НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Хотін Сергій Юрійович

УДК: 621.472 (043)

РОЗРОБКА I ДОСЛІДЖЕННЯ КОНЦЕНТРУЮЧОГО

КОЛЕКТОРА З ВАКУУМОВАНИМИ ТЕПЛОПРИЙМАЧАМИ

Спеціальність 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана у Відділенні комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, с.н.с., член-кореспондент НАН України Рєзцов Віктор Федорович, завідувач Відділення комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Курочкін Геннадій Федорович, Українська академія державного управління при Президентові України, м. Київ, професор кафедри комп’ютерних технологій та математики;

- кандидат технічних наук Рабінович Михайло Давидович, Київский проблемний інститут нетрадиційних енерготехнологій та інжинірингу, директор.

Провідна установа - Інститут технічної теплофізики НАН України, відділ малої енергетики, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться “ 26 “ лютого 2002 р. об __14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги 56, тел. 446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м. Київ - 57, проспект Перемоги 56).

Автореферат розіслано “_18_“ ___січня_ 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради |

О. І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Сонячна енергія є найбільш перспективною серед різноманітних відновлюваних видів енергії. Вклад Сонця в енергетичний баланс нашої планети складає 99,98 %. А в Україні, яка зазнає дефіцит традиційних енергоносіїв, використання сонячної енергії викликає особливий інтерес, перш за все в ії південних районах з їх теплим і сонячним кліматом, оскільки тут біля 210 сонячних днів в році, а щільність сонячної радіації може досягати величини 850 Вт/м2.

Актуальність теми. Зростаючий з кожним днем у всьому світі, інтерес до використання нетрадиційних відновлюваних джерел енергії обгрунтовує актуальність і доцільність досліджень з проблеми використання енергії сонячного випромінювання, що втілилися у розробці і створенні ефективного геліотехнічного пристрою, призначеного для гарячого водопостачання і генерації пару низьких параметрів.

В останні роки широке розповсюдження отримують концентруючі геліоколектори. Вони мають більш високий термальний ККД в температурному діапазоні 80-1200С, ніж плоскі колектори, і ефективно працюють при температурах 200 0С і вище, що недосяжно для останніх.

Найбільш широко використовуються геліоколектори, оснащені концентраторами типу фоклін. Вони компактні, мають невисоку собівартість, не вимагають систем добового стеження за Сонцем, і це робить їх зручними в експлуатації. Подальше вдосконалення геліоколекторів цього типу і оснащення їх абсорберами з вакуумною термальною ізоляцією дозволить задовольнити енергетичні потреби ряду технологічних процесів і побутових споживачів та збільшити економічну рентабельність геліоенергетичних установок. Відзначимо, що до останнього часу залишаються недостатньо дослідженими декілька важливих питань. До них відносяться: спільна робота вакуумованого трубчатого теплоприймача (ВТТ) з лінійними системами, що концентрують сонячну енергію, і в тому числі, з фоклінами; залежність теплофізичних властивостей ВТТ від їхніх габаритних розмірів і рівня вакууму в теплоізоляційному кожусі, а також їх експлуатаційні властивості. Необхідно, крім того, провести дослідження залежності довговічності вибіркового поглинаючого покриття від його хімічного складу і засобу, яким воно було виконано, а також оптимізувати оптико-геометричні характеристики системи двогранний плоский фоклін-вакуумований трубчатий теплоприймач (Д-фоклін-ВТТ). Отже, виникає завдання вдосконалення конструкції концентруючих геліоколекторів з вакуумованими теплоприймачами. При цьому необхідно розробити і дослідити оптимальну за своїми теплотехнічними і економічними характеристиками конструкцію системи Д-фоклін-ВТТ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів наукових досліджень Відділення комплексних енергетичних систем з відновлюваними джерелами енергії Інституту електродинаміки НАН України в рамках Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики (Постанова КМ України № 1505 від 31.12.1997 р.), Програми 04.07 Міннауки і освіти “Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії та ефективні системи їх використання” та темами НДР Інституту електродинаміки НАН України ”Сонце-І - Розвинути теорію і розробити методи інтенсифікації процесів перетворення енергії в системах енергопостачання на основі відновлюваних джерел” (Постанова Бюро ВФТИЕ НАН України від 11.03.99 р., держ. реєстр. № 0198U008150) і “Сонце-ДП” - “Розвинути принципи побудови відновлюваних і нетрадиційних систем енергопостачання автономних об’єктів і розробити практичні рекомендації щодо їх використання в південних регіонах України” (Рішення Вченої ради Інституту електродинаміки НАН України від 17.031998 р., держ. реєстр. № 0195U008560).

