.

На сегодня все традиционные методы интенсификации теплообмена в воздухоподогревателях связаны с ростом его гидравлического сопротивления. При этом повышение эффективности теплообмена на 30-40 % ведет к росту сопротивления в 20 - 40 %. Отсюда следует, что традиционные методы интенсификации тепло- и массо-обмена, в ряде случаев, не приводят к повышений функциональной и экономической эффективности энергетического оборудования.

Поэтому искусственно созданный смерчевой энергообмен, повышающий скорость передачи тепла от поверхности в поток и от потока к поверхности без опережающего роста гидроаэродинамического соплотивления, является предпочтительным способом повышения указанных выше характеристик гелиоколлекторов.

Зффект интенсификации теплообмена достигается дополнительным вихреобразованием, приводящим к повышению турбулентной диффузии в переходной зоне и турбулентном ядре, а, следовательно, к снижению устойчивости и толщины слоя молекулярной теплопроводности у стенки. Необходимость изучения радиационного и конвективного тешюообмена диктуется их широким применением для

интенсификации процессов и управления пограничным слоем, Радиационный перенос тепла является характерной особенностью рабочих процессов современных промышленных энергетических установок. В ряде случаев вклад лучистого потока в общий тепловой поток к элементам конструкций установок становится существенным по сравнению с конвективным и кондуктивным потоками тепла. При этом может возникать необходимость учета взаимодействия поля течения и поля излучения вблизи поверхностей теплонапряженных элементов конструкций.

Целью данном работы: является исследование основных закономерностей течения и расчет локальных характеристик полей скорости и температуры солнечного коллектора и нахождение способов управления ими, экспериментальное исследование влияния полусферических углублений на профили осредненной скорости и пульс-алий скорости, на профили осредненной температуры и пульсаций температуры. На основе анализа экспериментальных данных изучить влияние углублений на структуру течения и теплообмена.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- провести экспериментальное и численное исследование локальных характеристик полей скорости и температыры солнечного коллектора;

- разработать метод расчета течения и теплообмена в канале солнечного коллектора и дать практические рекомендации по выбору проектных характеристик солнечных коллекторов и установок.

Измерение проводились с помощью термоанемометрического датчика, чувствительного к направлению потока и разработанной методике определения теплообменных характеристик в каналах с такими поверхностями.

о

- о —

Научяая новизна.: с помощью современной термоанеметрической техники получены новые экспериментальные данные по распределению полей скоростей и температур в канале солнечного коллектора с поглощающей панелью профилированной сферическими углублениями. Проведены параметрические исследования различных схем солнечных коллекторов с применением разработанной методики и комплекса вычислительных программ для численного исследования процессов теплообмена в каналах коллекторов.

Практическая ценность: полученные результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при проектировании новых солнечных коллекторов, тешюнапряженного энергетического оборудования с целью сокращения габаритов, оптимизации характеристик течения, экономии энергоресурсов, увеличение теплосъёма на начальных участках рабочей поверхности, а также для разработки, оптимизации, конструирования и производства солнечных установок, имеющих высокую эффективность теплообмена при допустимых капиталозатратах.

Автор выносит на защиту: результаты экспериментальных исследований осредненной скорости и пульсаций скорости, температуры и пульсаций температуры, а также физические представления о природе одиночного вихря в сферической лунке на гладкой поверхности, методику расчета теплообмена в рабочем канале солнечного коллектора. Численное моделирование течения и теплообмена в канале. Рекомендации по улучшению основных рабочих параметров солнечного коллектора и солнечной установки теплоснабжения.

Апробация работы:

Результаты исследований доложены и обсуждены на XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ИТТФ АН Украины, Киев июнь 1992; IX школа-семинар молодых ученых и специалистов, МГ1У им. Баумана, Москва май 1993; Областная научно-техническая конференция, Каз.ГТУ, Павлодар Казахстан апрель 1993; Всероссийская научно-практическая конференция, МГАИ, Москва ноябрь 1993; Международная конференция "Проблемы энергетики Казахстана", Каз.ГТУ, Павлодар Казахстан июль 1994; Первая Российская национальная конференция по теплообмену, МЭМ, Москва ноябрь 1994; Стендовый доклад на Второй международной научно-техническая конференция "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики", МЭЙ, Москва октябрь 1995; Moscow Solar Summit, Россия, июль 1996; Вторая Всероссийская научно-практическая конференция "Высшая школа России: конверсия и приоритетные технологии." МАИ, Москва декабрь 1996; Научно-практическая конференция "Проблемы и перспективы использования солнечной энергии" Россия, Москва, ВММй (Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации), январь 1997; Научно-техническая конференция " Энергосберегающие полупроводниковые технологии для промышленности России " Россия, Москва, МАДИ, июнь, 199?'; IV Межреспубликанская конференция " Оптические методы исследования потоков" Россия, Москва, МЭИ(ТУ), июнь, 199?.

По теме диссертаций имеется 16 публикаций.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения и четырех глав. Объём диссертации составляет 165 страниц, 46 рисунков, список литературы содержит 65 наименования.

