автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методик расчета и выбор рациональных параметров систем теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами

2

Золотько Костянтин Євгенович

УДК 621.472,662.997

РОЗРОБКА МЕТОДИК РОЗРАХУНКУ ТА ВИБІР РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ З ПЛОСКИМИ СОНЯЧНИМИ КОЛЕКТОРАМИ

05.14.04. Промислова теплоенергетика.

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 1998

Робота виконана в Дніпропетровському державному університеті Міністерство освіти України___________________________________

Науковий керівник (консультант)

д.т.н Габринеиь В.О.

професор Дніпропетровського державного університету_____________________________

Офіційні опоненти:

дл-н.проФ. Рядно O.A.. начальник каФепри вищої математики та інформатики Митної академії У країни ______________________________________;________________

к.т.н.. пои. Потапов Б.Б. »доцент кафедри промислової теплоенергетики Державної металургійної академії _______________________________________________

Провідна установа: інститут газа НАН України С м. /(иУё 1______________________

Захіст відбудеться Березня 1995 P- о /? годині на засіданні

спеціалізованої вченої р«ди Д08.084.03 Державної металургійної академії._______

м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна. 4__________________

З дисертацією можна ознайомитись у біб ліотеці Державної металургійної академії,

м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна. 4

Автореферат розісланий________J/1*C/rtOZD І939р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Папко В.К.

Актуальність теми. У теперішній час спостерігається істотний дефіцит енергії практично у всіх областях народного господарства. Основними шляхами подолання цього дефіциту є впровадження ресурсо- та енергозберігаючих технологій; використання повторного тепла; застосування джерел енергії, що поновлюються. В майбутньому можливо ще більше ускладнення енергетичної ситуації, пов’язане з обмеженими запасами традиційного органічного палива, труднощами застосування ядерної енергетики та з проблемами забруднення навколишнього середовища. Тому зростає інтерес до повторних джерел енергії - тепла, що скидається енергоемкістними виробництвами, та до джерел енергії, що поновлюються: вітрові, геотермальні, сонячні та т. ін.

Системи опалення та гарячого водопостачання, що засновані на використанні названих джерел енергії, дозволяють суттєво знизити енерговитрати підприємства. Ці системи можуть знайти широке застосування у промисловості, комунальному господарстві та сільскогосподарському виробництві. Загальна величина енерговитрат на теплопостачання становить у цілому по країні близько 30% річного енергоспоживання.

У теперішній час найбільший інтерес викликають геліоснстеми теплопостачання. Проте створення таких систем вимагає значних капітальних витрат. Тому у кожному випадку необхідно обгрунтування ефективності використання геліотехнічних систем теплопостачання у конкретних кліматичних умовах, визначення раціонального складу установок та найкращих строків їх експлуатації. Для проектування систем теплопостачання вимагаються інженерні методики та розрахункові співвідношення теплових процесів, які протікають у геліоустановці. Це і визначає актуальність цієї роботи.

Метою дисертаційної роботи є розробка методик розрахунку ефективних систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами на базі уточнених математичних моделей теплових процесів, а також вибір раціональних параметрів таких систем.

Поставлена мета досягається рішенням таких задач:

1. Розробка методик проектування систем теплопостачання, що використовують плоскі сонячні колектори та рідинні теплові акумулятори (ТА).

2. Розробка моделі та дослідження процесу нестаціонарного теплообміну у приймачу променевої енергії (ППЕ) такої системи - плоскому сонячному колекторі.

3. Дослідження найбільш характерних режимів роботи системи приймач променевої енергії - рідинний тепловий акумулятор та створення методик їх

розрахунку.

4. Вивчення впливу метеорологічних факторів та конструктивних параметрів окремих елементів на ефективність роботи геліосистеми теплопостачання.

5. Розробка рекомендацій по проектуванню систем сонячного

теплопостачання промислових та комунальних об'єктів на основі експериментальних даних та результатів обчислювального експерименту .

Наукова новизна. В результаті проведених розрахунково-аналітичних досліджень розроблена уточнена математична модель, що описує нестаціонарний теплообмін у приймачу променевої енергії. На основі цієї моделі одержані співвідношення для визначення раціональних характеристик промислових систем теплопостачання та її окремих елементів.

Одержані нові експериментальні результати, по теплообміну у системі теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія.

Запропоновані нові співвідношення для визначення параметрів спільної роботи плоского сонячного колектора та теплового акумулятора для найбільш характерних режимів роботи системи теплопостачання, що дозволяють врахувати теплеемкість елементів системи, циклічність надходження енергії та деякі інші фактори:

- при добовому циклі акумулювання енергії та вимушеному русі теплоносія у контурі ППЕ;

- при вільній конвекції теплоносія у контурі приймача променевої енергії протягом доби;

• при сезонному акумулюванні енергії. '

Зазначені співвідношення дозволяють визначити раціональні конструктивні та режимні параметри роботи.

