close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕЛИОУСТАНОВОК ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И СОЗДАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Гнатюк Илья Сергеевич
Повышение энергетической эффективности гелиоустановок
горячего водоснабжения и создание новой конструкции
солнечного коллектора
05.14.08 – энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Кубанский
государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО КубГАУ).
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Бутузов Виталий Анатольевич
Официальные оппоненты: Тягунов Михаил Георгиевич, доктор технических
наук, профессор, профессор кафедры
«Гидроэнергетика и возобновляемые источники
энергии» Национального исследовательского
университета «МЭИ» (ФГБОУ ВО «НИУ
«МЭИ»);
Трушевский Станислав Николаевич, кандидат
технических наук, ведущий научный сотрудник
ВИЭСХ.
Ведущая организация:
ФГАБОУ ВО «Санкт-Петербургский
политехнический университет Петра Великого»
Защита состоится «20» сентября 2016г. в 12 часов на заседании
диссертационного совета Д 006.037.01 в федеральном государственном
бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский
институт электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ ВИЭСХ) по адресу:
109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2. Телефон (499) 171-19-20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБНУ
ВИЭСХ (http://viesh.ru)
Автореферат разослан «___» ________ 2016г
Ученый секретарь
диссертационного совета
Некрасов Алексей Иосифович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. В современной мировой энергетике
из четырех наиболее масштабно применяемых технологий использования
возобновляемых источников энергии (ВИЭ): солнечного теплоснабжения,
ветроэнергетики, фотоэлектрических станций, геотермальных станций на
первом месте ветроэнергетика, на втором – солнечное теплоснабжение. В
настоящее время в мире работают 535 млн. м² гелиоустановок общей
тепловой мощностью 374 ГВт. В России общая площадь таких установок
составляет 12,541 тыс. м². Причинами являются: отсутствие федерального
закона об использовании ВИЭ, государственной политики, доступного по
цене оборудования. Потенциальный российский рынок гелиоустановок
оценивается в 2090 тыс. м², в том числе гостиницы и санатории – 1070 тыс.
м², комбинированные гелиоустановки (отопление и горячее водоснабжение)
– 540 тыс. м², солнечно-топливные котельные – 450 тыс. м². Основными
причинами низких темпов внедрения гелиоустановок является высокая
стоимость основного оборудования – солнечных коллекторов, а также
отсутствие надежных и простых технических решений гелиоустановок.
Анализ эксплуатации гелиоустановок в России показал, что для
снижения их стоимости наибольшие перспективы имеют самодренируемые
гелиоустановки, эффективность работы которых сочетается с надежностью и
экономичностью. Перспективы развития российского рынка показывают
востребованность сооружения гелиоустановок большой мощности, работа
которых полностью автоматизирована и дублируется традиционными
энергоисточниками.
Из всех применяемых конструкций солнечных коллекторов в мире
преобладает вакуумные коллекторы – 62,3%. В то же время в Европе,
наиболее близкой по условиям солнечной радиации и климатическим
условиям к России, в основном применяются плоские солнечные коллекторы
(87%). В России в настоящее время имеется только один производитель
солнечных коллекторов, поэтому актуальна задача создания эффективной и
недорогой отечественной конструкции плоского солнечного коллектора.
Степень разработанности темы исследований:
Проблемам повышения эффективности самодренируемых систем
(СДС) посвящены труды авторов Амерханова Р.А., Ботпаева Р.М. Бутузова,
В.А. и др. В своих трудах авторами выполнен анализ конструкций СДС,
применяемых и перспективных принципиальных схем, обзор проблем,
3
возникающих при эксплуатации. Однако, для СДС, имеющих большой
перепад отметок насосов и солнечных коллекторов существует проблема
гидроударов при останове циркуляции, решение которой в трудах этих
ученых не рассматривается.
Основоположники мировой гелиотехники Дж. Даффи и У. Бекман в своих
работах изложили основные принципы разработки солнечных коллекторов и
гелиоустановок, которые актуальны и в настоящее время. В России научные
основы проектных решений для гелиоустановок разработаны Б.В.
Тарнижевским, а также П.П. Безруких. Их работы содержат
фундаментальные основы сооружения гелиоустановок и комбинированных
солнечных систем небольшой мощности, однако разработка и испытания
гелиоустановок площадью гелиополя более 100 м² работающих с
дублирующей теплосетью в реверсивном режиме в трудах данных ученых не
рассматривается.
Теоретическими вопросами конструирования солнечных коллекторов
занимались Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского и
Всероссийский научно-исследовательский институт
электрификации
сельского хозяйства под руководством Д.С. Стребкова, в Краснодарском крае
этим вопросом занимается Бутузов В.А. Под его руководством созданы
конструкции плоских солнечных коллекторов, успешно выпускавшиеся
