автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и исследование оборудования для горячего водоснабжения молочно-товарных ферм с использованием солнечной энергии в условиях Республики Беларусь

РГ6 од

"I Ь ^»Щмия АГРАРНЫХ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (БАТУ)

УДК [631.22+696. 4]-.621.472

КРАСОШШЯ ВЛЯЕРНЙ ВЛЛД1ЯС!РОШР1

РАЗРАБОТКА Ц ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ МОЛ&йЮ- ТОВАРНЫХ №РМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЗНЕР1Т01 В УСЛОВИЯХ РЕСПУШПШ1 БЕЛАРУСЬ

Специальность КЗ. 20.01 - ыеханпаацпя оельснояшяй-

ственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание угепой степени кандидата технических иауя

Минсж - 199Б

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ныне БелНИИМСХ)

Научный руководитель - академик Академии аграрных наук

Республики Беларусь и Россельхоз-академии, доктор технических наук, профессор Ы.М.Севернев

Официальные оппоненты: чл.-корр. Академии аграрных наук

Республики Беларусь, доктор технических наук, профессор Л.С.Герасимович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Н.Гутман

Оппонирующая организация - ПС "Белагропромэнерго"

Защита состоится " 1к " токц_ 1995 г. в_ч.

на заседании совета по защите диссертаций К 120.84.01 в БАТУ по адресу: 220608, Минск-23, пр.Ф.Скорины,9Э, ВАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БАТУ. Автореферат разослан " /£ " ' мл3_ 1995 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций ¡4Ш.Ц ЦцС^В.А.Агейчик

опцая ХАРлютигстакА рдвота

Актуальность тени. Определяющая роль в развитии экономики сельского хозяйства принадлежит энергетике. Основным источником получении низкопотенциалыюго тепла для технологических процессов в животноводстве является сжигание органического топлива. Дефицит жидкого топлива и постоянный рост цен на него, а также необходимость защиты окружающей среды от вредных выбросов при сжигании органического топлива стимулируют разработку новых технологий по экономному расходованию материально-энергетических ресурсов, а также более широкое использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной.

При использовании солнечной энергии практически отсутотвупт какие-либо отрицательные воздействия на окружающую среду, что особо важно для Республики Беларусь, территория которой загрязнена радиоактивными веществами после аварии на Чернобыльской АЭС.

Одним из перспективных направлений использования солнечной энергии является преобразование её в низкопотенциальное тепло и использование его для горячего водоснабжения молочно-товарньсс ферм, полевых станов, летних пунктов содержания скота 'и других нужд.

В настоящее время накоплен богатый опыт разработки, проектирования и эксплуатации систем горячего водоснабжения в среднеази-атсшк государствах СНГ. Еогможность использования энергии солнца для этой цели а природно-климатических условиях Республики Беларусь до сих пор практически не ,ручалась.

Существенное расширение масштабов использования солнечной энергии для горячего водоснабжения в условиях Республики Беларусь является актуальной задачей, направленной на решение комплексной проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов и в, конечном счете, на снижение -энергетических затрат производства животноводческой продукции.

Цель и задачи исследований. Работа посвящена разработка и экспериментальным исследованиям энергосберегающего оборудования с испольговалием энергии солнца для горячего водоснабжения молоч-но-товаряых ферм в условиях Республики Беларусь.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Анализ возможностей применения энергии солнца для нагрева воды на технологические нужды животноводства в условиях Республики ' Беларусь .

2. Исследование теплотехнических характеристик полимерных материалов для изготовления теп/ообменного элемента гедиоколлекторов.

3. Изучение конструктивных и теплотехнических параметров работы гелиоколлекторов.

4. Проведение испытаний гелиоводонагревателей в производственных условиях.

5. Расчет экономической и энергетической эффективности использования гелиоводонагревателей на молочно-товарной ферме.

Научная новизна. Соэдзны производственные типы гелиоколлекто-ров иэ стабилизированных полимерных материалов для горячего водоснабжения молочнотоварных ферм, изучены и систематизированы их теплотехнические характеристики.

Изучено влияние конструктивных, режимных и рздиационно-климатических параметров на эффективность работы гелиоколлекторов иэ полимерных материалов в условиях Республики Беларусь.

Накоплен опыт эксплуатации гелиоводонагревателей горячего во доснабжения молочнотоварных ферм в производственных условиях.

Изучено влияние нестационарных климатических условий, характерных для Беларуси на выходные теплотехнические характеристики гелиоколлекторов.

На новое техническое решение по системе солнечного теплоснабжения получено авторское свидетельство на изобретение (N1651052 ог 22 января 1991г.).

Практическая ценность. Разработан опытный гелиоводонагрева-тель для горячего водоснабжения молочно-товарной фермы на 200 коров в э/б им.Суворова Уаденского района, а также мастерской по ремонту сельхозтехники в колхозе им. Карла Маркса Воложинского района Минской области.

На Мозырский завод сельскохозяйственного машиностроения "Мо-зырьсельмаш" передана техническая документация на изготовление мо дуля гелиоволлектора Ц.08.ПВХ с целью организации производства.

Материалы выполненной работы использовались проектно-технологическим институтом "Сельхозпроект" при проектировании систем горячего водоснабжения объектов с использованием солнечной энергии.

