Гелиоколлекторная установка на основе полимерных материалов

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ»

ГЕЛІОКОЛЛЕКТОРНА УСТАНОВКА НА ОСНОВІ ПОЛІМЕРНИХ

МАТЕРІАЛІВ

Пояснювальна записка до дипломного проекту на здобуття освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

за фахом 6.90 504 «Нетрадиційні джерела енергії»

Виконавець ст. гр. Чуйко Є.В.

Керівник Шепетов Ю. О Харків 2009

Техническое задание

В конструкторской части данного дипломного проекта требуется спроектировать солнечный тепловой коллектор сезонного (с 15 мая по 15 октября) основного теплоснабжения дома отдыха. Система теплоснабжения должна удовлетворять следующим техническим требованиям:

1. суточный расход воды 600 литров;

2. размещение на здании, частично ориентируемая.

Район эксплуатации — 44 с.ш. в условиях ЮБК.

Обслуживание — сезонное.

Реферат

Страниц 81, рисунков 20, таблиц 5, источников 10.

Объект работы — система плоских гелиоколлекторов.

Цель работы — спроектировать систему горячего водоснабжения наземного объекта на базе солнечного коллектора.

Разработана функциональная схема СТК. Рассчитан энергоприход солнечной радиации на наклонную поверхность по месяцам года и проанализировано суточное потребление горячей воды. Произведен оптимизированный расчет площади СТК, а также спроектирован базовый модуль установки. Определены основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики и показатели. Обоснована целесообразность использования солнечной водонагревательной установки с экономической точки зрения.

Работа может быть использована в учебном процессе.

СОЛНЕЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ КОЛЛЕКТОР, БАК-АККУМУЛЯТОР, ЭНЕРГОПРИХОД, ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ.

В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется особое внимание. Эти источники энергии рассматриваются как существенное дополнение к традиционным. Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Использование возобновляемых видов энергии, в частности энергии солнца и ветра, приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозам, эта доля к 2010;2015 гг. во многих государствах достигнет 10% и более.

Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:

o Солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости.

o Солнечная энергия — это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду.

o Солнечная энергия — это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

Основными направлениями использования солнечной энергии считаются:

o прямое превращение солнечной энергии в электрическую энергию;

o получение тепла путем абсорбции солнечного излучения.

Солнечная энергия (см. табл. 1) используется в основном для производства низко потенциального тепла, коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения.

В районах с годовым приходом солнечной радиации не менее 1000 кВт•ч/м² при эффективном использовании этого вида энергии можно будет обеспечить до 50% теплопотребления в системах горячего водоснабжения. Благодаря этому снизится расход органического топлива и загрязнение воздушного бассейна вредными газовыми выбросами, содержащими оксиды азота и серы. В удаленных от источников энергоснабжения районах использование солнечной энергии (наряду с энергией ветра) является практически единственной альтернативой и позволяет значительно улучшить условия жизни населения.

Наиболее просты в конструктивном отношении солнечные водонагревательные системы, имеющие годовой КПД 30−50%.

На Украине существуют все необходимые и достаточные условия для широкомасштабного внедрения гелиоэнергетики в народное хозяйство.

Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5,6 млн. т.у.т., что эквивалентно 2,8% ОППЭ (см. табл. 2).

Таблица 1.1 — Вклад различных ВИЭ в производство энергии в Украине

(2001 г.)

Основная проблема в использовании солнечной энергии для отопления индивидуальных домов в нашей стране — отсутствие массового производства солнечных коллекторов, аккумуляторов солнечной энергии и другого оборудования. Ключевой вопрос — разработка, оптимизация, конструирование и производство гелиоустановок, имеющих высокую эффективность при допустимых капиталозатратах.

1. Расчет потребных параметров гелиоколлектора

1.1 Анализ водопотребления и мощности СТК

Разрабатываемая гелиоколлекторная установка должна обеспечивать горячей водой (T_гор=50°С) дом отдыха.

График потребления горячей воды состоит из трех частей (см. рис 1.1):

— утреннее (100 л с 4.00 до 8.00 часов) — 25 л/ч;

— дневное (220 л с 12.00 до 16.00 часов) — 55 л/ч;

— вечернее (280 л с 16.00 до 20.00 часов). — 70 л/ч.

Рис 1.1 — Диаграмма водопотребления

В данной работе планируется использовать одноконтурную систему гелиоводоснабжения с принудительной циркуляцией, как более совершенную и производительную по сравнению с одноконтурными системами с естественной циркуляцией.

В расчете количества энергии, необходимого для нагрева 600 л. воды за день, в качестве верхнего и нижнего пределов температур берется максимальная температура антифриза и минимальная — холодной воды из водопровода.

