Тепло- та холодопостачання будівель з використанням енергії Сонця і довкілля (в комплексі з традиційними джерелами енергії та без них)

Розділ 5. Експериментальні дослідження гідродинамічних та теплових процесів при безперервному охолодженні води в контакті з повітрям, що нагрівається.

Для підтердження можливості використання низькопотенційної теплоти та отримання необхідних температур повітря досліджено охолодження води повітрям різними методами. При диспергації води форсунками і температурі повітря біля мінус 5⁰С вода охолоджувалась на 18-19⁰С. У випадку 20- разового збільшення витрати і в приблизно в 5 разів нижчій температурі - на 8 - 10⁰С в залежності від відстані між соплом і точкою вимірювання. Додатково потік охолоджувався в плівці на вертикальній пластині. Інтенсивність охолодження в краплях набагато вища. Для невеликих витрат води менше 1 г/c розроблений і досліджений щільовий низьконапірний розпилювач, що працює при тиску води перед соплом 180- 300 мм вод. ст. В ньому вода охолоджувалась при мінус 5⁰С на 4⁰С. В різних охолоджувачах води температура нагрітого повітря була нижчою на 3 - 5 ⁰С від кінцевої температури охолодженої води.

Також досліджувалось охолодження води повітрям при її течії в плівці на диску, що обертався, з передачею потоку рідини в краплях на поверхню алюмінієвого циліндра, у верхній частині якого був розташований диск діаметром 0,14 або 0,092 м з електроприводом. При цьому нагріте повітря піднімалось вгору і забезпечувався протиточний його рух по відношенню до плівки, яка текла по циліндру під дією сили тяжіння і замерзала при морозах в бурульках. Повітря, що виходило з труби, при морозах нагрівалось до позитивних температур.

Знайдені характеристики змочування при фіксованій подачі води на сухі поверхні, що обертаються, при рівномірному розподілі води в залежності від часу (рис. 6). Встановлено, що для однакового радіусу повне змочування конуса вимагає більшої витрати рідини, ніж для диска. Вивчені процеси нерівномірності течії води по дискам радіусом до 0,2м при подачі її нерухомими патрубками на різні відстані від осі обертання дисків. Диски використовувались в дослідах тому, що використання конусів для отримання об'ємного факелу крапель, про які мова йтиме нижче, можливе лише при значних швидкостях обертання та великих витратах рідини, які можна досягти в промислових апаратах.

Конус в = 55⁰: 1 - щ = 73,2 с^-1, m_B = 3,5 ·10^-3 кг/с; 2 - щ = 146 с^-1,

m_B = 3,5·10^-3 кг/с; 3 - щ = 73,2 с^-1, m_B = 5 ·10^-3 кг/с; конус в = 30⁰: 4 - щ = 73,2 с^-1,

m_B = 3,5 ·10^-3 кг/с. Диск в = 0⁰: 5 - щ = 146 с^-1, m_B = 3,5·10^-3 кг/с; 6 - щ = 146 с^-1,

m_B = 5·10^-3 кг/с.

Дослідження гідродинамічних процесів при течії води під дією відцентрових сил на конусах, що обертаються. Процес тепло- і масообміну з повітрям інтенсифікується під дією відцентрових сил, які виникають при течії рідини по тілам, що обертаються і диспергують рідину на краплі. Щоб організувати об'ємний потік крапель (тобто не в одній площині, як це є на диску, що обертається, а в деякій зоні вздовж осі обертання), було прийнято припущення, що можна використати для цього конус з течією плівки рідини по його зовнішній частині, коли з плівки будуть відриватися відцентровою силою краплі рідини. Знайдено зону безвідривного потоку на зовнішній стороні конуса. Встановлено в експериментах, що краплі відриваються від початку виходу їх з плівки до самого краю конуса. Отримано патенти СРСР, Франції та Швеції на рекуперативний теплообмінний апарат з безвідривним рухом оброблюваної рідини.

Візуально та шляхом фотографування при стробоскопічному освітленні знайдено, що початку відриву крапель від поверхні плівки передує перебудова хвильової течії. Якщо при малих радіусах конусів плівка тече з характерними хвилями, концентричними осі обертання, то потім рідина рухається з випуклими гребнями, орієнтованими вздовж твірної конуса. Гребні поступово розділяються по мірі руху на два або три рівчачки випуклої форми, які далі або знову розщеплюються, або зливаються між собою.

Краплі відриваються з поверхні випуклих рідинних рівчачків (при невеликих витратах рідини і невеликих швидкостях обертання вони майже не відхиляються від напрямку твірних конуса). Картина течії води схожа на течію розчину гліцерину у воді з концентрацією 70 % ( ).

При рівномірній подачі рідини на зовнішній поверхні конуса можна отримати при швидкостях обертання більше 150…200 с^-1 об'ємний «факел» крапель з великою поверхнею теплообміну. Виміряні діаметри крапель складають близько 0,4 - 0,5 мм.

При зниженні поверхневого натягу шляхом добавки поверхнево-активних речовин (ПАР) діаметр крапель зменшувався. Проведено теоретичний аналіз процесу відривання крапель з поверхні плівки. Знайдено залежність для розрахунку діаметра краплі, що відривається на початковому радіусі R _від

. (13)

Проведені розрахунки для води з температурою 20 ⁰С: для конуса з кутом 55⁰ отримаємо Sin 55⁰ = 0,82. Знайдений діаметр краплі 0,58 мм для щ = 146 1/с (швидкість обертання більшості асинхронних електродвигунів) при R = 0,075 м (m_в = 80,7 · кг/с) є близьким до знайденого в експериментах.

Щоб узагальнити експериментальні результати, що характеризують початок відривання крапель з плівки, для води та ПАР на різних конусах запропонована і знайдена залежність

Re_max = 9,2 · 10⁷ We (Cos в)^{3 ,} (14)

де Re_max = Г_від/(нс), Г_від = m_в^від/(2рR_від ), R _від = L·Cosв, Wе = /(сщ² R), в - кут при основі конусів, L - довжина твірної конуса.

Розділ 6. Дослідженння фізичних процесів та теплообміну при замерзанні води в штучних умовах за рахунок природного холоду.

Процеси кристалізації води в ємностях. Можливі варіанти кристалізаторів без вигрузки льоду і води з використанням закритих, або вертикально орієнтованих відкритих ємностей: вода може використовуватися багато разів. Герметичні ємності більш зручні - легше механізувати процес їх передачі із зони, де проходить замерзання, в зону акумулювання, і навпаки. Для механізації транспортування ємностей автор запропонував (пат.СРСР. № 1780577 АЗ) використовувати транспортер для герметичних ємностей і вертикальні комплекси полок з ємностями. Для того, щоб зменшити кількість традиційних ємностей, слід використовувати ємності виготовлені з льоду. Такі ємності можна одержати натуральним шляхом після 8…15-годинної кристалізації води, про що йдеться в додатоку А. Найбільш інтенсивною є кристалізація у відкритих ємностях, чому також сприяє перенос теплоти випаровуванням та випромінюванням.

Товщина льоду на бокових поверхнях змінюється практично прямолінійно зростаючи в напрямку знизу - вгору (у вигляді клина). Товщина льоду на відкритій верхній поверхні в 1,5…3,5 рази більша середньої товщини на вертикальних та нахилених поверхнях. При кристалізації води у спокійному повітрі на поверхні безпосереднього контакту повітря з льодом і водою коефіцієнт тепловіддачі б = 7 - 10 Вт/(м² К), що кореспондується з даними Н.І.Кудряшова (1959р.). Плавне зменшення товщини льоду в напрямку дна резервуару пояснюється тим, що вода позитивної температури опускається при охолодженні вниз (максимум густини води при + 4 ⁰С).

Досліджувались кристалізація дегазованої води (гаряча вода з системи гарячого водопостачання, що була попередньо нагріта до t = 60 ⁰С) і водопровідної води з температурою 4 - 8 ⁰С. В першому випадку лід є міцнішим і не пропускає води; в другому - при однакових умовах лід фільтрує воду через вмерзлі повітряні пухирці при товщині льоду до 10…15 мм.

При кристалізації в закритих зверху ємностях верхня поверхня довго залишається незамерзлою, або має вигляд двофазної суміші лід - вода, через яку фільтрується вода. Це пояснюється виділенням теплоти кристалізації вгору і компенсацією нею теплових втрат. При теплоізоляції верхньої поверхні ємності лід наростає виключно з бокових поверхонь і завжди можна видалити воду через верх. В такий спосіб (заморожування в закритих ємностях) можна проводити ефективне знесолення води без її випаровування.

Проведені детальні дослідження фізичних процесів та теплообміну при кристалізації води в ємностях з льоду та в в ємностях з пластика - тари від води об'ємом 1,5; 2; 5 та 10 л Але не всі отримані результати відносяться до теми дисертаційної роботи (вони можуть дати нові рішення в системах автоматики, побуті, тощо), тому ці дослідження наведені в додатку А. Основним термічним опором є опір тепловіддачі в повітря, а потім термічний опір шару льоду. Лінійна теплова потужность (лінійний коефіцієнт теплопередачі) при кристалізації води в циліндричних посудинах була 2 - 4 Вт/(м К).

Ми визначили експериментально середні коефіцієнти теплопередачі К через бокові поверхні посудин (вертикально і слабонахилені) при охолодженні води різної початкової температури. Середні в часі коефіцієнти теплопередачі при охолодженні води складають 10 - 16 Вт/(м² К) в залежності від початкової температури води.

Експериментальні дослідження процесів формування льоду в бурульках.

Дослідження і аналіз процесів формування крапель води з плівки, що рухається по вертикальній та нахиленій площині. Утворення крапель з плівки пов'язане з так званою нестійкістю Тейлора, яка вивчалася рядом авторів, особливо для випадку стікання конденсату з горизонтальних труб. При утворенні крапель на нижньому краю вертикальної алюмінієвої труби діаметром 214 мм вода подавалась на внутрішню поверхню труби від диска, що обертався з плівкою води на ньому і зрошувався двома нерухомими соплами. Температура води - близько 15 ⁰С та 0 ⁰С за щільності зрошення Г = (6,86 - 30) · 10^-3 кг/(мс). Знайдено, що кількість центрів утворення крапель становила 25 - 28, або 36 - 42 на 1 м периметру. Це відповідає відстані між центрами формування = 27 - 24 мм, яка майже не залежить від Г.

На другому стенді зрошувалась нахилена скляна пластина розміром 100600 мм. Величина змінювалась від 20 до 30 мм (середня відстань 25 мм). Результати вимірювання л узагальнені формулами отриманими для умов конденсації водяної пари через поправочні коефіцієнти.

Дослідження процесів утворення і зрошення бурульок при формуванні їх з плівки води. Формування бурульок пов'язане з гідродинамічними процесами течії води по їх поверхні. Велику роль відіграє щільність зрошення. Досліди проводились на стенді з вертикальною алюмінієвою трубою, описаному на сторінці 18. Вода, рухаючись по поверхні труби, охолоджувалась від 4..8⁰С до нуля. Діаметр бурульок вимірювався як на місці формування, так і на вилучених бурульках. Утворення бурульок розпочиналося з намерзання по всьому периметру краю труби шару льоду округлої знизу форми, звідки починали формуватися окремі бурульки, кількість яких на периметрі труби змінювалась від 25 до 27 (переважно близько 25 шт.). Цій кількості бурульок відповідає крок між ними по периметру = 27 - 25 мм; на один метр периметру труби кількість бурульок становила 35 - 40, що кореспондується з кількістю центрів формування крапель. Відзначено збільшення швидкості зростання довжини бурульок при зменшенні витрати води. При значній витраті бурулька майже не зростає по довжині. Змочування всього периметру бурульки при нерівномірній по периметру подачі води на неї, на наш погляд, відбувається за рахунок наявністі на поверхні бурульки впадин між ребрами (хвилястими виступами) з середньою періодичністю близько 9 мм (спостерігалися також інколи відстані між гребнями від 7 до 11 мм).

Дослідження формування бурульок в льодоградирні з горизонтальними дротяними насадками. Насадки з дротом розміщувались в три яруси на стійках висотою 1900 мм, які розміщені на відстані 430 мм один від одного. Насадка має розмір 425360 мм. Робоча частина насадки 360330 мм мала площу F=0,118 м². На кожній рамці передбачені кріплення для дроту діаметром 0,5 мм з кроком 30 мм. Для диспергації води використовувалась форсунка з продуктивністю біля 140 мл/хв або 8,4 кг/год. Температура контролювалась хромель-алюмелевими термопарами з приладом Щ-68000.

Дріт виконує подвійну функцію: на початковому етапі він виступає у якості основи для захоплення та утримання крапель води; при подальшій роботі установки навколо дроту утворюється льодовий наріст, який бере на себе всі механічні навантаження; дріт також використовувася як електронагрівач (видалення льоду займало 5-8 хвилин).

Крок між краплинами, які починали ставати бурульками, складав від 5 до 10 мм (200 - 100 на метр), а їх діаметр 3..4 мм. При формуванні бурульок з диспергованих крапель на дроті відстань між бурульками, що починають формуватися, є меншою, ніж при формуванні бурульок з плівки. Після того, як установка пропрацювала 1 год. 30 хвилин з моменту її включення при мінус 4 °С, бурульки мали довжину l_б= 50..70 мм і діаметр d_б= 5..7 мм. Крок між бурульками зріс до 15..20 мм. Вирощувались бурульки до 400 мм за 8 годин.

Для узагальнення розрахунків використані наступні величини: сумарна площа робочої поверхні установки льодогенератора з насадками у 3 яруси F = 0,327 м²; довжина насадок дослідної установки L = 11,88 м. Отримані залежності відносної маси льоду від часу (в хвилинах): залежность відносної маси льоду на 1 градус різниці температур , має вигляд

Аналогічним чином була отримана степенева функція на 1 м² площі дротяної насадки.

m = 1,7 •10³ф^1,37, (16)

де m визначається в кг/(К м²).

Якщо отримана маса льоду буде віднесена до довжини насадки,

Розглядаючи процес між 90 та 780 хвилинами (1,5… 8 годин), бачимо, що виробляється відповідно льоду 0,3…2,5 кг/К, (100,5…837 кДж/К) або при буде отримано енергії 502…4188 кДж. Середня потужність складе 157 Вт. За період між 400-тою і 480-тою хвилинами середня потужність при буде біля 350 Вт. На 1 м² площі можна отримати від 1 до 4 кВт теплової потужності при .

Аналіз теплообміну між водою і льодом в процесі зростання льодяних бурульок. Проведений аналіз процесів гідродинаміки та теплообміну між водою і бурулькою. Розрахунком при допущенні рівномірного зрошення (лід добре змочується водою) знайдено, що при щільності зрошення Г = 2 - 7 кг/(м с) товщина плівки води складає біля 0,1 - 0,16 мм, а її термічний опір дуже малий, що дозволяє мати коефіцієнт тепловіддачі між бурулькою і водою близько 2000 - 2500 Вт/(м²К). Таким чином, можна вважати температуру води і температуру поверхні бурульки приблизно однаковими.

Теплообмін між водою, що тече по бурулькам, і повітрям, що рухається. Теплообмін для окремих, і розташованих коридорно, бурульок розрахований за відомими залежностями для трубних пучків (випадок з дротяними і іншими горизонтальними насадками) при вимушеному поперечному обтіканні бурульок повітрям (вітром). За зміни швидкості повітря від 1 до 5 м/с значення б складає від 20 до 60 Вт/(м² К) при обтіканні окремої бурульки і від 25 до 80 Вт/(м² К) при обтіканні коридорного пучка бурульок. Діаметр одинокої бурульки в експериментах при мінус 7 ⁰С за 1 годину зріс на 3,5 мм, а знайдений коефіцієнт тепловіддачі був 21 Вт/(м²К) при вітрі близько 1 м/с, що є близьким до розрахункової величини. В інших дослідах за швидкості вітру біля 5…6 м/с при = 1,25…2 ⁰С через 49 хвилин діаметр збільшився на 4,5 мм, а величина б = 62,2 Вт/(м²К); від 16 до 30 мм - за 185 хвилин і б = 76,74 Вт/(м²К). Коефіцієнт тепловіддачі залежить від діаметра d в степені мінус 0,4…0,35. За зростання d в 3 рази б зменшується приблизно в 1,5-1,7 рази.

Розділ 7. Дослідження пасивних сонячних систем опалення та високотемпературних сонячних колекторів і технологічних процесів на їх основі.

Енергетична ефективність пасивної системи сонячного опалення та методика розрахунку ПС по фасадам будівлі. Розглядаючи тепловий баланс буферної зони без наявності системи ПХВ для фасаду будівлі отримаємо

Q_B = Q_D + Q_O^PS, (18)

де Q_B - теплові втрати через огорожу буферної зони, Q_D - теплові втрати через огорожу житлової зони, Q_O^PS - тепловий потік з ПС, що йде на опалення, (Вт, середній за добу). Величина Q_O^PS може бути знайдена

Q_O^PS = F_G q_O^PS, (19)

де F_G - поверхня заскленої огорожі ПС, та q_O^PS - є середньодобова щільність теплового потоку від системи ПС, яка знаходиться шляхом ділення Е_о^PS на 24 години доби. Це враховує часткове акумулювання теплової енергії в конструкціях та предметах в будівлі. Розроблена методика розрахунку величини Е_о^PS та з врахуванням хмарності, що характеризується енергетичним коефіцієнтом е.

Пофасадна щільність теплового потоку дорівнює тій, що є для оберненого на південь фасаду, помноженій на запропонований автором коефіцієнт орієнтації К_о, розрахунки якого та коефіцієнта е наведені далі. Затінення будівлі будемо враховувати коефіцієнтом затінення.

Шляхом порівняння водяних і повітряних сонячних колекторів (СК) отримана формула для ККД повітряного СК, яка може бути використана для ПС і спрощена, коли для якогось часу дня прийняти t_А та І незмінними, наприклад, середніми за дні даного місяця. Автором розраховані середньоденні значення І^max_m при безхмарному небі по місяцям на південному вертикальному фасаді для широти 49⁰ N. Розрахунки проведені шляхом ділення отриманої енергії за день на тривалість світлого дня в годинах. Можна прийняти для вертикального фасаду І^max_m =500 Вт/м² майже для всіх місяців опалювального сезону в Україні (за винятком квітня). Знайшовши середні місячні температури навколишнього середовища, можна розрахувати з_PS^ДЕН для кожного місяця.

Величину з_PS^ДЕН = 0, 35 слід вважати мінімальним для умов України. При розрахунках з_PS^ДЕН, які ми в свою чергу будемо вживати для знаходження середньодобової температури даного місяця в буферній зоні, треба використовувати t_В^ден, що є середнім за світовий день, в той же час t_В^PS є середнім за добу (24 години) та потрібне для визначення коефіцієнта ефективності ПС n_PS. Для кожного фасаду отримуємо енергію (Вт•год / м²день)

. (20)

Знайдена аналітичним шляхом формула для знаходження температури в буферній зоні ПС. Якщо буферна зона засклена не на всій площі, а є рами, то потрібно ввести коефіцієнт прозорості . Розрахунок середньодобової кількості енергії на 1 м² площі ПС при щ = 1 та( =1), t_А = -20 ⁰С, для південного фасаду при е ?0,3 (хмарний місяць) показав, що для січня (включаючи ніч і день) складає 22 Вт/м², а = - 8 ⁰С. У випадку коли коефіцієнт е = 0,4, отримаємо

= 28 Вт/м². Для весняних і осінніх місяців =70 - 90 Вт/м².

Якщо би не було сонячного випромінювання в ПС, то середня температура в буферній зоні знаходилася би за залежністю (2). Розрахунки показали, що для однакових умов вона підвищилась на 4,5 - 5 ⁰С. Коефіцієнт ефективності системи ПС ; _. Загальна ефективність ПХВ та ПС для міста Суми у січні М = n_МІС^ПХВ · n_МІС^ПС = 1,32 · 1,22 = 1,61.

Комбінація (ПХВ+ПС) більше, ніж в 1,5 рази знижує витрати високопотенційної енергії в січні і більше, ніж в 2,5 рази встановлену потужність традиційних джерел, яку розраховують по найнижчим температурам січня - для найхолоднішого періоду. В період найбільших морозів спостерігаються безхмарні сонячні дні.

Експериментальні дослідження ПС. Для визначення температурних режимів використовувалась типова квартира цегляного будинку в м. Києві з ПС у вигляді заскленої лоджії, яка виходила точно на південь. Квартира розташована на 9 поверсі дев'ятиповерхового будинку. Зовнішні огорожі БЗ виконанні із дерев'яних рам з одинарним заскленням висотою 1,75 м і встановлені вище підвіконня, розташованого від підлоги на 1 м. Площа скла складала 5 м², дерев'яних рам - 3 м ², підвіконний простір і інші деталі - 4,6 м².

Для виключення впливу інфільтрації експерименти проводились при відсутності вітру з південним напрямом. Розрахункове значення середнього опору теплопровідності огорожі житлової зони із врахуванням повітряного проміжку між подвійними рамами R_D^л = 0,33 - 0,43 (м² К)/Вт. Повний середній термічний опір огорожі ЖЗ при б₁ = б₂ = 3 Вт/(м²К) склав R_D = 1 - 1,1(м² К)/Вт. В експериментах (рис.7) одночасно вимірювались температури атмосфери t_А в житловій зоні t_D і в буферній зоні t_B. Температура в житловій і буферній зонах вимірювалась на різних висотах і відстанях від огорож. Температура в верхній частині буферної зони у осінні та весняні сонячні дні наближалась до температури житлової зони, що з 11 до 15 годин практично зводило до нуля тепловий потік із житлової зони на половині її висоти.Температура зростала в різні місяці вимірювань в ЖЗ на 2-3 ⁰С в період із 8 до 17-18 години. Часовий зсув максимуму t_D по відношенню до максимума t_В складав біля 4 - 6 годин через теплову інерцію будинку. Відзначимо, що на висоті вище 1,3-1,5 м максимум t_В досягався раніше (біля 13 години) через попадання прямих променів на стіну житлової зони в ПС. На рис.7 показані дослідження проведені у листопаді. Температура у житловій зоні не досягала 20 ⁰С. Порівняння температур за дослідами проведеними взимку о 22 і 8 годині на однаковій висоті показує, що по мірі збільшення висоти різниця температур по ширині БЗ збільшується. Залежність температури в буферній зоні від висоти при відсутності сонячного випромінювання має прямолінійний характер в дослідах виконаних в березні. В січні (t_А=-22 ⁰С), судячи по експериментальним точкам, t_В сильніше змінюється нижче підвіконного простору і вище вікон ЖЗ. Порівняння знайденої середньої температури в буферній зоні із розрахунковим значенням по формулі (2) показує, що результати співпадають лише при коефіцієнтах тепловіддачі б = б₁ = б₂ = б₃ = б₄ = 2,5..3 Вт/(м² К) приблизно після 20-21 години. Можна зробити висновок, що коефіцієнти тепловіддачі б = 8,7 Вт/(м² К), що рекомендуються СНІП, значно завищені. Для міських квартир в Україні з ПС типу «засклена лоджія» середньомісячна добова (середня за висотою і шириною) температура складає t_B^PS = 10..19 ⁰С в осінні та весняні місяці опалювального сезону, за винятком листопада, і для зими 0 - 12⁰С.

Ефективність системи ПС буде змінюватися від n_PS = 1,2 в зимові місяці, включаючи листопад, до n_PS = 2 весною та восени. В міських квартирах між першим і останнім поверхом, що мають не більше двох зовнішніх огорож приблизно однакової площі, і якщо одна облаштована ПС типу „засклена лоджія”, теплові втрати зменшуються в N раз. Максимальне значення N=1,6 рази. Це є 32 % економії енергії у відповідності з розрахунками. При найменшому значенні m = 1,05 витрата традиційної енергії може зменшиться в 1,36 рази (до 26 %). Якщо є ПС типу «засклена лоджія» розташована на усьому південному фасаді, слід знижувати сплату за центральне опалення в 1,25..1,4 рази (25 - 30%).

Експериментальні дослідження парогенеруючого плоского сонячного колектора з подвійним та потрійним заскленням. Для одержання високих температур теплоносія використовують подвійні або потрійні вітражі, а також колектори з вакуумними скляними трубками, концентруючими та фокусуючими системами. Перевагою плоских сонячних колекторів з підвищеною кількістю прозорих шибок є простота використання та менша вартість - в 4 - 10 раз. Плоскі сонячні колектори мало чутливі до відхилення Сонця від південного напрямку на кут 15…20 градусів. Високотемпературні СК можуть застосовуватись в харчових технологіях: пастеризація, що потребує температур від 80 до 90 ⁰С, стерилізація - температури 110 - 120 ⁰С, а також приготування їжі ( в залежності від висоти місцевості над рівнем моря необхідно 95 - 105 ⁰С). В літературі є лише теоретичні дослідження рідинних багатовітражних СК. Нами не знайдено ні теоретичних, ні практичних досліджень таких колекторів в режимі парогенератора.

Експериментальна установка і методика проведення досліджень. Автором виготовлений сонячний колектор, конструкція якого дозволяє встановлювати 1, 2, та 3 скляні вітражі із скла товщиною 3 мм з невеликою кількістю домішок окису заліза (прозоре на зрізі). Оптичний коефіцієнт пропускання сонячного світла склом складає величину близьку до 0, 94 - 0,95. Площа прозорого покриття складала 1,13Ч0,78 = 0,88 кв.м. Абсорбер колектора мав 10 паралельних вертикальних труб із оцинкованої сталі діаметром 34/28 мм, приварених до верхнього та нижнього гідравлічних колекторів діаметром 60/54 мм. Відстань між осями сусідніх труб складала 79 мм. Площа труб абсорбера була в 1,1 раза більша від площі скла. Корпус колектора виготовлений із дерева. Колектор з одним склом мав габарити 1228Ч925Ч150мм. Теплова ізоляція виготовлена з скловолокна і має товщину 100 мм. При роботі СК в режимі парогенератора отримана теплова потужність знаходилась через добуток витрати пари (за витратою конденсату) на теплоту пароутворення.

Результати дослідження. Надлишковий тиск в сонячному колектрі складав до 1,55 м вод.ст., а ККД при цьому був біля 40…41 %. Проведено порівняння одержаних дослідних результатів з розрахунковими по залежностям A. Duffie і W.Beckman для нахилу до горизонту S = 45 ⁰. Дослідні результати по колекторам з одним склом співпадають з розрахунковими, а для колекторів з 2 та 3 вітражами ККД в дослідах на 4…8 % вищий. Традиційно розглядають залежність ККД від комплексу (Т_m-T_A)/I, де Т_m є середньоарифметична температура абсорбера, що приймається рівною середній температурі води між входом та виходом з абсорбера, а T_A - температура повітря в довкіллі. Враховуючи те, що досліди проводились в основному при І = 720…800 Вт, можна представити ККД в функції від t = Т_m-T_A. Відзначимо, що збільшення числа вітражів приводить до меншої залежності ККД від різниці температур (температури абсорбера), яка має прямолінійний характер для колекторів з подвійним та потрійним вітражем від 50 ⁰С до 104 ⁰С (рис.8). В зв'язку з цим ми представили результати досліджень ККД (у %) через прямолінійні функції від ?t:

з = 89 - 1,44?t (К1); з = 81 - 0,77 ?t (К2) та з = 79 - 0,55 ?t (К3).

В тому випадку, коли інтенсивність сонячного випромінювання І відрізняється від 720…800 Вт/м², можна використати залежність ККД від комплексу t/I. Для колекторів К1, К2, та К3 відповідно будуть справедливі такі рівняння (у %):

з = 89 - (1064 ? t) / I, з = 81 - (532 ?t) / I; з = 79 - (418 ?t) / I.

Температура насичення в дослідженнях ККД була біля 99…99,5 ⁰С.

Середня температура повітря біля абсорбера була на 3…4 ⁰С меншою від заміряної біля верхнього гідравлічного колектора. Досліди проведено 17.10.1986 р. при ясному небі в м.Анцеранана (Мадагаскар). Колектор з 3 шибками мав коефіцієнт теплових втрат К для невеликих температур К < 4, а при 100 ⁰С він зріс до величини 4…4,5 Вт/(м²К). Пароутворення відбувається у гідравлічному верхньому колекторі абсорбера. Різниця температур повітря між верхом і низом колектора змінюється від 6,2 до 7,3 ⁰С і зростає по мірі наближення до абсорбера, а температурний перепад між камерами та між першою камерою і довкіллям по мірі віддалення від абсорбера зростає. Дані досліди не підтверджують висловленого J.Duffie теоретичного припущення про майже однаковий термічний опір камер. Для генерації пари слід переважно використовувати колектори з 3-4 шибками. Автором варились у теплоізольованій скороварці рис, картопля та м'ясо з використанням пари з колектора, що мав 3 шибки.

Енергія, яку можна отримати від сонячного випромінювання в різних зонах України з врахуванням хмарності, розсіяного випромінювання та орієнтації колекторів сонячної енергії. Збір інформації по сонячній енергії проводився як по доступним довідникам, в яких немає достатньої інформації по регіонам, так і по ресурсам Інтернет. Багато інформації отримано з канадської організації RETscreen. Звертає на себе увагу те, що для більшості регіонів в листопаді, грудні, січні та лютому нахил колекторів до горизонту S практично не впливає на кількість отриманої енергії через малу долю прямої радіації.

Коефіцієнти орієнтації. Для систем опалення з вертикальними колекторами ( S = 90⁰) з листопада до березня включно найбільш вигідна південна орієнтація ПС і рідинних колекторів. Але такі системи також дають непогану продуктивність і при розміщенні їх на південно - західних та південно-східних фасадах (г = 22,5⁰, г = 45⁰) і навіть на східних і західних фасадах. Коефіцієнти орієнтації К_о = знайдені діленням енергії отриманої колекторами відхиленими від південного напрямку на отриману енергію Е_д за день при тих же умовах і г = 0 (південна орієнтація). Характер зміни величин коефіцієнтів орієнтації протягом року однаковий для всіх населених пунктів. Найбільше відхилення точок від середнього спостерігається у лютому, березні та квітні. За східної та західної орієнтації значення К₀ для вертикальних колекторів влітку на 30 - 40 % більші, ніж при г = 0 (рис.9). Відзначимо, що вертикально розміщені колектори ГВП (s=90⁰) на фасадах з г = 22,5 та 45⁰ з квітня по серпень мають більшу продуктивність, ніж при г = 0, особливо влітку (на 10-20 % ), коли тривалість дня є максимальною, або дещо більшою тривалості ночі. Це збільшення в травні - серпні навіть перевищує значення для кутів г = 22,5 та г = 45^0. (15-25 %). Якщо розміщення колекторів на даху будівлі під потрібним кутом обмежене або неможливе, для літнього ГВП та для зарядки сезонних акумуляторів теплоти сонячною енергією слід розміщувати вертикальні колектори в першу чергу на східних і західних фасадах.

Розрахунки енергетичних коефіцієнтів, що враховують хмарність і розсіяне випромінювання. Для уточнення розрахунків сонячних установок по реальним значенням сонячного випромінювання і запропонованій вище методиці були розраховані на основі Е_д енергетичні коефіцієнти е для S = 60⁰ та S = 90⁰, що враховують розсіяне випромінювання і хмарність. Дослідження опубліковані. Ці кути були вибрані тому, що під 90^о встановлюються пасивні системи сонячного опалення, а орієнтація колектора під кутом 60⁰ дає можливість виробити більше енергії в осінні та весняні місяці. Значення е знаходиться у відповідності з формулою . Аналіз значень е, які можуть бути використані при розрахунках як пасивних систем, так і сонячних колекторів, показує, що східні регіони дещо більш освітлені, ніж західні, але різниця складає не більше 10 %.

Значення е для S = 60⁰ та S = 90⁰ незначно відрізняються між собою, але якщо в Києві е для S = 60⁰ є трохи більшим влітку, ніж для S = 90⁰,то взимку навпаки. Для Харкова значення е при S = 90⁰ влітку більші, ніж при S = 60⁰, а взимку майже однакові. Можливі похибки в вихідних кліматичних даних та при розрахунках, тому не можна однозначно тлумачити отримані результати для різних кутів. Значення е для Києва при S = 60⁰ за місяцями по порядку: 0,39; 0,32; 0,48; 0,47; 0,69; 0,72; 0,73; 0,66; 0,52; 0,47; 0,3; 0,33. Для розрахунку отриманої за день енергії слід використовувати формулу (21), що витікає з (20)

. (21)

Під ђ_ск мається на увазі ККД як ПС, так і рідинних СК. Значення (в ) для широти 49⁰, що є середньою для України, відповідно на 22.06; 23.09 (21.09) і 21.12: для кута S = 30⁰ - 7,6; 6,54 і 3,1; для S = 60⁰ - 5,95; 4,62 і 3,85; для S = 90⁰ - 3,32; 5,21 і 3,78. Від Новгород-Сіверського до Криму відрізняються на 5..10 % від отриманих для широти 49⁰.

Розділ 8. Використання теплоти довкілля та техногенних викидів в Україні. Екологічні і техніко-економічні аспекти та розрахунки.

Розраховані ресурси техногенних викидів в довкілля України для використання безпосередньо та в теплових насосах на основі паливного балансу, а також даних про виробництво електричної і теплової енергії. Техногенні викиди в довкілля складають біля 54 млн т.у.п. в рік. Запропоновано використовувати теплоту після конденсаторів турбін Запорізької АЕС для теплопостачання м. Нікополь і інших міст; розроблений за участю автора інвестиційний проект. Обгрунтована зміна енергетичної стратегії України в напрямку ширшого використання сонячної енергії та теплоти довкілля. Виконані техніко-економічні розрахунки пасивних систем. За ціни природного газу 2 грн за кубометр строк їх окупності складає 5 років. При електроопаленні - менше 4 років. Розраховані енергетичні і екологічні (зменшення викидів вуглекислого газу) показники виробництва, акумулювання та використання льоду в Україні. Отримано експериментально при застосуванні льоду в домашніх холодильниках подвійне зменшення споживання електроенергії, що є особливо важливим взимку, коли електроенергія дорога. При підігріванні теплотою кристалізації води повітря, що йде на горіння, в котлах економиться до 2,5% природного газу. Розглянуті аспекти використання льоду в фермерських господарствах. Проаналізовані законодавчі стимули для розвитку сонячної енергетики на основі досвіду розвинених країн.

ВИСНОВКИ

Вирішена проблема комбінованого з традиційними джерелами використання низькопотенційної енергії довкілля та сонячної енергії для тепло- та холодопостачання, виконані поставлені задачі дослідження та отримані наступні основні результати.

1. Розроблена і запатентована система опалення будинку з буферними зонами, що утворені огорожами пасивних систем сонячного опалення або іншими архітектурними елементами, яка використовує два температурні рівні теплоносіїв. В буферній зоні теплоносій повинен мати температуру від нуля до 30 ⁰С (в залежності від того, чи це є природна або техногенна теплота довкілля). Знайдені температурні характеристики буферної зони, для чого отримано аналітичне рівняння і для його підтвердження проведені експериментальні дослідження. Аналіз температур у БЗ показує, що для її опалення в умовах України з метою суттєвої економії традиційної енергії слід переважно використовувати теплоносії з температурою 10-30 ⁰С. При використанні води можна встановлювати як контактні теплообмінники типу вода - повітря, так і поверхневі типу фан-койлів (теплообмінник з вентилятором).

1.1. Доведено, що теплоту кристалізації води можна використовувати для опалення буферної зони при температурах атмосферного повітря переважно нижчих мінус 7..10 ⁰С. В Україні можливе комбінування кристалізації води з пасивною системою переважно для зменшення установленої потужності традиційних джерел опалення, а найбільш ефективно - в країнах з суворим кліматом.

1.2. Опалення буферної зони, утвореної пасивною системою, в умовах України зменшує установлену в житловій зоні потужність традиційних джерел і теплових насосів в 1,5..2,5 рази, причому вклад системи з безпосереднім використанням природної чи техногенної теплоти довкілля більший, ніж у пасивної системи через довгу ніч та січневий холод. Пасивна система зменшує встановлену потужність в січні не менше ніж в 1,15 - 1,2 рази.

1.3. Зменшення встановленої потужності є особливо вигідним при теплопостачанні житлової зони тепловими насосами, які досить дорогі (500-1000 USD за 1 кіловат теплоти). Існують проблеми по допустимій потужності існуючої електромережі при підключенні ТН, які вирішуються при зменшенні установленої потужності.

1.4. При опаленні буферних зон техногенними теплими водами можна зменшити витрату енергії в житловій зоні в 1,5-2 рази в умовах України протягом трьох зимових місяців.

1.5 Система ПХВ добре комбінуєтся з тепловим насосом, який попередньо охолоджує воду, що направляється потім для кристалізації в БЗ при наявних там негативних температурах.

2. Розглянуто використання теплоти кристалізації води для підігрівання повітря в різних системах теплопостачання, в тому числі для підігрівання повітря, що надходить у випарник теплового насосу в морозні дні, коли ефективність ТН типу “повітря - вода” або “повітря - повітря” зменшується. Для функціонування кристалізатора - льодоградирні для підігрівання повітря в ТН достатньо води з умовно чистих скидів багатоповерхових будинків.

2.1 Використання нічного тарифу на електроенергію в теплових насосах, що застосовують теплоту кристалізації стічних вод, вимагає підвищення потужності теплових насосів в 3 - 3,3 рази в порівнянні з потрібною на опалення будівлі вночі. Вироблений лід може бути джерелом холоду влітку.

3. Використання природної енергії грунту є найбільш вигідним в Україні для літнього кондиціювання повітря та при акумулюванні теплової енергії в грунті. Теплообмін в грунтових теплообмінниках при годинному і добовому циклі експлуатації (робота вдень і зупинка на ніч, або навпаки) є більш інтенсивним, ніж в річному циклі (зима, літо).

Розроблені схеми комбінованого використання теплоти і холоду грунту та інших відновлювальних джерел енергії в системах опалення, вентиляції і кондиціювання повітря. Знайдені коефіцієнти заміщення традиційних джерел енергією грунту і теплотою кристалізації води (їх значення: 0,6-1).

4. Досліджені гідродинамічні і теплові процеси диспергації, плівкового руху та охолодження води в контакті з повітрям для використання в системі з низькопотенційною теплотою: високо - і низьконапірні форсунки, конуси та диски, що обертаються. Для дисків вивчений вплив нерівномірності зрошення на характеристики потоку. Вивчена гідродинаміка руху плівки рідини з відриванням крапель з її поверхні на зовнішній поверхні конуса. Визначені границі безвідривної течії, а на основі цих досліджень розроблені теплообмінні апарати, на які отримано патенти СРСР, Швеції та Франції. Одержано експериментальні дані для розрахунку температур в теплообмінних апаратах типу вода-повітря при невеликих температурах води.

5. Проаналізовані і досліджені різні способи і пристрої для кристалізації води (у відкритих і закритих ємностях, у льодяних ємностях; в бурульках, що формувались з плівки води та в бурульках, які зростали на горизонтальних дротяних насадках, що зрошувалися за допомогою форсунки). Знайдена інтенсивність теплообміну та теплова потужність, що виділяється при кристалізації. Вивчені фізичні явища. Виробництво льоду в бурульках на горизонтальних дротяних насадках є інтенсивним і спрощує проблему періодичного видалення бурульок шляхом пропускання електричного струму через дріт.

6. Розроблено та досліджено парогенеруючий високотемпературний плоский колектор з 2 та 3 вітражами, що може бути використаний для приготування їжі та стерилізації продуктів. Він дозволяє отримувати пару з ККД близько 0,4.