Одержані нові співвідношення, які дозволяють оцінювати вплив метеорологічних та конструктивних факторів на ефективність роботи геліосистеми. Вони визначають степінь заміщення необхідного споживачеві тепла за рахунок енергії сонячного випромінювання залежно від характеристик окремих елементів системи та кліматичних умов.

Практична цінність роботи полягає у слідуючому:

- розроблені методики розрахунку характеристик спільної роботи важливіших вузлів системи теплопостачання - приймача променевої енергії та теплового акумулятора. Проведений аналіз впливу режимних факторів та конструктивних параметрів на ефективність використання геліотехнічних систем теплопостачання;

- інженерні методики розрахунку були використані для визначення теплових характеристик систем попереднього нагріву води, що надходить у

з

парові та водогрійні котли промислового призначення, нагріву ванн з електролітом та деяких інших установок;

створені комп’ютерні програми, що забезпечують на основі чисельного моделювання ефективний пошук раціональних рішень, які поліпшують характеристики геліосистем;

- результати теоретичних та експериментальних досліджень були використані при складанні технічного завдання на проектування системи теплопостачання та охолодження для АОЗТ "Металургспецремстроймонтаж";

- запропоновані практичні рекомендації по проектуванню систем теплопостачання.

Отримані результати експериментальних досліджень теплових та динамічних характеристик процесів, що протікають при сумісній роботі приймача променевої енергії та теплового акумулятора.

Результати роботи можуть бути використані при розробці та проектуванні систем тепло- та гарячого водопостачання різних об'єктів промислового, комунального та сільськогосподарського призначення.

До захисту виносяться:

1. Уточнена математична модель теплових процесів, що протікають у приймачу променевої енергії.

2. Експериментальні дані по спільній роботі приймача променевої енергії та теплового акумулятору для режиму вільної конвекції теплоносія у контурі ППЕ. Результати експериментальних досліджень нестаціонарних теплових процесів у плоскому сонячному колекторі при течії теплоносія в його поглинаючому елементі.

3. Методика визначення теплових характеристик спільної роботи приймача променевої енергії та рідинного теплового акумулятору при сезонному акумулюванні енергії та вимушеному русі теплоносія.

4. Методика визначення зміни протягом доби теплових характеристик

спільної роботи плоского сонячного колектора та рідинного теплового акумулятору при вимушеному русі та при вільній конвекції теплоносія у контурі приймача променевої енергії. 1

5. Узагальнені співвідношення для визначення степені заміщення необхідного споживачеві тепла за рахунок енергії сонячного випромінювання.

6. Практичні рекомендації та розрахункові співвідношення по проектуванню систем сонячного теплопостачання.

Апробація роботи. Основні положения та результати роботи доповідались на робітничій нараді по використанню сонячної енергії (Ізраїль, м. Бет Берл, 1995 р.); IV науково-практичній конференції з питань використання нетрадиційних та поновлювальних джерел енергії (АР Крим,

1995 p.); V науково-практичній конференції з питань використання нетрадиційних та поновлювальних джерел енергії (АР Крим, 1996 р.); міжнародній конференції" Екологізація виробництва та управління відходами" " (Дніпропетровськ, 1996 р.); міжнародній конференції "Стійкий розвиток забруднення оточуючого середовища та екологічна безпека “ (Дніпропетровськ, 1995 р); міжнародній конференції по перспективних дослідженнях "Конверсія та екологія" (Дніпропетровськ, 1997); щорічних конференціях Дніпропетровського держуніверситету.

Особистий внесок автора. Особисто автором:

- розроблена уточнена математична модель процесу нестаціонарного теплообміну у плоскому сонячному колекторі;

- розроблені методики розрахунку найбільш характерних режимів роботи геліоколектора спільно з рідинним тепловим акумулятором у системах теплопостачання;

- проведеш систематичні експериментальні дослідження з метою підтвердження розроблених методик розрахунку процесів нестаціонарного теплообміну у плоскому сонячному колекторі та визначення основних хараетеристих геліосистем з вільною конвекцією теплоносія у контурі ГК;

- створено комплекс обчислювальних програм для розрахунку основних характеристик роботи геліоколектора спільно з тепловим акумулятором;

- проведена оцінка впливу кліматичних умов на ефективність роботи системи теплопостачання;

- проведено обчислювальний експеримент. -

Публікації. Основні матеріали роботи опубліковані у 6 роботах.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, 4 таблиць, списку літератури (83 найменувань). Загальний обсяг роботи -171 сторінка, який містить 120 сторінок машинописного тексту та 80 малюнків.

основний зміст роботи

У вступі обгрунтована акіуальність теми, показана наукова новизна та практична цінність роботи, викладені основні положення та отримані результати, доведена їх достовірність.

Перший розділ присвячений аналізу проблеми та огляду наукових публікацій по дослідженню теплообміну у системах теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. Зроблено аналітичний огляд існуючих методик визначення основних характеристик таких систем.