У названих вище НДР Хотіну С.Ю. належить наукове обгрунтування методики розрахунку і експериментальне дослідження методів інтенсифікації процесів перетворення енергії сонячного випромінювання в теплову при застосуванні систем концентрації сонячної радіації.

Мета i задачi дослідження. Метою роботи є розробка та теоретичне і експериментальне дослідження геліоколекторів з підвищеною оптичною ефективністю і низькими тепловими втратами, на базі концентруючої системи двогранний плоский фоклін - вакуумований трубчатий теплоприймач.

Основні задачi дослідження полягають в наступному:

- визначення аналітичним шляхом геометричної форми і габаритних розмірів ВТТ, при яких вони мають максимальний тепловий ККД;

- розробка методики оптико-геометричного розрахунку системи Д-фоклін-ВТТ і встановлення її оптимальних параметрів;

- оцінка методом чисельного моделювання теплового стану активних поверхонь абсорберу ВТТ як в стаціонарному стані, так і при флуктуаціях щільності сонячного випромінювання;

- обгрунтування і вибір типу теплоносія і раціональної гідравлічної схеми геліоколектора на базі ВТТ, що забезпечать його ефективну роботу в температурному діапазоні 100 – 200 0С;

- експериментальне дослідження теплофізичних і ресурсних характеристик нового вибіркового поглинаючого мідно-вольфрамового покриття;

- оцінка економічного ефекту від впровадження геліоенергетичних пристроїв на базі системи Д-фоклін-ВТТ у промислову експлуатацію.

Об’єктом дослідження є вакуумований трубчатий теплоприймач і геліоколектор на його основі, забезпечений концентраторами сонячного випромінювання.

Предметом дослідження є процеси перетворення сонячної енергії в теплову в системах концентратор типу Д-фоклін-ВТТ з метою підвищення техніко-економічних характеристик сонячних енергопристроїв.

Методи дослідження. Теоретичні і експериментальні дослідження ВТТ і геліоколекторів на їх основі проводились з позицій системного аналізу. Для визначення теплофізичних параметрів ВТТ та оптико-геометричних характеристик системи Д-фоклін-ВТТ була розроблена спеціальна методика варіантних розрахунків. При цьому було використовано елементи математичного моделювання і математичний апарат диференціального обчислення. Результати експериментальних досліджень оброблялись на ПЕОМ, яка проводила інтерполяцію кубічними сплайнами за допомогою програмного обчислювального пакету MathCAD 7 1997, Macth Soft Copyright і видавала результати математичної обробки в графічному вигляді.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше визначені засобом чисельного моделювання геометрична форма і габаритні розміри ВТТ, при яких вони мають максимальний тепловий ККД;

- вперше розроблена та обгрунтована методика оптико-геометричного розрахунку системи Д-фоклін-ВТТ і встановлені її оптимальні параметри;

- на основі аналізу теплофізичних та гідравлічних характеристик визначені теплоносій і раціональна гідравлічна схема геліоколектора на базі ВТТ, що забезпечують його ефективну роботу в температурному діапазоні 100 – 200 0С;

- в результаті експериментальних досліджень були визначені теплофізичні і ресурсні характеристики нового вибіркового поглинаючого мідно-вольфрамового покриття, що має рельєфну поверхню, отриманого засобом катодного напилення в розрядженому аргоні;

- розроблена нова оригінальна конструкція плоского двогранного фокліну змінної геометрії.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і досліджено конструктивне облаштування концентруючого геліоколектора на базі ВТТ. Спроектована і виготовлена система Д-фоклін-ВТТ, що має оптимальні теплофізичні і оптико-геометричні характеристики при невисокій собівартості. В результаті експериментальних досліджень визначено реальні теплотехнічні параметри ВТТ та вивчена їх спільна робота з геліоконцентраторами типу Д-фоклін. В рівноважному режимі досягнуто температури понад 108 0С при роботі ВТТ без концентратора і 190 0С при роботі з геліоконцентраторами, коефіцієнт концентрації яких дорівнює 3. Ресурсні випробування, проведені протягом п’яти років в природніх умовах, показали, що ВТТ зберегли свої робочі характеристики, а вибіркове теплопоглинаюче покриття за цей час не зазнало помітних змін і зберегло основні властивості.

Визначено економічний ефект від впровадження геліоенергетичних пристроїв на базі досліджуваних ВТТ в промислову експлуатацію, при цьому доведено, що вони будуть економічно рентабельними а їх експлуатація дозволить отримати значний прибуток за рахунок економії органічного палива.