многие годы на Ковровском механическом заводе, на базе которой
разработано и построено более 100 гелиоустановок общей площадью 7000 м².
Установлено, что недостаточно полно исследованы вопросы повышения
эффективности солнечных коллекторов за счет интенсификации теплообмена
в гидравлических каналах абсорбера, поэтому задача создания современной
энергоэффективной конструкции солнечного коллектора весьма актуальна.
Целью работы является повышение энергетической эффективности с
разработкой технических решений и методов создания самодренируемых
гелиоустановок и автоматизированных систем солнечного теплоснабжения
большой мощности, а также новой конструкции солнечного коллектора.
Задачи исследования:
1. Разработать основные требования к характеристикам оборудования,
схемным решениям и алгоритмам автоматизации самодренируемых
систем солнечного теплоснабжения большой мощности.
2. Разработать и исследовать автоматизированную самодренируемую
систему солнечного теплоснабжения большой мощности с перепадом
отметок установки солнечных коллекторов и баков-аккумуляторов
свыше 30м.
4
3. Исследовать автоматизированную гелиоустановку мощностью 480 кВт
(600 м²), позволяющую сбрасывать избыток тепловой мощности в
тепловую сеть дублирующей котельной.
4. Разработать методы создания автоматизированных гелиоустановок
большой мощности с дублирующим энергоисточником с обеспечением
работы в реверсивном режиме.
5. Определить зависимость эффективности плоского солнечного
коллектора от геометрических параметров абсорбера при турбулизации
потока теплоносителя.
6. Разработать и исследовать характеристики опытного образца плоского
солнечного коллектора с турбулизацией потока теплоносителя.
7. Разработать и изготовить стенд для сравнительных испытаний новой и
сертифицированной конструкций солнечных коллекторов.
Научная новизна:
- данные о протекании режимов работы самодренируемых гелиоустановок,
методические
рекомендации
для
определения
характеристик
самодренируемых солнечных систем теплоснабжения большой мощности с
перепадом отметок насосов и солнечных коллекторов до 36 м;
- новые результаты о режимах преобразования и аккумулирования тепловой
энергии гелиоустановками, на основании которых разработаны
рекомендации по автоматизации систем солнечного теплоснабжения
большой мощности;
- новый подход к организации работы автоматизированной гелиоустановки в
реверсивном режиме с передачей пиковой избыточной тепловой мощности в
тепловую сеть дублирующей котельной;
- методические рекомендации по расчету плоских солнечных коллекторов,
особенностью которых является турбулизация потока теплоносителя в
каналах абсорбера.
Достоверность
результатов
исследования
подтверждена
соответствием результатов расчетов по предложенным автором методикам с
данными
испытаний
гелиоустановок
в
Краснодарском
крае,
положительными результатами применения на практике предложенных
автором рекомендаций и методов повышения эффективности солнечных
коллекторов и гелиоустановок.
5
Положения, выносимые на защиту:
1. Использование предложенных методических рекомендаций по
определению
характеристик
оборудования
самодренируемых
гелиоустановок позволяет снизить потребление электроэнергии на
30% и обеспечить защиту оборудования от гидроударов;
2. Рекомендации
и
технические
решения
по
автоматизации
гелиоустановок большой мощности дают возможность выбирать
оптимальные режимы, позволяющие повысить эффективность системы
на 10% за счет работы в реверсивном режиме с передачей пиковой
избыточной тепловой мощности в тепловую сеть дублирующей
котельной;
3. Использование солнечного коллектора разработанной конструкции с
турбулизацией потока теплоносителя в абсорбере обеспечивает
повышение эффективности теплообмена на 10%.
Практическая ценность исследования состоит в разработке научно
обоснованных
практических
рекомендаций,
предназначенных
для
конструирования солнечных коллекторов, проектирования гелиоустановок,
позволяющие повысить их эффективность, а также конкурентоспособность
традиционным системам теплоснабжения. Результаты диссертационного
исследования использованы при разработке и создании новой конструкции
солнечного коллектора,
проектировании трех гелиоустановок в
Краснодарском крае.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации были
международных и российских конференциях:
представлены
на
10-ти
Шестая молодежная Всероссийская школа МГУ (Москва, 2008г.); Седьмая
международная научно-техническая конференция ВИЭСХ (Москва, 2010г.);
Девятая
Международная
научно-техническая
конференция
«Энергосбережение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (Москва,
2014г.); Международная конференция «Промышленные и инженерные
технологии»
Южно-Казахстанского
государственного
университета
(Казахстан, Шымкент 2014г.); Всероссийская научная конференция и XI
научная молодежная школа с международным участием «Возобновляемые
источники энергии» МГУ (Москва, 2014г.), 9 Международная научнотехническая конференция «Энергосбережение и энергообеспечение в
сельском хозяйстве» (Москва, 2014г.), III Международная конференция
6
«Возобновляемая энергия: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2014г.); 5