Аналіз літературних даних показує, що теплові процеси, які протікають у геліосистемах, вивчені недостатньо. Існуючі методики визначення характеристик геліоустановок не дозволяють враховувати істотні особливості їх роботи. Так, оцінка впливу теплоємкості елементів плоского сонячного колектора на ефективність його роботи виконана лише деякими авторами та не дозволяє у достатній мірі враховувати взаємозалежні та взаємообумовлені теплові процеси, що протікають у приймачу променевої енергії,та проводити обгрунтований вибір проектних параметрів геліосистем.

Визначення ефективності роботи геліотехнічних систем теплопостачання пов'язане з необхідністю урахування багатьох параметрів , як метеорологічних, так і конструктивних. Спільна робота приймача променевої енергії та теплового акумулятора описана у більшості випадків тільки для добового циклу акумулювання енергії та не для всіх режимів роботи, що представляють практичний інтерес. Багато із сформульованих задач не доведено до можливості їх використання при проектуванні систем теплопостачання в цілому, а їх використання для моделювання спільної роботи ППЕ та ТА у ряді випадків ускладнено.

Невелика кількість робіт присвячена проектуванню геліоустановок для теплопостачання. Причому у цих публікаціях наведені рекомендації, засновані на експериментальних дослідженнях або математичному моделюванні конкретних геліосистем. Для розповсюдження висновків на інші установки або інші умови роботи є обов'язковим проведення додаткових досліджень. У зв'язку з цим наприкінці розділу визначені основні задачі цих досліджень.

У другому розділі розглянуто теплообмін у розімкнутих системах теплопостачання та їх основному елементі - приймачу променевої енергії. Протягом світлового дня відбувається зміна кількості сонячної енергії, що падає на ППЕ. Тому режим його роботи характеризується істотною кестаціонарпістю процесів, що в значній мірі позначається на ефективності роботи всієї системи теплопостачання.

Запропоновано математичний опис роботи плоского сонячного колектора з рідинним теплоносієм при таких допущеннях:

- теплофізичні властивості матеріалів не залежать від температури;

- температура теплоносія у геліоколекторі змінюється тільки в напрямку його руху.

У рівнянні збереження енергії для елементарної ділянки плоского сонячного колектора враховано вбирання сонячної енергії, зміну внутрішньої енергії, теплові втрати в оточуюче середовище, енергія, що виноситься теплоносієм,та енергія, що передасться теплопровідністю від більш нагрітої

ділянки ППЕ менш нагрітій. Проведені розрахунково-аналітичні дослідження впливу різних складових показали , що теплова провідність елементів ППЕ у багатьох практично важливих випадках мало впливає на величину надмірної температури теплоносія. Так,при витратах теплоносія близько 0,001 кг/м^с) вплив теплової проводимосгі складає до 2%. Цс дозволило спростити рівняння збереження енергії та записати його у вигляді:

£ mc + GcL2- + KF9(y; т2) = yFE ,(1)

діг ду

де Б - інтенсивність сонячної радіації, що падає на плоский сонячний колектор; '

К- коефіцієнт теплових втрат плоского сонячного колектору;

F - площа поверхні поглинаючого елемента ППЕ, яка освітлюється сонцем;

L - довжина плоского сонячного колектора;

у- коефіцієнт сприйняття приймача променевої енергії, який показує яка частка падаючої сонячної енергії • поглинається поверхнею ППЕ;

«(уДаУ надмірна температура теплоносія відносно температури оточуючого середовища; *

Eme- сумарна теплоємкість елементів геліоколектора, що враховує розподіл температури по товщині ППЕ; . .

G - витрата теплоносія; .

т2- час, який відраховується від моменту початку освітлення поверхні приймача променевої енергії;

с- питома теплоємкість теплоносія.

Зміну інтенсивності сонячної радіації, що приходиться на нахилену поверхню, можна описати такою залежністю:

Е =ЕтКьвіп|—(т2+тв)|, при 0 < тг < -ск - т„

Е = 0, при і7 > тк - т„ де т2 - час, який відраховується від моменту початку освітлення ППЕ;

т, - час закінчення освітлення поверхні плоского сонячного колектора, який відраховується від моменту сходу сонця;

V час початку освітлення поверхні приймача променевої енергії, який відраховується від моменту сходу сонця;

Ііь- коефіцієнт перерахунку інтенсивності сонячної радіації з горизонтальної поверхні на нахилену;

Е„- максимальна за добу інтенсивність сонячної радіації.

Така система рівнянь в проаналізованій літературі не розглядалась. Одержано аналітичне рішення системи рівнянь (1), (2) з використанням перетворення Лапласа. Встановлено, що у кожному перерізі приймача променевої енергії зміна температури теплоносія у часі відбувається у два етапу. Значення на першому етапі не залежить від витрати теплоносія та теплового потоку, який ним виноситься. На другому етапі ці фактори мають вирішальне значення. Умова переходу від першого етапу до другого:

_5£і1_ = і

Хшс-у/Ь '

де х*- інтервал часу, протягом якого теплота, винесена теплоносієм, дорівнює теплоті, яка накопичена за рахунок теплоємкості ділянки плоского сонячного колектора, що розглядається.