Результати наукових досліджень, виконаних в дисертації, використано при розробці проектно-кошторисної документації на модуль геліоколекторів площею 10 м2 на базі системи Д-фоклін-ВТТ і геліоустановку, оснащену ПЦ-фоклінами. Застосування геліоколекторів на базі ВТТ дозволяє створити ефективно працюючі геліоенергетичні установки невеликої потужності для побутових потреб індивідуальних користувачів та геліотехнічні системи для здійснення різноманітних хімічних процесів, що споживають енергію, оскільки запропоновані ВТТ можуть працювати з хімічно агресивними рідинами.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, що увійшли до дисертації, отримані здобувачем особисто. Три із восьми робіт опубліковано без співавторів. В друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: в [3], [4] - обгрунтування засобів підвищення енергоефективності систем перетворення сонячної енергії в теплову на основі використання концентраторів сонячного випромінювання; в [6] - вибір раціональних параметрів, розробка конструкції та результати випробувань теплотехнічних характеристик вакуумованого теплоприймача; в [7] - конструктивна схема концентратора сонячної радіації змінної геометрії; в [8] - принципова схема конденсатора пари для сонячної енергоустановки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на таких конференціях: Науковій конференції професорсько-викладацького складу, наукових працівників та аспірантів Одеського сільськогосподарського інституту (Одеса, лютий 1997 р.), Міжнародній конференції “Проблеми екології та експлуатації об’єктів енергетики” (Севастополь, червень 2000 р.), Міжнародній науковій конференції ”Нетрадиційна енергетика у ХХІ столітті (Ялта, вересень 2000 р.) та на 61 науковій конференції Одеської державної академії харчових технологій (Одеса, квітень 2001 р.); крім того вони увійшли у науковий звіт лабораторії геліоколекторів НВО “Солнце” АН Туркменістану за 1988-1990 р.р. (Держбюджетна тема “Розробка і створення геліосистеми з концентруючими колекторами, що забезпечують підвищення температури теплоносія до 100-300 0С для теплопостачання”).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертації опубліковано в десяти роботах. У тому числі 5 статей у фахових наукових виданнях, в одному Інформаційному листку Держплану Туркменської РСР, двох тезах доповідей на науково-технічних конференціях та отримано два авторських свідоцтва СРСР на винаходи.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 185 сторінок. З них 119 сторінок основного тексту, 24 рисунка, 15 таблиць, список використаних джерел з 113 найменувань та 7 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглядається актуальність теми, визначаються і формулюються мета і задачі дослідження, обгрунтована наукова новизна роботи, викладена практична спрямованість у реалізації результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та перелік публікацій автора.

В першому розділі аналізуються сучасний стан і перспективи розвитку сонячної енергетики. Подається порівняльна кліматична оцінка ресурсів сонячної енергії на території України та Туркменістану, обґрунтовується перспективність розвитку геліоенергетики в цих регіонах. Річне надходження сумарної радіації на території Туркменистану складає 6067 - 6830 МДж/м2, при цьому основну частину сумарної радіації складає пряма радіація, висота Сонця не опускається нижче 26-280 в грудні і досягає 72-760 в червні. Крім того, тут в зимовий час, навіть в грудні, тривалість світлового дня складає не менше 8 годин 30 хвилин. В Одеській області України річна тривалість сонячного випромінювання складає 2308 годин при середньодобовій щільності сонячної радіації більш ніж 400 Вт/м2. Наведені тут дані свідчать про те, що на території Туркменістану геліотехнічні системи можуть ефективно експлуатуватися на протязі всього року, понад 3000 годин на рік, а на півдні України 2600 годин на рік.

Розглянуто стан виробництва і експлуатації геліоенергетичних установок, що використовуються для енергопостачання в ряді країн світу. В період з 1980 по 2000 р.р. виробництво геліоенергетичних систем збільшилося майже вдвоє. В таких країнах, як США, Японія, Франція, Ізраїль приділяється серйозна увага геліотехніці, і цей напрямок є одним з пріоритетних у розвитку енергетичного комплексу. Досвід експлуатації геліосистем різноманітного призначення в цих країнах показує, що вони економічно рентабельні і можуть успішно конкурувати з традиційними енергоустановками, що працюють на органічному паливі. Розробка сонячних колекторів з підвищеною оптичною ефективністю і вакуумною термальною ізоляцією теплоприймального елементу дозволяє задовольнити потреби в енергії деяких технологічних процесів промисловості і збільшити рентабельність кондиціонування повітря. Вакуумовані теплоприймачі мають безліч різноманітних конструктивних виконань. Вони розрізняються за своїми геометричними формами, габаритними розмірами і матеріалами, що ідуть на їхнє виготовлення. Найбільшого розповсюдження знайшли вакуумовані трубчаті теплоприймачі (ВТТ). Доцільним та перспективним є використання ВТТ спільно з геліоколекторами типу Д-фоклін. Але ж досліджень, присвячених вивченню спільної роботи ВТТ з Д-фоклінами, явно недостатньо. Аналіз інформації, наведеної в цьому розділі, приводить до висновку, що актуальними і недостатньо вивченими залишаються проблеми, пов'язані зі створенням ВТТ, що поєднують високі теплофізичні характеристики з надійністю, більшим експлуатаційним ресурсом і невисокою собівартістю виробництва, а також вивченням їхньої спільної роботи з концентратором типу Д-фоклін з метою створення геліоколектора на їхній базі. При цьому необхідно розробити оптимальну конструкцію системи Д-фоклін-ВТТ та вивчити її роботу за допомогою експериментальних досліджень

