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.