. (1.1)

В пересчете на киловатт-часы:

. (1.2)

В виду того, что для обеспечения утра сегодняшнего дня горячей водой, её нужно нагреть с вечера, то необходимо учитывать потери тепла в результате хранения горячей воды за ночь (примем эти потери в размере 10%):

. (1.3)

. (1.4)

В сумме за весь день с учетом ночных потерь:

. (1.5)

КПД установки определяем из графика [9, с. 33] для селективного плоского коллектора с однослойным остеклением при средней плотности потока солнечного излучения для Харьковской области около 600 Вт/м² (см. ниже) и разности температур на входе и выходе коллектора около 40 °C. Оно составит приблизительно 56%. Тогда мощность СТК будет равна:

. (1.6)

1.2 Расчет энергоприхода

1.2.1 Закономерности движения Солнца по небосклону

Согласно методике, изложенной в [9], расчет солнечного теплового коллектора начинается с определения энергоприхода на его поверхность. Для расчета энергоприхода необходимо знать закономерности движения Солнца по небосклону. Это объясняется тем, что энергоприход в значительной мере зависит от положения Солнца на небесной полусфере, а также ориентации панелей СТК. Для расчета количества солнечной энергии, поступающего на наклонную поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на горизонтальную и наклонную поверхности в данной местности.

Положение точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется тремя основными углами — широтой местоположения точки ц, часовым углом щ и склонением солнца д (см. рис. 1.2). Широта ц — это угол между линией, соединяющей точку А с центром Земли О, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол щ — это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол щ = 0 в солнечный полдень, а в 13.00 часов соответствует 15°. Склонение Солнца д — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора.

Рис. 1.2 — Углы, определяющие положение точки А на поверхности Земли

Склонение Солнца д в течение года непрерывно изменяется — от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение Солнца в данный день определяется по формуле:

(1.7)

где n — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января.

Наряду с тремя основными углами ц, щ и д в расчетах солнечной радиации используют также зенитный угол z, угол высоты б и азимут Солнца а (рис. 1.3).

Угол высоты Солнца б — это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Зенитный угол z — это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной поверхности в точке А. Сумма б и z равна 90°. Азимут Солнца а — это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Рис. 1.3 — Углы, определяющие положение точки А на поверхности Земли относительно солнечных лучей

Связь между дополнительными и основными углами устанавливается соотношениями:

— зенитный угол:

cos z = cos щ· cos ц· cos д, + sin ц· sin д, (1.8)

— угол высоты Солнца:

б = 90 — z, (1.9)

поэтому sin б = cos z. (1.10)

— азимут Солнца:

sin a = sec б· cos д — sin щ. (1.11)

При пользовании приведенными формулами для северного полушария широта ц берется со знаком «+», а для южного — со знаком «-», склонение Солнца д имеет знак «+» для лета (от весеннего до осеннего равноденствия) и знак «-» в остальное время года. Угол щ изменяется от 0° в солнечный полдень до 180° в полночь, при щ < 90° он имеет знак «+», а при щ > 90° - знак «-». Азимут Солнца, а изменяется от 0° до 180°.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую азимут a_n и угол наклона к горизонту в, определяется по формуле:

cos i = sin в[cos д(sinц· cos a_n· cos щ + sin a_n· sin щ) — sin д· cosц·cos a_n] +

+ cos в[cos д· cosц·cos щ + sin д· sinц]. (1.12)

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность (в = 0°):

cos i = cos д· cosц·cos щ + sin д· sinц. (1.13)

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (в = 90°):

cos i = cos д(sinц· cos a_n· cos щ + sin a_n· sin щ) — sin д· cosц·cos a_n. (1.14)

Азимут вертикальной поверхности a_n в том случае, если она ориентирована на юг, равен 0°, на запад 90°, на восток -90°, на север -180°. Подставляя эти значения a_n в последнюю формулу, получаем выражения для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (a_n = 0) имеем:

cos i = sin (ц — в)· sin д + cos (ц — в)· cos д· cos щ. (1.15)

1.2.2 Расчет солнечной радиации, поступающей на поверхность

СТК

Для обеспечения улавливания максимального количества солнечной энергии (за расчетный весенне-летне-осенний период) СТК обычно устанавливают в наклонном положении с оптимальными углами наклона к горизонту для каждого сезона.

Среднемесячное среднее дневное значение плотности солнечного излучения, поступающего на наклонную поверхность СТК, определяется по формуле:

E_H = R· E, (1.16)

где E — среднемесячное среднее дневное значение плотности солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, Вт/м²;

R — отношение значений плотности солнечного излучения, поступающего на наклонную и горизонтальную поверхности.

Коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность СТК с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

(1.17)

где — среднемесячная доля рассеянного солнечного излучения;

R_n — среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность, градус;

в — угол наклона освещаемой поверхности к горизонту, градус;

с — альбедо поверхности Земли и окружающих тел, обычно его принимают равным 0,7 для зимы и 0,2 для лета.

Коэффициент R_n определяется выражением:

(1.18)

где ц — широта местности, градус;

д — склонение Солнца в средний день месяца, которое будет определяться по формуле:

(1.19)

где n — количество дней с 23 марта текущего года.

Часовой угол захода Солнца для горизонтальной поверхности:

щ_з = arcos (- tgц· tgд). (1.20)

В качестве часового угла захода Солнца для наклонной поверхности с южной ориентацией принимают меньшую из двух величин: щ_з или величину щ_з.н, рассчитываемую по формуле:

щ_з.н = arcos[- tg (ц — в)· tgд]. (1.21)

Значения перечисленных углов приведены в табл. 1.2 (для широты ц = 50°).