Одержані співвідношення дай визначення величини фазового зсуву. Фазовий зсув не змінюється з часом та для даного ППЕ є постійною величиною.

Вплив теплоємкості елементів геліоколектора на його температуру показано на прикладі розташованого горизонтально ППЕ, коли витрата теплоносія через поглинаючий елемент відсутня. '

На мал. І приведені графіки зміна температури приймача променевої енергії протягом світлового дій для двох випадків - без урахування та з урахуванням теплоємкості його елементів. Як видко з цих графіків, максимальне значення температури теплоносія та час її досягнення залежать від теплової ємкості. Причому, час досягнення максимальної температури у випадку урахування теплоємкості елементів ППЕ зсунуте на величину фазового зсуву відносно випадку, коли Гшс-0.

З Метою вивчення різних режимів роботи та перевірки отриманих аналітичних залежностей спроектована та виготовлена експериментальна установка (мал. 2). Температура теплоносія вимірялись у п'яти перерізах з записом зміни їх значень у часі.

Отримані аналітичні співвідношення для визначення надмірної температури теплоносія по довжині приймача променевої енергії у часі з урахуванням теплоємкості його елементів задовільно узгоджуються з експериментальними даними (мал. З, 4). Результати розрахунків з похибкою, що не перевершує 16%, збігаються з експериментальними даними. Такім чином, підтверджена можливість застосування основних розрахункових співвідношень для обчислення проектних параметрів геліоколектора.

Теплоємкість приймача променевої енергії істотю впливає на характер зміни температури, час досягнення та величину температури теплоносія.

М

їйі

0,15

0.5

0,25

\\

/ // V к

/ / // < / \ \

і і /

0.25

0.5 0.Т5 Г/Тф

Мал.1 Зміна температури приймача проміневої енергії протягом світлового дня.

----£шс=34000 Дж/К;

— Ешс=0 Дж/К. .

Мал.2 Експериментальна установка.

1- бак-накопичувач; 2- насос; З- віпратомір; 4- приймач проміневої енергії; 5- елекірон-ний потенціометр; б- радіометр; В1...В5 - вентілі.

М.

о,т

СІ 5 0,4

/

т

0,3 0,4 0,5 ас

Мал.З Зміна температури теплоносія у часі.

-------експеримент,;

-------теорет. . „

Мал.4 Зміна температури теплоносія по довжині

------експеримент.;

------- теорет.

Тому при проектуванні систем сонячного теплопостачання необхідно враховувати теплоємкість елементів плоского сонячного колектора.

Третій розділ присвячений дослідженню теплообміну у системах теплопостачання в умовах спільної роботи рідинного теплового акумулятору та плоского сонячного колектора.

Розглянуто нагрів рідини у тепловому акумуляторі системи теплопостачання протягом доби при вимушеному русі теплоносія у контурі геліоколектора.

Одержано співвідношення для визначення надмірної температури рідини у тепловому акумуляторі для найбільш характерних режимів роботи:

а) рідина у тепловому акумуляторі активно перемішується, надмірна температура теплоносія на вході у ППЕ (по відношенню до температури оточуючого середовища) дорівнює надмірній температурі у ТА;

б) рідина у тепловому акумуляторі не перемішується, а надмірна температура теплоносія на вході у плоский сонячний колектор постійна;

в) передача тепла від приймача променевої енергії до теплового акумулятора здійснюється через теплообмінник, який розташований у ТА. -

Рівняння збереження енергії для цих випадків має вигляд:

Сс(32-Э.) = Ста^-5-+А„9а ,(3)

де Ста - теплова ємність теплового акумулятора;

иа- надмірна температура рідини у тепловому акумуляторі по відношенню до температури оточуючого середовища; і)2- температура теплоносія на виході з ППЕ; т- час, який відраховувається від моменту сходу сонця;

Ат,- приведений коефіцієнт теплових втрат ТА,

Рівняння (3) розв’язано для випадку, коли границі інтегрування змінюються залежно від інтенсивності сонячної радіації та температури у ТА.

Одержано аналітичне рішення та проведено розрахунково-аналітичні дослідження систем з добовим циклом акумулювання енергії при вимушеному русі теплоносія у контурі приймача променевої енергії. Показано , що при проектуванні таких установок необхідно враховувати наступне: тривалість циркуляції теплоносія слід обирати залежно від кількості тепла, що надходить у тепловий акумулятор, та кількістю енергії, що витрачається на роботу насоса; перемішування рідини у тепловому акумуляторі, що знижує кількість отриманого від геліосистеми тепла; раціональна втрата теплоносія у контурі приймача променевої енергії залежить від періоду часу, за який теплова енергія повинна витрачатись споживачем.

При створенні систем теплопостачання, що діють на протязі цілого року у кліматичних умовах України з високим коефіцієнтом заміщення традиційних джерел енергії, слід застосовувати сезонні акумулятори тепла. При виборі характеристик геліосистеми важливу роль відіграє зміна середньої температури ТА протягом сезону, яка визначається сумісною роботою елементів системи.

