Энергоустановка для теплоснабжения потребителей с использованием солнечных нагревателей в климатических условиях Ирака (http://www.npi-tu.ru/index.php?id=4463) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат наук Мохаммед Камил Али Гази

• Мохаммед Камил Али Гази
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Мохаммед Камил Али Гази

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Введение

1.2 Применение солнечной энергии

1.3 Сбор солнечной энергии

1.3.1 Не концентрирующие солнечную энергию

1.3.2 Концентрирующие солнечную энергию (СБР)

1.4 Климат Ирака

1.5 Обзор литературных источников

1.5.1 Исследования солнечных коллекторов

1.5.2 Изучение однофазных теплообменников

1.6 Постановка задачи

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В РЕСПУБЛИКЕ ИРАК

2.1 Введение

2.2 Углы солнца

2.3 Анализ солнечной радиации в условиях Ирака

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ТЕПЛООБМЕННИКА

3.1 Плоские коллекторы

3.1.1 Описание плоского коллектора

3.1.2 Тепловой анализ плоских коллекторов

3.2 Теплообменник

3.2.1 Теоретический анализ

3.2.2 Гидравлический анализ

3.3 Разработка схемы «солнечной нагреватель - теплообменник»

3.4 Компьютерная программа

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМ КОЛЛЕКТОРОВ

4.1 Теплообменник

4.2 Система водоподачи

4.3 Используемые инструменты и измеряетые параметри при проведении измерений

4.4 Электрическая плата

4.5 Калибровка измерительных инструментов

4.5.1 Калибровка термометров

4.5.2 Калибровка манометров

4.5.3 Калибровка ротаметров

4.6 Проведение эксперимента

4.6.1 Предварительная проверка

4.6.2 Проведение теста

4.7 Обоработка результатов испытания

4.8 Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ТЕПЛООБМЕННИКОВ ВЫВОДЫ И РЕКОММЕНДАЦИИ

5.1 Введение

5.2 Разработка системы «солнечный коллектор - теплообменник» с изменяющимся расходом технического теплоносителя

5.3 Рекомендации для будущих работ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Таблици температур

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Блок схемы компьютерной программы

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Экспериментальные результаты

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Калибровочные кривые

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Физические свойства оценки подпрограммы

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Копии документов о внедрении результатов диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергоустановка для теплоснабжения потребителей с использованием солнечных нагревателей в климатических условиях Ирака (http://www.npi-tu.ru/index.php?id=4463)»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы: В настоящее время в мировой практике для отопления и горячего водоснабжения применяеться котельная техника, не эффективно использующая дорогое органическое топливо. При этом расходуется определённое количество дефицитного природного газа. Такая схема использования топлив считается не рациональной, так как большие затраты расходуются на организацию и транспорт подвода тепла к потребителю. Поэтому многие страны при теплоснабжении переходят на малую распределённую энергетику, базирующуюся на возобновляемых источниках энергии - солнечных нагревателях и тепловых насосах.

В регионах, где имеется достаточное количество солнечной радиации в зимний и осенне-весенний периоды года, считается эффективным применение солнечной энергии для нагрева воды с целью отопления и горячего водоснабжения.

Работая по принципу объединения традиционных и нетрадиционных источников энергии, лучше всего использовать солнечные коллекторы, которые при воздействии прямых солнечных лучей дают возможность получать дешевую и дефицитную теплоэнергию. Это позволяет снижать стоимость потребляемой энергии.

Степень разработанности темы:

История применения солнечных нагревателей для теплоснабжения зданий начиналась с 1890-х годов, когда впервые были применены крышные солнечные водонагреватели. С 1920-х годов началась массовая установка солнечных нагревателей для производственных целей в Америке, а затем в Японии и других странах

В 1980-х годах были проведены первые работы по установке солнечных энергосистем в Армении под руководством О.С. Попеля, который в настоящее время ведет работы по возобновляемым источникам энергии в ФГБУН ОИВТ РАН.

К известным зарубежным исследователям солнечной теплоэнергетики относятся Дж. Даффи, У. Бекман, А.К. Сотерис, В.А. Амиратам, С. Фабио идр., работы которых анализируются в диссертации.

Настоящая работа носит законченный характер по практическому применению солнечных энергетических установок в климатических условиях Ирака. В диссертации определены возможности солнечной радиации в регионе; разработаны варианты схем солнечных энергоустановок; даны рекомендации по применению и регулированию процессов энергоснабжения.

Цель работы: Разработка конструктивных схем и режимов работы системы отопления и горячего водоснабжения с использованием солнечных нагревательных установок и теплообменников в климатической зоне Ирака.

Задачи исследования:

- проведение системного анализа существующей в настоящее время информации по солнечным энергоустановкам и характеристикам солнечной радиации в климатической зоны Ирака;

- разработка математической модели для прогнозирования использования солнечной радиации в условиях регионального климата Ирака;

- с помощью математического моделирования и экспериментально проанализировать эффективность работы солнечных нагревателей и бойлерных теплообменников при различном конструктивном и схемном их исполнении;

- разработка технологических схем и режимов работы солнечной энергоустановки, позволяющих регулировать температуру воды на теплоснабжение потребителей.

Научная новизна работы:

- С помощью математического моделирования и компьютерной программы с учетом некоторых статистических данных впервые определены характеристики изменения ежедневной, сезонной и годовой солнечной радиации в климатической зоне Ирака осредненные за двадцатипятилетний период наблюдений.

- Установлено впервые, что максимальное количество солнечной энергии в

условиях г. Мосул (Ирак) можно получать на наклонную плоскость солнечного коллектора с сентября по апрель с постоянным углом наклона 75°, а с апреля по сентябрь при изменяющемся угле наклона от 75° до 0° и обратно.

- Разработана математическая модель и компьютерная программа, которая отличается от известных тем, что учитывает оригинальные особенности конструкции плоских солнечных нагревателей и позволяет определять для них основные тепломеханические характеристики нагрева воды.

- Разработана новая методика регулирования температуры нагрева воды на отопление и горячее водоснабжение, отличающаяся тем, что в процессе регулирования изменяется расход теплоносителя первого контура, что позволяет поддерживать температуру теплоснабжения в заданных пределах.

- Разработана технологическая схема и режимы работы солнечной водонагревательной системы, отличающаяся тем, что применено вместо одного три параллельно соединенных бойлерных теплообменника, которые позволяют при поочередном отключении их изменять расход теплоносителя первого контура и, таким образом, регулировать температуру воды для теплоснабжения потребителя.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- Решена задача расчета и применения солнечных энергоустановок для отопления и горячего водоснабжения с учетом суточного, месячного, сезонного и годового изменения солнечной радиации в условиях Ирака.

- Предложенные методические разработки по расчету теплообменников для солнечных энергоустановок рекомендуется использовать в проектных организациях.

- Методы регулирования температуры воды на отопления и горячее водоснабжение рекомендуются для применения в организациях, занимающихся монтажом, наладкой и эксплуатацией солнечных энергоустановок.

Методология и методы диссертационного исследования:

В работе проведен анализ информации по вопросу исследований; выявлены проблемы; поставлена задача на исследование; проведены теоретические исследования; создана опытная установка, на которой проведены эксперименты по исследованию процессов в теплообменниках; даны рекомендации по расчетам величин солнечной радиации и теплообменников и возможности их использования в климатических условиях Ирака.

В работе над диссертацией использовались, как теоретические методы с разработкой математического моделирования по определению почасовой солнечной радиации в течение года и процессов в солнечных и бойлерных теплообменниках, так и экспериментальные исследования процессов происходящих в бойлерах.

Положения, выносимые на защиту:

- новые технические решения по применению солнечных энергоустановок для теплофикации в условиях Ирака;

- математическая модель и компьютерная программа для расчета теплообменников солнечной энергоустановки;

- метод регулирования температуры нагрева воды для отопления и горячего водоснабжения.

Степень достоверности исследования: Степень достоверности полученных результатов высокая, так как обеспечивается применением передовых компьютерных средств численного моделирования на базе апробированных математических моделей, широко используемых в вычислительных задачах, и хорошим соответствием получаемых результатов с экспериментальными данными.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью допущений математических моделей, для которых использовались фундаментальные законы тепломассообмена с учетом физических особенностей

исследуемых процессов и с применением современных вычислительных средств (Microsoft Excel, Grapher, Microsoft Visual Basic 6.0, AutoCAD 2010, Microsoft Visio). Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров.

Реализация результатов исследования:

Результаты работы внедрены в:

- курсах дисциплин «Нетрадиционная энергетика» и «Природоохранные технологии в энергетике», проводимых для студентов и бакалавров на кафедре ТЭСиТ; имеется акт внедрения;

- научно-производственной деятельности ООО НПП «Донские технологии»; имеется акт внедрения.

Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладывались на:

- II международной научной конференции (Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2013.

- XXI международной заочной научно-практической конференции (Научная дискуссия: вопросы технических наук), Москва, 2014.

- Региональной научно-технической конференции (Студенческая научная весна-2014), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014.

- XII международной научно-практической конференции (Современные энергетические системы и комплексы и управление ими), ЮРГПУ (НПИ), Новочеркасск, 2014.

- VII международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов (Энергосбережение - теория и практика), Москва, 2014.

- XXXVI Сессии Всероссийского научного семинара «Кибернетика энергетических

систем»- 2014: / Юж. Рос. гос. полтехн. ун-т (НПИ)- Новочеркасск: ЮРГПУ.

Личный вклад автора состоит в:

- проведении системного анализа существующей в настоящее время информации о солнечных энергоустановках, в том числе и в условиях Ирака;

- разработке математических моделей и компьютерных программ расчета характеристик солнечной радиации в условиях Ирака и теплообменников солнечных энергоустановок;

- создании экспериментального стенда и проведении исследований режимов работы тестовых теплообменников с имитацией нагрева от солнечных нагревателей;

- разработке методов регулирования температуры нагрева для целей теплофикации от солнечных энергоустановок.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том

числе 4 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и ее структура: Диссертация состоит из введения, пяти глав,

заключения и 6 приложений. Содержит 172 страниц, 64 иллюстраций, 8 таблиц.