В другому розділі виконано теоретичне дослідження ВТТ і геліоколекторів на їх базі. Оптичні і теплофізичні характеристики геліоколекторів знаходяться у прямій залежності від оптико-геометричних параметрів системи Д-фоклін-ВТТ, що наведено на рис. 1. Первісно, за допомогою варіантного розрахунку, було визначено оптимальні розміри діаметрів абсорберу і теплоізоляційного кожуха, при яких ВТТ має максимальний термальний ККД.

Для отримання найкращих оптичних характеристик системи було розроблено спеціальну методику її оптико-геометричного розрахунку. Попередньо, при заданому коефіцієнті концентрації к = 3, визначаються геометричні параметри Д-фокліну: кут розкриття, висота, ширина граней та ін., при яких має місце максимальний геометричний коефіцієнт пропускання сонячної радіації. Враховуючи те, що абсорбер ВТТ займає лише частину вихідного отвору фокліну і використовує не всю сконцентровану енергію сонячного випромінювання, що влучає на площину вихідного отвору фокліну, необхідно розглянути різноманітні варіанти встановлення ВТТ у фокліні відносно його вихідного отвору. Можливі три варіанти: перший - центральна вісь ВТТ знаходиться у площині вихідного отвору фокліну (рис. 1а), другий - центральна вісь ВТТ знаходиться вище площини вихідного отвору (рис. 1б), а в третьому варіанті передбачене розміщення ВТТ нижче площини вихідного отвору (рис. 1в). В першому варіанті працює верхня частина трубчатого абсорберу, а нижня знаходиться в затіненні. При розташуванні абсорберу ВТТ вище площини вихідного отвору може працювати також біля 50 % нижньої частини поверхні абсорберу, що розміщена нижче перетину С-Д і також виявляється освітленою сонячним промінням. Однак, при такому розташуванні ВТТ ступінь концентрації сонячного випромінювання, що падає на поверхню абсорберу, зменшується. Крім того, нижня його частина функціонує лише на протязі обмеженого проміжку часу роботи фокліну в період світлового дня. У третьому варіанті, при збереженні ширини вхідного отвору фокліну зменшується ширина вихідного отвору і відповідно збільшується геометричний коефіцієнт концентрації. Але нижче площини вихідного отвору

сконцентроване сонячне випромінювання розсіюється, і реальна концентрація сонячного випромінювання на поверхні абсорберу нижча, ніж в площині вихідного отвору. Слід враховувати, що при такій модифікації величина параметричного кута вже не відповідає оптимальному і геометричний коефіцієнт пропускання менший.

Результати розрахунків, виконаних за запропонованою методикою, свідчать, що найкращі оптико-геометричні характеристики має система Д-фоклін-ВТТ, запропонована в першому варіанті.

Використання геліоконцентратів потребує не тільки виконання розрахунків по оцінкам теплового стану системи у цілому, але і виконання аналізу розподілу температур та температурних градієнтів по товщині активних поверхонь абсорберу ВТТ. Розв’язок подібних задач в початковій постановці, являється нелінійним внаслідок нелінійної залежності теплового потоку, який випромінюється поверхнею в зовнішнє середовище, від її температури.

Для поверхонь абсорберу ВТТ, коли відводом тепла конвекцією в зовнішнє середовище можна знехтувати, крайова задача для розрахунку температурного поля у шарі товщиною dn має вигляд

, (1) , (2)

,

де : In – щільність радіаційного потоку, який падає на абсорбер;

qu – щільність теплового потоку, що випромінюється поверхнею у зовнішнє середовище;

dn - товщина робочої стінки абсорберу;

Тж – температура рідини, яка охолоджує ВТТ;

Тn – температура активної поверхні;

hж, – коефіцієнт тепловіддачі;

n - коефіцієнт теплопровідності.

Загальний розв’язок для Tn представлено у вигляді

Тn (z) = an z + bn , (3)

де константи an, bn визначаються з граничних умов (2)

, (4)

. (5)

Величина bn =Тn (z = 0) відповідає температурі активної поверхні, яка нагрівається падаючим радіаційним потоком та, в свою чергу, визначає величину потоку власного теплового випромінювання поверхні

qu = Tn4 (z= 0) = bn4 , (6)

де - константа Стефана-Больцмана.