Таблица 1.2

Оптимальное значение угла установки панелей в различны для каждого месяца. Целесообразно изменять угол установки посезонно: в марте в =48°, в июне в = 58° и в октябре в = 54°. Если же коллектора при монтаже крепятся жестко (это является наиболее простым, дешевым и распространенным способом), то берут средний угол установки 50−55°.

Результаты расчета солнечной радиации на наклонную поверхность по вышеизложенной методике приведены в табл. 1.3 и на рис. 1.4. Значения E и E_p взяты из работы для широты ц = 50°.

Таблица 1.3

Рис. 1.4 — Диаграмма поступления солнечного излучения в весенне;

осенний период

Средняя мощность потока солнечной радиации для этих месяцев равна:

E_Нср=598,25 Вт/м². (1.22)

1.3 Определение коэффициента вхождения прямой солнечной

радиации в СТК

Солнечные лучи, падающие на коллектор, не доходят полностью до рабочей поверхности, так как слой пыли и грязи препятствует проникновению части солнечных лучей, а стекло, которое служит защитой СТК, частично отражает и поглощает солнечную энергию. Поэтому вводят понятие общего коэффициента вхождения прямой солнечной радиации в коллектор:

(1.23)

Тогда средняя мощность потока солнечной радиации для всех месяцев периода весна-лето-осень составит:

E_Нср=598,25· 0,68=406,8 Вт/м.² (1.24)

1.4 Определение площади СТК

В первую очередь подсчитаем среднюю продолжительность светового дня в период весна-лето-осень. Для этого возьмем длительность светлого времени суток в средний день среднего месяца по каждому сезону (данные можно взять в любом астрологическом календаре):

— 15 апреля день длится 14 часов;

— 15 июля — 17 часов;

— 15 октября — 10 часов.

Тогда средняя продолжительность светового дня составит:

. (1.25)

Учитывая среднемесячное поступление солнечной энергии на наклонную площадку, можно рассчитать количество энергии, поступающее на 1 м² наклонной площадки за день:

. (1.26)

Требуемая площадь СТК определяется следующим образом:

. (1.27)

Выбирая в качестве модулей СТК спроектированный гелиоколлектор размером 1600×1250 мм, определяем их количество для обеспечения необходимого водопотребления:

(1.28)

Из удобства размещения коллекторов в три ряда окончательно принимаем количество модулей — 27 шт.

1.5 Определение установок СТК

На рис. 1.6 представлены схемы подвода и отвода жидкого теплоносителя в СТК, абсорбер которого выполнен из ряда трубок (а и б) или змеевика (в). Соединение по схеме б менее удачно, чем по схеме а, так как не обеспечивает равномерного распределения жидкости по трубкам. В змеевике (схема в) должен быть уклон, обеспечивающий вытеснение воздуха при его заполнении водой.

Рис. 1.6 — Схемы подвода и отвода жидкого теплоносителя в СТК

Солнечный тепловой коллектор может содержать несколько отдельных модулей, соединенных параллельно. При параллельном соединении весь массив СТК разбивается на несколько подмассивов, состоящих из определенного числа рядов, включающих по 5−10 модулей. Принятая в данной работе схема соединения представлена на рис. 1.7. Она включает в себя 3 подмассива, в каждом из которых насчитывается 14 модулей СТК. При большом числе модулей в СТК (более 50 штук) осуществляется их параллельно-последовательное или последовательно-параллельное соединение.

Рис. 1.7 — Схема параллельного соединения модулей СТК

Коллекторы солнечной энергии могут быть установлены на крыше дома, на земле, на козырьке над окном или на навесе. Целесообразно устанавливать коллектор в плоскости наклонной крыши, тем более если углы наклона крыши и СТК совпадают. При монтаже СТК на горизонтальной крыше они устанавливаются на опорной конструкции, обеспечивающей оптимальный угол наклона. Коллектор может служить ограждением балкона или быть частью стеньг. Однако совмещение коллектора с крышей дает ряд преимуществ: 1) удешевляется строительство, так как не потребуется специальная опорная конструкция; 2) компенсируются силовые воздействия ветра на СТК, их испытывает конструкция двускатной крыши. Недостатком является то, что угол наклона крыши может не совпадать с оптимальным углом наклона коллектора. При свободной установке коллектора или гелиоустановки в целом облегчается монтаж и ремонт, обеспечивается оптимальная ориентация и наклон коллектора, но требуется устойчивая опорная конструкция, а это повышает стоимость строительства, увеличивает теплопотери от коллектора и труб и при этом не всегда удается удовлетворить эстетические требования при размещении гелиоустановки на крыше дома.

При прохождении труб через крышу или стену отверстия должны быть тщательно уплотнены. Осуществляя монтаж СТК, следует соблюдать меры предосторожности, чтобы не повредить остекление.

На чертеже показан пример расположения солнечного коллектора на крыше жилого дома. Обращает на себя внимание рациональное архитектурное решение, обеспечивающее хорошее эстетическое восприятие гелиосистемы.