Международная конференция «Инновации в сельском хозяйстве» (Москва,
2014г.); XI Международная конференция «Возобновляемая и малая
энергетика – 2014» (Москва, 2014г.), 10 Международная научно-техническая
конференция «Энергосбережение и Энергообеспечение в сельском
хозяйстве» ВИЭСХ (Москва, 2016г.).
По теме диссертации автором опубликовано 30 статей, в том числе 16
статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения, списка литературы из 88 источников и
приложений. Работа изложена на 106 страницах, содержит 69 рисунков и 17
таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и
основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость
полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на
защиту.
В первой главе «Текущее состояние и тенденции развития
оборудования солнечных систем теплоснабжения» рассмотрены вопросы
совершенствования конструкций солнечных коллекторов (СК), создания
самодренируемых гелиоустановок и солнечных систем теплоснабжения
большой мощности.
Большинство установленных в России СК – импортные. В настоящее
время они практически недоступны по цене для российских потребителей.
Единственный российский производитель СК – НПО Машиностроения (г.
Реутов, Московская обл.) имеет в своей конструкции значительную долю
импортных комплектующих, что значительно повышает стоимость
оборудования. Установлена необходимость разработки методики расчета
характеристик солнечных коллекторов, позволяющая создать новую
конструкцию с турбулизацией потока теплоносителя в каналах абсорбера.
Необходимо также разработать новую конструкцию стенда для его
испытаний с учетом технологических особенностей российской
промышленности.
Мировой опыт свидетельствует о перспективности развития
самодренируемых гелиоустановок. Сокращение их удельной стоимости
7
объясняется низким давлением в гелиоконтуре, возможностью работы без
дорогостоящего незамерзающего теплоносителя. Такие гелиоустановки
надежны в эксплуатации и имеют большой потенциал развития.
Установлено, что для этих систем солнечного теплоснабжения большой
мощности отсутствуют методики и рекомендации для подбора оборудования,
создания систем автоматизации. Требуется разработка гидравлических
режимов их эксплуатации для зданий повышенной этажности.
Анализ литературы показал, что при сооружении систем
теплоснабжения большой мощности существенно сокращаются удельные
стоимости и удельные эксплуатационные затраты. Установлено, что такие
системы работают с дублирующими энергоисточниками, автоматизация
управления такими системами методически не проработана. При этом
избыточная тепловая мощность гелиоустановки должна быть автоматически
передана дублирующему традиционному энергоисточнику.
На основании анализа литературы сформулированы цель и основные
задачи исследований.
Во второй главе «Исследование самодренируемых гелиоустановок»
представлены результаты разработки и испытания системы теплоснабжения
площадью гелиополя 178 м². На рисунке 1 приведены режимы работы
самодренируемой гелиоустановки в двух основных режимах, а на рисунке 2
графики измерения давлений и расходов теплоносителя.
а)
б)
Рисунок 1 – Режимы работы самодренируемых гелиоустановок
1 – солнечные коллекторы; 2 – измеритель давления и разряжения; 3 – расходомер;
4 – бак-аккумулятор; 5 – манометр; 6 – насосы.
а) расчетный режим; б) остановка.
8
Рисунок 2 – Графики изменения давлений и расходов теплоносителя при испытании СДС
А-В – предпусковой режим; В-С – включение насоса и заполнение солнечных
коллекторов с вытеснением воздуха; С-D – расчетный режим циркуляции гелиоконтура;
Установлены основные принципы создания самодренируемых
установок: применение регистровых конструкций солнечных коллекторов,
отказ от установки обратных клапанов, обеспечение избыточного давления в
верхних точках СК для предотвращения закипания теплоносителя.
На основании результатов исследований с участием автора
разработана, построена самодренируемая гелиоустановка площадью
гелиополя 178 м² в г. Краснодаре. На рисунке 3 представлена схема данной
гелиоустановки. Автором разработана схема автоматизации гелиоустановки,
обеспечивающая, в том числе для исключения гидроударов, запуск в работу
и останов с помощью специального клапана. При
испытаниях
и
эксплуатации подтвердились основные расчетные характеристики
гелиоустановки. На рисунках 4, 5 представлены графики изменения давления
теплоносителя обычной и модернизированной СДС во всех режимах работы.
9
1
4
5
7
2
6
3
Рисунок 3 – Схема гелиоустановки
1 – солнечные коллекторы; 2 – баки-аккумуляторы; 3 – насосы гелиоконтура; 4 – клапан с
электроприводом; 5 – контроллер управления насосами гелиоконтура; 6 – насосы ГВС;
7 – теплосчетчик.
Рисунок 4 – График изменения
давлений СДС
Рисунок 5 – График изменения
давлений модернизированной СДС
А-В – предпусковой режим; В-С – включение насоса и заполнение солнечных
коллекторов с вытеснением воздуха; С-D – расчетный режим циркуляции гелиоконтура;
D-A – остановка насоса.
10
На рисунке 6 представлен график окупаемости затрат на внедрение
разработанной системы автоматизации пусков циркуляции гелиоконтура за
счет экономии электрической энергии на привод насосов.