На основі співвідношень 1-5 знайдено аналітичний розв’язок задачі стаціонарного теплового стану активних поверхонь абсорберу ВТТ з розрахунком радіаційного і конвекційного охолодження і нестаціонарності теплового стану при флуктуаціях щільністю сонячного випромінювання. Отримані аналітичні залежності температури поверхонь абсорберу від термічного опору, температури робочого тіла та щільності падаючого радіаційного потоку. Остання наведена на рис. 2.

Розроблений математичний апарат можна використовувати при теплотехнічних розрахунках активних елементів геліоенергетичних систем, а також для оцінки експлуатаційного ресурсу поглинаючих покриттів абсорберів.

Певні вимоги пред’являють і до робочого тіла або теплоносія геліоустановок на базі ВТТ:

- висока питома теплоємкість і добра теплопровідність;

- висока температура кипіння і пароутворення, не менш 250 0С;

- низька в'язкість;

- неагресивність по відношенню до конструктивних матеріалів установки;

- нетоксичність;

- доступність і низька собівартість виробництва.

Дослідження показали, що серед теплоносіїв, що застосовуються в енергетиці, для геліоенергетичних установок з ВТТ найбільш підходять дистильована вода і нафтове масло МС-20. Воду слід застосовувати при температурах до 1000С або при роботі геліоколекторів у якості парогенератора.

На заключному етапі числового моделювання геліколекторів на базі ВТТ був здійснений вибір і розрахунок їх гідравлічної схеми. Окрім цього, в якості периферійного обладнання для спільної роботи з геліоенергетичними установками на базі ВТТ було розроблено спеціальний конденсатор, новизна конструкції якого захищена авторським свідоцтвом СРСР № 1681162.

У третьому розділі наведено опис експериментальних досліджень ВТТ і аналіз їх результатів.

Для проведення експериментальних досліджень була розроблена спеціальна методика. Відповідно до неї випробування ВТТ проводилися як в рівноважному, так і в динамічному режимах. Перші - з метою вивчення теплофізичних характеристик і функціональних можливостей ВТТ, другі - з метою визначення їх експлуатаційних параметрів.

Випробування проходили ВТТ двох серій, перша була виготовлена в грудні 1987 р. та випробовувалася з березня 1988р. по жовтень 1991р. В січні 1990 р. була виготовлена друга серія, що випробовувалася з травня по липень того ж року. В табл. 1 наведено основні характеристики ВТТ обох серій.

Для здійснення експериментальних досліджень ВТТ було виготовлене три спеціальних стенди, на яких розміщувалися об'єкти дослідження, термопари і вимірювальні мережі. Особливий інтерес представляє третій стенд, конструкція якого є оригінальною і може бути використана для випробування ВТТ різноманітних габаритних розмірів, а також трубчастих геліоприймачів інших типів, як спільно з концентратором змінної геометрії типу Д-фоклін, здатного міняти коефіцієнт концентрації і параметричний кут, так і без нього.

Таблиця 1

Експериментальні характеристики досліджуваних ВТТ

Найменування параметра | I серія | II серія

Довжина ВТТ з патрубками, 10-3м | 800+15 | 1000+15

Зовнішній діаметр кожуха, 10-3м | 38 | 38

Діаметр абсорберу, 10-3м | 20 | 20

Довжина ділянки з нанесеним вибірковим поглинаючим покриттям, 10-3м | 640 | 800

Час напилення поглинаючого покриття, с | 1500, 2100, 3300 | 2100

Довжина патрубків, 10-3м | 60 | 80

Рівень вакууму, гПа | 1,33 | 0,13

Новизна, оригінальність конструкції і принципу роботи цього концентратора підтверджена авторським свідоцтвом на винахід № 1575021.

В ході експериментів вимірювалася залежність температури теплоносія всередині ВТТ від величини сонячної радіації і температури навколишнього повітря. При роботі ВТТ спільно з Д-фокліном, ступінь концентрації якого був рівний 3, було досягнуто температури понад 190 0С. Крім того, на третьому стенді був проведений експеримент з металевим трубчастим абсорбером з метою порівняння його теплофізичних характеристик з аналогічними параметрами ВТТ. Результати експериментів наведені на рис. 3 і 4. В лабораторних умовах були виконані експериментальні дослідження з метою визначення термальних втрат за рахунок конвекції через теплоізолюючий кожух ВТТ. Також на протязі п’яти років проводилися ресурсні випробування ВТТ, які здійснені в природних умовах. Результати візуального огляду і контрольних замірів свідчать про те, що теплопоглинаюче вибіркове покриття за минулий час не зазнало видимих змін і зберегло свої якісні характеристики.