Использование гелиоколлекторов Ц.08.ПЗХ на молочно-товарных фермах позволяет сэкономить до 35£ органического топлива, затрачиваемого на горячее водоснабжение.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались; на научнопрактической конференции по энергосбережению (Минск, 1988г.); на научно-практической конференции по использованию сол-

печной анергии в народной хозяйстве (Карши, ,1988г.); на научно- практически конференции "Научно-техличесгзш прогресс в агропромышленном комплексе" (Киев, 1988г.); на Международной науч-ю-технически конференции по ресурсосбережению и экологии (Гомель, 1909г.); на Всесоюзном семинаре по применению нетрадиционных юточников энергии в агропромышленном комплексе (Симферополь, 1989г.); на научно-технической конференции ВНИЛТШЭСХ по итогам ^следований 1989 года (Зеленоград, 1990г.); на Республиканской тучно-практической конференции по результатам научных исследова-!ий по ликвидации в Республике Беларусь последствий катастрофы на [ернобыльской АХ' (Гомель, 1992г.).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 14 печатных ра-

>ОТ.

Струитура п объём работы. Диссертационная работа состоит из ведения, общей характеристики пяти глав, общих выводов, списка сиольговзнных источников и приложений. Она содержит 100 страниц сковного текста, 15 таблиц, иллюстрирована 57 рисунками. Перечень спользованных источников включает 132 наименования, из них 2Q на иостранннх языках.

0С1ЮВ1ЮЕ СОДЕРЖА! 0ÍE РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш диссертации, изложе-ч проблемы, решенные в диссертации, содержится краткая характе-нстика работы, приведены основные положения, Еыносимые на защиту.

В первой главе "Гелшводоязгреватели для горячего водоснабже-■хя сельскохозяйственных объектов, особенности конструкций" рао-■гатреио современное состояние вопроса использования солнечной iepntii для герлчего водоснабжения сельскохозяйственных объектов, эинедеиы основные принципиальные схемы гелиосистем.

Широкое распространение для нагрева воды до +60° получили rjcKiie гелиоколлекторн. Однако'отмечается, что высокая стоимость, »соответствие конструктивных параметров и режимов работы гелио-\пле кторов конкретным природно-климатическим условиям является 'новным- препятствием для их применения. Первое определяется пользованием дорогостоящих и дефицитных материалов, ив которых иа-¡тойлены гелиоприемн^ки. Но этой причине нельзя существенно снять стоимость гелиоколлекторов без иаменеши технологии их проиэ-дства и материала.

Наибольший практический интерес представляют гелиосистемы, ботжщие по замкнутой одноконтурной схеме на принципе тершей-

¿Юнион циркуляции по сряькению с системами, ц которых циркуляция

осуществляется с паси.» нэсоса.

До настонйМ'О ьремьии нет достаточно полных и конкретных данных, по&волнодил дать количественную оценку о реальных вовшлноо-тнх аолголь&овяяий солнечной энергии. 3 обширной литературе, посия-¡д&нной прпродне- г. ¡ништичеешм условиям Беларуси, сопошюе внимание уделено .-.CHtfin v.;;,RKïèpi(CTnr-M климата. На основании анализа статно ппеоыьч дльлл:: > ошо-льлг'" ioï,po,ipo, awi/CifcepnoH прозрачность, территории ( fenvf ¿иси ооюьцо oa^'c-juiït на г[.>н геогрсД'НЧ^-

;ше аочи, omt'oooiiooH ,1 ■.->::;, ■.,ч*» :ii пс р^тационно-г^шт'шчеож-! » прщ/_;;и1.'н .-«лита», чт*-- c...aw..'3-гтсн ш» »¡^ктивнвети ¡юпольгоьашз; солнечной алел пм дли rf>( яч*."<) ьодссш£лвнид.

• Наиболее глги^г.шагиие- ;>-доыи поколь ¿свашм гвлиоводоиагре-i.iaTejien нахо,пл;'.:л ьл «т; peu л "p-oou.t ■[■■ rfiTii'. а которое окоднг области: хр^стокал, Рродюооoooi. .оомл-о. ою; чоол; Минске:;. Согласно 1Нл.лло/ лл>л;оо л-оРл -■ .h...: .,.<;.■. ол ол : люутл ооансЛ ную -л;ср; i!,o .n.m [■ л'-it-r'v : :oocî.o o-oi- , .ло:> л!рсля ne coi-p тайрь, тр есть се?о;шо, пл атот "ылкд i\, ;o> .pi""'¡о;к;вог( прихода oyuo-pioii лсоик-чн'-л! радикала >1 ос-лог лродол.л:;тсльнйш rit-oii од асишечнэто епямт.

H&iioojif.BïK :::-;:h4ïOtbo .чй&копот&нщшыюго т^нла в сельски хо&яйсть& полсдюлетод в п-::и:;ж>гиЧ'гских !н«лигссах на молочно-тс варны:-: фермах.

й СЛЛиЛ! С ^LiùviicOiO/St-HHbOi ¡nOOICTHbKjiCCi.: UtUieCOOOpaetOM раг:ра Сотать колегр/кло'; 1 ouiuKOJiaocO'pa на лолииарлых мал ¿.-риалов, пиго •rowîïfc па его Сола г«л:говодокагрввпте-л1,, искигат», ироигводстс^н них уелла-чал иоясчно-'оовзрио!! ГТ<о¡iо.ьаiмматериалы ь огл:»

чие or ('-¿-.ли Чи ;.cu'o:uipyi>ï, о.д>л'ра'о-о лаа иола оллот иопельло ватьел на г-чечедег ические нуады.

____îlrrilii-; ''Программа Оследпо;, аооиерчл'лоалалыл -о

следований" дзяо обоснование осгекгса исааудоьаний, методов ?<лла рения, обработки экопериыгчташш:'. датк, материалов, гелпекол

йбКТССУВ И Г^ЛИОУСТШОНКИ.