- ю -Условные обозначения: Р - коэффициент эффективности поглощающей панели, 111_ - общий коэффициент тепловых потерь, Вт/(м** К); Го - коэффициент эффективности отвода тепла из

солнечного коллектора, (ТсО - оптический КПД солнечного коллектора, Чпол ~ полезная тепловая мощность коллектора, Вт/м2; 1 - длина, характерный линейный размер, м; ^ - продольный шаг, м; 12 - поперечный шаг, м; г г - коэффициент формы углубления, г'е - коэффициент (степень) расширения, Р'о - площадь исходной гладкой поверхности, м2; Рр. - площадь профилированной поверхности, ; ДГ - увеличение площади поверхности за счёт

профилирования, % ; £'Р - плотность профилирования поверхности:

для коридорного расположения: ГР - т£*г2д/1-1>И:2; для шахматного расположения: 1"р - 2*7С*г~л/ у'З В - массовый расход, кг/с; р - плотность, кг/мс;; г - радиус лунки, м; (3 - диаметр лунки, м; Ь - глубина лунки, м;

п - количество сферических лунок на поверхности нагрева; }1 - динамическая вязкость, Па*с; 'X - теплопроводность, Дж/ (с*м*К); у - кинематическая вязкость, м2/с;

л.-угтплттгч-, 7Тгтп г-г „

- ли^ффициент иииригишшпин,

- 11 -

т; - касательное напряжение на стенке, кг/(м*с); а - коэффициент температуропроводности, мк'/с; « - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м'г*К); В - коэффициент массопереноса, м/с; и - скорость потока, м/с; Т - температура, С ; ДТ - разность температур, С;

- удельная изобарная теплоёмкость, Дж/(кт*К); Безразмерные комплексы:

Сп

ее = 1Ы/У - число Рейнольдса,

Рг - }1Ср/'Х - число Прандтля,

Ми 0£*1/\ - число Нуссельта,

6г = - число Грасгофа,

51 =2= а3/(рСрДТ®У«) - число Стантона,

ЗЬ 8^/0 - число Шервуда,

Зс у/Б - число Шмита,

Сг = - коэффициент сопротивления трения,

их = и* = |/Т/р - динамическая скорость,

Т+ = авд/'р^Ср^ит; - безразмерная температура,

и+ и/их - безразмерная скорость,

У+ = ит>У/У - безразмерная координата,

Индексы: « - параметры в ядре потока; о - параметры при входе; т - параметры теплового пограничного слоя. Приведенная в диссертации терминология по солнечным коллекторам, соответствует новому ГОСТу 28310-89 "Коллекторы солнечные. Общие технические условия".

.*-» т /~> тгт -г гг гл Л птт /чгтп т* гт»л*9"п у~ч тт лттт » т-\ гп .-ч г .■» гг>

иитсишНме ииисШсАчеЬ.юи иушзедсаы а хслите.

Глава I Эффективность применения солнечного коллектора в отоплении и горячем теплоснабжении на территории Российской Федерации

§1.1 Введение

Топливо дорожает. Дорожают, соответственно, электроэнергия, горячее водоснабжение и отопление. Причина понятна -уголь, нефть, газ добываются во все более отдаленных и труднодоступных районах Сибири и Севера. Соображения экономии знерго-ресурсов и бюджета понуждают нас обращаться к конкретным практическим решениям по использованию солнечной энергии.

Солнечное теплоснабжение, то есть отопление и горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений является направлением, наиболее подготовленным для практического применения по сравнению с другими аспектами использования солнечной энергии такими, например как преобразование ее в электроэнергию. В настоящее время и в обозримом будущем развитие использования солнечной энергии будет связано в основном именно с преобразованием ее в теплоту невысокого потенциала, достаточного для отопления и горячего водоснабжения. Объясняется это с одной стороны тем, что получение теплоты за счет солнечной радиации реализуется с помощью относительно простых технических средств, а с другой - тем, что в балансе потребляемых видов энергии теплота занимает доминирующее место.

На нужды теплоснабжения в настоящее время ежегодно расходуется до 25% всего добываемого топлива, из них около 22% при-

л; г тгтгт (~Т г г о чт ггт/-\ тг а гтл Гтт>-\Г1 игггч'Ч'П птутп тг.~ч т т •гттгтт ялп тлгттглтт » Г Л Т

лидих^л па дшни дсцеатреит<5ис<гшаыл штичштис хсилихы ш.

Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1.5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1,6£*Ю10 кВт*ч в год (что эквивалентно огромному количеству топлива -2*10 т условного топлива.), при этом мощность потока энергии составляет 1.85*10кВт.

Величина 3 носит названия солнечной постоянной. Она представляет собой энергию излучения Солнца, приходящего в единицу времени на единицу площади поверхности:

5 = Оз / (4*й*Кг) (1.1)

это дает значения: 3 - (3.9*1 О*6)/4*Ж*(1.б^Ю11)* = 1.38 кВт/м^.

С помощью солнечных коллекторов можно организовать горячее водоснабжение и отопление дома, коттеджа, садового домика, теплицы, животноводческой фермы. Это полезное устройство во многих странах уже давно стало привычным элементом быта.

Использование возобновляемых источников энергии вообще и солнечной радиации в частности следует., на мой взгляд., рассматривать как существенное средство энергосбережения в ряду других энергосберегающих мер. Именно так рассматривается проблема использования солнечной энергий в экономически развитых странах, где давно поняли, что вложение в энергосберегающие мероприятия - дело более выгодное, чем затраты на развитие добычи топлива или его закупки, и добились на этом пути впечатляющих результатов, главным из которых является существенное снижение энергоемкости единицы валового национального прод