Список используемых источников включает 111 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОБЛЕМЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Введение

Солнце - это мощный и наиболее доступный источник чистой энергии. Мировая потребность в энергии постоянно увеличивается, что неизбежно способствует увеличемию использования альтернативных источников энергии. В этом смысле солнце - один из самых богатых источников энергии и практически неисчерпаемый. Энергоэффективность и гелиотехнологии - важные элементы в любом энергоснабжении зданий и промышленных объектов. Солнечная энергия, полученная в форме радиации, может быть напрямую или косвенно преобразована в другие формы энергии, такие как тепло и электричество [1].

Космическое солнечное излучение следует по прямой линии от Солнца к Земле. Достигнув земной атмосферы, глобальное излучение распадается на две компоненты - прямую нормальную и диффузионную. Солнечное излучение, которое рассеивается воздухом, молекулами воды и пыли в атмосфере, называется диффузионной компонентой. Прямая нормальная компонента излучения представляет собой ту часть солнечной радиации, достигающей поверхности земли, которая не была рассеяна или поглощена атмосферой. Прямое нормальное облучение - это интегральная величина, определяющая ту часть нормального излучения, которая достигла земли за определенный промежуток времени и его единицы измерения - Дж/м2 или кВтч/м2. Концентраторы солнечной энергии (СБР) или технологии гелиотермальной энергетики могут использовать только прямое излучение. Вторая часть - диффузионное излучение - не может быть преобразована в прямую радиацию и поэтому бесполезна для СБР. Как правило, территории с годовым объемом прямого излучения больше 1800 кВтч/м2 рассматриваются как потенциальные точки для развития СБР [2]. Наибольший потенциал у системы СБР

имеется в «солнечном поясе» Земли, который расположен между 20-м градусом южной широты и 40-м градусом северной широты [3].

■V

Рис. 1.1 солнечный пояс на земле [4]

1.2 Применение солнечной энергии

При обсуждении солнечной энергии речь идет, преимущественно, об использовании солнечного излучения в практических целях. Однако все возобновляемые виды энергии кроме геотермальной энергии и энергии прилива получают свои запасы из солнца. Существует много вариантов и техник применения солнечной энергии, такие как, например, приготовление пищи, обогрев, сушка, дистилляция, производство энергии, охлаждение и замораживание, сельское хозяйство и садоводство, архитектура и городское планирование, а также солнечная энергия может быть использована для удовлетворения наших потребностей в электричестве. Сегодня более 30 млн м . солнечных коллекторов установлены по всему миру, по данным RETScreen [5]. Через фотоэлектрические солнечные энергетические элементы (SPV) свет, падающий на фотоэлектричекий (PV) элемент, преобразуется напрямую в электричество постоянного тока, который затем преобразуется инверторами в переменный ток. Системы слежения и концентраторы также используются для направления света на PV-модули в целях повышения

эффективности работы системы и увеличения производства. Применение фотоэлектрических систем, как правило, ограничивается поверхностями крыш жилых и коммерческых построек, хотя также возможно их использования на предприятиях коммунального масштаба.

1.3 Сбор солнечной энергии

Солнце непрерывно поставляет огромное количество энергии. Из-за природы этой энергии, которая рассеивается, её необходимо собирать и концентрировать для использования. Солнечные коллекторы - это устройства, которые используются для сбора солнечного излучения и передают энергию жидкости, с которой контактируют. Для использования солнечной энергии необходимы солнечные коллекторы. Они как правило, бывают двух типов:

- не концентрирующие солнечную энергию

- концентрирующие солнечную энергию (CSP)

1.3.1 Не концентрирующие солнечную энергию

1. Плоские солнечные коллекторы:

Плоские солнечные коллекторы - это самый распространенный вид солнечных коллекторов для солнечных систем водяного отопления в домах. Типичный плоский коллектор, рис. 1.2, а, состоит из абсорбера в изолированном контейнере с прозрачным покрытием (застеклением). Абсорбер обычно изготавливается из металлических пластин с высокой тепловой проводимостью, таких как медь или алюминий с впаянными или вставленными трубами. Его поверхность покрыта специальным селективным материалом для обеспечения максимального поглощения энергии излучения и минимизации потерь этой энергии. Изолированный контейнер сокращает потери тепла с боковых сторон коллектора. Эти коллекторы используются для нагрева жидкости или воздуха до температур ниже 80°С [6]. Работа плоского коллектора подчиняется фундаментальным законам термодинамики и взаимосвязи между теплопередачей и гидромеханикой.

2-Вакуумированные трубчатые коллекторы:

Эти коллекторы обычно изготавливаются из параллельных рядов прозрачных стеклянных труб, как показано на рис. 1.2, Ь. Каждая труба содержит внешнюю и внутренню стеклянные трубы и металлическую абсорбирующую трубу, которая прикреплена к ребру. Ребро покрыто специальным покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но которое блокирует потери тепла за счёт лучистого теплообмена. Воздух откачивается из пространства между двумя стеклянными трубами для создания вакуума, который исключает проводение или передачу тепла от окружающей среды.

(Ю (б)

Рис. 1.2 Не концентрирующие плоские коллекторы (а), (б) вакуумированные трубы

[7].

1.3.2 Концентрирующие солнечную энергию (С8Р)

На электростанциях, использующих концентраторы солнечной энергии (CSP), которые также называются солнечными тепловыми электростанциями, солнечная энергия собирается при помощи различных типов зеркал, чтобы нагреть рабочую жидкость и выработать пар (напрямую или через промежуточную стадию нагревания). Пар затем используется для того, чтобы вращать турбину приводить в действие генераторы, чтобы производить электричество, как в традиционных

электростанциях. Технологии СБР больше подходят для промышленных предприятий, чем технологии фотоэлектрической солнечной энергетики [8, 47]. Существует четыре типа таких технологий, которые различаются в зависимости от типа зеркал, используемых для сбора солнечной энергии: 1- Солнечная электростанция башенного типа:

В солнечных электростанциях башенного типа (системы с центральным приёмником), поле гелиостатов (большие отдельные двухосные зеркала) используются, чтобы направить солнечный свет на центральный приёмник, закреплённый на вершине башни (см. рис. 1.3).

Рис. 1.3 Система с центральным приёмником, Испания [9] Благодаря высоким коэффициентам концентрации, высокие температуры, а следовательно и более высокая эффективность, могут быть достигнуты при помощи электростанций башенного типа. В среднем, световой поток, попадающий на приёмник, имеет значения в диапазоне от 200 до 1000 кВт/м . Этот мощный поток позволяет работать при относительно высоких температурах - выше чем 1500 °С [1]. Внутри приёмника теплоноситель поглощает высококонцентрированную радиацию, отраженную гелиостатами и трансформирует её в тепловую энергию, которую можно использовать в традиционных энергетических циклах.

Хотя системы башенного типа менее приспособлены для коммерческого использования по сравнению с параболоцилиндрические системами, за последние

несколько лет ряд компонентов и экспериментальных систем прошли полевые испытания по всему миру. В 2007 году первая коммерческая электростанция башенного типа начала работать в Испании. Электростанция PS-10 (проект компании Abengoa Solar) использует насыщенный водяной пар в качестве теплоносителя и имеет мощность в 10 МВт. С применением этого же типа приёмника, электростанция PS-20, расположенная в непосредственной близости с электростанцией PS-10, была запущена в коммерческое производство в 2009 году и имеет мощность в 20 МВт [6].

2 - Линейные френелевские рефлекторы:

Это ряд линейных зеркальных полосок, которые собирают свет на фиксированный приемник, прикрепленный к линейной башне как указано на рис. 1.4. Поля с линейными френелевскими рефлекторами можно представить как изломанный параболоцилидрический рефлектор, но в отличие от параболических цилиндров, он не должен иметь форму параболы, могут быть собраны большие абсорберы и абсорберу не обязательно двигаться.

Рис. 1.4 Линейные френелевские рефлекторы [106]

3 - Параболическое зеркало

Система параболических зеркал или, как их иногда называют, солнечных тарелок, состоит из единой структуры, которая поддерживает параболическую тарелку, покрытую зеркалами, которые отражают свет на приёмник солнечного излучения, расположенный в фокусе тарелки (см. рис. 1.5). Структура зеркала должна точно следовать за солнцем, чтобы отражать луч в теплоприемник. Приемник поглощает радиационную солнечную энергию, преобразовывая ее в термальную энергию циркулирующей жидкости. Термальная энергия может затем либо быть преобразована в электричество или она может быть перемещена в трубы центральной системы преобразования энергии.

Системы параболических зеркал являются наиболее эффективными из всех технологий солнечной энергетики. Их максимальная эффективность достигает 29%, в то время как при применении других гелиотехнологий эффективность достигает около 20%. [11]

Рис. 1.5 Системы параболических зеркал [3]

4 - Параболоцилиндрический солнечный коллектор

Это самый простой тип систем CSP, в котором поле солнечных коллекторов состоит из рядов элементов параболоцилиндрических солнечных коллекторов -обычно зеркал - с интегральной приёмной трубкой. Они являются параболическими только в одном разрешении и формируют длинный параболический цилиндр до 150 метров в длину. Коллекторы обычно устанавливаются в ряды и общее поле солнечных элементов состоит из нескольких параллельных рядов (см. рис. 1.6). Коллекторы подключены к центральному электродвигателю, который перемещает их вслед за движением солнца. Благодаря этой системе в течение дня наибольшее количество солнечного света достигает концентратора [12]. Приёмник солнечного света - это труба, содержащая теплоноситель - масло или воду. Концентрированный солнечный свет нагревает теплоноситель до 400°С И он может использоваться для производства электричества при помощи паровой турбины и электрогенератора [11].

Рис. 1.6 Параболоцилиндрический солнечный коллектор (Solar 1 в Неваде) [9,105]

Нижеследующая таблица демонстрирует сравнение между различными солнечными коллекторами с их рабочими температурными диапазонами и сферами применения.

Таблица 1.1

Сравнение различных солнечных коллекторов

Название Тип Рабочая Уровень Теплоноси- Сфера

коллектор а температура ТО концентрации тели применения

1 Плоский Не 30-80 1 Вода или нагрев воздуха

коллектор концентриру ющий воздух или воды

2 Вакуумир Не 50-200 1 Вода или Нагрев

ованная концентриру воздух воды, масла,

труба ющии воздуха

3 Параболо- линейно- 60-300 15-45 Вода, генерация

цилиндрич фокусирую воздух, энергии, водо-

еский щий термальное масло и воздухо-нагрев

4 Линейный Линейно- 60-250 10-40 Вода, Воздухо- и

Френелевс фокусирую воздух, водонагрев

кий щий термальное

рефлектор масло

5 С Точечная 100-500 100-1000 Вода, производство

зеркалом фокусировка термальное пара,

масло двигатели на параболическо м зеркале

6 гелиоэнерг точечная 150-2000 100-1500 Термальное производство

етическая фокусировка масло энергии

установка башенного

типа

1.4 Климат Ирака

Ирак находится между 29° и 38° северной широты и 39° и 49° восточной долготы (небольшая территория располагается к западу от 39° в.д.). Имея площадь в 437 072 кв. км. (168 754 кв. миль), Ирак занимает 58 место среди крупнейших стран мира. (см. Рис. 1.7).

Подавляющую часть территории Ирака занимают пустыни, но на территории возле двух основных рек (Евфрата и Тигра), располагаются плодородные наносные долины, появившиеся благодаря тому, что ежегодно реки приносят порядка 60,000,000 м . ила в дельту. Северную часть страны в основном занимают горы, высочайший пик которых достигает 3611 м над уровнем моря. Ираку принадлежит небольшая территория на побережье Персидского залива длиной 58 км (36 миль), и это расположение имеет определяющее значение для показателей угла падения солнечных лучей на поверхность земли, уровня радиации и количества дневных часов - 14 тёплыми летними днями и 10 - холодными зимними.

40*ВД 42*ВД 44'В Д 4в"ВД 48'ВД

Рис. 1.7 Географическое положение Ирака [13]

Традиционные для иракской зимы климатические условия можно встретить с декабря по февраль, когда температура падает во всех частях Ирака, и может стойко держаться ниже нуля по ночам во многих центральных и северных районах Ирака.

Летний сезон в Ираке проходит с июня по август, когда солнечные лучи падают на северное полушарие Земли вертикально или полувертикально, что обуславливает повышенную температуру в это время года во всех частях Ирака и существенное различие в среднедневной температуре, поскольку этот показатель варьируется в

южных и северных частях страны вследствие засухи, а также того, что они располагаются на разных высотах. Среднемесячных значений общей дневной максимальной температуры, минимальной температуры и средней температуры на протяжении 25 лет (1980-2005), города Мосул в Ираке показаны в таблицах А.1, А.2, А .3 в Приложении А, (см. Рис. 1.8). Что касается влажности, в подавляющем числе регионов Ирака летом дождей практически нет, так как в это время года они находятся под влиянием высокого давления, характеризующего тропический климат. Для этого сезона характерна также пониженная влажность: лето в Ираке жаркое и сухое.

Рис. 1.8 Колебания среднемесячных значений общей дневной максимальной, минимальной и средней температур по месяцам в период 1980-2005 гг, г. Мосул в

Ираке

Ирак - это страна, располагающаяся в поясе солнечного света, получающая повышенную дозу солнечного излучения. Объём прямого солнечного излучения на

о

плоской, незащищённой покровом территории, может достигать 1800 кВтч/м в год. Этот ресурс может быть использован для удовлетворения ежегодно растущего спроса в электроэнергии с помощью тепловых электростанций (см. рис. 1.9)[14].

•1800

1ВЭ? 1874 1912 11« 1987 2024 2«! 2099 21» 3171 221* 2И» 22» 2122 ззе»

2Э97

Рис. 1.9 Прямое солнечное излучение на территории Ирака [14,101]

1.5 Обзор литературных источников

В этой разделе представлен обзор предыдущих исследований, направленного на определение ряда параметров, которые влияют на работу коллектора. Так как теплообменник является ключевым компонентом в пароводяной системе отопления, оставшаяся часть этого раздела представляет собой обобщение исследований, посвященных кожухотрубным теплообменникам. С этой целью вся литература будет разделена на две части:

1.5.1 Исследования солнечных коллекторов

Различные типы солнечных коллекторов и их применений представлены А.К. Сотерисом [15], который провел анализ проблем окружающей среды, связанных с использованием традиционных источников энергии и описал преимущества использования возобновляемых энергосистем. История вопроса использования солнечной энергии представлена в виде описания различных типов коллекторов, включая плоские, сложные параболические, вакуумированные трубчатые, параболоцилиндрические, гелиоэнергетические коллекторы, коллекторы с линзой Френеля и параболическим зеркалом, для того, чтобы показать все сферы их применения. В них входит система водяного отопления солнечной энергии, которая

сочетает в себе термосифон и встроенный ряд коллекторов, система отопления с открытым циклом и с закрытым контуром, конвекционное отопление и кондиционирование помещений, куда входят отопление помещений и технической горячей воды, воздушная и водная системы и тепловые насосы, охлаждение, выработка тепла, используемого в промышленных целях, включающее водяное и воздушное отопление, системы парогенерации, опреснения воды, тепловые электростанции, включающие параболоцилиндрические, башенные и зеркальные системы, солнечные печи и применение в химических целях. Сферы применения, описанные в этой работе, показывают, что солнечные коллекторы могут быть использованы в широком спектре систем, могут принести существенную финансовую и экологическую выгоду, а также должны использоваться везде, где это возможно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мохаммед Камил Али Гази, 2015 год

// \\

II ц

о ас 1 1

1 \\

i

5 Ь 7 У 10 11 12 Id 14 1Ь 16 1/ 18 1У 2U 5 б 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Время (ч) Время (ч)

Рис. 3.17 Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно,

межтрубное пространство)

Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, для трех разных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в межтрубное пространство теплообменника указаны на рис. 3.17. Направление этих кривых указывает, что увеличение расхода жидкости в межтрубном пространстве приводит к увеличению значения падения давления в теплообменнике. Также эти кривые показывают, что для одной и той же расхода снижение падения давления в межтрубном пространстве сопровождается увеличением тепловой нагрузки теплообменника. Значения падения давления в межтрубном пространстве варьирутся между 59,3 кПа и 121,3 кПа для всего диапазона расхода жидкости в течение года.

Рис. 3.18 Колебания эффективности солнечного коллектора на протяжении года для

различных расходов жидкости внутри коллектора, при условии, что коллекторы соединены параллельно и вода из коллектора попадает в межтрубное пространство

Рис. 3.18 показывает сравнение эффективности солнечного коллектора для различных расходов внутри коллектора, для 21 числа каждого месяца на протяжении года в 12:00, при условии, что коллекторы соединены параллельно и вода из коллектора попадает в межтрубное пространство.

Из этого рисунка становится понятно, что эффективность коллектора варьируется в течение года от лета к зиме для всех расходов жидкости, а так же то, что увеличение расхода через коллекторы приводит к увеличению эффективности коллектора. Эффективность коллектора варьируется между 29,4% и 50,4% для 0,194 кг/с, между 31,8% и 54,5% для 0,237 кг/с и между 33,7% и 57,6% для 0,28 кг/с.

Рис. 3.19 Колебания разницы температур солнечного коллектора со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно, трубное

пространство)

На рисунке 3.19 показаны калебания разницы температур между входом и выходом в солнечном коллекторе в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, для разных значений расходов через коллекторы и для входа жидкости в трубное пространство теплообменника. Из рисунка становится понятно, что разница температур увеличивается с утра до полудня и затем снижается к вечеру. Также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению разницы температур жидкости на выходе из коллекторов. Значения максимальной и минимальной разницы температур 21 декабря варьируется между 18,94°С и 3,22°С для всех различных расходов, соответствующие значения 21 июня варьируются между 49,01°С и 13,35°С.

Разница между указанными выше значениями разницы температур по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляла 54,7% для расхода жидкости 0,5 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по сравнению с 0,222 кг/с составляло 54,8% для расхода жидкости 0,5 кг/с.

14000 ■ £ 12000 ■ га £ | 10000 01 § о 8000 • с " 6000 га X т Ъ 4000 га X 2000 ■ 0 21 Декабрь 45000 40000 I | —♦—□.222 кг/с -■-0.250 кг/с

-■-0.250 кг/с 0.280 кг/с -»-0.305 кг/с —Я*—0.333 кг/с 0.361 кг/с —I- 0.390 кг/с - 0.420 кг/с 0.444 кг/с 0.472 кг/с 0.500 кг/с 21 Июнь

£ 35000 га X * -1 * 0.280 кг/с -м-0.305кг/с -*-0.333кг/с -•■ 0.361 кг/с —1- 0.390 кг/с

1

и 5 » 25000 0 в: 5 20000 га

1-

V \1

\

К 15000 > о. £ 10000 5000 1 - 0.420 кг/с 0.444 кг/с

1

- и-

0.500 кг/с

1

II ■Е

6 7 8 9 10 1 В[ 1 1 емя 2 1 («О 3 14 15 1 6 1 7 1 8 19 7 8 0 1 В 1 1 рем 2 1 я (ч 3 1 4 1 5 1 6 17 1 8 1 9 20

Рис. 3.20 Колебания нагрузки теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно, трубное пространство)

На рис. 3.20 показаны колебания нагрузки теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Каждый из этих рисунков содержит одиннадцать кривых, каждая кривая отражает результаты, полученные при определенном расходе жидкости на воде в трубное пространство.

Из рисунка становится ясно, что нагрузка теплообменника увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру. Также направление этих кривы показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению нагрузки на теплообменник. Однако разница между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляла 31% для расхода жидкости 0,5 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,222 кг/с составляло 9% для расхода жидкости 0,5 кг/с.

Рис. 3.21 Колебания общего коэффициента теплопередачи теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно,

трубное пространство)

Рис. 3.21 показывает колебания общего коэффициента теплопередачи теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Из этих рисунков становится понятно, что увеличение расхода жидкости приводит к увеличению значения общего коэффициента теплопередачи при постоянной температуре. Этот вывод соответствует общим принципам теплопередачи в теплообменнике. Таким образом, тепловая нагрузка теплообменника изменяется одновременно с коэффициентом теплопередачи при постоянной разнице температур.

Разница между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к 0,5 кг/с 21 декабря в 12:00 составляла 34,7% для расхода жидкости 0,222 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,5 кг/с составляла 29,4% для расхода жидкости 0,222 кг/с.

Рис. 3.22 Колебания падения давления в трубном пространстве теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно,

трубное пространство)

Колебания падения давления в трубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, для разных значений расходов через коллекторы и входа жидкости в трубное пространство теплообменника показаны на рис. 3.22. Направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости в трубном пространстве приводит к увеличению значения падения давления в теплообменнике. Так же из этих кривых становится очевидно, что для одного и того же расхода падение давления в трубном пространстве сопровождается увеличением нагрузки теплообменника. Значение падения давления в трубном пространстве варьируется между 19,19 Па и 94,96 Па для всего диапазона значений расхода в течение всего года.

—♦—0.222 иг/с

85

г ■ —■—0.250 иг/с

а* —*■ 0.280 кг/с

ГС

о. £ /5

-*-0.305кг/с

01 ■

/ \ к -Ж-О.ЗЗЗкг/с

ь / >

е \ ■ -•-0.361 нг/с

о —Ь 0.390кг/с

ч ■

- 0.420 кг/с

-я- 55 к

0.444 кг/с

-е- к.

(Г)

—0.472 кг/с

4.5

0.500 кг/с

ЛП

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяц

Рис. 3.23 Колебания эффективности солнечного коллектора в течение года для разных расходов в коллекторе, при условии, что коллекторы соединены последовательно и вода из коллектора попадает в трубное пространство

На рис. 3.23 показано сравнение эффективности солнечного коллектора для различных расходов в коллекторе, для 21 числа каждого месяца на протяжении года в 12:00, при условии, что коллекторы соединены последовательно и вода из коллектора попадает в трубное пространство теплообменника.

Из этого рисунка становится очевидно, что эффективность коллектора менялась на протяжении года с лета по зиму для всех значений расходов, эффективность коллектора варьировалась между 48,58% и 83,68% для всех значений расходов.

Рис. 3.24 Колебания разницы температур солнечного коллектора со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное

пространство)

Рисунок 3.24 показывает колебания разницы температур между входом и выходом в солнечном коллекторе в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Из рисунка становится понятно, что разница температур увеличивается с утра к полудню и затем снижается к вечеру, также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению разницы температур жидкости на выходе из коллекторов. Максимальное и минимальное значение разницы температур 21 декабря варьируется между 12,09 °С и 2,54 °С для всех значений расходов, соответствующие значения 21 июня варьируются между 31,71 °С и 10,62 °С.

Различие между указанными выше значениями разницы температур по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляла 44,0 % для расхода 0,5 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,222 кг/с составляло 44,3% для расхода 0,5 кг/с.

Рис. 3.25 Колебания нагрузки теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное пространство)

Рис. 3.25 показывает колебания нагрузки теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, для различных значений расходов жидкости через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Каждый из этих рисунков содержит 11 кривых, каждая кривая соответствует результатам, полученным при определенном расходе жидкости на входе в межтрубное пространство.

Из рисунка становится понятно, что нагрузка на теплообменник увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру, также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению нагрузки теплообменника. Однако различие между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляло 22,7% для расхода жидкости 0,5 кг/с, соответствующие значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,222 кг/с составляло 9,9% для расхода жидкости 0,5 кг/с.

Рис. 3.26 Колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно,

трубное пространство)

Рис. 3.26 показывает колебания общего коэффициента теплопередачи теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Из этих рисунков становится понятно, что увеличение расхода жидкости приводит к увеличению значения общего коэффициента теплопередачи при постоянной температуре. Этот вывод соотносится с общими принципами теплопередачи в теплообменнике. Таким образом, тепловая нагрузка теплообменника напрямую зависит от общего коэффициента теплопередачи при постоянной разнице температур.

Различие между указанными выше значениям нагрузки теплообменника по отношению к 0,5 кг/с 21 декабря в 12:00 составляло 36,4% для расхода жидкости 0,222 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,5 кг/с составляло 33,4% для расхода жидкости 0,222 кг/с.

Рис. 3.27 Колебания потери давления в трубном пространстве теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно,

трубное пространство)

Колебания потери давления в трубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 теплообменников, соединенных параллельно, для различных значений расходов через коллекторы и жидкости на входе в трубное пространство теплообменника показаны на рис. 3.27. Направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости в трубном пространстве приводит к увеличению потери давления в теплообменнике, также из этих кривых становится понятно, что для одного и того же расхода снижение потери давления в трубном пространстве сопровождается увеличением нагрузки теплообменника. Значение потери давления в трубном пространстве варьируется между 19,89 Па и 95,11 Па для всего диапазона значений расхода на протяжении года.

Рис. 3.28 Колебания эффективности солнечного коллектора на протяжении года для различных расходов внутри коллектора, при условии, что коллекторы соединены параллельно и вода в коллекторе поступает в трубное пространство

Рис. 3.28 показывает сравнение эффективности солнечного коллектора для различных расходов внутри коллектора, для 21 числа каждого месяца на протяжении всего года в 12:00, при условии, что коллекторы соединены параллельно и вода из коллектора попадает в трубное пространство теплообменника.

Из рисунка становится очевидно, что эффективность коллектора варьируется в течение года от лета к зиме для всех значений расходов, эффективность коллектора варьируется между 31,02% и 66,64% для всех расходов.

Все предыдущие рисунки для различных вариантов были объединены в едином кожухо-трубном теплообменнике; следующие рисунки объясняют эффект от взаимодействия солнечных коллекторов со сложной системой теплообменника.

Рис. 3.29 Колебания нагрузки в теплообменнике с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно, межтрубное пространство) при подключении к сложному теплообменнику

На рис. 3.29 показаны колебания нагрузки в теплообменнике в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно при расходе жидкости через коллекторы 0,194 кг/с и входе жидкости в межтрубное пространство сложной системы теплообменника (рис. 3.4). Каждый из этих рисунков содержит три кривые; каждая кривая соотносится с результатами, полученными в случае, когда система солнечного коллектора соединена с одним, двумя или тремя кожухотрубными теплообменниками.

Из рисунков становится очевидно, что нагрузка на теплообменник возрастает с утра к полудню и затем снижается к вечеру, также эти кривые свидетельствуют о том, что увеличивающееся число теплообменников, которые подсоединены к коллекторам, приводит к снижению нагрузки в теплообменнике. Однако, разница между указанными выше значениями нагрузки в теплообменнике по отношению к одному теплообменнику 21 декабря в 12 часов варьируется между 50% и 66,67% для двух и трех теплообменников соответственно. Соответствующие значения 21 июня в 12 часов по отношению к одному теплообменнику варьируется между 50% и 66,67% для двух и трех теплообменников соответственно.

Рис. 3.30 Колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно, межтрубное пространство) при подключении к сложному

теплообменнику

Рис. 3.30 показывает колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, при расходе жидкости через коллекторы 0,194 кг/с и при входе в межтрубное пространство сложной системы теплообменника (рис. 3.4). Из этих кривых становится видно, что увеличение числа теплообменников, подключенных к коллекторам, приводит к снижению значения общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике.

Разница между указанными выше значениями общего коэффициента теплопередачи по отношению к одному теплообменнику 21 декабря в 12 часов варьируется между 8,07% и 13,65% для двух и трех теплообменников соответственно. Соответствующие значения для 21 июня в 12 часов по отношению к одному теплообменнику варьируются между 6,6% и 11,4% для двух и трех теплообменников соответственно.

Рис. 3.31 Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных последовательно) при подключении к сложному теплообменнику

Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, при расходе жидкости через коллекторы 0,194 кг/с и при входе жидкости в межтрубное пространство сложной системы теплообменника показаны на рис. 3.31. Направление этих кривых показывает, что увеличение числа теплообменников, которые подключены к коллекторам, приводит к снижению падения давления в межтрубном пространстве теплообменника. Значение падения давления в межтрубном пространстве варьируется между 7,97 кПа и 61,7 кПа для всех теплообменников на протяжении года.

10000

------

II

9000 21Декабоь 1 Колич. теплооб. =1 21 Июнь Колич.теплооб.- 1

8000 —■— Колич. теплооб. =2 30000 ■ ККолич.теплооб.- 2

ей ^ Колич. теплооб.-З н ей fc— Колич. теплооб.= 3

га X S 7000 а X х

X 6000 X

20000 ■

5000

С г я с г га 15000 ■

4000

m 3000 m 10000 ■ -i |

о. а. 1

я 2000 п 4 И

/ е—

1000 \ IL-

/

V

0 —i —i 1—1 1 ■ ■- 0 —1 1—1 i— - 1—1 ■-

5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Время (ч) Время (ч)

Рис. 3.32 Колебания нагрузки теплообменника с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, межтрубное пространство),

соединенных с сложным теплообменником

Рис. 3.32 показывает колебания нагрузки теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно при расходе через коллекторы 0,194 кг/с и входе жидкости в межтрубное пространство сложного теплообменника. Каждый из этих рисунков содержит три кривые; каждая кривая соответствует результатам, полученным в случае, когда система солнечного коллектора была соединена с одним, двумя или тремя кожухотрубными теплообменниками.

Из этих рисунков становится очевидно, что нагрузка теплообменника увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру, также из этих кривых очевидно, что увеличение числа теплообменников, которые соединены с коллекторами, приводит к снижению нагрузки одного теплообменника. Однако различия между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к одному теплообменнику 21 декабря в 12 часов варьируется между 50% и 66,67% для двух и трех теплообменников соответственно. Соответствующие значения 21 июня в 12 часов по отношению к одному теплообменнику варьируются между 50% и 66,67% для двух и трех теплообменников соответственно.

Рис. 3.33 Колебания общего коэффициента теплопередачи теплообменника с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, межтрубное пространство) при подключении к сложному

теплообменнику

Рис. 3.33 показывает колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, при расходе жидкости через коллекторы 0,194 кг/с и при входе жидкости в межтрубное пространство сложной системы теплообменника. Из этих кривых становится понятно, что увеличение числа теплообменников, которые подключены к коллекторам, приводит к снижению значения общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике.

Различием между указанными выше значениями общего коэффициента теплопередачи по отношению к одному теплообменнику 21 декабря в 12 часов варьируется между 8,4% и 14,1% для двух и трех теплообменников соответственно. Соответствующие значения 21 июня в 12 часов по отношению к одному теплообменнику варьируются между 7,3% и 12,5% для двух и трех теплообменников соответственно.

Рис. 3.34 Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника с течением времени 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, межтрубное пространство) при подключении к сложному

теплообменнику

Колебания падения давления в межтрубном пространстве в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, при расходе жидкости через коллекторы 0,194 кг/с и при входе жидкости в межтрубное пространство сложной системы теплообменников показаны на рис. 3.34. Направление этих кривых показывает, что увеличение числа теплообменников, подключенных к коллекторам, приводит к снижению падения давления в межтрубном пространстве теплообменника. Значения падения давления в межтрубном пространстве варьируются между 8,13 кПа и 62,2 кПа для всех теплообменников на протяжении года.

3.5 Выводы по главе 3

1. Проведен анализ режемов работы систим «солнечной коллектор-теплообменник» при различных вариантах соединения солнечных коллекторов (параллельный, последовательный) и различных вариантах соединения теплообменников.

2. Анализ работы солнечного коллектора при разном расположении труб внутри коллектора, третье расположение демонстрирует самые высокие значения эффективности (Рис. 3.2, в). Эффективность коллектора находится в диапазоне между 48,3 % и 81,7 % для третьего расположения, различие между максимальной эффективностью коллектора для разного расположения труб по отношению к третьему находится в диапазоне между 5,6%, 10,1% для второго и первого расположения соответственно. А различие между минимальной эффективностью коллектора для разного расположения труб по отношению к третьему варьируется между 5,8 %, 10,3 % для второго и первого расположения соответственно.

3. При различных соединенах солнечных коллекторов в межтрубное пространство одного теплообменника, получены следующие данные (табл. 3.2):

Таблица 3.2

Сравнение соединения солнечных коллекторов в межтрубное пространство

теплообменника

Соединены Солн. Колл. ЛТ (°С) Нагрузка теплооб-меннка (кВт) Общ. Коэфф. Теплопередачи в теплообменнике кВт/(м2 К) падения давления в трубном (Па) падения давления в межтрубном (кПа) Эффективности солн. Колл. %

Макс Мин. Мин. Макс.

Последовательный 21 Дек. 21,5 5,67 14,27 1,294 850 118,53 48,3 82,7

21 Июн. 55,8 23,5 42,04 1,31 849,9 112

Параллельный 21 Дек. 13,09 3,9 7,56 1,292 850,31 120,1 29,4 57,6

21 Июн 34,3 16,3 27,21 1,3 850,1 114,44

4. При различных соединенах солнечных коллекторов в трубное пространство одного теплообменника, получены следующие данные (табл. 3.3):

Таблица 3.3

Сравнение соединения солнечных коллекторов в трубное пространство

теплообменника

Соединены Солн. Колл. ЛТ (°С) Нагрузка теплооб-меннка (кВт) Общ. Коэфф. Теплопередачи в теплообменнике кВт/(м2 К) падения давления в трубном (Па) падения давления в межтрубном (кПа) Эффективности солн. Колл. %

Макс Мин. Мин. Макс.

Последовательный 21 Дек. 18,94 3,22 13,88 0,675 94,96 61,73 48,58 83,68

21 Июн. 49,01 13,35 41,76 0,783 89,18 58,45

Параллельный 21 Дек. 12,09 2,54 7,53 0,667 95,11 61,6 31,02 66,64

21 Июн 31,71 10,62 28,53 0,765 89,67 59,13

5. При различных соединенах солнечных коллекторов со сложной системой теплообменников (1-3 теплообменника согласно рис. 3.4), получены следующие данные (табл. 3.4), (табл. 3.5), (табл. 3.6):

Таблица 3.4

Сравнение соединения солнечных коллекторов со сложной системой теплообменников при определении нагрузки

Соединены Нагрузка теплообменнка (кВт)

1 теплообменника 2 теплообменников 3 теплообменников Различие между 1и 2 теплооб. % Различие между 1и 3 теплооб. %

Последовательный 21 Дек. 14,27 7,13 4,76 50 66,67

21 Июн. 42,04 21,02 14 50 66,67

Параллельный 21 Дек. 7,56 3,78 2,52 50 66,67

21 Июн 27,21 13,6 9,07 50 66,67

Таблица 3.5

Сравнение соединения солнечных коллекторов со сложной системой теплообменников при определении общего коэффициента теплопередачи в

теплообменнике

Соединены общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике кВт/(м К)

1 теплообменника 2 теплообменников 3 теплообменников Различие между 1и 2 теплооб. % Различие между 1и 3 теплооб. %

Последовательный 21 Дек. 1,294 1,2 1,14 7,04 12

21 Июн. 1,31 1,23 1,17 5,83 10,2

Параллельный 21 Дек. 1,292 1,19 1,13 7,22 12,25

21 Июн 1,3 1,22 1,16 6,26 10,83

Таблица 3.6

Сравнение соединения солнечных коллекторов со сложной системой теплообменников при определении падения давления в межтрубном

Соединены падения давления в межтрубном (кПа)

1 теплообменника 2 теплообменников 3 теплообменников Различие между 1и 2 теплооб. % Различие между 1и 3 теплооб. %

Последовательный 21 Дек. 60,43 17,25 8,29 71,45 86,29

21 Июн. 56,6 16,18 7,78 71,41 86,26

Параллельный 21 Дек. 61,47 17,54 8,42 71,46 86,3

21 Июн 58,32 16,66 7,99 71,43 86,28

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМ КОЛЛЕКТОРОВ

Цель: В этой главе проводен анализ экспериментальных данных на испытательной установке оборудованной необходимыми измерительными приборами для обеспечения экспериментальных исследования.

Схема испытательного стенда изображена на рис. 4.1, он состоит из тестовой секции, которая представляет собой модель кожухотрубчатого теплообменника, систем для циркуляции воды, насосов, панелей управления и измерительных инструментов. Стенд сделан из стальной конструкции и доски, на которой закреплена тестовая конструкция.

4.1 Теплообменник

Тестовая секция изготовлена из кожухотрубчатого теплообменника типа Bowman (3739-5), с размерами: 1000 мм общей длины, 800 мм - эффективной длины трубы, которая включает в себя 35 медных труб с внутренним диаметром 11 мм и внешним диаметром 13,5 мм.

Трубы расположены в форме треугольника под углом 30°. Промежуток между двумя граничащими трубами составляет 1,5 мм, а расстояние между осями труб составляет 15 мм. Внутренний диаметр кожуха составляет 108 мм, внешний диаметр кожуха - 114 мм. Внутренние и внешние форсунки кожуха - по 25,4 мм, внутренние и внешние соединения трубы - 50,8 мм, а общая поверхность труб составляет 1,187 м2.

Кожухотрубчатый теплообменник создан в конфигурации встречного потока, в котором горячая вода течет в трубах в направлении противоположном тому, в котором течет холодная вода в межтрубном пространстве. Манометры закреплены в специально созданные карманы, поднятые до заданной высоты.

Кожухотрубчатый теплообменник и соединения изолированы слоем стекловолокна толщиной 10 мм.

(а) (б)

Рис. 4.1 Схема экспериментального стенда [102]

1- теплообменник; 2- насос холодной воды; 3- насос горячой воды; 4- шиберная задвижка; 5- перегреватель; 6- нагревательный элемент; 7- бак холодной воды; 8-поплавок; 9- подвод горячой воды; 10- подвод холодной воды; 11- в канализацию.

4.2 Система водоподачи

Холодная вода подается из бака 7 постоянного уровня объемом в 250 л. Вода прокачиваятся одноступенчатым центробежным насосом 2 из бака через тестовую секцию 1.

Горячая вода также прокачиваятся одноступенчатым центробежным насосом 3 из другого нагревающегося бака 5 бъемом в 250 л через тестовую секцию 1 и возвращается в нагревающийся бак 5 для перегрева. Вода в перегревателе нагревается четырьмя нагревательными элементамы общей электрической мощностью в 12 квт, как показано на рис. 4.2.

Нагревательный элемент

Впускной канал

Рис. 4.2 Схема перегревателя

Четыре нагревательных элемента закреплены на одном и том же уровне по отношению к перегревателю и закреплены под углом 90°. Такое расположение нагревательных элементов с использованием термостата со средним диапазоном температур в 30-80 градусов Цельсия поможет обеспечить контроль над температурой воды в процессе испытаний. Подобное расположение элементов дает наилучшее распределение тепла по всем направлениям в нагревающем баке. Электрическая схема перегревательной сети показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3 Электрическая схема перегревателя

Четыре нагревательных элемента закреплены в основании перегревателя как указано выше на уровне 150 мм от нижней части. Выход горячей воды производится на уровне 70 мм от нижней части перегревателя.

Во внешнем кожухе перегревателя установлен уровнемер воды на перегревателе установлен также термометр для измерения температуры горячей воды.

Движение холодной и горячей воды контролируется задвижками, поток измеряется при помощи вертикальных ротаметров с переменным сечением. Трубы, по которым циркулирует горячая вода, заизолированы оптоволоконным материалом.

4.3 Используемые инструменты и измеряетые параметри при проведении измерений

Параметры, которые нужно измерить во время эксперимента:

(1) Температуры на входе и выходе трубы и корпуса.

(2) Давление на входе и выходе трубы и корпуса.

(3) Расход воды в трубе и в корпусе.

Термометры

Четыре стеклянных палочных термометра с диапазоном измерения 0 °C - 120 °C используются для измерения температур холодной и горячей воды на входе и выходе из трубы и корпуса теплообменника.

Манометры:

Для измерения давления используются четыре стрелочных манометра, два из которых измеряют давление горячей воды в диапазоне 0-2,5 бар и прикреплены со стороны трубы, а еще два измеряют давление остывающей воды в диапазоне -1 - 1 бар и прикреплены со стороны корпуса.

Ротаметры:

Для измерения расхода горячей и холодной воды используются два вертикальных ротаметра с переменным сечением. Для измерения расхода циркуляции горячей воды используется ротаметр с диапазоном измерения 200-1900 литров в час (0,055-0,527 кг/с). Для измерения расхода циркуляции холодной воды используется ротаметр с диапазоном измерения 150-1300 литров в час (0,0416-0,361 кг/с). Оба ротаметра типа GEC Elliott откалиброваны перед установкой.

4.4 Электрическая плата

Электрическая плата состоит из главного автомата-выключателя и

вспомогательных выключателей, которые поставляют электроэнергию во все компоненты системы испытательного образца. Плата включает в себя электрический контактор 4^16 Ампер, который связан с четырьмя нагревательными приборами и термостатом. Этот контактор контролируется и получает электрический сигнал от термостата и включает или выключает подачу электричества на четыре нагревательных прибора.

Установлены четыре отдельных выключателя для контроля каждого из нагревательных приборов, а для безопасности установлен отдельный выключатель, который управляет контактором (т.е., контролирует работу четырех нагревательных элементов и термостата).

Более того, установлены еще два выключателя - один для насоса, перекачивающего холодную воду, второй - для насоса, обеспечивающего циркуляцию горячей воды. Каждый из этих выключателей подключен к маленькой лампочке, которая показывает, работает тот или иной элемент в данный момент.

4.5 Калибровка измерительных инструментов

Все измерительные приборы были откалиброваны перед проведением

испытаний. Процесс калибровки каждого устройства описан ниже: 4.5.1 Калибровка термометров

Четыре термометра откалиброваны при помощи термопары типа Т. Каждый из термометров, помещенный в стеклянную колбу, содержит измельченный лед с термопарой на одинаковом уровне для исключения ошибок в течение измерений. Затем, с началом обогрева стеклянной колбы начинается запись показаний термометра и термопары при различных температурах. На графике Г.1 в приложении Г изображена кривая калибровки термометра №1, который измеряет температуру горячей воды на входе. Кривая калибровки термометра №2,

используемого для измерения температуры горячей воды на выходе, показана в приложении Г на графике Г.2. График Г.3 в приложении Г отражает кривую калибровки термометра №3, который используется для измерения температуры холодной воды на входе. А кривая калибровки термометра №4, используемого для измерения температуры холодной воды на выходе, изображена на графике Г.4 в приложении Г.

4.5.2 Калибровка манометров

Калибровка манометров выполняется путем сравнения их показателей с образцовыми показателями манометра. График Г. 5 в приложении Г демонстрирует кривую калибровки манометра, который измеряет давление горячей воды у входа, а калибровочная кривая манометра, который используется для измерения давления горячей воды на выходе, показана в приложении Г на графике Г.6.

График Г. 7 в приложении Г демонстрирует калибровочную кривую манометра, который используется для измерения давления холодной воды на входе, в то время как калибровочная кривая манометра, используемого для измерения давления холодной воды на выходе, показана в приложении Г на графике Г.8.

4.5.3 Калибровка ротаметров

Расходометры откалиброваны с учетом использования контейнера определенного размера и секундомера. Во время течения воды через расходометр показания расходометра записываются и сравниваются с уровнем воды, скапливающейся в контейнере, через определенные временные интервалы. Оценивались различные потоки жидкости, чтобы получить различные показатели ротаметра. Калибровочные кривые для двух ротаметров показаны в приложении Г на графиках Г. 9 и Г. 10.

4.6 Проведение эксперимента

4.6.1 Предварительная проверка

Прежде чем начать эксперимент, были проведено ряд проверок, чтобы удостовериться, что все элементы эксперимента правильно установлены и готовы к работе. Следующие проверки проводились до начала тестов:

(1) Проверка уровня воды в перегревателе, который должен быть ощутимо выше четырех нагревательных приборов в баке перегревателя. Это можно проверить при помощи установки стеклянного уровня на перегревателе. Если уровень воды упадет ниже уровня расположения нагревательных элементов, то это приведет к поломке нагревательных элементов.

(2) Проверка уровня холодной воды в баке и открытие источников воды, которые снабжают бак. Следует отметить, что температура воды, поступающей из городской системы водоснабжения, считалась постоянной на протяжении всего эксперимента. Система циркуляции холодной воды - открытая система (т.е. вода, поступающая из корпуса, уходит в канализацию).

(3) Открытие всех затворов, установленных перед манометрами системы. Эти затворы устанавливаются для того, чтобы защитить манометры и избежать ошибок в их показаниях в течение и после проведения тестов.

Остальные затворы, установленные на перегревателе, остаются закрытыми в начале проведения тестов и открываются только тогда, когда температура воды достигает требуемой температуры на термостате. Затем затворы открываются и циркуляционные насосы начинают обеспечивать циркуляцию воды в системе, чтобы обеспечить ту же самую температуру термостата.

4.6.2 Проведение теста

После проведения предварительных проверок начинается процедура проведения эксперимента путем переключения главного автомата-выключателя, который снабжает энергией всю систему.

Затем включаются отдельные включатели каждого из четырех нагревательных элементов для нагрева воды и повышения температуры воды на перегревателе до требуемого уровня, который указан на термостате.

Этот процесс занимает 10-20 минут в зависимости от требуемой температуры на термостате и температуры воды перед началом проведения эксперимента. После этого насос горячей воды ( пункт 3, рис. 4.1) начинает работать и открывается шиберную задвижку которая контролирует расход горячей воды, текущей со стороны трубы в теплообменник.

Термостат поддерживается температуру воды в системе. Процесс нагрева воды занимает 10-15 минут, в зависимости от требуемой температуры и расхода жидкости.

На стороне, по которой течет холодная вода, включается насос холодной воды ( пункт 2, рис. 4.1) одновременно с насосом горячей воды и устанавливается расход воды в соответствии с требуемыми показателями. Эти операции в среднем занимают примерно 20-35 минут - это общее время, которое необходимо для достижения стабильности работы тестовой системы.

После достижения стабильного состояния, расход жидкости устанавливается на стороне корпуса для холодной воды на уровне 0,194 кг/с, и требуемая температура горячей воды устанавливается термостатом. Со стороны течения горячей воды (сторона трубы), расход воды регулируется от 0,222 до 0,5 кг/с.

Температура воды постоянно измеряется во время изменения расхода воды. Измеряется также давление на входе и выходе из теплообменника при определенном расходе воды на корпусе и трубе. Все экспериментальные показания замеряются через каждые 5 минут. В течение четырех замеров температуры и давления воды в системе и между ними определяются средние показания и принимаются как основа для анализа. Этот процесс определения средних показателей из четырех последовательных тестов обеспечит наиболее точные результаты эксперимента и сведет вероятность ошибки в показаниях к минимуму.

После изменения расхода воды на стороне трубы, расход воды в корпусе также изменяется и устанавливается на показателе 0,237 кг/с. Затем процедура повторяется и показания снимаются несколько раз. В итоге расход воды в корпусе изменяется до 0,28 кг/с и процедура повторяется. В течение всех этих тестов настройки на термостате остаются без изменений. Тестовые процедуры повторяются после изменения настроек на термостате на каждые 5 °С от установленных первоначально (от 40 °С до 60 °С). В течение каждого шага эксперимента расход воды регулируется и замеряются показатели температуры и давления. Анализ и сравнение показателей проводятся по каждым из условий отдельно.

4.7 Обоработка результатов испытания

Количество теплоты теплообменника при нагревании и охлаждении в

работающих условиях при наличии знания расхода воды и разницы температур для каждой из сторон - нагревающей и охлаждающей - может быть определено из следующих равенств:

б* = тьСрьЬТ„ , (4.1)

б = тсСрсМс , (4.2)

в которых нижние индексы (И) и (с) описывают условия нагрева и охлаждения воды соответственно.

Температуры жидкости в теплообменники обычно не являются постоянными, а изменяются в процессе того, как тепло переходит от более горячей жидкости к более холодной.

График 3.3а показывает, что итоговая температура остывающей жидкости может превышать температуру более горячей жидкости на выходе, так как тепловой перепад существует по всей длине теплообменника. Расстояние между сплошными линиями на графике пропорционально разнице температур (А!) между двумя жидкостями.

Оценка среднелогарифмического температурного напора (ЬМТЭ) для параллельных и встречных потоков может быть определена из графика (3.3а) и графика (3.35Ь) соответственно из формулы:

ДТ -ДТ,

ьмтб = —*-ь- (л ^

ДТ , (43)

1п

ДТЬ

в которой нижние индексы (а) и (Ь) обозначают соответственно границы теплообменника и ДТа- температурная разница между потоками горячей и холодной воды на входе в теплообменник, в то время как ДТЬ - температурная разница на выходе из теплообменника.

Для удобства будем использовать эффективную температурную разницу ДТт для всего теплообменника, определяемую из уравнения:

0 = ил дтт . (4.4)

Средняя температурная разница ДТт может быть определена как тот же показатель среднелогарифмического температурного напора для одного входа в трубу. Для более чем одного отверстия трубы средняя разница температур ДТт, может быть высчитана путем перемножения среднелогарифмического температурного напора и температурного поправочного коэффициента:

дтт = я • ьмтб . (4.5)

Общая поверхность труб и может быть вычислена по формуле:

л = лаоьы1 . (4.6)

Одна из первых задач в тепловом анализе теплообменника - оценить общий

коэффициент теплопередачи между двумя потоками тепла по формуле:

0

и=слю • (47)

где 0 - объем тепла, Вт; необходимый для нагревания или остывания, который зависит от процесса протекания жидкости.

Рис. 4.4 Изменение нагрузки на теплообменник в зависимости от расхода

технологической жидкости

Данные рис. 4.4 показывает изменение нагрузки теплообменника с расходом технологической жидкости при разных уровнях температуры на входе в трубу (при температуре 40, 45, 50, 55 и 60 градусов Цельсия соответственно). Каждый из показателей содержит три кривые; каждая кривая соответствует результатам, полученным при заданном расходе рабочей жидкости. Анализ этих кривых показывает, что увеличение расхода технологической жидкости приводит к увеличению нагрузки теплообменника, и это просматривается на двух участках каждой кривой, в ламинарной и турбулентной зонах.

Результаты опытов показывают внезапное изменение нагрузки в теплообменнике. Это происходит в точке перехода от ламинарной к турбулентной зоне. Логически, это предсказуемое явление, которое объясняется особенностями турбулентного потока, в котором свойства теплообменника усиливаются.

Как показывают данные, уменьшение расхода рабочей жидкости приводит к увеличению нагрузки на теплообменник в указанный момент процесса расхода жидкости. Удивительно, что эти кривые ведут себя так несмотря даже на увеличение объёма поступаемой рабочей жидкости. Проще всего это объясняется уравнением энергии тепловой нагрузки теплообменника с энергией рабочей жидкости, как показано в уравнении 4.1 и 4.2. Например, при потоке технологической жидкости 0,222 кг/с, разница в температурах по всему теплообменнику была такой же, как и при данных на 3,5, 3,3 и 3,1 - как и при расходах 0,194, 0,237 и 0,28 кг/с рабочей жидкости соответственно. При этом производиться тепловая нагрузка 3,26, 3,08, и 2,893 кВт соответственно. Однако расхождение между указанными выше нагрузками теплообменника для различных значений по отношению к стоимости на (0,194 кг/с) колеблется в пределах (5,5%, 11,3%) для обслуживания расхода жидкости при скорость 0,237 и 0,28 кг/с соответственно.

при температуре на входе трубки 60 "С

- —Ь— 0.28 кг/с рабочей жидкости

л

.......

0.2 0.24 0.28 0.32 0.36 0.4 0.44 0.48 0.52 Расход (кг/с)

Рис. 4.5 Изменения разницы температур в зависимости от расхода для определенного потока технической жидкости

Изменения разницы температуры технологической жидкости с её расходом показаны на график 4.5. Результаты получены при достижении технологической жидкостью температур 40, 45, 50, 55 и 60 °С соответственно.

Анализ этих кривых показывает, что увеличение расхода технологической жидкости влечёт за собой уменьшение разности температур технологической жидкости в теплообменнике. Эта тенденция показано на двух участках каждой кривой, в ламинарной и турбулентной зонах.

Из этих графиков становится понятно, что существует внезапное изменение в разнице температур технологической жидкости в точке изменения потока от ламинарного к турбулентному. Этот скачок разности температур в турбулентной зоне теоретически предсказуем, поскольку работоспособность теплообменника увеличивается.

Как видно из этих данных, уменьшение расхода рабочей жидкости приводит к увеличению разницы температур. Это легко объясняется уравнениями 4.1 и 4.2 для энергии тепловой нагрузки технологической жидкости в теплообменнике. Например, при температуре на выходе 50 °С, 0,28 кг/с технологической жидкости разница температур в теплообменнике составляет 3,25, 3 и 2,875 °С при расходах 0,194, 0,237 и 0,28 кг/с соответственно. Расхождение в значениях температур при увеличении расхода рабочей жидкости относительно 0,194 кг/с колеблется между 7,7 и 11,5% для расходов 0,237 и 0,28 кг/с соответственно.

Рис. 4.6 Изменение общего экспериментального коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода горячей и холодной воды

Данные рис. 4.6 показывает результаты экспериментального изменения общего коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода технологической жидкости с температурой 40, 45, 50, 55 и 60 °С на входе в трубу соответственно. Каждый из показателей содержит три кривые; каждая кривая соответствует результатам, полученным при заданном расходе рабочей жидкости.

Анализ этих кривых показывает, что увеличение расхода технологической жидкости приводит к увеличению общего коэффициента теплопередачи теплообменника, и это просматривается на двух участках каждой кривой, в ламинарной и турбулентной зонах.

Как показывают эти данные, увеличение расхода рабочей жидкости приводит к увеличению общего коэффициента теплопередачи при постоянной температуре горячей воды. Этот вывод согласуется с философией теплообмена в теплообменнике. Он означает, что тепловая нагрузка на теплообменник напрямую зависит от общего коэффициента теплопередачи при постоянной разности температур. Внезапные изменения в этих кривых обусловлены поворотным моментом от ламинарной к турбулентной зонам в потоке жидкости.

Несоответствие общего коэффициента теплопередачи между различными расходами рабочей жидкости для зоны ламинарности практически не заметно для всего диапазона температур на входе и в процессе расхода жидкости, что показали тесты, проведённые для данного исследования. Разница колеблется между 220,1 и

Л

693,5 Вт/(м .°К) для температур на входе 40 в 60 °С соответственно.

Рис. 4.7 Изменения перепада давления на стороне трубы в зависимости от

расхода технической жидкости

Рис. 4.8 Изменения перепада давления на стороне корпуса в зависимости от

расхода технической жидкости Изменение давления внутри трубы показано на графике 4.7. Кривая показывает, что усиление расхода технологической жидкости вызывает увеличение давления в теплообменнике. Показатели давления внутри трубы варьируются между 2000 и 3400 Па в течение всего процесса изменения расхода технологической жидкости.

График 4.8 показывает изменение давление рабочей жидкости на внешней стороне трубы т.е. в корпусе. Эти цифры показывают, что увеличение расхода рабочей жидкости приводит к увеличению давления в теплообменнике. Значение

давления внутри корпуса варьируется от 3000 до 4250 Па в течение всего процесса поступления рабочей жидкости.

Из данных, полученных экспериментальным путём, представленных в таблицах В.1, В.2, В.3, В.4 и В.5 в приложении В, можно увидеть, что значение перепада давления с двух сторон (в корпусе и трубе) может быть постоянным при указанных процессах изменения расхода, как технологической, так и рабочей жидкости.

4.8 Выводы по главе 4

1. Спроектирована экспериментальная испытательная установка которая состоит из модели кожухотрубчатого теплообменника, систем для циркуляции воды, насосов, панелей управления, и оборудована необходимыми измерительными приборами для получения экспериментальных данных.

2. Проведен анализ изменения процессов в системе кожухотрубчатого теплообменника который показал различные условия теплообмена в зоне ламинарного и турбулентного движения воды.

3. Нагрузка теплообменника варьируется в диапазоне между 2,146 кВт и 11,7 кВт,

Л

общий коэффициент теплопередачи варьируется между 220,1 Вт/(м2 К) и 693,5

Л

Вт/(м2 К) для всего диапазона температур и расходов рабочей жидкости на протяжении всего экспериментального исследования. Эти параметры возростают с увеличением расходов как технологической, так и рабочей жидкости.

4. На изменении параметров рост расходов рабочей жикости влияет в меньшей степени, чем рост расходов технологической жикости.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ТЕПЛООБМЕННИКОВ ВЫВОДЫ И

РЕКОММЕНДАЦИИ

5.1 Введение

В данной работе представлен материал, который может быть использована для проектирования систем солнечных коллекторов, передающих тепловую энергию теплообменникам. Для этого использовалась программа для прогнозирования ежечасной земной солнечной радиации на горизонтальных и наклонных поверхностях для получения максимального количества солнечного излучения в г. Мосул на протяжении всего года. Информация о полученном солнечном излучении на горизонтальных и наклонных поверхностях может быть достаточно полезной при тепловом анализе плоских солнечных коллекторов, что дает проектировщику возможности выбора его характеристик, таких как длина коллектора, ширина, площадь, количество коллекторов, количество стекол, внутренний и внешний диаметр труб, расстояние между трубами внутри коллектора, металл труб и т.д., все эти характеристики были представлены для трех типов расположения труб внутри коллектора. Программа использовалась для изучения теплового анализа теплообменников при условии, что жидкости остаются в одном состоянии. При создании системы теплообменников программа дает проектировщику возможности выбора ее характеристик и вариантов присоединения к системе солнечных коллекторов (через трубное пространство или межтрубное пространство), она также дает проектировщику гибкости выбора числа теплообменников, которые могут быть подключены, и внутренних характеристик каждого из теплообменников. Затем результаты, полученные из программы сравнивались, чтобы определить, какой из них лучший. Были получены следующие выводы:

1. Количество получаемого солнечного излучения на поверхность зависит от наклона поверхности. Для г. Мосул максимальное количество солнечного излучения, собранного коллектором за период с сентября по апрель, было

получено, когда угол наклона оставался практически постоянным на 75 °, в то время как соответствующие значения для периода с апреля по сентябрь менялись с 75° до 0° в июне и затем с 0° до 75° в сентябре.

2. Третий тип расположения труб внутри коллектора дает самые высокие значения эффективности коллектора на протяжении всего года по сравнению с первым и вторым типом расположения.

3. Увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению разности температур жидкости между входом и выходом коллектора, снижению тепловой нагрузки, передаваемой теплообменнику, и увеличению общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике.

4. Увеличение расхода в обоих пространствах теплообменника (межтрубном и трубном) приводит к увеличению падения давления в обои пространствах.

5. Увеличение расхода через коллекторы приводит к увеличению значения эффективности коллекторов.

6. Эффективность солнечных коллекторов варьируется между 29,4% и 83,68% для всего числа вариантов на протяжении года.

7. Увеличение числа теплообменников, которые присоединены к солнечным коллекторам, приводит к снижению нагрузки теплообменника, снижению общего коэффициента теплопередачи теплообменника, снижению падения давления в межтрубном пространстве теплообменника.

8. Увеличение расхода жидкости (рабочей жидкости) в трубном пространстве приводит к: увеличению нагрузки теплообменника, увеличению общего коэффициента теплопередачи, увеличению падения давления и снижению разницы температур.

9. Повышение температуры на входе в трубное пространство и расход жидкости в межтрубном пространстве приводит к увеличению разницы температур, увеличению нагрузки теплообменника, увеличению общего коэффициента теплопередачи.

10. Компьютерная программа, применявшаяся при проектировании, помогла сэкономить время и усилия, необходимые для процесса проектирования. Она дает возможность вносить повторяющиеся и свободные изменения при вводе исходных параметров, которые представляют собой изменения в проектирование, что помогает оптимизировать проект.

5.2 Разработка системы «солнечный коллектор - теплообменник» с изменяющимся расходом технического теплоносителя

Работа солнечного коллектора отличается от работы традиционных нагревательных систем. Традиционные системы отопления работают на условиях, которые определяет потребитель энергии, т.е. изменение нагрузки потребления происходит за счет увеличения или уменьшения расхода органического топлива, подаваемого для сжигания его в котлах. В системах солнечного отопления и горячего водоснабжения изменения нагрузки происходит только по «правилам» определяемым производителем, т.е. возможностями солнца обеспечивать необходимую энергию.

Традиционные циркуляционные контуры системы, объединяющие в себе солнечный коллектор и теплообменники, работают с циркуляционным насосом, который обеспечивает постоянство расхода теплоносителя в контуре. Работа такой схемы проанализирована в главе 3 (рис.3.4). Расход теплоносителя, проходящего через солнечные нагреватели, остается постоянным, а в процессе изменения солнечной активности изменяется температура рабочей среды в циркулирующем контуре «солнечные нагреватели - теплообменники». Таким образом, в теплообменнике в первой половине дня температура повышается, а во второй начинает снижаться, как показано для летнего режима на рис.5.1 (кривая 3).

т, 0с

50

£окр

Рис. 5.1 Изменение температуры теплоносителя с постоянным расходом в зависимости от активности солнечного излучения

1 - температура горячего водоснабжения; 2 - температура, создаваемая солнечным излучением; 3 - температура рабочей среды в теплообменнике без регулирования; 4 - температура рабочей среды в теплообменнике с регулированием; 5 - температура рабочей среды в теплообменнике с регулированием при изменяющемся расходе теплоносителя; 6 - реальная температура горячего водоснабжения.

График показывает, что температура в теплообменнике может падать до температуры окружающей среды. При наличие автоматического регулирования, нагрев рабочей среды (кривая 4) в теплообменнике начинает работать только в тот период, когда температура солнечного нагрева (кривая 2) становится выше необходимой температуры горячего водоснабжения, например, 60 °С (зависимость 1).

Как показано в главе 4 теплообменник при постоянном расходе теплоносителя может изменять нагрузку только за счет изменения температуры теплоносителя. Такой вариант производства энергии не всегда удовлетворяет потребителя. Для него важно иметь необходимую нагрузку и при определенной температуре. Поэтому в

3 1 X 2 У/ г \\ \\ \ > , 4

/Ь \

V \ ь м ч 1 1 1 \ 1ч 6 ! ; \ \ \ »

6 12 18 т, ч 24

дальнейшем рассмотрим систему солнечного обогрева, работающего при постоянной температуре с изменяющейся нагрузкой в соответствии с возможностями солнечной радиации.

Как только появляется возможность получать тепло за счет солнечного излучения (на рис.5.1 это происходит в 6 часов утра), температура теплоносителя в солнечном коллекторе поднимается до необходимого значения (60 °С) при практически нулевом его расходе (кривая 5). С увеличением температуры солнечного излучения расход теплоносителя в контуре «солнечный нагреватель -теплообменник» поднимается с учетом поддержания температуры горячего водоснабжения. Во второй половине дня расход начинает снижаться по мере уменьшения возможности солнечной радиации. Расход теплоносителя становится нулевым после захода солнца (примерно в 20.00). Таким образом, при переменном расходе теплоносителя солнечная радиация будет использоваться более эффективно, чем при постоянном расходе, когда регулирование температуры в теплообменнике происходит за счет под мешивания холодной воды на выходе из теплообменников горячего водоснабжения в контуре «солнечный нагреватель - теплообменник». Эффективность второго метода регулирования температуры горячего водоснабжения подчеркивается увеличением площади между осью абсцисс и кривой 5 (рис.5.1.) в сравнении с площадью между осью абсцисс и кривой 4.

Изменения расхода теплоносителя в схеме «солнечный нагреватель -теплообменник» можно добиваться несколькими способами:

- изменением числа оборотов двигателя циркуляционного насоса;

- изменением количества параллельно работающих теплообменников;

- комбинированным способом использования насоса с переменным числом оборотов и несколькими теплообменниками, подключенными в схему параллельно.

Рис. 5.2 Изменение нагрузкы солнечного коллектора с расходом для 24 коллекторов соединенных последовательно с теплообменниками системы

Изменение солнечной коллекторной нагрузки с изменяющимся расходом теплоносителя для 24 солнечных коллекторов, соединенных последовательно с системами теплообменников поясняется на рис. 5.2. На рисунке видно, что нагрузка солнечных коллекторов изменяется от 5,226 кВт до 17,329 кВт при использовании одного теплообменника. При этом расход теплоносителя солнечных коллекторов увеличивается от 0,222 до 0,884 кг/с. При использовании двух теплообменников нагрузка возрастает от 17,325 кВт до 26,0 кВт. Расход теплоносителя при этом увеличивается от 0,611 до 1,152 кг/с. При использовании трех теплообменников нагрузка возрастает от 26,0 кВт до 41,594 кВт. Расход теплоносителя изменяется от 0,916 до 1,95 кг/с.

Как видно из рисунка, интервал нагрузки от 11,97 кВт до 21,82 кВт может обеспечиваться двумя способами: работой одного теплообменника либо двух теплообменников со скачкообразным измением расхода теплоносителя. При

нагрузке 17,3229 кВт может использоваться один теплообменник с расходом 0,884 кг/с или два теплообменника с расходом 0,611 кг/с.

Как видно из рисунка, интервал нагрузки от 22,05 кВт до 29,99 кВт может обеспечиваться двумя способами: работой двух теплообменников либо трех теплообменников со скачкообразным измением расхода теплоносителя. При нагрузке 25,99 кВт может использоваться два теплообменника с расходом 1,152 кг/с или три теплообменника с расходом 0,916 кг/с.

5.3 Рекомендации для будущих работ

Для данного теоретического анализа и экспериментальной модели, созданной в этом исследовании, следующие замечания могут быть применены с некоторыми изменениями.

1. Может быть разработана компьютерная программа для включения других типов солнечных коллекторов, таких как вакуумированный трубчатый коллектор.

2. Может быть разработана компьютерная программа для включения других типов теплообменников, таких как теплообменники с воздушным охлаждением и теплообменник типа "труба в трубе"

3. Функционирование солнечного коллектора и теплообменника может быть изучено при помощи использования других жидкостей вместо тех, которые применялись в этом исследовании. Это позволит узнать, какой эффект на работу солнечного коллектора и теплообменника дает изменение свойств жидкостей.

4. Функционирование теплообменников может быть изучено при помощи использование других типов теплообменников, таких как теплообменник с воздушным охлаждением и теплообменник типа "труба в трубе".

5. Дополнительные термопары и манометры могут быть размещены для мониторинга температуры и давления на протяжении всего теплообменника в обоих его пространствах.

6. Функционирование солнечного коллектора и теплообменника может быть изучено для вариантов условий двухфазного течения, конденсации и выпаривания при использовании другого типа солнечных коллекторов, таких как вакуумированный трубчатый коллектор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа является новым этапом исследования, которая позволит разрабатывать эффективные энергоустановки для теплоснабжения потребителей, использующих солнечные нагреватели с учетом климатических условий республики Ирак. Эта работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции и теплотехника» Южно-Российского Государственного политехнического

университета (Новочеркасский Политехнический Институт). Основные выводы и результаты:

1. В ходе исследования были определены осреднённые суточные значения солнечного излучения на основе двадцатипятилетних наблюдений, попадающие на горизонтальную и наклонную поверхности в районе г. Мосул (республика Ирак) для каждого месяца года, рассчитанные на базе математической модели и компьютерной

программы, разработанной диссертантом для этой цели. Определено, что в полдень

2 2 можно получать до 950 Вт/м2 в июне и до 500 Вт/м2 в декабре общей солнечной