ЛзсграммгЛ лсолщаиштп ¿сььужлятят.сс.ь ашка ¿¡{¿«егкььос он чсыг. оонстругсгшшол peiioa.ui ivàcc ¡ал r ^¿Щ::;

•■Mï'j.r,.;; и uooiMoiaorc л-j о-рлалл a, лраоаоал :ык при ¡¡л i'o, о ; lib. :ua ;

:ХЛО!В!;'.!:С -рл^ентю „лл ¡^¡yip ла -чОС, ЬЛ р-то л'л.глрьр ол^лу-шь«; ¡л л, <п,и^г-.ое г,.

Ко ЛОТрУ i Л pli i Г ¡OuiOPC Л.Л ,ОС Р 0 Л

Б -

водонагревателя для нагрева водн является их эффективность и работоспособность я прирпдно-клиттичэских условиях Bwiapv .'и.

Рпботн по разработке невих полимерных натериялиг для гелио-коошсторов и их псследопиш:«? провод мк^ь совместно с НИИ поаиие-ров г.Нилний Новгород, лабораторией N16.

Для проведения натурных испытании пэлглегчт материалов создан экспериментальный его ид, вкяочггаши'» в себя спору и макеты с образцами полимерных материалов.

Разработана и создана экспериментальная установка для испытания гелпоколлекторов и определения их теплотехнических хзрякгериг*' гик. Установка (рис.1; попяолл.ля и<"^рнпть угол нг-клонз гелпокзл-лектора к горизонтальной поверхности; регулировать асирость циркуляции воды и устанавливать поверхность клгреиз под разлитым углом к направления солннп. У'-т-'.моокч р--.чг-»»т из пг.ящип" термосифона.

У

iL

77".

Рис Л. Экспериментальная установил для- иеслод'т.ишя различных конструкций гелиишлекгорив г $1:я5знуг;:::р гелиоводонагрева-

' теля: 1 - г елиекгзлл«ктор; F • г^лионрп-'-иик; 3 - бак-аасу-

муллтор; 4 - несуизл 'кнетрукцп:!: Г' ■ подводящий и отводящий тру&окроюды:' 6 - телес-копич- "Р? 'лайка; " - рейка о шарниром: н - насплю-. 9 • щкчгк; i»r к-:л»ч1о: 10, И - вентиль . ..... холоднпг» годз; '-- гер'чян род»»

Эксперимент ша тк г.Зрл.'чк гопник-. -х'-(:-.•■( w штооплены о одинаковой плоаааьг п&огдошой ит>ля1вят, «г- нктзчия проседены в одинаковы:-: шештх условиях. при олкяашги.',ч углах наклона к горизонталь ной поверхности.

При проведении исследований через каядый час измерялись: тем-

пература води на входе и выходе иэ гелиоколлектора (в 2-х точках), °С; температура воды в баке-аккумуляторе (в 3-х точках), °С; температура окружающего воздуха, °С; скорость ветра, м/с; суммарная солнечная радиация, Вт/м2-, продолжительность солнечного сияния, ч; расход воды в циркуляционном контуре, кг/ч-м2.

Поток суммарной солнечной радиации измерялся с помощь» ампервольтметра Н-339 и альбедометра М-69, установленного под тем же углом наклона к горизонту, что и гелиоколлектор. Температура воды измерялась при помощи хромель-копелеЕЫХ термопар с компенсационной коробкой типа КС-513М и записью на потенциометре КСП-2. Температура воздуха измерялась с помощью метеорологического термографа М-16С, скорость ветра с помощью анеморубометра МбЗМ-1 с фиксацией на электронном пульте МВ1-2-1, продолжительность солнечного сияния о помощью универсального гелиографа ГУ-1. Расход воды в циркуляционном контуре при помощи датчика тахометрического расходомера ШРТМ-01 с последующей записью на потенциометре КСП-2.

Количество тепла, полезно используемого в экспериментальной установке, определялось по формуле

Оэу - cDQ(tBUX - t8X). Вт/мг, где ср - удельнзя теплоёмкости воды, Дж/кг °С; G - удельный массовый расход воды в гелиоколлектора, кг/м2-с; ЕвыхДвх _ температура воды на выходе и входе в гелиоколлектор, °С.

Эффективность гелиоколлектора определялась по формуле Оэу

п « —, 4 -

где Q - приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность гелиоколлектора, Вт/мг.

Для испытания гелиоколлекторов в производственных условиях разработана и изготовлена специальная экспериментальная установка, позволяющая одновременно испытывать несколько модулей.

Температура воды измерялась . электрическими датчиками сопротивления с фиксацией электрическим термометром ТЭТ-2, расход воды в циркуляционном контуре, а также потребителем измерялся при помощи датчика тахометрического расходомера ШРГМ-15 с последующей записью на потенциометре КСП-2. Расход электроэнергии на нагрев воды регистрировался трёхфазным счётчиком активной энергии САЗ-И670М, подключенным через трансформаторы тока УТТ-50М (при использовании электроводонагревагеля).

Теплоиршэводитель ность г елиоусгаяовки

Огп " От (Ьвых с ~ ¿их с), Вт/м2, где Бг - расход воды в циркуляционном контуре, кг/ч-м2; 1ви* с» Ёвх с " температура воды на входе и выходе из секций гелиоколлек-торов, °С.

а$фективность гелиоустановки

Огп

" От '

где От - приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность гелиоколлекторов, Вт/м2.

Обработка результатов исследований проводилась на ЭВМ по программе, составленной на языке Бейсик.

В трстьнП главе "Экспериментальные исследования гелиопрнемни-ков и гелиоколлекторов различного типа" приведены результаты экспериментальных исследований новых полимерных материалов, применяемых при изготовлении гелиоколлекторов, технология и оснаотка для сварки этих материалов, различные конструкции гелиоколлекторов, проведён анализ влияния нестационарных природно-климатических условий, режимных и конструктивных параметров на выходные технологические характеристики гелиоколлектора, сравнительные испытания предложенной конструкции гелиоколлектора с серийно выпускаемым Братским заводом отопительного оборудования, методика расчета трубчатого гелиоколлектора из полимерных материалов.

