Горячее водоснабжение сельского дома с использованием энергии солнца. теплоэнергетический анализ системы
- Условия разработки СВП.
В работе рассмотрена задача снабжения горячей водой сельского дома (дачи, виллы и т.д), в котором проживает семья состоящая из четерых - пяти человек [1,2]. Дом расположен в окрестностях г.Баку, где количество солнечных дней в году равно 220÷250 при интенсивности солнечной радиации 1600÷1800 кВт·ч/м2 и среднегодовой скорости ветра ~1,2 м/сек.
Для обеспечения работы солнечной водоподогревательной установки (СВП), используем плоский коллектор, теплоноситель - вода ( в зимнее время - антифриз) циркуляция воды в установке свободная (термосифонная).
Бесперебойная работа СВП обеспечивается, применением в пасмурные дни и ночное время электронагревателя (мощности ~1,5÷2,0 кВт), питающегося от ветроэлектрического агрегата. Система также сблокирована с центральной электроснабжающей сетью. Цель подобной системы, выполняемой в рамках «Энергосберегающих технологии и Энергоэффективности» - экономия традиционного топлива, электроэнергии и улучшение экологической ситуации.
При расчёте установки, исходим из условия, что примерно 45÷50% тепловой нагрузки системы должно быть обеспечено за счет солнечной энергии, а 20÷25% за счёт энергии ветра. Остальная часть потребности сельского дома, обеспечивается от центральной электроснабжающей сети.
Для решения задачи исходим из принятого условия, норма расхода 80÷100 на одного взрослого человека и ~ 40÷50 на ребёнка (8÷14 лет).
Производительность установки, может в зависимости от времени года, изменяться в широких пределах 40÷70 л/м2 площади поверхности СВП. в сутки.
Суммарное количество горячей воды на данную семью составит, очевидно где-то 220÷250 .
Площадь СВП принимает равной ~5,0 м2 исходные данные для решения задачи следующие [4]. Конструкция плоского коллектора «лист-труба», с диаметрами труб коллектора, толщина зачерненного листа коллектора (с использованием селективного покрытия) 1,0 мм. Коэффициент теплопроводности Диаметр соединительных труб . Степень черноты поверхности коллектора Количество часов солнечного сияния в сутки ~ 10 часов. Температура окружающего воздуха 250С, поверхности коллектора ~65÷800С. Скорость ветра
Степень черноты коллектор СВП ~ . Расстояние между пластиной коллектора и ограждающего стекла . Угол наклона СВП к горизонту ~ 40÷420 , при условии размещения Ю-С. Изоляционный материал «стекловата», с коэффициентом теплопроводности
2. Принципиальная схема и описание работы СВП с тепловым-дополнительным резервом.
Установка СВП (Рис. 1) состоит из плоского коллектора 1, бака-аккумулятора с дозатором 2, трубы для подачи холодной воды 3, горячей воды 4, резервуара для запасной воды 5, вентиляционной трубы 6, вентилей 7-11. Опорожнение воды из бака-аккумулятора производится посредством линии слива воды 13. Дополнительный (резервный) обогрев 2 осуществляется посредством стандартного ТЭН,а 14, производимого, посредством переключателя, как от ветроэлектрического агрегата, так и от централизованной электроснабжающей сети.
Принцип работы установки следующий: благодаря расположению плоского коллектора 1 над верхним уровнем бака-аккумулятора 2 на высоте 0,3-0,6м горячая вода из 1 в 2 перетекает как под гидродинамическим напором, так и под влиянием термодиффузии.
Перед запуском установки, заполняют холодной водой бак-аккумулятор 2, трубы соединяющие 2 с 1. Затем закрывают все вентили.
В летнее время, начиная с 8.00 утра вода начинает нагреваться в 1. Через 2-3 часа после непрерывного облучения поверхности плоского коллектора и подогрева воды в нем открывают вентили 7 и 8 и подогретая вода из верхней части коллектора 4, поступает в 2, оттуда в 3.
Процесс циркуляции воды между 2 и 1 продолжается до повышения температуры в нижней части 2 и на входе 3 в 1, до 65÷800С (в некоторых случаях до 85÷900С).
После достижения этих температур, открывают вентиль 9 и горячая вода поступает к потребителю (и далее в случае) отопления - в радиаторы помещения.
Линия для подачи горячей воды, посредством термосифонной циркуляции воды, соединяют к боковой поверхности 2 на отметке его высоты от нижнего основания.
3. Теплоэнергетический расчёт плоского коллектора СВП.
Целью теплового расчёта плоского коллектора является определение тепловых потерь с его поверхности и суточный КПД.
Для решения данной задачи используем уравнение теплового баланса [3-6]:
(1)
Где -плотность теплового потока, падающего на поверхность коллектора,
-полезноиспользуемая солнечная энергия, затрачиваемая на подогрев воды в коллекторе СВП,
- суммарные теплопотери с верхней, боковых поверхностей и основания коллектора, .
Эти теплопотери определяются по формуле:
(2)
Где (3)
Здесь -общий коэффициент теплообмена с верхней поверхности коллектора,
-коэффициент теплообмена с боковых поверхностей и изолированной нижней поверхности коллектора,
Эту величину определяем из выражения для данной задачи и Следовательно .
(Рис.2)
Для определения первого члена в (3) пользуется формулой:
(4)
Где -коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции с поверхности коллектора к нижней поверхности стеклянного ограждения коллектора
-коэффициент теплоотдачи солнечной радиации с поверхности коллектора,
-коэффициент теплоотдачи с верхней поверхности стекла к воздуху при заданной скорости ветра,
-коэффициент теплоотдачи солнечный радиации от верхней поверхности стекла к воздуху излучением,
Эти величины определяем из следующих выражении:
(5)
Здесь где разность температур коллектора () и (), -расстояние (см), между поверхностного коллектора и ограждающего стекла.
- средняя температура поверхности пластины коллектора и стекла.
Из (1) определяем
(6)
Здесь - постоянная излучения абсолютного чёрного тела или константа Стефана-Больцмана.
и - степень черноты соответственно поверхности коллектора и стекла.
(7)
Здесь w-скорость ветра
(8)
Температуру поверхности ограждающего коллектор стекла определяем по формуле
(9)
Согласно принятым условиям расчёта находим (1-9):
; ;
; ;
; ;
Суммарные тепловые потери СВП составят:
Полезно использованная теплота:
КПД СВП для принятых условии:
4. Определение температуры воды на выходе из СВП.
Температуру воды на выходе из коллектора определяем посредством уравнения теплового баланса:
(10)
Здесь -расход воды в течение светлого времени суток для условий задачи за 10 часов, который определяем из формулы:
(11)
Для данных условии
Из (10) определим разность температур воды на выходе из коллектора и на входе в него:
(12)
Здесь -коэффициент расхода коллектора, учитывающий отношение полезно использованной теплоты при средней температуре поверхности коллектора, равной температуре воды на входе в коллектор к действительно полезной температуре коллектора.
- средняя массовая теплоемкость воды.
Коэффициент определяем по формуле:
(13)
Здесь
w- расстояние между трубами коллектора (шаг труб коллектора, ),
-наружный диаметр коллектора м; - коэффициент теплопроводности материала сварки места коллектора к его трубе, принимаем ;
- коэффициент свободной конвекции, при переносе теплоты с внутренней поверхности трубы коллектора к воде, циркулирующей в трубе при свободной конвекции, принимаем ;
коэффициент оребрения поверхности коллектора по принятым данным находим
Пользуясь данными [1,2] находим Откуда Из (13) определяем
Из формулы (12) определяем
Температуру воды на выходе из коллектора определяем по формуле:
Принимаем , т.е. температура воды на выходе из коллектора получается равной средней температуре поверхности коллектора.
5. Определение количества труб коллектора.
Количество труб коллектора определяем по формуле , где - общая длина труб коллектора, м; -длина одной трубы коллектора, м;
Общую длину труб коллектора, определяем по формуле:
; где -линейная плотность теплового потока коллектора , которая определяется по формуле:
(15)
Согласно принятым условием задачи, находим: .
По данным расчета находим:
и труб
Число труб (для случая 2-х коллекторов) равно 25:2=12,5 труб. Исходя из удобства и конструкторских соображении (исключения громоздкости системы СВП) число труб в коллекторе принимаем равным труб.
Количество труб можно также определить исходя из размеров коллектора по следующему соотношению: .
6. Гидравлический расчёт коллектора.
Термосифонный эффект, способствующий свободному движению воды через коллектор, обусловливается перепадом давления:
(16)
Здесь -плотность воды при температуре , плотность воды при температуре .
-высота бака-аккумулятора.
Принимаем бак-аккумулятор, объемом литров, диаметром
Высоту бака аккумулятора определяем из формулы:
Следовательно
Гидравлические потери по длине труб коллектора вычисляет по формуле Дарси-Вейсбаха: (17)
где -средняя плотность воды в помещении.
Скорость течения воды в трубах коллектора
Для получения размерности для W в , эту формулу перепишем в виде:
По данным задачи определяем .
7.Определение времени прохождения теплоносителя - воды в коллекторе.
Время прохождения воды через коллектор СВП, т.е. время нагрева воды в коллекторе определяем из выражения:
Время подогрева воды от тепературы в момент включения установки до температуры определяем по формуле - уравнения теплового баланса СВП:
Отсюда время подогрева
.
Рассмотрим 4 характерных для данного процесса случая;
1. Вода в баке-аккумуляторе предварительно подогревается электронагревателем (стандартным ТЭН ом) от ветроэлектрической установки или от централизованной электроснабжающей сети до , как это предусмотрено для принятого случая. Затем в коллекторе от до (с учетом ). В этом случае часа.
2. Система запускается в работу летом без предварительного подогрева воды. В этот период года вода нагревается в коллекторе до . Для этого времени года температура воды в баке-аккумуляторе принимается и часа (при ) .
3. Установка запускается в работу при начальной температуре и часа (при ) весной и осенью до .
4. Система запускается в работу зимой при и вода нагревается до (при ), часов.
Следовательно для рационального использования СВП необходимо предварительно подогревать воду в баке-аккумуляторе до
Тогда для нормального функционирования системы осенью и весной при потребуется часа, зимой же при потребуется 4,70 часа.
Определим число Рейнольдса по формуле , где -кинематическая вязкость воды, которую определяем по средней температуре воды:
, откуда находим , следовательно режим течения воды в трубах коллектора ламинарный. Для данного режима коэффициент гидравлического сопротивления находим по формуле:
Из формулы (17) находим .
Потери напора в элементах местного сопротивления: вентилях, поворотах на входах и выходах труб в коллекторе, в бак аккумулятор находим по формуле Берда-Карно
(18)
Зедсь п-число элементов местного сопротивления, по схеме установки (Рис.1), примем ; -коэффициент метного сопротивления, для всех элементов установки принимаем .
Учитывая выизложенное находим . Суммарные потери давления по ходу перемешения воды в системе
Так как перепад давления, обусловленный термосифонным эффектом то свободное истечение воды через коллектор СВП практически обеспечен.
Расчет теплоизоляции СВП и бака-аккумулятора.
Целью расчёта является определение толщины слоя изоляции, предназначенной для теплоизоляции коллектора и бака-аккумулятора.
Для этой цели пользуемся формулой [4].
(19)
Здесь - заданный коэффициент теплопроводности изоляции, -коэффициент теплопроводности воды со средней температурой ~600С и воздуха с температурой ~300С [4].
(20)
- толщина трубы бака-аккумулятора,
- коэффициент теплопроводности стали,
- толщина слоя накипи на внутренней поверхности труб (бака-аккумулятора), примем ;
- коэффициент теплопроводности накипи, принимаем .
- коээфициент теплоотдачи с изолированных поверхностей к окружающему воздуху, принимаем .
Коэффициент теплоотдачи анходим по формуле:
(21)
, следовательно толщину изолящии - принимаем равной 60 мм.
Из практики эксплутации СВП различного конструктивного исполнения рекомендуется принимать , для бака-аккумулятора и для поверхностей коллектора и коллекторных труб.
Заключение
Резюмируя вышеизложенное необходимо отметить, что предложенная методика теплоэнергетического расчёта СВП, может представить научно-техническую основу создания подобных систем, предназначенных для удовлетворения санитарно-гигиенических условии-горячего водоснабжения (отопления сельских домов (дачь и др.), позволяющих эффективно использовать возобновляемые источники энергии-солнце и ветер. Использование альтернативных источников энергии для этих и других смежных целей в Аграрном секторе республики (ферм, птичников и др) позволит сэкономить трдиционное топливо, электроэнергию, а также способствовать улучшению экологической ситуации в стране.
Необходимо отметить, что данная проблема включена в Государственную программу по усилению работ в области использования возобновляемых источников энергии и развитии регионов Азербайджана.
Литература
1. Рзаев П.Ф., Аббасова Ф.А., Мамедов Ф.Ф., Некоторые особенности разработки и проектирования солнечного водоподогревателя для круглогодичного горячего водоснабжения сельского дома «Проблемы энергетики», №4, Б,2004,с.77-84.
2. Расчетно-пояснительная записка. К проекту отопления и горячего водоснабжения Пансионата, ГРЭС «Северная» с использованием солнечной и ветровой энегии. ЦКТБ ДП «Сантехмонтаж», Б, 1991, 80 с.
3. Даффи Дш., Бекман У.А.. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии: перевод с английского / Под редакцией Ю.Н., Малевского/Издательство «Мир», М, 1977, 470 с.
4. Теплотехнический справочник. Том 1. Издательство «Энергия», М, 1986, 430 с.
5. Свердлов Г.С., Яковлев Б.К.. Курсовое и дипломное проектирование», Издательство «Пишевая промышленность», М, 1988, 250 с.
6. Харченко Н.В.. Индивидуальные солнечные установки. Издательство «Энергоатомиздат», М, 1991, 208 с.
7. Н.В. Харченко, В.А.Никифоров. Системы гелиотеплоснабжения и методики их расчёта. Издательство «Знание», К, 1982, 240 с.
Строительная Корпорация Гефест
Гефест Девелопмент
Торговый дом Гефест
Инвестиционная компания Гефест
Управляющая компания Гефест (ЖКХ)