Рисунок 6 – График окупаемости капитальных затрат на модернизацию СДС
В
третьей
главе
«Исследование
экспериментальной
системы
теплоснабжения
большой
мощности»
представлены
результаты
исследования работы гелиоустановки в автоматизированном режиме.
Гелиоустановка площадью гелиополя 600 м² разработана и построена с
участием автора в г. Усть-Лабинске Краснодарского края. На рисунке 7
представлено гелиополе, в таблице 1 – основные расчетные характеристики.
Рисунок 7 – Гелиоустановка больничного комплекса в г. Усть-Лабинске
11
Таблица 1
Основные расчетные характеристики гелиоустановки
Наименование показателя
Значение
Ед. изм.
2
Площадь гелиоустановки
600
м
Расчетная тепловая мощность
340
кВт
3
Расчетная производительность (летний период)
50
м /сут.
Годовое количество выработанной тепловой энергии МВт·ч
500
Количество коллекторов
300
шт.
Режим работы
круглогодичный
0
Расчетная температура ГВС
60
С
Схема исследований данной гелиоустановки приведена на рисунке 8.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием
штатного контроллера немецкой фирмы Resol, комплекта термодатчиков Pt100 в составе узла учета тепловой энергии на основе тепловычислителя
ВКТ-7-03, электромагнитных расходомеров ПРЭМ, тахометрических
расходомеров типа ВСТ, комплекта измерителя-регулятора АРТ,
Рисунок 8 – Схема исследований гелиоустановки
1 – солнечные коллекторы; 2 – теплообменник гелиоконтура; 3 – бак аккумулятор;
4 – вычислитель количества теплоты ВКТ-7; 5 – теплообменник «разгрузки» бака;
6 – теплообменник догрева; 7 – затвор с электроприводом; 8 – измеритель-регулятор АРТ;
9 – насосы ГВС; 10 – насосы контура «разгрузки» бака; 11 – контроллер Resol DeltaSol M;
12 – насосы контура «загрузки» бака; 13 - насосы гелиоконтура; 14 – датчик солнечной
радиации.
12
переносного измерителя солнечной радиации MAC Solar SLMO 18c3,
штатных показывающих манометров и термометров, переносного
расходомера АКРОН, переносного контактного термометра.
Контроллер Resol DeltaSol M имеет 15входов датчиков температуры, 2
входа датчиков расхода, вход датчика солнечной радиации и интерфейсы RS232 и VBus®. В результате испытаний 2013-2014 гг. получены достоверные
результаты работы гелиоустановки. Архив данных получен с промежутком в
5 минут. Представленные часовые значения являются средними из 12
значений для каждого часа. Выработка тепловой энергии рассчитана на
основе показаний датчиков температур в подающем и обратном
трубопроводе гелиоконтура и значений объемного расхода теплоносителя в
данном контуре.
Тепловая мощность, кВт
На рисунке 9 приведен график изменения тепловой мощности при
полном обеспечении потребностей объекта в горячей воде и сбросе
избыточной тепловой энергии из гелиоустановки в тепловые сети
дублирующего энергоисточника.
20.06.2014г.
140
120
ГУ
100
ГВС
80
ТС
60
40
20
0
-20
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Время, ч
-40
-60
Рисунок 9 – График тепловой мощности гелиоустановки 20.06.2014г.
На рисунке 10 представлены графики измерения температур
теплоносителя в солнечных коллекторах, в верхней точке бака-аккумулятора,
а также солнечной радиации при штатном режиме работы.
13
90,0
80,0
70,0
60,0
20.06.2014г.
1200,0
Температура, °С
100,0
1000,0
800,0
50,0
600,0
40,0
400,0
30,0
Т коллек.
20,0
Т верх бак
10,0
Солнечная радиация, Вт·ч/м²
Для обеспечения сброса избыточной тепловой энергии из
гелиоустановки к дублирующему энергоисточнику автором разработана
схема автоматизации, представленная на рисунке 11.
200,0
Солн. Рад
Время, ч
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0,0
0:00
0,0
Рисунок 10 – График температур и солнечной радиации 20.06.2014г.
Рисунок 111 – Принципиальная схема управления подогревателя ГВС гелиоустановки в
реверсивном режиме
1 – контроллер АРТ-01; 2 – контроллер Resol DeltaSol M; 3 – клапан регулирующий с
электроприводом; 4 – теплообменник; 5 – термопреобразователь.
14
В четвертой главе «Исследования плоских солнечных коллекторов»
представлены методика расчета коллекторов, теплообмена в каналах
абсорбера, результаты разработки и испытания конструкции солнечного
коллектора. На рисунке 12 представлена схема энергетических потоков
элементов солнечного коллектора.
Рисунок 12 – Схема энергетических потоков светопрозрачного ограждения, абсорбера и
корпуса плоского СК
1 – светопрозрачное ограждение; 2 – теплоизоляция боковых стенок; 3 – абсорбер;
4 – теплоизоляция дна корпуса;
qпад - падающая на светопрозрачное ограждение солнечная радиация; qпрош солнечная радиация, прошедшая через светопрозрачное ограждение; qпот - потери
солнечной радиации при прохождении через светопрозрачное ограждение; qпот - потери
пп
солнечной радиации вследствие затенения боковыми стенками; qпотп - потери солнечной
радиации при прохождении через слой пыли и грязи на стекле; qпоглр - солнечная
радиация, поглощенная абсорбером; qотр р - солнечная радиация отраженная абсорбером;
qтп - потери тепловой энергии в окружающую среду; qнагр - тепловая энергия на нагрев
коллектора; qпол - полезная тепловая энергия, отводимая от коллектора.
Коэффициент теплопередачи светопрозрачного покрытия коллекторов
определяется по формуле:
1
n 
n