Для определения оптических характеристик материалов прозрачной изоляции гелиоколлектора приведена измерения спектральной пропускной способности стекла, полиэтиленовой и предлагаемой на основе поливинилхлорида пленки в диапазоне длин волн от 0,2 до 2 мкм. Пленка на основе поливинилхлорида ИЭ-1Б по сравнению о полиэтиле-, новой пленкой, стеклом, поливинилхлоридными плёнками других химсоставов обладает высокой степенью прозрачности в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра, то есть в тех областях, где световые кванты Солнца, достигающие поверхности Земли, имеют наибольшую энергию. Вместе о тем пленка ИЭ-1Б имеет несколько меньшую светопрозрачность в средней и дальней областях инфракрасного спектра, что уменьшает тепловые потери переизлучением.

Приведены натурные испытания различных составов материалов на основе поливинилхлорида, применяемые при изготовлении гелиоприем-ника. Лучшие теплотехнические характеристики имеет материал ИЭ-10, но он обладает низкой эластичностью и свариваемостью за счет высокого содержания сажи, что ухудшает технологию изготовления гелио-

приемника. Исходя из этого целесообразно использовать состав материала ИЭ-9. Приведены результаты натурных испытаний материалов для изготовления корпуса гелиоколлектора и его теплоизоляции. Рассмотрено применение отражательных поверхностей в виде алюминиевой фольги или полимерных пленок с нанесенный тонким слоем экрана о целью повышения оптической эффективности гелиоколлекторов. При из-гатовленил корпуса рекомендуется использовать винипласт о введением стабилизирующих добавок, а теплоиеолящш иа пенопласта с накле-еиной на него алюминиевой фольгой.

Приводятся результаты экспериментальных исследований гелиоколлекторов различной конструкции (рис.2) в виде графиков и табличных данных.

а

ё

а-

Рис.2. Принципиальная схеыа экспершентапьных образцов гелиоколлекторов с различной конструкцией гелиоприемников. а - пленочный гелиоприеьшнк из полиэтилена; б - пленочный гелио-приемник из гтолившшшгорида; в - трубчатый из полившилхло-рвда; г - гелиоприемник из стали

На рис.3 в качестве иллюстрации показаны характерные изменения во времени температуры горячей воды на выходе иа коллектора и различных рЭД»'адиоино-кшша'Хшескж факторов.

Характерной особенностью гелиоколлекторов является нестационарный режим их работы, что обуславливается колебаниями суммарной солнечной радиации и температуры окружающего воздуха. При этом график изменения температуры горячей воды с незначительным сдвигом по фаге следует за графиком изменения суммарной солнечной радиации. В промежутке времени от 8 до 13 часов дня, когда возрастают одновременно суммарная солнечная радиация и температура окружающего воздуха, начинается интенсивный процесс нагрева воды. С 13 до 17 часов дня температура горячей воды в основном является функцией суммарной солнечной радиации, так как значение температуры окружающего воздуха и скорости ветра остаются примерно постоянными. Гра-

фик максимума температуря горячей воды нестолько сменен вправо по отношению )с максимуму прихода суш,(арной солнечной рчдиации, что объясняется малой инерционностью тепловых процессов в гелиоколлек-торах.

Цп

О.

Рис.3. Изменение в течение светового дня температуря горячей -вода на выходе иэ гелиоколлекторз 1, суммарной солнечной радиации 2, температуры окрудяк",его воздуха 3 и скорости ветра 4

Следует отметить, что изменение скорости ветра и температуры окружающего воздуха в тех диапазонах изменения величин, которые имели место и опытах, не окаяныаят влияния на изменение температуры горячен воды.

В результате исследований экспериментальных образцов гелио-коллекторов выявлены ¡а недостатки. Гелиоприомники, которые выполнены из полиэтиленовой салекаполненной или поливиннлхлорядной пленки, обладают низкими эксплуатационными качествами, высокой трудоемкостью изготовления. Гелиоприемники, изготовленные т станьных листов, обладают высокой металлоемкостью, трудоемкостью ионтажа, низкой коррозионной стойкостью, что ограничивает их применение. Применение геллокоялекторов с трубчатым гелкоприемяиком иэ сдженапалненногс яодивлннлхлоридного материала ИЭ-9 исключает все перечисленные недостатки. Определены оптимальный диаметр труб гелиоприемнша (25... 20>т) и воздушный зазор - между гелиоприёмником и саэтояро?рачной пленкой (20...26мм).

Приведены сравнительные исследования гэлис-коллекторов с двойной, одинарной свегопрозрачной плёнкой и без ней. Результаты испытаний покаллдч, что температура воды на выходе из гелиоколлектора с покрытием на 15'20°С выше, чем у гелиоколлектора без покрытия.

Необходимо отметить, что по своим теплотехническим показателям ге-лиоколлектор о одинарной плёнкой незначительно уступает гелиокол-лектору с двойной. Поэтому при небольшой разности температур окружающего воздуха и температуры воды на выходе из гелиоколлектора, целесообразно применение одинарного слоя плёнки, что удешевляет стоимость гелиоколлекторов,

Применение отражательного экрана на внутренних стенках и дне гелиоколлектора позволяет увеличить теплопроизводительность его б среднем на 18Х.

Приведены сравнительные лабораторные испытания разработанной конструкции гелиоколлектора из полимерных материалов Ц.08.ПВХ с гелиоколлектором Братского завода отопительного оборудования Б.8.'440.