Крыша должна выдерживать вес гелиоустановки. Для уменьшения локальной нагрузки под ножки опорной конструкции подкладывают настил или швеллеры. При необходимости несущая способность крыши должна быть усилена. Гелиоустановка должна быть надежно закреплена с помощью проволочных растяжек, анкерных болтов (заделанных в бетонное основание), чтобы она могла выдерживать ветровую нагрузку. Размещать гелиоустановку следует ближе к коньку в центре крыши. Все отверстия для труб должны быть тщательно уплотнены, чтобы в дом не попадала влага.

1.6 Разработка функциональной схемы гелиоводоснабжения

Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В нашем случае солнечный коллектор представляет собой небольшой массив модулей СТК. Эти установки имеют большую теплопроизводительность, но более сложны в конструктивном исполнении по сравнению с системами, где используется естественная циркуляция теплоносителя.

На рисунке 1.8 показана функциональная схема гелиоустановка с прямой циркуляцией теплоносителя. При прямой подаче теплоносителя с водопровода или скважины сквозь управляемый вентиль поступает непосредственно в гелиоколлектор, где нагревается и сливается в бак аккумулятор. Автоматическая система АСУ контролирует температуру гелиоколлектор, воды на выходе с бака аккумулятора и на линии потребителя, а также управляет отборочным вентилем. Утром гелиоколлектор прогревается и когда температура в нем превышает температуру в баке аккумуляторе, АСУ открывает вентиль и бак наполняется горячей. Вечером, когда температура теплоносителя в гелиоколлекторе становится меньшей чем в баке аккумуляторе АСУ закрывает вентиль и подача воды прекращается.

Рисунок 1.8 — Функциональная схема гелиоводоснабжения

1 — гелиоколлектор; 2 — бак аккумулятор; 3 — автоматическая система

управления; 4, 5 — отборочный эл. клапан; 6 — эл. клапан

Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах горячего водоснабжения жилого здания.

Для достижения высокой эффективности всей гелиосистемы горячего водоснабжения следует избегать смещения горячей и холодной жидкости в баке-аккумуляторе, для чего в нем необходимо поддерживать температурное расслоение (стратификацию) жидкости. Горячая жидкость имеет меньшую плотность, чем холодная, и поэтому она находится в верхней части бака, а температура в нем уменьшается сверху вниз. Жидкость подается в солнечный коллектор из нижней части бака, где она имеет наиболее низкую температуру, и благодаря этому обеспечивается более высокий КПД коллектора. Нагретая жидкость из коллектора устремляется в верхнюю зону бака. Для обеспечения температурной стратификации жидкости в баке можно, в частности, использовать перфорированные горизонтальные перегородки, разделяющие бак на две или несколько зон и предотвращающие перемешивание слоев жидкости с разными температурами. Отводить горячую воду к потребителю необходимо из верхней части бака, а после него устанавливается дополнительный нагреватель, который будет обеспечивать требуемую температуру горячей воды при любых погодных условиях.

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80% нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с СТК также дополнительный источник энергии (ДИЭ). Существуют различные схемы подвода энергии от ДИЭ: 1) непосредственно в бак-аккумулятор; 2) к горячей воде на выходе из бака-аккумулятора; 3) к холодной воде на байпайсной линии. В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топливный котел. Циркуляция теплоносителя в контуре СТК осуществляется насосом. Изменение эффективности системы в зависимости от применяемого способа подвода дополнительной энергии связано со средним уровнем температуры воды в коллекторе. При подводе дополнительной энергии непосредственно в бак-аккумулятор повышается средняя температура теплоносителя в коллекторе, а следовательно, снижается его КПД и теплопроизводительность и в результате увеличивается потребление дополнительной энергии. Это означает, что солнечная энергия используется недостаточно эффективно. Наилучшим образом солнечная энергия используется при последовательной схеме подключения дублирующего источника энергии. В этом случае вода предварительно подогревается за счет солнечной энергии, поэтому средний уровень температуры теплоносителя в коллекторе ниже, а КПД и теплопроизводительность коллектора высоки.

Можно определить следующие требования относительно схемного решения комбинированных солнечных установок горячего водоснабжения. Во-первых, необходимо обеспечивать улавливание максимально возможного количества солнечной энергии, что достигается снижением среднего уровня температуры теплоносителя в коллекторе и использованием эффективного коллектора. Во-вторых, следует исходить из того, что солнечная энергия должна использоваться для предварительного подогрева теплоносителя, в то время как дополнительный источник энергии (топливо или электроэнергия) — для доведения теплоносителя до требуемой температуры. При таком подходе обеспечивается максимальная экономия топлива благодаря наиболее эффективному использованию солнечной энергии. В-третьих, необходимо избегать смешения сред с различными уровнями температуры в аккумуляторе теплоты, в частности, с этой точки зрения не рекомендуется размещать электронагреватель в нижней части бака-аккумулятора или осуществлять подвод теплоты от дублера непосредственно в бак-аккумулятор гелиоустановки.