1
1
1
с
 ,

 1 

 к










i

1
i

2
л р  св
с1
к с i 1  c i
лс i 1  C i
ксн 0
лс н  0 
 р  св
Кс р  о
где:  к
р св
,  кс 1 ci ,  кс
н
i
0
(1)
- коэффициенты конвективной теплоотдачи между
абсорбером и светопрозрачным покрытием, между слоями светопрозрачного
покрытия, между светопрозрачным покрытием и окружающей средой
соответственно;  л ,  л C ,  л 0 - коэффициенты лучистой теплоотдачи
р св
между
абсорбером
сi 1
и
i
сн
светопрозрачным
15
покрытием,
между
слоями
светопрозрачного покрытия, между светопрозрачным покрытием и
окружающей средой соответственно;  с - толщина слоя стекла; с 1
1
коэффициент теплопроводности слоя стекла; n – число слоёв прозрачной
изоляции, нумерация слоёв начинается со стороны абсорбера.
Коэффициент теплопередачи дна корпуса коллектора определяется из
выражения:
К д ро
где:

n δ
n
из
1
1
1

  дi  

 αк  α л
α к дн о  α лдн  0
i 1 λ изд
i 2 α к д  д  α лд  д
рд
i
i 1 i
i 1 ш
 рдв
α к рд , α к д
в
i1дi
, α к д о
н