Изложена методика расчёта трубчатого гелиоколлектора из полимерных материалов Ц.08.ПВХ. Лучистая энергия, поглощённая поверхностью гелиоприёмника, расходуется на нагрев воды, гелиоприёмника, теплоизоляции, корпуса, а также частично теряется в окружающий воздух. Уравненне теплового баланса для единицы плоизди рабочей поверхности гелиоколлектора в целом можно представить в виде: Qnor = Олол Чпот + Онаг; Qnor » Q-ttr-fln-f>®"Fr; Опол ■ G'Cp(tûijx ~ tBx);

QnoT = CUn-Fn(tn-to)+Ûé-F6(t6-to)+ûT-FTCtT-to)i Онаг e С(Ргс-1гс-ргс-Сгс)(1кгс-Ьнгс)+(Рк-1к-рк,Ск)• ■(tKK-t!ïK) + (Fu-lu-pu-Cu) (tKu-tHu)+(F,<o»-lKop-pKûp-cKûp) •

где Qnor - поглощённое гелиоприёмником тепло солнечного излучения, Вт; Опол - полезное тепло, Вт; QnoT - потерянное тепло в окружающий воздух, Вт; Онаг - тепло, затраченное на нагрев элементов гелиоколлектора, Вт; сг - поглощательная способность поверхности ге-лиопрниёмника; еп - пропускательная способность прозрачного покрытия; рф - отражательная способность зеркальной поверхности; Fr -

площадь гелиоприёмника, м2; un,u6,uT - коэффициенты потери тепла

через переднюю, боковые и тыльную часть гелиоколлектора, Вт/м2-°С; Fn.Fe.Fx - площади передней, боковых и тыльной поверхностей гелиоколлектора, и2; ta,tg,tT,to - температура передней, боковых и

тыльной поверхностей гелиоколлектора, а также окружающего воздуха,. °С; Frc,FK,Fu,FKop - площади поперечных сечений гелкопрношшка, канала, теплоизоляции и корпуса, м2; 1ГС,1к.lu,Ikod ~ Д-липы гели-оприемника, канала, теплоизоляции и корпуса, н; Ргс.Рк.Ри.Ркор -плотности материала гелиопривмника, канала, теплоизоляции и icopny-са, кг/м3; crc,cKlСц.Скор - теплоемкости материалов гелиоприёмни-

ка, канала, теплоизоляции и корпуса, Дж/кг-°С; £кгсДнгсЛккЛнк» tKn,tHn,tKKop,tHKop ~ конечные, начальные температуры телеприёмника, канала, теплоизоляции и корпуса, °С.

Разработанная математическая модель позволяет определить температуру воды на выходе из гелиоколлектора в зависимости от режима его работы.

Разработанный гелтоколлектор Ц.ОВ.ПВХ прошел приёмочные испытания на Западней МИС (протокол Ы7-25-90с (Э021040) от Ö сентября 1990 года) и по результатам испытаний рекомендован к использовании в условиях Республики Беларусь.

В четвертой глане "Результаты испытаний гелиоводонагревателя для горячего водоснабжение молочно-товарной фермы" приведены результаты экспериментальных исследований параметров и теплотехнических характеристик гелиоводонагревателя.

Параметры гелиоводонагревателя .существенно определяют его теплотехнические характеристики. Угол наклона гелиоколлектора к горизонту должен составлять в - 45°. Превышение бака-аккумулятора над верхней точкой гелиоколлектора 450 мм. Высота трубопровода, отводящего горячую воду от гелиоколлекторов в баке-аккумуляторе, должна быть не менее 2/3 его высоты. Для эффективной работы гелиоколлектора Ц.ОЗ.ПВХ объём воды в баке-аккумуляторе должен составлять 60л на 1м2.

Дневная теплопроиэводителькость гелиоводонагревателя, следящего аа движением Солнца, в среднем за сезон на 10% выше, чем дневная теплопроиэводигельиость стационарно расположенного гелиоводонагревателя, сориентированного в южном направлении с 15° поворотом на bdctok.

На основе гелиоколлектора Ц.ОЗ.ПВХ с учетом обоснованных параметров создан и испытан опытно-эксплуатационный гелиоводонагре-затель с электродублёром для нагрева воды на молочно-товарной ферме гоо голов дойных коров, принадлежащей экспериментальной базе км.Суворова Узденокого района Минской Области. Технологическая схема представлена на рис.4.

пш: 1 - гелиовсдонагреватель; 2 - электроводонагреватель; 3 - водонапорная башня; 4 - секции гедиошлдекторов; 5 -бак-'Чккумулятор; 6 - псдводяшие и отводящие воду трубопроводы гелииводонагревателя; 7 - задвилка; й,Э - подводящие и с-тво.*,гшк; воду трубопроводы 0ака- зг.куму.:птора; 10 - перепускной вентиль; 11 - несущая коастругвдя; 12 - вентиль; 13 - подводящие горячую и холодную воду трубопроводы электро-водонвгрелзтеля; 14 - отводящий горячую воду трубопровод злектреводснзгрователш; 35 - обратный клален; 16,17 - вентиль ; 18 - кран

Приведены результаты этепер'лментадьньк исследований Гслиово-дояагреватедя в грьрнгав и табличных дачг.*-.. Результаты натурных испытаний «окааааи, что расход воды черев в с г секции гелио-яоалегагороЕ к темлерьтура ее в разных точка?: одинаковы.

Суточные графики подогрева и потребления горячей воды о учетом бытовых нуад персонала при оболужшзанш! поголовья 200 голов дойннх коров показаны на рис.5.