Відчутної зміни рівня вакууму в теплоізолюючому кожусі відносно первісного значення також не відбулося. Усього за період роботи виконано 126 експериментів, з них 118 в природних умовах, а 8 в лабораторних. При цьому, в кожному експерименті, в залежності від його призначення і умов проведення, здійснювалося від двадцяти до п'ятдесяти замірів. Результати експериментальних досліджень завантажували в ПЕОМ ІВМ РС Р-II, де програмно проводили інтерполяцію кубічними сплайнами за допомогою програмного обчислювального пакету MathCAD 7 1997, Macth Soft Copyright, результати математичної обробки видавались в графічному вигляді.

Четвертий розділ присвячений вивченню перспектив використання геліоенергетичних установок на базі ВТТ в економіці.

Для цього виконано порівняльний аналіз технічних і експлуатаційних характеристик геліоколекторів на базі ВТТ з геліоенергетичними системами інших типів за рядом техніко-економічних параметрів. Виявлено істотну перевагу геліоустановок з ВТТ над іншими типами концентруючих сонячних енергоустановок (КСЕ), передусім за термальним ККД, що в температурному діапазоні 100 – 200 0С у геліоколекторів з ВТТ на 10 – 15 % вище, а також за собівартістю виробництва і монтажу, більш простому і менш трудомісткому експлуатаційному обслуговуванню. Після цього було виконано оцінку економічного ефекту від застосування геліоенергетичної установки, оснащеної концентруючими колекторами на базі ВТТ у промисловому і аграрному секторах у порівнянні з традиційними енерговиробляючими установками, що працюють на органічному паливі. Як приклад, наведено розрахунок річного економічного ефекту від застосування геліоенергетичної установки потужністю 10 кВт. Для південних районів України він складає 5000 грн.

ВИСНОВКИ

1. На основі порівняльної оцінки енергетичних ресурсів сонячної радіації на території Одеської області України та Туркменистану встановлено, що для умов півдня України перспективним є використання вакуумованих трубчатих теплоприймачів з концентраторами типу двогранний плоский фоклін, які забезпечують ефективне генерування теплової енергії для технологічних та енергетичних потреб на протязі 2600 год. на рік.

2. Створена оригінальна методика оптико-геометричного розрахунку концентруючої системи двогранний плоский фоклін-вакуумований трубчатий теплоприймач і визначені її оптимальні параметри. Показано, що оптимальний кут розкриття фокліна дорівнює 30, а центральну вісь ВТТ доцільно розташувати в площині вихідного отвору фокліну.

3. На основі чисельного моделювання визначені геометрична форма і габаритні розміри ВТТ, при яких вони мають максимальний тепловий ККД і забезпечують ефективну роботу геліоколекторів. При цьому обгрунтовано типи теплоносіїв та раціональної гідравлічної схеми геліоколектора, що практично забезпечують ефективну роботу геліоколекторів на базі ВТТ при температурах 100-200 0С.

4. Розроблена методика аналітичного розв’язку задачі про стаціонарний тепловий стан активних поверхонь абсорберу ВТТ з розрахунком радіаційного та конвекційного охолодження і нестаціонарного теплового стану поверхонь при флуктуаціях щільності падаючого радіаційного потоку. Отримані аналітичні залежності температури цих поверхонь від термічного опору, температури робочого тіла та щільності падаючого радіаційного потоку, які дозволять досліджувати вплив цих параметрів у комплексі.

5. Виконано комплекс експериментальних досліджень окремих елементів і системи Д-фоклін-ВТТ в цілому. В умовах лабораторного і натурного експерименту було встановлено, що створена конструкція системи дозволяє досягти температури 108 0С при роботі вакуумованих трубчатих теплоприймачив без концентраторів і біля 1900С в режимі роботи з концентраторами при коефіцієнті концентрації сонячного випромінювання, що дорівнює 3.

6. В результаті ресурсних випробувань системи Д-фоклін-ВТТ і аналізу інтегральних показників ефективності перетворення енергії сонячної радіації в теплову на протязі п’яти років доведено енергетичні переваги системи Д-фоклін-ВТТ над геліосистемами з металевими трубчатими абсорберами. Встановлено, що ВТТ зберегли свої теплотехнічні характеристики, а вибіркове поглинаюче покриття не зазнало відчутних змін.

7. Створені оригінальні конструкції концентратора змінної геометрії, вакуумованого трубчатого теплоприймача, вибіркового поглинаючого покриття, а також периферійного теплотехнічного обладнання, працездатність яких доведено лабораторними та довготривалими натурними експериментами в реальних умовах технологічного функціонування.