1
,
(2)
- коэффициенты конвективной теплоотдачи между
абсорбером и дном коллектора, между слоями изоляции дна коллектора,
между дном коллектора и окружающей средой соответственно; α л , α л
,
рд
α лд
н 0
-
дi 1дш
коэффициенты лучистой теплоотдачи между абсорбером и дном
коллектора, между слоями изоляции дна коллектора, между дном коллектора
и окружающей средой соответственно; δ из - толщина слоя изоляции дна
дi
коллектора; λ из - коэффициент теплопроводности слоя изоляции дна
дi
коллектора; n – число слоёв изоляции, включая дно коллектора, нумерация
слоёв начинается со стороны абсорбера.
Коэффициент теплопередачи боковых стенок коллектора определяется
по аналогичной формуле:
К бр о
n

 из
1
1
1

  бi  

 α к б  α л
λ избi i 2 α кбш 1 бi  α лбi 1 бi α кбн о  α лбн о
р бв
 р в
Тепловая
мощность
определяется по формуле:
qпол.l ,тп  qпол.l ,лп  qпол.l ,тк
где:
qпол.l ,лп
и
qпол.l ,тк
лучепоглощающей




1

К прр о
1


 2А 
тз
b1   лтз
 ЛП ЛП
 тз

пластины




1
абсорбера




   н  qпогл. р  К прр о (tн  t о ) ,





(3)

(4)
- количество теплоты теплоты, передаваемой от
элементов фиксации лучепоглощающей пластины (через тепловой зазор) и
16
поглощаемой (непосредственно) поверхностью теплоотводящего канала
соответственно; 2Алп – ширина лучепоглощающей пластины;  ЛП - КПД
лучепоглощающей пластины абсорбера; К пр
р о
- коэффициент теплопередачи
от пластины к жидкости; тз - коэффициент теплопроводности материала
соединения пластины и трубы;  тз - толщина материала соединения пластины
и трубы; b1 - периметр поперечного сечения места контакта листа и трубки
абсорбера; qпогл. р - тепловая энергия, поглощающаяся пластиной абсорбера;
К прро
- коэффициент теплопередачи от пластины к жидкости;
t н
-
температура наружной стенки трубы; t о - температура жидкости.
Для сварного соединения листотрубного абсорбера КПД определяется
по формуле:
1
 тп 
К прр о




К прр о


1


2 АЛП ЛП тз


b1   лтз b2
 тз
1
1


(2 Алп  d н )


  к  f b4 



в




К прр о

1




 K пр
 1  d н  2 А   

р о


тз
ЛП ЛП
b1   лтз b2 





 тз




(5)
При исследовании интенсификации теплообмена в абсорберах при
переходе скоростей потока от Re=2300 (ламинарный режим) к Re>10 000
(турбулентный режим) в пристенных слоях труб создается дополнительная
турбулизация потока. На рисунке 13 приведен разрез трубы с накаткой.
Рисунок 13 – Продольный разрез трубы с накаткой.
На рисунке 14 представлена зависимость критерия Re
относительного гидравлического сопротивления в накатанных трубах.
17
от
Рисунок 14 – Зависимость относительного гидравлического сопротивления от Re в
накатанных трубах.
1 - d/D=0,983; 2 – 0,965; 3 – 0,943; 4 – 0,92; 5 – 0,875
При соотношении диаметров d/D=0,88-0,98 и t/D=0,5 отношение
коэффициентов гидравлического сопротивления определяется формулой:
ζ 
lgRe  4,6 
 1 
 1,3 
ξ о  3,4Re/10 5  6 
 