<ак видно иг рис.5, ооЕме-щекие гра^'лкои водоснабжения и потребления горячей веда эа счёт гелиознэргни показывает, что при

средних природно-климатических условиях в весенне-летиэ-осешпй

период в результате использования гелиоэнергии нсшго получить го-

рячув воду, необходш.гую для всех технологических операций вторая и

третьей доек; для технологических операций первой дойки горячую

воду необходимо запасать с предыдущего: суток п электроводонаграваг

теле с последующ»! электроподогревом. Е,

кВт.

ца

зо

so-

to ,

о

\

У

\ \ v- ^ \

7}

х

-т-

2ч 2 и 5 8 <о 1г и, ís <s го гг Рис.5. Суточные графики подогрева и потребления горячен воды на. мелочно-товарной ферме на 200 голов дойных коров:

\Л - горячая вода, полученная аа счёт солнечной энергии;

ьу - горячат вода, полученная за счет электроэнергии;

- потребление горячей води 1—1 тарно-гигиенические нужды

на технологические, и оанк-

Гелиоводонагреватель ГШ--Е0 прошёл государственные испытания на Западной ШС (протокол №'-93-90 (8013600) от 19 ноября 1990г.) и рекомендован к изготовлении оштяо-вгюшавенкой партии.

Я шгстд г.п.чна "Экошлпесквя 5ф$е1тшиость использования комбинированной системы нагрева воды для горячего водоснабжения мо~ лочно-тонарных ферм" приведена методика энергетической оценки технологий, процессов, средств механизации и результаты расчета технико-экономических показателей гелноводонагревателей для сезонного нагрева воды на технологические нужды ферм.

Применяемые до настоящего времени методы оценки технологий и отдельного оборудования по приведенным затратам денегших средств я. затрата! живого труда в ряде случаев но позволяют получить достоверных данных в связи с существенным колебанием цен. Проблему энергосбереж ния целесообразно решать на основе энергетической

оценки, когда составляющие элементы затрат выражены в энергетических единицах. Такая оценка даег возможность дифференцированно устанавливать эффективность использования материально-энергетических ресурсов как в сфере эксплуатации оборудования так и в сфере его производства.

При подсчете совокупных энергозатрат установлено, что доля живого груда, непосредственно затраченного на производство единицы оборудования, весьма мала по отношению к другим составляющим. Интенсификация же производства эа счет сокращения затрат живого труда является одним из главных показателей, поэтому необходимо при выборе энергосберегающего варианта энергозатраты живого труда анализировать отдельно.

За основной критерий энергетической оценю! технологий и средств механизации принят коэффициент энергетических затрат, характеризующий в конечном итоге уровень прямых и косвенных затрат энергии на выполнение технологического процесса.

Коэффициент энергетических затрат Кэ является безразмерным и определяется отношением

.где Эц и Эе энергоемкость технологического процесса, выполняемого новым и серийным оборудованием, Щж/т.

В энергоемкость технологического процесса входят затраты энергии живого труда 3*. прямой энергии топлива, тепла и электроэнергии Эп, затраченных на изготовление оборудования о учетом затрат на ремонт и техническое обслуживание Э,^.

Уровень интенсификации И применения новой технологии или оборудования

. И - (1 - К3)-1005. Экономические и энергетические показатели комбинированной системы нагрева воды сравнивается в настоящей работе с показателями довольно широко распространенной технологии нагрева воды при помощи элеотроводонагревателей типа CADC. Применение гелиотехнолопш нагрева воды с апреля по сентябрь на молочно-товарных фермах Республики Беларусь позволит сэкономить 14,7 тис.т у.т., при этом себестоимость нагрева 1мэ воды снизилась на БОЯ.

По результатам энергетического анализа можно сделать вывод, что прлмые энергозатраты при использовании комбинированной системы снижаются на 32%, овеществленные на 31%, энергозатраты живого труда возросли на 197.. Общий уровень интенсификации составил 31?..

Результаты расчёта энергетической эффективности вариантов нагрева воды

Затраты По вариантам, МДж/т Коэффициенты энергозатрат Уровни интенсификации, 1

базовый СА0С-800 новый ГВП-20+СА0С-800

Прямые энергозатраты 423,00 289,40 0,65 32

Овеществленные энергозатраты 990,70 686,30 0,69 31

Энергозатраты живого труда 0,32 0,38 1,19 19

Полные энергозатраты 1414,02 976,08 0,69 31

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ географических и радиационно-климати-ческих условий Республики Беларусь, характеризующихся величиной суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность к горизонту (8=45°) в среднем составляет 4,5 кЕт/м2 в день при продолжительности непрерывного солнечного сияния - 6,5 часов, показал эффективность применения (апрель-сентябрь) солнечной энергии для горячего водоснабжение.

2. Создана экспериментальная установка и стенд, позволяющие проводить исследования разработанных конструкций гелиоколлекторов и различных материалов, применяемых при их изготовлении.

1 3. Исследованы, испытаны и применены новые полимерные материалы для гелиоколлекторов, обладающее повышенной дучепропускающей и лучепоглопрощей способностью и теплопроводностью. Разработаны технология сварки и.испытания гелиоприемников, изготовленных из полимерных трубчатых элементов.

4. По результатам исследований и испытаний в естественных условиях обоснованы оптимальные параметры гелиоколлектора и гелиово-донагревагеля:

- воздушная прослойка между гелпоприемником и светопропускакдей поверхностью в гелиоколлекторе - 20...25 мм;

- диаметр труб гелиоприемника - 25...30 мм; .

- угол наклона гелиоколлектора ь установке - 55...45°;

- превышение бака-аккумулятора над гелиокшшектором -350...500 объем бака-аккумулятора на 1 ы2 гелиоколлектора - 45...55 л;

- "высота отводящего трубопровода в баке-аккумуляторе не менее 2/3

его высоты.

5. Натурные испытания предложенной конструкции гелиоколлекто-ра подтвердили эффективность его работы. Теплотехнические характеристики этих коллекторов превосходят характеристики серийно выпускаемых металлических, а металлоемкость вдвое меньше.

0. Разработана методика инженерного расчета трубчатого гелио-коллектора из полимерных материалов, удовлетворительно описывающая процессы тепломассообмена и поглощение теплоносителем солнечного излучения.

7. По результатам исследований впервые в Республике Беларусь создан опытно-производственный гелиоводонагревателг. для горячего водоснабжения молочно-товарной фермы на 200 коров в э/б им.Суворова Узденского района Минской области, введенная в эксплуатацию в июле 1986 года.

S. Экономический и энергетический анализы показали, что применение комбинированной, системы нагрева воды для горячего водоснабжения молачно-товарных ферм позволит экономить органическое топливо в среднем 75 кг у. г. на 1 м*- гелиоколлектора за год и снизить энергетические затраты на 307.. Гелиоколлектор Д.08.ГШХ и ге-лиоводонагреватель ГВП-20 прошли приемочные испытания на Западной МИС и рекомендованы для широкого применения в условиях Республики Беларусь.

По тематике диссертации опубликованы следующие рзботы:

1. Севернев М.М., Далнгав В.Н. , Кузьмич В.В., Красовский В.В. Использование солнечной энергии для теплоснабжения сельскохозяйственных объектов в природно-климатических условиях Республики Беларусь //Актуальные задачи энергопронзводства и энергопотребления в БССР /Тез. докл. конф. - Минск, 1938. - С.85-85.

2. Севернев М.М., Кузьмич В.Е., Красовский В.В., Жданович A.B. Использование солнечной энергии для теплоснабжения сельскохозяйственных объектов //Основные направления и опит использования солнечной энергии е народном хозяйстве /Тез. докл. конф. - Карши, 1983. - С.54.

3. Кур.ьмич В.Б., Красовский В.В. Солнечные водонагреватели из полимерных материалов //Научно-техиичэсглй прогресс в агропромышленном комплексе /Тез. докл. конф. - Киев, 192В. - С.62.

4. Использование солнечной энергии в сельском хозяйстве/ MiМ.'Северней, Б.Н.Дашков, В.В.Кузьмич, В.В.Красовский //Сб. науч. тр. "Механизация и автоматизации технологических процессов в агропромышленной комплексе." - 4.2. - М, 1989. - С.108.

5. севернее М.М., Дашков В.Н., Кузьмич В.В., красопский U.B.

Энергосбережение при использовании солнечной энергии дня теплоснабжения в сельском хозяйстве //Достижения науки и техники з области ресурсосСередвния и экологии /Тез. докл. хонф. - Гомель,

1989. - С.SB.

5. Севернбв H.Ii., Кузьмич Б. В. , Красовский й.В. Использована» солнечной энергии для теплоснабжения э животноводстве //Механизация '» двтомагшзацпя тепдетнкялчдскпх процессе в в этрсирсг злшитсн комплексе Те? докл. кс-яф. - М, 1989. - С.80.

;!спсяьясванав •ювобиовляеных и нетрадиционных легочников jH*pnm в .;<?ли ком гш? -СбЕ^рнезв Н.М., Капустин В.Н.. л'ра-

ссвпкий В.В. .-Ct. науч. гр. "Моханизацин и электрификация ос-'Омского хозяйства." - Минск, i960. - Вып.Зй. - С.210-2-15.

3. Д.:. 'с-Ь 1 0Е2 пссР, MM!d F24J2/12. Система солнечного теп-лопи:.б<1ения Севернеа М.М., Снежки E.H., Кузьмич R.ß., Храоовпккй.

B.Н. fec?F>. - 146 &Э lC-б-Об; Оаявл. u5.C6.89; Опубл. 23.G6.-n, 2ш. ¡11 а - ¿с.

ч Кузьмич В.В. , Красовский В.В. Солнцу ¡г ветру навстречу / 'Сельский механизатор. - .1991', Iii. - С. 21.

10. Кузьмич В.В.. Красовский В.В. Солнечный водонагреватель Г'ВП-20. //KD ВНШТ31 агрспрсм. Кнф. материал. - 1991. Серия а. -

C. 18.

11. Севернвв М.М. , Кузьмич В.Б. , Красовский Е.В. Солне!<;-г.-Ч| водонагреватель "Гслекс-75" //Ш ВНИИТЭИ агропром. Информационней материал. - 1991. - N213. - 4с.

12. CeiM-НсЖ м.м. , Кузьмич а.В., Красовский В.З. Солнэчп:.!"! коллектор Ц.08.ПВХ '/ЕФ ВНИИТЗЯ агропром. Информационний матчах-ал. - '.991. - "212. - 4с.

!'J. Owppub М.М. , Кузьмич В.Р., Красовскнй В. Р. водонагреватель 'Телекс- 150" , ,'Ш ВНИИТЭИ агропром. Инфсрмнцион-•шй листск. - 1992. - N106. - 2с.

| певернев u.M., Дашков З.Н., Кузьмич G.G., Красовский В.П. Т/ичпие утаигвют для пункта санитарной обработка рабочих я зоне ^алпсоктлпнсгс зшшзшнтя о подогревом поди солнечной ояергпой '/Рреультпти паучник цсслйдопаннй, пиполнеили;; в соэтаотстсии с гссуцпсотаепнсД по лпюадздгс* 4 Республике Зелпг.уг.;.

!iO(.i:'r'\xctr»rift чп ЧасисЛиаьсгай tVEC, и аадг.уп: по г^л':^'.}

:".c!.'in™.f.!i,:ca пробп'.-м эггрявиенти рг-дцонушвдауп районт, /Т.-"... .//U. - V?.Ti. - С. 122.

Mm- -

РЭЗЮКЭ

КРАС0УСК1 ВЛЛЕРЫ УА\Д31ШРЛВ1Ч

РАСПРАДОУКА I ДАСЛЕДАВА1ПЕ АБСТАЛЯВАШШ ДЛЯ ГАРАЧАГА ВОДАЭАБЕС1ШЧЭШ1П МАЛОЧНА-ТАВАРНЫХ «ЕРИ 3 ВЬЖАРЫСТАИНЕМ С011ЕЧНАЙ ЭНЕРГП ВА У КОВАХ РЭС1ШШК1 БЕЛАРУСЬ

Юшчшшя словы: сумарная сонечная радыяцыл, эксперыменталь-ныя даследаванн1, параметры, лал1мерныя матэрыялы, гедияпрыемнхк, гел!якалектар, гел1яводанагравалья1к, энергетычныя затраты.

Аб'ентм даследаиання: радылцыйна-клзматычныя умовы, гелилп-рыеынШ роэнага тылу, гел1якалекгар, гел1лводанагравальн1к.

Цэль работы: распрацоугса 1 экспериментальный даследавзнн1 знергааберагаяьнага абсталяваиня а выкарыстаннем энерги сонца для гарачага водагабеспячэння мзлочна-таварнкх ферм ва умовах РэспуСл1к1 Беларусь.

Иотады даслсдавання 1 апаратура: метады матэматычнзй статистик!, метад параунальнай ацэнк1 тэхналоПй па энэргетычнаму кры-тарыа, альбедаметр, ампервальтамме-тр, гелиограф, тэрмограф, анэ-марубаметр, патэнцыяметр, тахаметрычны расходамер.

Атрмыания результаты 1 1х нашана: вывучан уплку канструкты-уных, рзлымных 1 радылць!йна-кл1матычных парам^трау на эфектыу-насц? працы гелиякалектарау в пал1мерных матэруялау ва умовах Рэспу0л1к! Беларусь, набиты вопыт эксплуатации гел:яводанагра-вальн!кау для гарачага водаэабеспячэння малочна-таварных ферм у вытворчых умовах; пав у кое ал навыка працы складзг-цца а стпарэння вьггворчага тыпу гел1якалектара з стабШаазаных падшерних матэ? рыялау, вывучаны 1 сЮтэматызаваны 1к цеплзтз;<н1чныя карактарыс-

ТЫК1.

Гел1яводанагравалыик прыэначаны для нагреву вады на патрэбы жывёлагадоучых ферм 1 дазвзляе эканомшь аргзнгшыя шд:; ггал1ва.

Р Е 3 Ю И И

КРАСОВСКИЙ ВАЛЕРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ШШМЮ-ТОВАРИЫХ ФЕРМ С ИСП0ЛЬ30ВА1ШЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Ключевые слона: суммарная солнечная радиация, экспериментальные исследования, параметры, полимерные материалы, гелиопри-емник, гелиоколлектор, гелиоводонагреватель, энергетические затраты.

Объекты исследования: раднационно-климатические условия, ге-лиоприемники различного типа, гелиоколлектор, гелиоводонагрева-тель.

Цель работы: разработка и экспериментальные исследования энергосберегающего оборудования с использованием энергии солнца для горячего водоснабжения молочно-товарных ферм в условиях Республики Беларусь. .

Методы исследования и аппаратура: методы математической статистики, метод сравнительной оценки технологий по энергетическому критерию, альбедометр, ампервольтметр, гелиограф, термограф, ане-морубометр, потенциометр, гахс-мегрический расходомер.

Полученные результаты и их ноошпа: изучено влияние конструктивных, режимных и радиационно-климатических параметров на эффективность работы гелиоколлектсров на полимерных материалов в условиях Республики Беларусь, накоплен опыт эксплуатации гедиово-донагревателей для горячего водоснабжения молочно-товарных ферм в производственных условиях; научная новизна работы состоит в создании производственного типа гелшколлектора иа-стабилизированных полимерных материалов, изучены и систематизированы их теплотехнические характеристики.

Гелиоводонагреватель предназначен для нагрева воды на нуады . животноводческих ферм и позволяет экономите органические виды. топлива.

SUUUARY

KRASOVSKII VALU! 11 YLADIH1RQYICH

RTS1ÎAKGH AHD DEYFXOPtEHT OF EQUIPUEHT FOR SUPPLYING HAT WATER TO FAR5J DAIRIES BY MAX I Nil USE OF SOLA« POVffiR 115 BELARUS CL1UATIC CONDITIO]I

ICoy vords: total solar radiation, experimental research parameters, polymer materials, helioreceiver, heliocollector, heliowaterheater, power consumption.

Research objects: radiation-climatic conditions, varions he-lloreceivers, heliocollector, heliowaterheater.

ftosenrch goal: experimental research and development of energy-saving- equipment operated by solar power and meant for supplying1 hat water to farm dairies in Belarus climatic condition Research catbods and equipment: method of mathimatical statistics, method of comparative evaluation of processes by power-consuming' critérium, albedometer, amperemeter, heliograph, thermograph, anemoriibog-raph, potent îcmeter, tachof lowmeter.

Data obtained and novelty nf results: the following has been studied; the effect of constructive, regime and radiation-climatic parameters upon the efficiency of operation of heliccollec-tors made of polymer materials in Belarus condition; seme experience has been gained in operating- the heliowaterheaters for hot water supply to dairies in industrial conditions; the novelty of the research consists of creating- an industrial type of the heliocollector made of stabilized polimer materials; the thermc-tech-nical characteristics of polimer materials have been studied and systematred.

The heliowaterheater is meant for heating water supplied for the needs of dairies and enables to save organic fuels.