1.7 Выбор бака-аккумулятора

1.7.1 Расчет расхода теплоносителя в I контурах

Исходные данные:

— внутренние размеры канала, по которому протекает вода, h=6 мм, b=9 мм;

— наружный размер канала диаметр h =8 мм, b=11 мм;

— внутренний диаметр трубопровода, d₁ =15 мм;

— внешний диаметр трубопровода d₁ =18 мм;

— коэффициент теплопроводности поликарбоната, л=0.21 Вт/(м· К);

— плотность воды (при t=50 °С), с_В=1000 кг/м³;

— теплоемкость воды (при t=50 °С), С_р=4180 Дж/(кг· К);

— кинематическая вязкость воды (при Т=50 °С), н=0,658· 10^-6 м²/с;

— коэффициент теплопроводности воды, л_э=0,65 Вт/(м· К);

— теплоемкость воды (при t=20 °С), С_р=4190 Дж/(кг· К);

— скорость движения теплоносителя, w=0,5 м/с.

1.7.1.1 Расход теплоносителя в I контуре

Расход теплоносителя в I контуре на основе этиленгликоля определяется по формуле:

G_э=с· w·F, (1.29)

где F — площадь поперечного сечения канала.

. (1.30)

G_э=1000· 0,5·54·10^-6=0,027 кг/с. (1.31)

Найдем объем воды, находящейся в системе солнечной тепловой установки:

V_э=F· n·L_k+ F_тр· L_полн, (1.32)

где F — площадь поперечного сечения канала, м²;

n= 27 шт. — число коллекторов;

L_k — общая длина всех каналов коллектора, м;

F_тр — площадь сечения трубопроводов, м²;

L_полн — полная длина трубопроводов, м.

Общая длина всех каналов коллектора:

L_k=m· l=100·1,6=160 м, (1.33)

где m=10 — число параллельных каналов;

l=1 м — длина канала.

Полная длина трубопроводов, по которым протекает теплоноситель составляет:

L_полн=L_п+L_о+2· L_под, (1.34)

где L_п — длина подъемной трубы, м;

L_о — длина опускной трубы, м;

L_под — длина подводящей трубы (от коллектора к баку-накопителю), м.

Принимаем следующие длины водопроводных труб:

L_п=7,5 м; L_о=6,5 м; L_под= 2,5 м. (1.35)

Полная длина трубопроводов:

L_полн=7,5+6,5+2· 2,5= 19 м. (1.36)

Площадь сечения трубопроводов определяется по ГОСТ 3262–75 (d_тр.у=0,015 м — условный проход):

. (1.37)

Полный объем воды:

V_э=54· 10^-6·27·160+180·10^-6·19=0,237 м³ = 240 л. (1.38)

1.7.2 Определение количества теплоты, которое бак получает от

теплоносителя за 1 цикл

Среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность солнечного коллектора:

E_НД= 20,5 МДж/м². (1.39)

Как указывалось выше, время работы установки в среднем составляет 14 часов. Следовательно, количество энергии, которое приходит на всю площадь СТК (S_СТК =51,19 м²) за 1 час равняется:

. (1.40)

Время, за которое весь теплоноситель I контура пройдет через поперечное сечение канала, или, другими словами, длительность 1 цикла антифриза:

. (1.41

Среднее количество теплоты, которое получает этиленгликоль от лучепоглощающей поверхности за 1 цикл:

. (1.42)

Число циклов теплоносителя за 14 часов работы установки:

(1.43)

Определим перепад температуры, на который нагревается вода в баке-аккумуляторе за 1 проход теплоносителя:

С/цикл. (1.43)

Значит, количество теплоты, которое вода в баке будет получать от теплоносителя за 1 цикл, составит:

Q_в.ц =С_р· m·?T_ц=4190·600·1,8=4,5 МДж/цикл. (1.44)

1.7.3 Определение основных характеристик бака-аккумулятора

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень. Поэтому для обеспечения теплопотребления необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а ее избыток накапливать в аккумуляторе теплоты. Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при краткосрочном аккумулировании на несколько месяцев — при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение сезонных аккумуляторов пока экономически нецелесообразно. В целом же применение аккумулятора теплоты, повышает эффективность гелиосистемы и надежность теплоснабжения.

Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100 °C и используются в системах воздушного (30°С) и водяного (30−90°С) отопления и горячего водоснабжения (45−60°С). Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора и тепловую изоляцию.

Аккумуляторы можно классифицировать по характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):

1) аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);

2) аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

3) аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последовательно или одновременно процессы нагревания и охлаждения теплоаккумулирующего материала либо непосредственно за счет солнечной энергии, либо через теплообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным недостатком аккумуляторов этого типа является их большая масса и как следствие этого — потребность в больших площадях и строительных объемах в расчете на 1 ГДж аккумулируемой теплоты.

Основные требования к теплоаккумулирующим материалам:

— высокая теплоемкость и энтальпия фазового перехода при достаточно высокой теплопроводности;

— высокая плотность материала и его химическая стабильность;

— безопасность и нетоксичность;

— низкая стоимость.

Система аккумулирования тепловой энергии характеризуется следующими параметрами:

— теплоаккумулирующей способностью или удельной энергоемкостью

. (1.45)

где Q — теплоаккумулирующая способность воды (см. ниже), МДж;

V_БА=V_в+5%V_в=600+13,5=613,5 л — емкость бака-аккумулятора;

— диапазоном рабочих температур, 30−100°С;

— скоростью подвода и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумулятора:

. (1.46)

Аккумуляторы теплоты емкостного типа (cм. пример на рис. 1.8) — наиболее широко распространенные устройства для аккумулирования тепловой энергии. Наиболее эффективный теплоаккумулирующий материал в жидкостных солнечных системах теплоснабжения — это вода. Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты, которое может быть накоплено в аккумуляторе теплоты емкостного типа, определяют по формуле:

(1.47)

где m=283,5 кг — масса теплоаккумулирующего вещества; c=4190 Дж/(кг· К) — удельная теплоемкость воды; Т_холII=15 °С и Т_горII=80°С — средние значения начальной и конечной температур теплоаккумулирующего вещества.

В водонагревательных установках с естественной и принудительной циркуляцией, как правило, используется вертикальный стальной бак высотой в 3 — 5 раз больше его диаметра для обеспечения температурного расслоения воды. Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции типа стекловаты толщиной не менее 50 мм. Внутренняя поверхность бака, контактирующая с водопроводной водой, должна быть защищена от коррозии. Для этого бак должен быть изготовлен из нержавеющей стали, иметь эмалевое покрытие или анод из магния или анодную защиту с внешним источником электричества. В баке предусмотрены горизонтальные перегородки, труба для поступления воды в нижнюю часть бака, теплообменник в двухконтурной системе для подвода теплоты от СТК и дополнительный источник энергии. Перегородки разделяют бак на секции с различными уровнями температуры воды по высоте, так что в верхней части бака вода имеет более высокую температуру, чем в нижней. Это повышает эффективность аккумулирования теплоты. Теплообменник используется для передачи теплоты от антифриза к воде.

Рис. 1.9 — Бак-аккумулятор емкостного типа:

1 — теплоизолированный корпус; 2 — теплообменник; 3 — подвод

холодной воды; 4 — вентиль; 5 — отвод горячей воды к потребителю;

6 — отвод горячей воды к коллектору; 7 — опоры

1.8 Выбор насоса по гидросопротивлению системы

Все стандартные насосы и большинство гидравлических систем и приборов выбираются по двум основным гидравлическим параметрам — расход жидкости Q, м³/с, и напор насоса H, м. Напор насоса, необходимый для преодоления гидросопротивления сети и подъема жидкости (в данном случае антифриза в I контуре СТК), определяется с помощью уравнения Бернулли:

(1.48)

где P₁=1· 10⁵ Па, P₂=5· 10⁵ Па — давления в приемном и напорном резервуарах;

с=1000 кг/м³ — плотность жидкости (в нашем случае антифриза);

v₁=0, v₂=0,5 м/с — скорости жидкости в приемном и напорном резервуарах;

g=9,8 м²/с — ускорение земного притяжения;

z=z₂ — z₁=5 м — разность высот уровней жидкости (высота подъема жидкости);

?H — гидравлические потери, Дж/кг.

Гидравлические потери включают в себя путевые потери на трение и местные потери при изменении сачения канала, повороте, изгибе и т. п.

1. Путевые потери вычисляются по следующей формуле:

(1.49)

где л=0,025−0,035 — коэффициент сопротивления трения;

v=0,5 м/с — скорость теплоносителя;

L_полн=19 м — полная длина трубопроводов (см. выше);

d_экв — эквивалентный диаметр трубопроводов I контура СТК:

; (1.50)

2. d₁ — внутренний диаметр подъемной трубки коллектора, м;

3. d_тр.у — условный проход трубопровода (ГОСТ 3262−75), м;

4. d_гидр — диаметр гидравлической трубки коллектора, м.

5. Местные потери определяются следующим образом:

(1.51)

где — коэффициент местного сопротивления:

; (1.52)

F_меньш — площадь поперечного сечения подъемной трубки коллектора, м²;

F_больш — площадь поперечного сечения трубопровода, м².

Следовательно, гидравлические потери составят только путевые, так как местные потери настолько незначительны, что ими можно пренебречь.

. (1.53)

Тогда напор насоса будет равен:

. (1.54)

Таким образом мы имеем два основных параметра для выбора насоса:

Q=0,04 м³/с; H=45,5 м. (1.55)

2. Разработка конструкции СТК

2.1 Абсорбер плоского СТК

В солнечном коллекторе горячего водоснабжения происходит улавливание солнечной энергии, ее преобразования в теплоту и нагрев воды. Различают два типа солнечных коллекторов — плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих — с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии. Его работа основана на принципе «горячего ящика», который служит своеобразной ловушкой для солнечных лучей, поступающих в него через прозрачные поверхности остекления. К числу принципиальных преимуществ плоского СТК по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать не только прямую (лучистую), но и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого — возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Для изготовления плоского СТК необходима прежде всего лучепоглощающая поверхность, имеющая надежный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент — абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера имеет специальное лучепоглощающее покрытие. Существуют разнообразные конструкции абсорберов (рис. 2.1). Наиболее применимой из них является конструкция типа труба в листе — в качестве поглотителя солнечного излучения используется ряд параллельных труб диаметром 12−15 мм, завальцованных в металлическую пластину на расстоянии 50−150 мм друг от друга. Верхние и нижние концы этих труб присоединяются путем пайки или сварки к гидравлическим трубкам, которые по рекомендациям берутся в пределах 20−25 мм.

Рис 2.1 — Схемы абсорберов плоских жидкостных коллекторов:

а — труба в листе; б — соединение гофрированного и плоского листов;

в — штампованный абсорбер; г — лист с приваренными прямоугольными

каналами; д — щелевого типа

Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, как правило, изготавливается из металла с высокой теплопроводностью, а именно из меди, алюминия, стали, пластмассы. При сравнении этих материалов установлено, что с увеличением произведения толщины листа д на его коэффициент теплопроводности значение КПД коллектора возрастает. Так, при толщине лучепоглощающего листа в 1 мм из меди, алюминия, стали или пластмассы (=390; 205; 45; 0,6 Вт/(м· °С) соответственно) КПД СТК составляет 52; 50; 48; 22%. В данном проекте при конструировании абсорбера используются листы из пористого поликарбоната. В нем имеются отверстия которые служат для прокачки теплоносителя. Они являются элементами с высоким омическим сопротивлением, что снижает корродирование материала в процессе работы

Селективные покрытия для лучепоглощающей поверхности абсорбера должны обладать высоким коэффициентом поглощения _с коротковолнового излучения (короче 2 мкм), низкой излучательной способностью _Т в инфракрасной области (длиннее 2 мкм), стабильной величиной селективности _с/_Т, способностью выдерживать кратковременный перегрев поверхности, хорошей коррозионной стойкостью, быть совместимыми с материалом основы и иметь низкую стоимость.

Самый распространенный тип селективных покрытий — это тонкие пленки на металлической основе, поглощающие видимый свет и пропускающие инфракрасное излучение (ИК). Сюда, в частности относятся покрытия из черного никеля и черного хрома, наносимые электрохимическим способом на подложку из никеля, цинка, олова или меди. Применяются и другие способы нанесения покрытий этого типа. Селективные краски получают из прозрачных в ИК-области полупроводников в виде мелкого порошка с большой порозностью для снижения эффективного коэффициента отражения поверхности. Наиболее простой способ получения селективной поверхности — это химическое окисление меди, используемой в качестве подложки на других металлах, при этом получается поглощающий слой окиси меди с достаточно высокими показателями селективности (_с=0,93, _Т=0,11, _с/_Т=8,5). В проектируемом в данной работе СТК используется именно этот метод.

2.2 Другие элементы плоского СТК

• Снижение тепловых потерь от абсорбера в окружающее пространство достигается путем применения тепловой изоляции, закрывающей нижнюю поверхность абсорбера, а также светопрозрачной изоляции (чаще всего стекла), размещаемой над абсорбером на определенном расстоянии от него. Все названные элементы помещаются в корпус и производится уплотнение остекления и абсорбера. Конструкция плоского СТК представлена на сборочном чертеже.
• Прозрачная изоляция предназначена для снижения тепловых потерь СТК и предотвращения попадания осадков внутрь него. Материал прозрачной изоляции должен обладать высокой пропускательной способностью для солнечной радиации (длина волн от 0,3 до 2,5 мкм) и быть практически непрозрачным для длинноволнового (более 3 мкм) теплового излучения, испускаемого поверхностью абсорбера. Обычно используется бемское стекло толщиной 3 мм. Лучше всего применять стекло с низким содержанием оксидов железа. Стекло должно быть изолировано от металлических поверхностей с помощью резиновой П-образной прокладки и уплотнения во избежание его повреждения или образования трещин. Расстояние между остеклением и абсорбером выбирают в пределах 15−25 мм.
• Теплоизоляция. Теплоизоляционный материал должен отвечать следующим требованиям. Он должен иметь низкий коэффициент теплопроводности , низкую плотность, высокую температуру плавления t_пл, высокую сопротивляемость различным вредным воздействиям и влиянию погодных условий. Наилучшим теплоизоляционным материалом является пенополиуретан (=0,028 Вт/(м· °С), t_пл=100°С, =35 кг/м³). Толщина теплоизоляции берется в пределах 50−75 мм.
• Корпус гелиоколлектора, вмещающий такие конструктивные элементы, как лучепоглощающая поверхность с трубами для теплоносителя, остекление, тепловая изоляция, должен надежно защищать их от воздействия внешней среды, предохраняя от попадания влаги, пыли, вредных веществ. Основу корпуса составляет цельный короб, изготовленный из специализированного ДСП с влагостойкой пропиткой и тонкой стружкой. Однако возможно использование пластика или композиционных материалов. Толщина короба составляет 25 мм. Также возможна конструкция без короба. Нижняя часть короба закрывается листом стали толщиной 1−2 мм, а боковые стенки обшиваются алюминием. Снаружи корпус окрашивается воздухостойкой порошковой эмалью
• Уплотнительные материалы и прокладки. Для уплотнения стекла и абсорбера в корпусе солнечного коллектора лучше всего подходит силиконовая резина. Уплотнительные прокладки необходимо помещать с обеих сторон уплотняемого элемента конструкции. Для этого прокладка должна иметь П-образную форму с зазором для уплотняемого элемента.