Добова зміна внутрішньої енергії теплоакумулюючої речовини при спільній роботі теплового акумулятора, плоского сонячного колектора та споживача теплоти, коли рідина одночасно служить теплоносієм у контурі ПГЇЕ та системи теплопостачання може бути записана у вигляді:

= QгкДт - QIItcyr -<3С„ -Чр і (4)

де сГОг, /Аг - добова зміна внутрішньої енергії рідини у тепловому акумуляторі;

С}г»&* • кількість тепла, що надходігть від приймача променевої енергії;

Яя*сгг* теплові втрати з теплоакумулятору;

Сіеті - добове споживання тепла;

% - тепло необхідне для розігріву теплоносія у контурі геліоколектора до початкової температури теплового акумулятору. •

Одержані аналітичні співвідношення, що дозволяють визначати надмірну температуру рідини у тепловому акумуляторі стосовно до температури оточуючого середовища наприкінці дня для режимів роботи , коли надмірна температура рідини нижче, дорівнює або вище температури необхідної споживачеві.

Проектування систем теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія в контурі ППЕ, які отримали найбільше розповсюдження, ускладнено через взаємозв'язок температури та витрата теплоносія. Окрім того, на витрату теплоносія впливає багато факторів, наприклад взаємне розташування теплового акумулятору та геліоколектора, гідравлічний опір контуру ППЕ та ін.

Для визначення основних характеристик установки з природною циркуляцією теплоносія була розроблена методика розрахунку. Ця методика дозволяє визначити середню температуру рідини у тепловому акумуляторі та втрату теплоносія у контурі приймача променевої енергії протягом доби залежно від конструкції установки та метеорологічних факторів. При цьому враховується:

- залежність інтенсивності сонячної радіації, часу початку та закінчення природної конвекції від кута нахилу ППЕ;

- зміна коефіцієнта пропускання скла залежно від кута падіння прямої сонячної радіації на ППЕ, забруднення скла та ін;

- вплив теплової ємкості елементів ППЕ на характер зміни температури теплоносія;

- відбір теплоти з ТА »а потреби споживача; •

- взаємне розташування елементів установки, гідравлічний опір контуру ППЕ, наявність теплообмінника та ін.

З метою перевірки методики розрахунку системи теплопостачання з вільною конвекцією теплоносія у контурі приймача променевої енергії були проведені експериментальні дослідження такої установки. Вони показали , що прийняті допущення та припущення при розробці методики не вносять значних похибок (результати розрахунків з похибкою не більш 15% збігаються з досвідними даними) і ця методика може бути використана при тепловому розрахунку таких систем (мал. 5,6). На мал,5 ит - максимальна за день температура рідини у тепловому акумуляторі.

За допомогою розробленої методики були проведені розрахунково-аналітичні дослідження систем теплопостачання, які показали, що в установках невеликої потужності вплив коефіцієнта теплових втрат ППЕ позначається в меншій степені; теплообмінник у контурі ППЕ погіршує ефективність системи і тому його слід установлювати у випадках, коли експлуатація установки без нього неможлива; найбільшіуі кількість енергії установка виробляє* при кутах установки ППЕ близьких до оптимального для даного періоду року.

В четвертому розділі дана оцінка впливу кліматичних умов на ефективність роботи систем теплопостачання.

В геліотехнічні« системах теплопостачання мають бути передбачені додаткові (дублюючі) джерела енергії, які працюють на традиційному паливі, та акумулятори тепла. Тому при проектуванні таких установок витікають питання про те, яку кількість потрібного тепла можна забезпечити за рахунок сонячного випромінювання , які необхідні потужності додаткових джерел енергії та об’єм акумуляторів тепла. Для аналізу різних схем систем теплопостачання були одержані співвідношення, які дозволяють визначити степінь заміщення необхідному споживачеві тепла за рахунок епергії сонячного випромінювання залежно від конструкції ППЕ, кліматичних умов місцевості, температури теплоносія та інших факторів.

За допомогою вказаних співвідношень оцінено вплив кліматичних умов різних регіонів Украши на ефективність використання систем гарячого водопостачання та опалення. Дослідження довели, що величина коефіцієнта заміщення традиційних систем опалення в значній мірі залежить не тільки

від географічної широти , але також і від конкретні« кліматичних умов місцевості, таких,як коефіцієнт сонячного сяйва та температура оточуючого середовища. Так, у грудні значення коефіцієнта значно відрізняються один від одного і ця розбіжність (між регіоном м. Луганська та м. Чернівців) досягає 46%. В той же час, у листопаді розбіжність менше (до 12%). Як показують розрахунки, розбіжність між регіонами у випадку застосування геліосистем гарячого водопостачання істотно менше, ніж у системах опалення, наприклад, максимальна різниця площі приймача променевої, енергії між південними регіонами (м. Одеса) та північними (м. Чернігів) становить не більше 25%. .

На основі проведених аналітичних досліджень зроблені висновки та сформульовано наступні рекомендації по раціональному вибору геліосистем: геліоустановки доцільно розташовувати у будинках, що мають низькотемпературну систему опалення (температура теплоносія на вході у систему опалення 35 - 40 ^С) та додаткову теплоізоляцію; у геліоустановках теплопостачання, з метою збільшення частки енергії, необхідної споживачеві на опалення будинку за рахунок використання сонячної радіації, у системах опаленім та гарячого водопостачання слід застосовувати окремі приймачі променевої енергії; недоцільне застосування геліоустановок гарячого водопостачання цілий рік без сезонного теплового акумулятора на території України; найбільший вплив на ефективність роботи геліосистем гарячого водопостачання надає географічна широта місцевості, метеорологічні умови впливають незначно.

В п'ятому розділі розглянуто результати чисельного моделювання систем теплопостачання промислового призначення та надані практичні рекомендації по їх застосуванню. За допомогою розрахункових методик розроблено технічне завдання на проектування абсорбційній системи охолодження безперервної дії для АОЗТ "Металлургспецрей строй м онтаж". Аналогічні абсорбційні системи доцільно застосовувати на підприємствах для кондиціювання приміщень та одержання холоду для технологічних потреб.

Системи теплопостачання з плоскими сонячними колекторами здатні забезпечувати попереднє нагрівання води у парових котлах невеликої продукти в пості, зокрема барабанних, для яких температура води на вході повинна складати 215 ®С. В більшості промислових водогрійних котлах, що використовуються у системах теплопостачання, з метою запобігання корозії поверхні нагрівання, температура води на вході у котел має бути вище точки роси продуктів згоряння (для котлів,працюючнх на природному газі,не нижче бО^С), Такий температурний рівень у літній період можуть забезпечити гсліоснстеми. В таблиці наведено деякі характеристики установок з плоскими

0.15

0.5

—

/

/

Мал.5 Зміна середньої температури ( рідини в ТА у часі.

------експеримент.;

------ теорет.

4*ії3,

тл)

10

■ а і 7

/ -ч \

/ // ч\

/

\

Мал.6 Зміна втрат теплоносія у часі. '

..... експеримент.; ------теорет,

Таблиця.

Системи попереднього нагрівання води парових та водогрійних котлів.

Характеристики Парові котли Водогрійні котли

ї-оо-т ш-юо 1ВГ-4р К6-Ш5 К6ЖЛ5 7ВГ-8н

1 2 3 4 5 6

1. Продуктивність, МВт - пара, т/ч 120 160 5,0 7,55 9,65

2. Максимальна теплопродуктивність за добу, ГДж 87,5 90,1 76,1 80,4 86,2

3. Середній за сезон коефіцієнт заміщення традиційних джерел енергії, % 2,7 2,1 19,2 13,7 11,2

4. Економія органічного палива за сезон у розрахунку на умовне паливо, т.у.т.; 414 426 359 378 406

5. Зменшення шкідливих викидів за сезон в вигляді БО: при використанні мазуту, т 7,6 7,7 6,4 6,9 7,4

сонячними колекторами, що забезпечують попереднє нагрівання води для парових та водогрійних котлів. Для ліквідації чолових відкладень у водогрійних котлах використовується водне промивання. Так, для промивання котла ПТВМ-50-1 необхідно 12 води з температурою 70 °С. При цьому також можуть застосовуватись геліосисіеми з природною циркуляцією'теплоносія у контурі 111Ш. Площу сонячного колектора, яка залежить від типу котла, періодичності промивання, кліматичних умов та періоду застосування, доцільно визначати на основі розробленої методики. % Показана можливість теплопостачання промислових об'єктів, тепличного господарства, нагрівання в{інн з електролітом, розрахована економія органічного палива та ступінь зменшення кількості шкідливих викидів до навколишнього середовище при їх використаній. '

ВИСНОВКИ

1. Запропонована уточнена математична модель роботи приймача променевої енергії, що враховує теплоємкість та теплову провідність його елементів.

2. Шляхом рішення одномірної задачі теплопровідності плоского геліоколектора при русі рідинного теплоносія та синусоїдальному законі підведення енергії одержані нові залежності, що описують характер зміни температури теплоносія у часі та по довжині ППЕ з урахуванням теплоємкості його елементів.

3. Встановлено істотний вплив власної теплової ємкості приймача променевої

енергії на швидкість його пропрівання та значення температури, що досягається теплоносієм. Аналітично одержані формули для обчислення фазового зсуву за часом та амплітуди зміни температури теплоносія протягом світлового дні. *

4. Запропонована методика визначення потрібного часу, що відраховується від моменту сходу сонця, для прогрівання плоского сонячного колектора до заданої температури, що дозволяє оцінювати тривалість спільної його роботи зі споживачем теплоти та тепловим акумулятором.

5. Розроблена аналітична методика розрахунку добового нагріву рідинного теплового акумулятору від приймача променевої енергії при вимушеній циркуляції теплоносія з урахуванням теплоємкості елементів ППЕ.

6. Розглянуто новий спосіб розрахунку природної циркуляції теплоносія у контурі приймача променевої енергії та добового надходження від нього теплоти у ТА. Прн цьому враховується вплив взаємного, розташування

елементів установки та гідравлічних характеристик контуру на степінь підвищення температури тегоіоакумулюючої речовини.

7. Одержані аналітичні співвідношення, що пов'язують зміну температури теплоакумулюючої речовини при спільній роботі плоского сонячного колектора з тепловим акумулятором та споживачем, середньомісячними метеорологічними даними, параметрами однокоіпурної установки. Це дає можливість на етапі проектування визначати енергетичні характеристики системи та оцінювати її коефіцієнт корисної дії.

8. Розроблений комплекс комп’ютерних програм для розрахунку та розрахункового моделювання процесів, що протікають в елементах сонячної установки , а також для розрахунку її параметрів при спільній роботі геліоколектора, рідинного теплового акумулятору та споживача тепла. '

9. Запропоновані нові аналітичні співвідношення, дозволяючи на етапі проектування геліосистем теплопостачання оцінити можливу частку тепла, що отримується за рахунок сонячного випромішопашія, в загальному енергетичному балансі установки. Проведено аналіз впливу кліматичних умов України на ефективність застосування геліосистем опалення та гарячого водопостачання.

10. Розроблена експериментальна установка та методика визначення коефіцієнта теплових втрат та коефіцієнта захоплення соїичної радіації дослідним шляхом. Порівняння дослідних даних з результатами аналітичних розрахунків дає задовільне узгодження (похибки не перевершують 7%).

11. Експериментально перевірена можливість використання запропонованих методик розрахунку у випадку природної циркуляції теплоносія. Показано задовільне узгодження дослідних та розрахункових даних (результати розрахунків з похибкою, що не перевершує 15% .збігаються з досвідними даними).

12. Кожна задача, що розглядається,утримує аналіз впливу конструкції та режимів роботи геліосистем на їх ефективність. Приведені рекомендації по проектуванню таких установок. На основі аналізу різних теплотехнічних установок показана можливість практичного використання методик, що розроблені у роботі, для проектування систем з плоскими сонячними колекторами для охолодження та теплопостачання промислових об'єктів , що сприяє економії органічного палива та зменшенню кількості шкідливих викидів у оточуюче середовище.

Основний зміст дисертації опубліковано у таких роботах: .

1. Сиворакша В.Е., Золотько К.Е., Марков В.Л., Петров Б.Е. Определение основных параметров гелиоколлектора с учетом

нестационарное™ процессов теплообмена //Экотехнология и ресурсосбережение. - 1995. - №5. - С.14-17.

2. Расчет гелиосистем с естественной циркуляцией теплоносителя/

B.Е.Сиворакша, К.Е.Золотько, В.Л.Марков, Б.Е.Петров,

C.В.Белановский//Проблемы высокотемпературной техники. -

Днепропетровск:Изд-во ДГУ. -1997. - С.118*127.

3. Золотько К.Е. Определение эффективности применения гелиосистем

теплоснабжения//Проблемы высокотемпературной техники. -(

Днепропетровск:Изд-во ДГУ. - 1997. - С.48-53.

4. Гелиосистемы для отопления и гррячего водоснабжение: Учебное пособие/В.Е.Сиворакша, К.Е.Золотько, В.Л.Марков, Б.Е.Петров/-Под ред. В.Ф.Приснякова. - Днепропетровск.: Изд-во ДГУ, 1995. - 196 с.

5. Стаценко И.Н., Сиворакша В.Е., Золотько К.Е., Марков В.Л., Петров Б.Е. Солнечная энергия и экология //Труды Междунар. конф. “Конверсия и экология”. - Днепропетровск:ДГУ. - 1997. - С131-132.

ч 6. The experimental and definition of the characteristics collectors for latitude of Dniepropetrovsk /В.Ф. Присняков, B.E. Сиворакша, В.Л.Марков, Б.Е. Петров, К.Е. Золотько, В.А. Габринец //ЕСЕ /UNESCO /WEC /MOEL Worcshop on solar energy Held at Bet Berl, Israel - 31. 7. - 4. 8. 95. - P. 134 - 140.

Золотько К.Є. Розробка методик розрахунку та вибір раціональних параметрів систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. -Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за фахом 05.14.04. - промислова теплоенергетика, - Дніпропетровська металургійна академія, Дніпропетровськ, 1998.

Дисертація присвячена питанням проектування систем теплопостачання з плоскими сонячними колекторами. Розроблено нові методики розрахунку надходження тепла від системи теплопостачання при вимушеній та природній циркуляції теплоносія. Запропонована уточнена математична модель теплообміну у плоскому сонячному колекторі, яка враховує теплоємкість та теплову провідність його елементів. Проведено обчислювальний експеримент. Показано, що теплоємкість істотно впливає на швидкість прогрівання та значення температури теплоносія. Експериментально досліджено нестаціонарні теплові процеси, шо протікають у плоскому сонячному колекторі та у системі теплопостачання з тепловим акумулятором і вільною конвекцією теплоносія. Запропоновано рекомендації по вибору раціональних параметрів систем попереднього нагрівання теплоносія для використання у парових та водогрійних котлах,

установках нагрівання ванн з електролітом, охолодження та теплопостачання промислових об'єктів, що розташоваии у різних регіонах України.

Ключові слова: система теплопостачання, теплоносій, плоский сонячний колектор, теплообмін, тепловий акумулятор.

ZalotTco К.Е. Development of techniques of account and choice of rational parameters of heating systems with flat solar collectors. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree of technical sciences by speciality 05.14.04 -industrial power system, - Dnipropetrovsk metallurgical academy, Dnipropetrovsk,

1998.

The dissertation is devoted to problems of designing of heating systems with flat solar collectors. New techniques of calculation of heat transfer from heating system with compelled and natural circulation of the heat-carrier have been developed. Specified mathematical model of heat exchange in a flat solar collector, taking into account thermal capacity and thermal conductivity of its elements, is offered. Computing experiment has been made. Thermic capacity influences essentially the speed of heating and the value of temperature of the heat-carrier. Non-stationaiy thermal processes, proceeding in a system with thermal accumulator and free convection of the heat-carrier and flat solar collector, have been experimentally investigated. The recommendations of the choice of rational ■>.

parameters of systems of preliminary heating of the heat-carrier for use in steam and water-heating boilers, installations of heating of baths with electrolyte, cooling and heat suply for industrial objects, located in various regions of Ukraine, have been formulated.

Key words: heating system, heat-carrier, flat solar collector, heat exchange, thermal accumulator.

Золотько К.Е. Разработка методик расчета и выбор рациональных параметров систем теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.04. - промышленная теплоэнергетика, -Днепропетровская металлургическая академия, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам проектирования систем теплоснабжения с плоскими солнечными коллекторами. Создание таких систем требует значительных капитальных затрат. Поэтому в каждом случае необходимо обоснование эффективности использования гелиотехнических систем теплоснабжения в конкретных климатических условиях, определение рационального состава установок и наилучших сроков их эксплуатации. Для

проектирования систем теплоснабжения требуются инженерные методики и расчетные соотношения тепловых процессов, протекающих в гелиоустановке, что определяет актуальность настоящей работы.

В результате проведенных расчетно-аналитических исследований разработана уточненная математическая модель, описывающая нестационарный теплообмен в приемнике лучистой энергии. На основании этой модели получены новые соотношения для определения рациональных характеристик системы теплоснабжения и ее отдельных элементов. <

Получены новые экспериментальные данные по теплообмену в приемнике лучистой энергии и в системе теплоснабжения со свободной конвекцией теплоносителя плоском солнечном коллекторе. •

Предложены новые соотношения для определения параметров совместной работы плоского солнечного коллектора и теплового аккумулятора для наиболее характерных режимов работы системы теплоснабжения, позволяющие учесть влияние теплоемкости элементов системы, цикличность поступления энергии и другие факторы:

- при суточном цикле аккумулирования энергии и вынужденном движении теплоносителя в контуре плоского солнечного коллектора;

- при свободной конвекции теплоносителя в контуре плоского солнечного коллектора на протяжении суток;

- при сезонном аккумулировании энергии.

Указанные соотношения позволяют производить выбор рациональных конструктивных параметров системы теплоснабжения, и определяются оптимальные режимы функционирования ее узлов.

Получены новые соотношения, которые позволяют оценивать влияние метеорологических и конструктивных факторов на эффективность работы гелиотехнической системы теплоснабжения. Эти соотношения определяют степень замещения. необходимого потребителю тепла за счет энергии солнечного излучения в зависимости от характеристик отдельных элементов системы и климатических условий. Разработаны инженерные методики расчета характеристик совместной работы важнейших узлов системы теплоснабжения, а именно приемника лучистой энергии и теплового аккумулятора. Выполнен анализ влияния режимных факторов и конструктивных параметров на эффективность использования гелиотехнических систем теплоснабжения. Данные инженерные методики были использованы для определения тепловых характеристик систем предварительного нагрева воды, поступающей в паровые и водогрейные котлы промышленного назначения, нагрева ванн с электролитом и некоторых других установок.

Создан комплекс компьютерных программ, которые обеспечивают на основе численного моделирования эффективный поиск рациональных конструктивных решений, направленных на улучшение характеристик гелиотехнических систем теплоснабжения. Предложены практические рекомендации по проектированию таких систем.

Получены результаты экспериментальных исследований тепловых и динамических характеристик процессов, протекающих при совместной работе плоского солнечного коллектора и жидкостного теплового аккумулятора.

Ключевые слова: система теплоснабжения, теплоноситель, плоский

солнечный коллектор, теплообмен, тепловой аккумулятор.