8. Визначені основні техніко-економічні характеристики систем перетворення сонячної енергії в теплову на основі системи Д-фоклін-ВТТ і доведено, що тепловий ККД вищеназваної системи в температурному діапазоні 100-200 0С на 10-12 % вищий в порівнянні з аналогічними за призначенням КСЕ, що дозволяє запропонувати їх застосування в Україні, в першу чергу для південних регіонів.

ПУБЛІКАЦІЇ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хотін С. Ю. Перспектива використання геліоенергетичних систем у сільському господарстві південних районів України // Аграрний вісник Причорноморя: збірник наук. пр. / Одеський ДСГІ - Одеса 1999. Випуск № 1 (5) - С. 43-54.

2. Хотін С. Ю. Геліоенергетична установка для приготування їжі у польових умовах // Аграрний вісник Причорноморя: збірник наук. пр. / Одеський ДСГІ - Одеса 2000. Випуск № 3 (11) - С. 133-137.

3. Суржик Т. В., Хотин С. Ю., Шевчук В. И. Температурное состояние активных поверхностей гелио-фотоэнергетических систем // Новини енергетики. - 2001.- № 5. - С 42-46.

4. Синицін М. П., Суржик Т. В., Хотін С. Ю., Шевчук В. І. Метод комплексних амплітуд для моделювання теплового стану сонячних колекторів та фотобатарей // Вісник Національного університету (Львівська політехніка)/ Електроенергетичні та електромеханічні системи.-2001. -№ 421. - С192-195.

5. Хотін С. Ю. Застосування геліотехнічних систем для енергозабезпечення харчових технологій // Зб. “Наукові праці”/ Одеська ДАХТ 2001. Випуск 22. - С. 246-249.

6. Хотин С. Ю. , Бабаян Р. С. , Мамедниязов С. О. Беграмбеков Л.Б. Вакуумированные трубчатые теплоприёмники// Информационный листок № 22 / Госплан Туркменской ССР - Ашхабад, 1991 - 4 с.

7. А. с. № 1575021 СССР, МКИ F24 J3/02 Концентратор переменной геометрии / Хотин С.Ю. , Бабаян Р. С. , Мамедниязов С.О. , Климентьева М.Г.; Заявл. 19.07.88; Опубл. 1990, Бюл. № 24. - 3 с.

8. А. с. № 1681162 СССР; МКИ F 28 B1/06, Конденсатор /Хотин С. Ю. Бабаян Р. С., Климентьева М. Г.; Заявл. 18.07.89; Опубл. 1991, Бюл. № 36. - 2 с.

9. Носко А.А., Синицын Н.П., Суржик Т.В., Хотин С.Ю., Шевчук В.И. Принципы повышения энергоэффективности систем солнечного энергоснабжения и утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов // X конф.стран СНГ “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”. Тезисы докладов. - Украина, Крым - Севастополь. - 2000. - С. 147-149.

10. Носко А.А., Синицын Н.П., Суржик Т.В., Хотин С.Ю. Системы солнечного теплоснабжения и утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов с расширенными функциональными возможностями // Международная конференция “Нетрадиционная энергетика в XXI веке”. Тезисы докладов. - Ялта. - 2000. - С. 61, 62.

Хотiн С. Ю. Розробка i дослідження концентруючого колектора з вакуумованими теплоприймачами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 - перетворювання відновлюваних видів енергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена проблемам технічного розрахунку, створення і дослідження геліоколектора з підвищеною оптичною ефективністю, низькими тепловими втратами, технологічного при виготовленні та надійного в експлуатації. Для розв’язання цього завдання була запропонована оригінальна конструкція колектора на базі концентруючої системи двогранний плоский фоклін-вакуумований трубчатий теплоприймач (Д-фоклін-ВТТ). При цьому встановлені методом чисельного моделювання оптимальні оптико-геометричні параметри, при яких вона буде мати максимальний тепловий ККД, визначені теплоносій і раціональна гідравлічна схема геліоколектора, які забезпечать його ефективну роботу в температурному діапазоні 100-200 оС.

В ході експериментальних досліджень було визначено теплофізичні характеристики ВТТ і експлуатаційні параметри геліоколекторів на їх базі. Також визначено реальні теплофізичні і ресурсні характеристики нового вибіркового поглинаючого мідно-вольфрамового покриття.

Ключові слова: геліоколектор, вакуумований трубчатий теплоприймач, фоклін, вибіркове поглинаюче покриття.