d
d

 0,93 exp 20,9(1  )1,05

D
D

 
(6)
На основании результатов исследований разработана и изготовлена
конструкция плоского солнечного коллектора. Коллектор состоит из
листотрубного медного абсорбера, штампованного корпуса, в котором
уложена теплоизоляция, стекла и вспомогательных узлов. На рисунке 15
представлен абсорбер, на трубках которого накатаны с определенным шагом
канавки. Для исследований солнечного коллектора разработана конструкция
испытательного стенда. Измерительный комплекс включает в себя: раму для
крепления коллекторов на основе конструкции опорно-поворотного
устройства ОПУ2000-02АУМ ОАО "АлМет" и приборный комплекс в
составе средств измерения расходов (ВСТ-15), температуры, давления
(ОВЕН ПД-200) теплоносителя, скорости ветра (термоанемометр ТТМ-2-062А), интенсивности солнечной радиации (пиранометр Solarc, Macsolar),
вычислителя количества теплоты (ВКТ-5), электрокотла мощностью 3 кВт
("Очаг-турбо"), автотрансформатора (TDGC2-4) для плавного регулирования
мощности электрокотла, комплекса пускорегулирующих и защитных
аппаратов. Отличительной особенностью данного стенда является
поворотная опора для размещения солнечного коллектора. На рисунке 16
приведена принципиальная схема испытательного стенда.
18
Рисунок 15 – Абсорбер с выступами-турулизаторами
20схема испытательного стенда
Рисунок 16 – Принципиальная
При испытаниях в натурных условиях разработанной конструкции СК
на рисунке 17 представлены результаты измерений температуры воды в
коллекторе, температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации.
Т, °С
q, Вт/м²
60
700
1
50
4
40
600
2
500
400
3
30
300
20
200
10
100
0
0
4
8
12
Время, ч
16
20
Рисунок 17 – Температура воды в коллекторе, температура воздуха и интенсивность
радиации в течение светлого времени суток: 1, 2 – температуры воды на выходе и входе
коллектора; 3 – температура окружающего воздуха; 4 – интенсивность солнечной
радиации.
На рисунке 18 представлено сопоставление энергетической
эффективности СК конструкции автора со стандартным по ГОСТ Р 515952000.
КПД
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
2
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
Т*
Рисунок 18 – Сравнение уровня эффективности коллектора автора со стандартным
коллектором в зависимости от приведенной температуры
.
1 – солнечный коллектор новой конструкции; 2 – стандартный солнечный коллектор.
Натурные испытания новой конструкции солнечного коллектора
показали повышение эффективности опытного образца в сравнении с
аналогом со стандартным абсорбером.
ВЫВОДЫ:
1. Определены основные требования к характеристикам, схемным
решениям, режимам работы и алгоритмам автоматизации
самодренируемых систем солнечного теплоснабжения большой
мощности с перепадом отметок насосов и солнечных коллекторов 36 м,
позволяющие снизить потребление электроэнергии на привод насосов
на 30% и обеспечить защиту оборудования от гидроударов.
2. Разработана и исследована автоматизированная самодренируемая
система теплоснабжения мощностью 143 кВт (178м²) с перепадом
отметок насосов и баков-аккумуляторов 36м, стоимость сооружения
которой на 20% ниже традиционной двухконтурной гелиоустановки.
3. Исследована автоматизированная двухконтурная гелиоустановка
мощностью 480 кВт (600 м²), получены новые результаты о режимах
преобразования и аккумулирования тепловой энергии в каждом
контуре, в том числе в реверсивном режиме со сбросом избыточного
тепла гелиоустановки в тепловую сеть дублирующей котельной.
4. Предложены методические подходы, рекомендации и технические
решения по созданию автоматизированных гелиоустановок большой
мощности с дублирующим энергоисточником, работа которых в
реверсивном режиме обеспечивает повышение эффективности
солнечной системы теплоснабжения на 10%.
5. Определены зависимости эффективности плоского солнечного
коллектора от геометрических параметров абсорбера при турбулизации
потока теплоносителя, предложены методические рекомендации по
расчету опытного экземпляра солнечного коллектора, позволяющие
повысить его эффективность на 10%.
6. Исследованы характеристики опытного экземпляра плоского
солнечного коллектора новой конструкции с турбулизацией потока
теплоносителя.
7. Разработан и использован при исследованиях опытного образца
солнечного коллектора стенд для сравнительных испытаний солнечных
коллекторов в натурных условиях и с имитатором солнечной радиации.
22
Основные публикации по теме диссертационной работы:
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:
1. Гнатюк И.С. Солнечные коллекторы. Тенденции совершенствования /
И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов, В.Х. Шетов, В.В. Бутузов, Е.В. Брянцева, //
Альтернативная энергетика и экология. – 2009. – №10. – С. 41-51.
2. Гнатюк И.С. Автоматизация солнечных тепловых установок /
И.С.Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов //
Альтернативная энергетика и экология. – 2009 – №12. – С. 15-18.
3. Гнатюк И.С. Вакуумные трубчатые коллекторы. Мировые
производители и перспективы производства в России / И.С.Гнатюк,
В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов // Альтернативная
энергетика и экология. – 2010. – №5. – С. 47-54.
4. Гнатюк И.С. Самодренируемые гелиоустановки / И.С. Гнатюк, В.А.
Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В.Бутузов // Альтернативная энергетика и
экология. – 2010. – №2. – С. 10-13.
5. Гнатюк И.С. Самодренируемые гелиоустановки: безопасность и
надежность / И.С.Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов //
Промышленная энергетика. – 2011 – №2. – С. 44-48.
6. Гнатюк И.С. Технологии, оборудование и материалы солнечных
коллекторов / И.С.Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов //
Альтернативная энергетика и экология. – 2011 – №7. – С. 54-58.
7. Гнатюк И.С. Гелиоустановки отелей: мировой опыт разработки и
сооружения / И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов, //
Альтернативная энергетика и экология. – 2014. – №12. – С. 112-117.
8. Гнатюк И.С. Тенденции мирового и российского рынка гелиоустановок
/ И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов, //
Альтернативная энергетика и экология. – 2016. – №5-6. – С. 14-20.
Публикации в других изданиях:
1. Гнатюк И.С. Исследования, разработка и испытания гелиоустановок /
И.С.Гнатюк, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов // Сборник трудов МГУ.
Часть 1. Возобновляемые источники энергии. Материалы шестой
Всероссийской научной молодежной школы (25-27 ноября 2008). – М.
– 2008. С. – 17-20.
2. Гнатюк И.С. Исследования энергетического потенциала солнечной
радиации и экономических перспектив применения гелиоустановок в
южных и северных районах России / И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов, Р.А.
Амерханов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов, // Сборник МГУ. Часть1.
23
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Возобновляемые источники энергии. Материал шестой Всероссийской
научной молодежной школы. – 25-27 ноября 2008. – С. 20-27.
Гнатюк И.С. Опыт проектирования и строительства гелиоустановок
для горячего водоснабжения районной больницы / И.С.Гнатюк, В.А.
Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов // Новости теплоснабжения. –
2012г – №2. – С. 27-30.
Гнатюк И.С. Проектирование и строительство гелиоустановок большой
мощности / И.С.Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов //
Энергосбережение. – 2012 – №3. – С. 69-73.
Гнатюк И.С. Гелиоустановки: основные факторы экономической
окупаемости /И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов //
Промышленная энергетика. – 2013. – №5. – С. 55-57.
Гнатюк И.С. Исследование конструкций плоских солнечных
коллекторов / И.С. Гнатюк, В.А. Бутузов// 9 Международная научнотехническая конференция «Энергосбережение и энергообеспечение в
сельском хозяйстве». – М. – 21-22 мая 2014.
Гнатюк И.С. Теоретические и экспериментальные исследования
гелиоустановок большой производительности / И.С. Гнатюк, В.А.
Бутузов//
Материалы
III
Международной
конференции
«Возобновляемая энергия: проблемы и перспективы». Вып. 4. –
Махачкала. – 6 октября 2014г. – С. 202-208.
Гнатюк И.С. Развитие конструкций самодренируемых гелиоустановок /
И.С. Гнатюк // Сборник трудов 5 Международной конференции
молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» –
М. – 16-17 декабря 2014г.
Гнатюк И.С. Разработка и экспериментальные исследования работы
гелиоустановки большой мощности с тепловой сетью в реверсивном
режиме /И.С.Гнатюк, В.А. Бутузов, // Материалы Всероссийской
научной конференции и XI научной школы (11-14 ноября 2014 г.). –
М.: Университетская книга, – 2014. – С. 111-116.
Подписано в печать « »_______2016г.
Формат 60х84 1/16
Бумага офсетная
Офисная печать
Печ. Л.1
Заказ № ____
Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии КубГАУ
350044, г. Краснодар, ул. Калинина, 13
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа