Расчет характеристик солнечной водонагревательной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

Имени Гагарина Ю.А.

Кафедра «Тепловая и атомная энергетика» имени А.И Андрющенко

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ВЫПОЛНИЛ

Студент группы б2-ТПЭН31

Бауржанов Д.Б.

солнечный водонагревательный установка температура

Саратов 2021

1. Коллектор солнечной энергии

Рис. 1 Схема водонагревательной установки: 1 - коллектор солнечной энергии; 2 - трубопровод подъемный; 3 - бак; 4 - воздухоспускной клапан; 5 - змеевик; 6 - теплоизоляция; 7- сливной патрубок; 8 - подпиточный патрубок; 9 - трубопровод опускной; 10 - циркуляционный насос

t

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) представляет собой плоский ящик У, обращенная к солнцу панель которого выполнена из прозрачного материала - стекла или полимерной пленки. Прошедший через эту панель поток лучистой энергии солнца Q_n попадает на зачерненный абсорбент и поглощается им. Абсорбент состоит из металлического листа и приваренных к нему трубок, изогнутых в змеевик. Трубки являются тепловоспринимающей частью циркуляционного контура установки. В них и происходит нагрев теплоносителя (воды или антифриза). Боковые и нижняя стороны КСЭ покрыты слоем теплоизоляционного материала.

Нагретый в коллекторах рабочий теплоноситель по подъемному трубопроводу 2 (см. рис. I) поступает в бак 3, где перемешивается с остальной жидкостью, увеличивая ее температуру. В баке установлен теплообменник для передачи тепла другому теплоносителю, направляемому потребителю. Если в качестве циркулирующего рабочего теплоносителя используется вода, и к ней не предъявляются повышенные требования по чистоте и солесодержанию, то она может направляться на потребление непосредственно из бака через сливной патрубок 7. Подпиточный патрубок 8 позволяет периодически восполнять расход рабочего теплоносителя.

Более холодные слои рабочего теплоносителя, расположенные возле дна бака, по опускному трубопроводу 9 вновь направляются на вход КСЭ, где получают новую порцию тепла. Чтобы интенсифицировать теплообменные процессы, в схеме предусмотрен циркуляционный насос 10. Циркуляция теплоносителя происходит непрерывно в течение всего светового дня, что обусловливает постепенное повышение температуры /(т) в баке. Рост продолжается до тех пор, пока не наступит равенство между приходом тепла к воде в КСЭ и его расходом в виде тепловых потерь в окружающую среду и полезного тепла, отводимого потребителю. Для снижения тепловых потерь бак и трубопроводы покрыты слоем теплоизоляции толщиной 5_И3. - При нагревании из воды выделяется растворенный в ней воздух и образуется водяной пар. Они выводятся в атмосферу через воздушный клапан 4.

Заполнение СВУ водой допускается только при t_окр.> О °С. В противном случае не исключено ее замерзание в элементах СВУ и, как следствие, выход установки из строя. Для предотвращения этого в качестве греющего теплоносителя вместо воды применяют антифриз, температура замерзания /_зам которого меньше наинизшей температуры окружающей среды.

Движение теплоносителя в циркуляционном контуре СВУ может быть принудительным или свободным. В первом случае рабочий теплоноситель, как показано это на рис. 1, перекачивается с помощью насоса 10. Установки второго типа называются термосифонными. Для таких установок циркуляционный насос не нужен. Движение теплоносителя при этом осуществляется за счет разности его плотно- в опускной (холодной) и подъемной (теплой) ветвях циркуляционного контура. Термосифонные Ъ&У более просты и экономичны, но требуют размещения бака над коллекторами. Интенсивность свободной конвекции зависит в них от расстояния по вертикали между центрами КСЭ и бака. В насосных установках расположение элементов СВУ относительно друг друга может быть произвольным, однако их стоимость и эксплуатационные расходы выше, хотя процессы теплопередачи протекают более интенсивно.

2. Основы теплового расчета СВУ

Рабочий процесс СВУ описывается уравнением теплового баланса:

(I)

Левая часть этого уравнения представляет собой приход тепла к коллекторам СВУ за счет солнечного излучения, а правая часть - расход тепла на нагрев греющего теплоносителя, стенок бака, коллектора и слоя теплоизоляции, а также потери КСЭ и бака в окружающую среду за период времени. Уравнение записано в предположении, что температура стенки и изоляции бака равна средней температуре t() теплоносителя. В этом уравнении приняты следующие обозначения: - средняя за световой день продолжительностью _св плотность суммарного потока прямого и рассеянного солнечного излучения, Вт/м";

(2)

где sЈ^ac - доля рассеянного солнечного излучения в полном потоке солнечного излучения; F_K = n f_K -суммарная площадь теплообменной поверхности системы КСЭ, м²; /_к - площадь теплообменной поверхности единичного КСЭ, м²; n - число коллекторов; - площадь наружной теплообменной поверхности стенок бака, м² и его объем, ; с, с_сг, с_из - теплоемкость соответственно теплоносителя, стенки бака, тепловой изоляции бака, кДж/(кг * К); р - плотность теплоносителя, кг/м ; - переменная во времени температура в баке, °С; t_0Kp - температура окружающей среды (воздуха) в тот период года и суток, для которого ведется расчет, °С; _опт - оптический кпд коллектора; k_K, - коэффициенты теплопередачи соответственно в коллекторе и в баке, Вт/(м * К).

Здесь - температура теплоносителя в начальный момент времени (при т = 0) работы СВУ. Нагревание холодного теплоносителя начинается с восходом солнца и продолжается весь световой день в течение которого его температура повышается от

до . После захода солнца инсоляция прекращается и начинается охлаждение теплоносителя в баке от до за счет теплопотерь в окружающую среду. Продолжительность охлаждения за сутки , ч.

При расчетах следует учитывать, что температура окружающей среды в дневное и в ночное время неодинакова. При отсутствии сведений о значении можно принимать приближённо, что в летний период =-, где = 4…10

По уравнениям (2) - (3) могут быть найдены все основные характеристики режима работы СВУ: - максимально возможная температура теплоносителя при бесконечно длительном облучении КСЭ, т.е. при

(5)

Температура после облучения КСЭ в течение светового дня продолжительностью

(6)

Снижение температуры теплоносителя в баке за ночь продолжительностью при температуре окружающего воздуха

(7)

Здесь , так как вычисляется охлаждение воды, находящейся только в баке, через стенки которого и отводится тепло. Поэтому при расчёте А по формуле (3) принимают, что . Продолжительность нагрева теплоносителя в СВУ до заданной температуры

 (8)

- Тепло переданное потребителю в сутки Дж/сут.

(9)

- экономия условного топлива в сутки за счёт использования солнечной энергии кг/сут.

(10)

Или в месяц, кг/мес.

(11)

Где - теплота сгорания условного топлива, - КПД котельной установки. Z - число суток в месяце

где Э - стоимость тепловой энергии. Значение Э в разных регионах России неодинаковы. Например, для городов Тамбовской области в 2002 году стоимость тепловой энергии равна Э=180…200 руб. за 1 ГДж.

3. Текст задания

Для солнечной водонагревательной установки с рабочим объемом бака =1 которая расположена в районе города Махачкала и служит для нагрева воды от температуры =8 °С до =37 °С, подобрать вид и число коллекторов солнечной энергии промышленного производства. Рассчитать и построить график зависимости изменения температуры воды в баке в течение суток, принимая, что ежедневно в бак полностью заполняется свежей водой с температурой . Определить часы допустимого разбора нагретой воды с температурой ( - 6) °С для расчетного месяца август. Исследовать влияние толщины тепловой изоляции бака, выполненной из пенопласта ПВ-1 на величину тепловых потерь, подобрав оптимальную (по теплотехническому критерию) толщину изоляции. Определить кпд и отдельные характеристики экономической эффективности установки, сходные данные принять по номеру варианта из таблицы 1.

1. Исходные данные для расчетов

Последовательность выполнения задания

1) Записать полный текст задания, вставляя вместо пропусков соответствующие значения по номеру заданного варианта.

2) Географическую широту места расположения населенного пункта, L, град, северной широты, найти по табл. 3 приложения [4].

L=43°

3) Плотность лучистого теплового потока (инсоляцию), для заданного месяца и широты расположения населенного пункта определить по рис. 3. величину - по табл. 2П [4].

=172 Вт/м²

=0,126

4) Коллектор солнечной энергии (КСЭ), его тип, длину а, ширину b толщину выбрать по табл.

a=1240 мм

в=600 мм

б=100 мм

f=0,744 м²

тип: неселективный плоский КЭС с двойным остеклением

5) Показатели энергетической эффективности КСЭ: оптический кпд и коэффициент тепловых потерь в коллекторе определить по табл. 4П.

=0,8

=3,5 Вт/м²К

6) Рассчитать габариты бака-аккумулятора (диаметр d и высоту h) по формулам:

,

,

где относительная высота бака. Рекомендуемые значения лежат в пределах 1,5...2,5.

7) Вычислить площадь теплоотдающей поверхности бака-аккумулятора, м²,

8)

9) Задаться в первом приближении числом коллекторов солнечной энергии п, штук, принимая ориентировочно

n=(30…60)/V, шт./

n=24

10) Рассчитать площадь теплообменной поверхности КСЭ м²

где - площадь теплообменной поверхности одного КСЭ (по табл. 3П).

11) Коэффициент теплопередачи от нагретой воды в баке через его теплоизолированную стенку к воздуху вычислить по формуле:

(13)

где = 300...600 Вт/( * К) - коэффициент теплоотдачи от воды в баке к внутренней его поверхности; = 10...20 Вт/(* К) - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции бака к окружающему воздуху (значения и рассчитать по известным методикам на основе критериальных уравнений); - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала Вт/(м * К) (выбирается по табл. 511); - толщина слоя изоляции бака, м.

Для определения оптимальной толщины тепловой изоляции бака следует при выбранных значениях -из вычислить по формуле (13) коэффициент теплопередачи при нескольких значениях термического сопротивления слоя теплоизоляции бака (/ ) = 0; 0,1; 0,25; 0,5: 1,0; 1,5: 2,0 м * К/Вт, построить график зависимости (см. рис. 2). Анализируя полученную зависимость, найти значение термического сопротивления изоляции, при котором возможное дальнейшее увеличение толщины изоляции уже не приводит к существенному (более чем на 5 %) снижению коэффициента теплопередачи . Это значение для конкретных условий эксплуатации СВУ-является оптимальным, его и надлежит использовать при дальнейших расчетах СВУ (термическим сопротивлением металлической стенки самого бака ввиду его малости пренебрегаем).

Рис. 2 К выбору оптимальной толщины теплоизоляции бака

12) Температуру воды в баке-аккумуляторе после его нагрева в течение светового дня рассчитать по формуле:

(14)

Значение найти по таблице 6П. а величину по таблице 7П.

Найденное расчетами по формуле (14) значение следует сравнивать с заданной ее величиной. При их несовпадении необходимо задаться новым значением числа КСЭ n: ,, и, повторяя вычисления по формулам (13), (14), построить график зависимости (см. рис. 3). При этой кривой определяется количество КСЭ, которыми должна быть снабжена СВУ для нагрева за световой день воды объемом до заданной температуры

13) Максимально возможную температуру воды в баке при бесконечно большой продолжительности инсоляций найти по формуле(5)

t _max = 24,3 + = 59,9

14) Снижение температуры воды в баке-аккумуляторе рассчитать по формуле (7)

15) Продолжительность нагрева воды в СВУ до заданной температуры при известной ёмкости бака-аккумулятора и условиях инсоляции вычислить по формуле (8)

16) Определить текущие значения температуры воды в баке по формуле (14) при и по формуле (7) при

При расчетах значений принять, что в начале каждого этапа (нагрева и охлаждения воды) = 0, а t(0)= tо. По найденным таким образом значениям температуры следует построить график изменения температуры воды в баке в течение суток (см. рис. 4).

При = 0 = 8 При = = 17,9

При = = 25,9 При = = 37

При =0,75 = 32,38

При =0 = 0

При =0,5 = 0,91

При = = 1,8

Рис. 4 График изменения температуры в течение суток

17) Количество тепла, передаваемое за сутки потребителю тепловой энергии, найти по формуле (9).

18) Определить экономию условного топлива: суточную, кг/сутки, - по формуле (10); месячную, кг/месяц. - по формуле (11).

19) Экономический эффект использования СВУ за месяц рассчитать по формуле (12).

Размещено на Allbest.ru