Khotin S.U. Development and research of a concentrating manifold with the vacuum-treated heat receivers. - The manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.14.08 - Transformation of restored kinds of energy. - The Institute of Еlectrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is dedicated to a problems of technical calculation, creation and research heliocollector with heightened optical efficiency, low calorific losses, technologic in manufacturing, at maintenance of reliability in operation period. For the solution of this problem was designed and the original design of a manifold on the basis of concentrating system double-faset foklin-vacuum-treated tubular heat receiver (D-foklin-VTR). Thus the optimal optical-geometrical parameters of this system are determined by a method of a numerical modeling, at which one it will have maximum thermal efficiency, which one are selected heat carrier and rational hydraulic scheme heliocollector, will supply its effective work in a temperature range 100-200 °C.

During experimental researches were determined heating engineering of the characteristic VTR and operational parameters heliocollectors on their base. The substantial thermal and resource characteristics of new selective absorptive cuprum-tungsten cover also are determined.

Key words: heliocollector, vacuum-treated tubular heat receiver, foklin, selective absorptive cover.

Хотин С.Ю. Разработка и исследование концентрирующего коллектора с вакуумированными теплоприёмниками. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 - Преобразование возобновляемых видов энергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2001.

В настоящее время использование энергии солнечного излучения для энергообеспечения технологических процессов и теплофикационных нужд весьма актуально для Украины, испытывающей дефицит органического топлива, особенно для южных регионов, где согласно оценке энергетических ресурсов солнечной радиации гелиоэнергетические системы способны эффективно работать около 2600 ч. в году.

Диссертация посвящена научно-техническому расчету, созданию и исследованию гелиоколлектора с повышенной оптической эффективностью, низкими тепловыми потерями, технологичного в изготовлении, при обеспечении надежности в период эксплуатации. Для решения этой научно-технической задачи была разработана и исследована оригинальная конструкция коллектора на базе концентрирующей системы двугранный плоский фоклин-вакуумированный трубчатый теплоприёмник (Дфоклин-ВТТ). При этом определены методом численного моделирования оптимальные оптико-геометрические параметры этой системы, при которых она будет иметь максимальный тепловой КПД. С этой целью была разработана специальная методика вариантных рассчётов и оригинальный математический аппарат. Обоснован выбор теплоносителя и рациональной гидравлической схемы гелиоколлектора, которые обеспечивают его эффективную и надёжную работу в температурном диапазоне 100-2000 С при равномерной тепловой нагрузки каждого ВТТ.

Кроме того, создана методика аналитического решения задачи о стационарном тепловом состоянии активной поверхности абсорберов ВТТ с учетом радиационного и конвективного охлаждения и нестационарном тепловом состоянии этих поверхностей при флуктуациях падающего радиационного потока. Получены аналитические зависимости температуры их поверхностей от термического сопротивления, температуры рабочего тела и плотности падающего радиационного потока. Разработанный математический аппарат может использоваться при теплотехнических расчётах активных элементов гелиоэнергетических систем и оценки эксплуатационного ресурса теплопоглощающих покрытий абсорберов.

В ходе экспериментальных исследований в лабораторных и природных условиях были определены теплотехнические характеристики ВТТ и эксплуатационные параметры гелиоколлекторов на их базе. Изучена совместная работа ВТТ с гелиоконцентраторами типа Д-фоклин. В равновесном режиме получены температуры теплоносителя около 1080С при работе ВТТ без концентратора и 1900С при работе с гелиоконцентраторами, коэффициент концентрации которых равен 3. Определены реальные теплофизические и ресурсные характеристики нового селективного поглощающего медно-вольфрамового покрытия, которое на протяжении пяти лет испытаний в реальных условиях эксплуатации сохранило свои основные рабочие свойства.

В результате анализа интегральных показателей эффективности преобразования энергии солнечного излучения в тепловую, доказано преимущество гелиоколлекторов на базе системы Д-фоклін-ВТТ по своим технико-экономическим параметрам над другими типами концентрирующих солнечных энергосистем. Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют, что удельная тепловая производительность первых в температурном диапазоне 100-2000С выше приблизительно на 8-10% и именно при таких температурах использование гелиоэнергетических систем, оснащённых коллекторами на базе ВТТ, наиболее целесообразно.

Определен экономический эффект от внедрения в промышленную эксплуатацию гелиотехнических систем на базе исследуемых ВТТ, при этом показано, что они экономически рентабельны и их эксплуатация позволит получить значительную прибыль за счет экономии органического топлива.

Результаты выполненных научных исследований могут быть использованы при создании эффективных гелиоэнергетических установок небольшой мощности для обеспечения энергетических потребностей различных промышленных и сельскохозяйственных технологических процессов и бытовых нужд индивидуальных пользователей.

Достоверность и обоснованность научных исследований, выводов и рекомендаций подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными в результате испытаний ВТТ и гелиоколлекторов на их базе как в лабораторных, так и природных условиях.

Ключевые слова: гелиоколлектор, вакуумированный трубчатый теплоприемник, фоклин, селективное поглощающее покрытие.