2.3 Сборка модуля СТК

Как описывалось выше, в начале подлежит сборке самый важный элемент конструкции — абсорбер. Пластина пористого поликарбоната обрезают до заданных размеров, затем наносят селективное покрытием в виде тонкой пленки 5 мкм. Затем к пластине приклеивают гидродинамическую трубку между пластиной и пенополиуретаном вкладывается лист теплоотражающего материала.

Во избежание упругопластических деформаций металлического абсорбера и защитного остекления их зажимают на стенках короба с помощью силиконовых П-образных прокладок. Кроме того внутри короба должно быть предусмотрено свободное пространство для расширения абсорбера.

Нижняя часть модуля под пенополиуретаном, закрывается пластиной пористого поликарбоната толщиной 8 мм. Собранная внутренняя части запрессовывается в алюминиевый П-образный профиль.

В заключение наружная поверхность корпуса готового СТК окрашивается воздухостойкой порошковой эмалью.

2.4 Расчет на прочность узлов крепления СТК

2.4.1 Определение массы гелиополя

Гелиополе представляет собой массив из 27 модулей СТК. Поэтому масса гелиополя будет определяться так:

m_гел= 27· m_мод, (2.1)

где m_мод — масса 1 модуля СТК.

Масса модуля СТК состоит из масс всех его конструктивных элементов: абсорбера, гидравлических труб, теплоизоляции, остекления, короба и обшивки. Массой крепежных элементов и уплотнительных прокладок мы пренебрегаем.

Масса абсорбера с гидравлическими трубками будет равна, кг:

(2.2)

А_пп= 1,6· 1,25=2 м² -площадь поликарбонатной панели;

_п= 1,2· 10³ кг/м³ — плотности поликарбоната;

= 2 — количество гидравлических труб;

= 1,5 кг/м² — удельный вес поликарбонатной панели;

V_тр — объем гидравлических труб (полого цилиндра), м³:

(2.3)

где d_нар, d_вн — наружный и внутренний диаметры гидравлических труб, м;

L_тр — длина гидравлических труб, м.

Тогда масса абсорбера с гидравлическими трубками будет равна:

(2.4)

Масса теплоизолирующего элемента будет следующей:

(2.5)

где _из=0,01 м — толщина теплоизолятора;

А_из=1,6· 1,25=2 м² — площадь теплоизолятора;

_из=35 кг/м³ — плотность теплоизолятора.

Тогда масса теплоизолятора равна:

. (2.6)

Масса стекла, используемого для защиты СТК от пыли и атмосферных осадков, составит:

(2.7)

где _с=3· 10^-3 м — толщина стекла;

А_с=1,6· 1,25=2 м² — площадь стекла;

_с=1,2· 10³ кг/м³ — плотность стекла.

Тогда масса защитного остекления будет равна:

. (2.8)

Масса алюминиевой обшивки составит:

(2.9)

где _обш=1,5 10^-3 м — толщина алюминиевого листа;

h_обш=0,045м — высота стенок, которые обшиваются, с учетом толщины листа;

P_обш=1,7+1,7+1,3+1,3=6 м — периметр короба, по которому происходит обшивка;

_обш=2,7· 10³ кг/м³ — плотность алюминия.

Тогда масса обшивки будет равна:

. (2.10)

Масса прокладок между стеклом и плитой составит:

(2.11)

где _п=6 10^-3 м — толщина прокладки листа;

h_п=10 10^-3 м — высота прокладки;

= 1,6 м —длина прокладки;

Вычислив массы всех структурных элементов модуля, получаем массу всей конструкции в сборке:

. (2.12)

А масса гелиополя по формуле (2.1) составит:

m_гел=27· 16=432 кг. (2.13)

2.4.2 Расчет действующих нагрузок

Система СТК располагается на крыше дома. В связи с этим опорные конструкции крыши будут испытывать нагрузку силы тяжести (собственного веса). Кроме этого периодически будет действовать сила набегающего ветрового потока. На территории Харьковской области иногда наблюдаются шквальные ветра, качающие толстые деревья и затрудняющие передвижение людей. Скорость такого ветра в среднем достигает значения 20 м/с. В зимнее время из-за наличия осадков и низкой температуры на крыше, и в частности на коллекторах, будет намерзать слой льда, который будет создавать дополнительное давление на опору.

Опорная конструкция крыши с точки зрения теоретической механики показана на рис. 2.2. Согласно теореме о затвердевании на нем обозначены силы реакции шарнирно-неподвижных опор.

Рис. 2.2 — Схема опорной конструкции крыши

Сила тяжести G будет равняться:

G=G_гел+G_л=(m_гел+m_л)g=(432+558)· 9,8=9702 Н (2.14)

где m_гел=432 кг — масса гелиополя;

m_л — масса намерзшего льда, кг:

m_л=_л· А_гел·_л=0,01·62·900=558 кг, (2.15)

где _л — толщина ледовой корки, м;

А_гел — площадь гелиополя, м²;

_л — плотность льда, кг/м³;

g — ускорение земного притяжения, м/с².

Сила ветрового давления находится по следующей формуле: