В работе рассмотрена задача снабжения горячей водой сельского дома (дачи, виллы и т.д), в котором проживает семья состоящая из четырех - 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. k теплопроводности Диаметр соединительных труб . Степень черноты поверхности коллектора Количество часов солнечного сияния в сутки ~ 10 часов. Температура окружающего воздуха 250С, поверхности коллектора ~65 800С. v ветра

Степень черноты коллектор СВП ~ . Расстояние м. пластиной коллектора и ограждающего стекла . Угол наклона СВП к горизонту ~ 40 420 , при условии размещения Ю-С. Изоляционный материал «стекловата», с коэффициентом теплопроводности Принципиальная схема и описание работы СВП с тепловым-дополнительным резервом.

Установка СВП ( 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 7-1 Опорожнение воды из бака-аккумулятора производится посредством линии слива воды 1 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 Затем закрывают все вентили.

В летнее время, начиная с 8.00 утра вода начинает нагреваться в 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.

цикл циркуляции воды м. 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. 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]:

(

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:

(

Где (

Здесь -общий k теплообмена с верхней поверхности коллектора,

-k теплообмена с боковых поверхностей и изолированной нижней поверхности коллектора,

Эту величину определяем из выражения для данной задачи и Следовательно .

(

Для определения первого члена в ( пользуется формулой:

(

Где -k теплоотдачи при свободной конвекции с поверхности коллектора к нижней поверхности стеклянного ограждения коллектора

-k теплоотдачи солнечной радиации с поверхности коллектора,

-k теплоотдачи с верхней поверхности стекла к воздуху при заданной скорости ветра,

-k теплоотдачи солнечный радиации от верхней поверхности стекла к воздуху излучением,

Эти величины определяем из следующих выражении:

(

Здесь где разность температур коллектора () и (), -расстояние (см), м. поверхностного коллектора и ограждающего стекла.

- средняя температура поверхности пластины коллектора и стекла.

Из ( определяем

(

Здесь - постоянная излучения абсолютного чёрного тела или константа Стефана-Больцмана.

и - степень черноты соответственно поверхности коллектора и стекла.

(

Здесь w-скорость ветра

(

Температуру поверхности ограждающего коллектор стекла определяем по формуле

(

Согласно принятым условиям расчёта находим (1- :

; ;

; ;

; ;

Суммарные тепловые потери СВП составят:

Полезно использованная теплота:

КПД СВП для принятых условии:
Определение температуры воды на выходе из СВП.

Температуру воды на выходе из коллектора определяем посредством уравнения теплового баланса:

(1

Здесь -расход воды в течение светлого времени суток для условий задачи за 10 часов, который определяем из формулы:

(1

Для данных условии

Из (1 определим разность температур воды на выходе из коллектора и на входе в него:

(1

Здесь -k 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.

k определяем по формуле:

(1

Здесь

w- расстояние м. трубами коллектора (шаг труб коллектора, ),

-наружный диаметр коллектора м; - k теплопроводности материала сварки места коллектора к его трубе, принимаем ;

- k свободной конвекции, при переносе теплоты с внутренней поверхности трубы коллектора к воде, циркулирующей в трубе при свободной конвекции, принимаем ;

k оребрения поверхности коллектора по принятым данным находим

Пользуясь данными [1,2] находим Откуда Из (1 определяем

Из формулы (1 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. 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:

(1

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: . Гидравлический расчёт коллектора.

Термосифонный эффект, способствующий свободному движению воды через коллектор, обусловливается перепадом давления:

(1

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: (1

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

.

изучим 4 характерных для данного цикла случая;

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.

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 ) .

Установка запускается в работу при начальной температуре и часа (при ) весной и осенью до .

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 k гидравлического сопротивления находим по формуле:

Из формулы (1 находим .

Потери напора в элементах местного сопротивления: вентилях, поворотах на входах и выходах труб в коллекторе, в бак аккумулятор находим по формуле Берда-Карно

(1

Зедсь п-число элементов местного сопротивления, по схеме установки ( , примем ; -k 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].

(1

Здесь - заданный k теплопроводности изоляции, -k теплопроводности воды со средней температурой ~600С и воздуха с температурой ~300С [4].

(2

- толщина трубы бака-аккумулятора,

- k теплопроводности стали,

- толщина слоя накипи на внутренней поверхности труб (бака-аккумулятора), примем ;

- k теплопроводности накипи, принимаем .

- коээфициент теплоотдачи с изолированных поверхностей к окружающему воздуху, принимаем .

k теплоотдачи находим по формуле:

(2

, следовательно толщину изолящии - принимаем равной 60 мм.

Из практики эксплутации СВП различного конструктивного исполнения рек. 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

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.

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.

Даффи Дш., Бекман У.А.. Тепловые циклы с использованием солнечной энергии: перевод с английского / Под редакцией Ю.Н., Малевского/Издательство «Мир», М, 1977, 470 с.

Теплотехнический справочник. Том Издательство «Энергия», М, 1986, 430 с.

Свердлов Г.С., Яковлев Б.К.. Курсовое и дипломное проектирование», Издательство «Пишевая промышленность», М, 1988, 250 с.

Харченко Н.В.. Индивидуальные солнечные установки. Издательство «Энергоатомиздат», М, 1991, 208 с.

Н.В. Харченко, В.А.Никифоров. Системы гелиотеплоснабжения и методики их расчёта. Издательство «Знание», К, 1982, 240 с.

Источник: http://www.rosteplo.ru