ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

Айман Аль Уста

662.987:697.7

ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ВІДНОВЛЮВАЛЬНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ОБ’ЄКТАХ ПРОМИСЛОВОГО ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ СИРІЇ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертацією є р у к о п и с.

Р о б о т а в и к о н а н а в Одеському національному політехнічному університеті (ОНПУ) Міністерства освіти та науки України.

Н а у к о в и й к е р і в н и к:

Доктор технічних наук, професор Мазуренко Антон Станіславович, Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти та науки України, завідувач кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій, директор енергетичного інституту ОНПУ.

О ф і ц і й н і о п о н е н т и:

1. Доктор технічних наук, професор Дорошенко Олександр Вікторович, Одеська державна академія холоду Міністерства освіти та науки України, професор кафедри технічної термодинаміки.

2. Кандидат технічних наук, доцент Пуховий Іван Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України, доцент кафедри теоретичної та промислової теплотехніки.

П р о в і д н а у с т а н о в а – Харківський національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України.

З а х и с т в і д б у д е т ь с я 16 вересня 2003 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою:

65044, м. Одеса, проспект. Шевченка, 1, тел. 288-205

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти та науки України.

Автореферат розісланий 29 липня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кравченко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним джерелом для виробництва теплової та електричної енергії в теперішній час є органічне паливо, використання якого передбачає викиди у атмосферу продуктів спалення, які викликають небезпечний глобальними екологічними наслідками парниковий ефект. З урахуванням дефіциту паливно-енергетичних ресурсів, який гостро відчувається в усьому світі, а також у зв’язку зі зростанням вартості виробництва електроенергії на теплових та атомних електричних станціях, більш жорсткими вимогами екологічного та соціального характеру, актуальною є проблема вдосконалення енерго- та ресурсозберігаючих технологій. Вказані проблеми характерні і для Сирії, де тільки в малій енергетиці споживається біля 50 % енергоресурсів, а ефективність використання природного газу, при обмежених власних його ресурсах, в системах теплопостачання становить близько 40 %. Крім того, енергетичні об’єкти є систематичним джерелом забруднення повітряного басейну, що стимулює дослідження спрямовані на розробку прогресивних екологічно безпечних енерготехнологій.

Використання відновлювальних джерел енергії, в першу чергу сонячної енергії, на об’єктах промислового теплопостачання дозволить покращити екологічний стан, оскільки заміщення теплового навантаження котельних за рахунок сонячної енергії дозволить зменшити об’єм теплових скидів та викидів продуктів спалення в навколишнє середовище, вирішити соціальні проблеми в регіонах Сирії, де відсутнє централізоване енергопостачання, зекономити органічне паливо та ввести в дію виробничий потенціал нерентабельних підприємств, при одночасному вирішенні проблеми зайнятості населення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тема роботи пов’язана з Національною програмою Сирії щодо розвитку нетрадиційної енергетики, з Законами України „Про енергозбереження”, „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” та з регіональною програмою енергозбереження по Одеській області. Робота виконана за напрямком міжнародної програми INTAS, спрямованої на розробку енергозберігаючих екологічно чистих технологій, її тематика та зміст відповідають задачам державної програми “TASIS” Енергоцентру ЄС в Україні.

Мета роботи – вдосконалення техніко-економічних показників систем теплопостачання для умов Сирії на основі раціонального використання сонячної енергії для заміщення теплового навантаження котельних.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані та розв’язані наступні задачі: –

розробка математичних моделей радіаційно-кліматичних умов на основі статистичного аналізу багаторічних метеорологічних даних для оцінки геліотехнічних ресурсів різних регіонів Сирії;–

теоретичні та експериментальні дослідження енергетичної ефективності роботи багатомодульної системи сонячних колекторів, які працюють в умовах природної та вимушеної циркуляції, сумісно з традиційними установками теплопостачання, з метою оптимізації їх конструкції, зменшення вартості комбінованої установки з урахуванням кліматичних умов регіону експлуатації;–

теоретичні та експериментальні дослідження впливу схемних рішень, режимів роботи, гідравлічних характеристик теплоносія, що циркулює в трубках сонячного колектора на енергетичну ефективність комбінованої установки та узгодженість роботи сонячного колектора та котельної установки з урахуванням кліматичних умов регіону експлуатації;–

теоретичні та експериментальні дослідження довготривалих характеристик роботи сонячного колектора, які мають різні енергетичні характеристики в різних кліматичних умовах Сирії на основі реалізації математичних моделей;–

розробка та створення раціональної конструкції сонячного колектора для кліматичних умов Сирії з урахуванням можливостей місцевої виробничої бази, який здатний надійно працювати з високими енергетичними характеристиками;–

розробка рекомендацій щодо оптимальної орієнтації сонячного колектора для кліматичних умов Сирії;

– розробка емпіричних залежностей, алгоритмів та програм для інженерного розрахунку та техніко-економічної оптимізації сонячних приставок на стадії проектування.

Об’єктом дослідження є комбінована установка теплопостачання з використанням відновлювальної (сонячної) енергії.

Предметом дослідження є теплові процеси в багатомодульних комбінованих установках альтернативного теплопостачання на базі сонячної енергії.

Наукова новизна роботи міститься в результатах теоретичних та експериментальних досліджень енергетичної ефективності сонячних колекторів, які працюють сумісно з котельними установками, для кліматичних умов Сирії:–

на основі статистичного аналізу метеорологічних даних регіонів Сирії за період 1980 – 2000 р., розроблена математична модель кліматичних умов Сирії;–

на основі теоретичних та експериментальних досліджень одержані аналітичні та експериментальні залежності для оцінки енергетичної ефективності сонячних колекторів, які працюють сумісно з котельними установками;–

розроблені рекомендації щодо раціонального проектування сонячних колекторів, які входять до складу комбінованої установки теплопостачання з урахуванням схемних рішень, режимів роботи, гідравлічних та енергетичних характеристик, кліматичних факторів, що забезпечують узгодженість роботи сонячного колектора та котельної установки з урахуванням кліматичних умов регіону експлуатації;–

розроблена методика оцінки енергетичної ефективності сонячних колекторів, які входять до складу комбінованої установки теплопостачання, алгоритми та програми інженерного розрахунку;–

на основі натурних випробувань сонячних колекторів, які входять до складу комбінованої установки теплопостачання, доведена ефективність їх роботи в кліматичних умовах Сирії;–

розроблена раціональна конструкція сонячного колектора з такою орієнтацією, що враховує вплив прямої та розсіяної сонячної радіації для кліматичних умов Сирії.

Практична значимість одержаних результатів. Розроблено дослідний примірник сонячної установки, яка має високі енергетичні характеристики для енергозберігаючих технологій. Одержані регресивні залежності, які є зручними для практичних розрахунків комбінованої установки альтернативного теплопостачання. Одержані результати дозволяють розпочати впровадження комбінованих установок теплопостачання з сонячними приставками в промисловості, комунальному та аграрному секторі.

Результати роботи були впроваджені: у територіальному управлінні державної інспекції з енергозбереження по Одеській області у вигляді рекомендацій щодо розвитку та вдосконалення різних форм енергозбереження за рахунок впровадження сонячних приставок до котельних установок з метою економії паливно-енергетичних ресурсів, які ввійшли до регіональної „Програми енергозбереження до 2006 р.”; в промисловій котельні м. Алеппо (Сирія) для гарячого водопостачання; на виробничій базі філії кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій (ТЕС та ЕТ) ОНПУ в „Луганськтеплокомуненерго”. Розроблена методика оцінки енергетичної ефективності сонячних колекторів, які входять до складу комбінованої установки теплопостачання, використовуються в учбовому процесі кафедри ТЕС та ЕТ ОНПУ, в курсовому та дипломному проектуванні, при проведені практичних та лабораторних робіт по курсу „Сонячні системи теплопостачання” для студентів спеціальності 7.090504 “Нетрадиційні джерела енергії”, які автор проводив в період навчання в аспірантурі; в науково-дослідній роботі кафедри ТЕС та ЕТ ОНПУ при виконанні НДР у межах відповідних програм Міністерства освіти та науки України.

Особистий творчий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні дослідження виконані особисто, а впровадження розробок здійснювалось при безпосередній участі автора. В наукових працях [2,3,4,5,6,7,8], що написані в співавторстві, автору належить розробка методики аналізу енергетичної ефективності та економічної доцільності використання сонячної приставки до котельні, аналіз режимів її роботи, опрацювання та аналіз результатів експерименту. В самостійній публікації [1] автору належить розробка та аналіз геліотехнічного потенціалу Сирії, математичних моделей кліматичних умов, розробка карти геліотехнічних зон Сирії. Патент [9] отримано з однаковою особистою участю співавторів.

Апробація. Основні результати дисертації обговорювались на: семінарах регіонального центру енергозбереження, управління державної інспекції з енергозбереження по Одеській області, галузевого центру нетрадиційних технологій та екології, Одеської обласної державної адміністрації “Перспективи впровадження енергозберігаючих технологій та обладнання на підприємствах та в установах Одещини” (м. Одеса, Україна, 2000); Міжнародному симпозіумі “Екологічні проблеми Чорного моря” (м. Одеса, Україна, 2000); семінарі “Проблеми зміни клімату” (м. Одеса, Україна, 2001); 4-ій Міжнародній конференції “Управління енерговикористанням” (м. Одеса, Україна, 2001); 3-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, Україна, 2001); 59-ій науково-технічній конференції Одеської академії будівництва і архітектури (м.Одеса, Україна, 2001); 8-ому Міжнародному Форумі Енергетиків GRE’2002” “Енергетичне господарство і обладнання”, (м. Бєльсько-Бяла, Польща, 2002); Міжнародній конференції “World Sustainable Energy Day’2003” (м. Вельс, Австрія, 2003).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, з них 4 статі (1 одноосібна) у фахових виданнях, визнаних ВАК України, 3 роботи – повні тексти доповідей на міжнародних наукових конференціях та форумах, 1 робота – тези доповіді на міжнародній науковій конференції та 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 142 стор., містить 45 рисунків на 15 стор., 11 таблиць на 6 стор., список використаних джерел з 95 найменувань на 9 стор., 5 додатків на 14 стор.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи з урахуванням сучасних еколого-енергетичних проблем теплоенергетики Сирії та ролі сонячної енергії в галузі автономного теплопостачання, сформульовано мету і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практична значимість одержаних результатів, обговорюється особистий внесок та наведені відомості щодо апробації роботи.

В першому розділі виконано аналіз сучасного стану паливно-енергетичного комплексу Сирії та визначені перспективи розвитку систем альтернативного теплопостачання на базі сонячної енергії, відповідно з призначенням та умовами експлуатації. Вказано, що з 1991 року в Сирії Міністерство енергетики проводить послідовну політику, яка спрямована на енерго- та ресурсозбереження. Практично реалізуються спеціальні державні програми „Підтримки сектора енергетики Сирії на базі екологічно чистих джерел енергії (ESSP та ESMAP)” та „Програма захисту навколишнього середовища (GCEA)” при підтримці Європейського Союзу, фонду „UNDP” Сирії та Світового Банку розвитку „UNDP/World Bank Energy Sector Management Assistance”.

Детально проаналізовано можливості та перспективи ефективного впровадження геліосистем в Сирії, розглянуті перспективні конструкції геліоколекторів та схеми комбінованих систем теплопостачання з сонячними приставками. Сформульовані основні задачі світової геліоенергетики на сучасному рівні її розвитку, вказані шляхи та методи підвищення ефективності роботи геліосистем теплопостачання.

Вказано, що для реалізації на практиці комбінованих геліосистем теплопостачання (КГСТ) та сонячних приставок до котельних установок, необхідно використовувати більш ефективні конструкції сонячних колекторів з вимушеною циркуляцією, необхідно створити ефективні теплообмінні пристрої, оцінити тепло-гідравлічні та техніко-економічні параметри устаткування, яке працює в завданих кліматичних умовах та узагальнити радіаційно-кліматичні характеристики і геліотехнічні можливості різних регіонів Сирії, оскільки існуючі дані мають несистематизований характер, відривні, або зовсім відсутні.

У другому розділі виконано аналіз особливостей кліматичних умов Сирії, визначено геліотехнічні можливості регіонів з метою збільшення масштабів використання сонячної енергії на об’єктах промислового теплопостачання, виконано порівняння з геліотехнічними можливостями територій України. Оцінка геліотехнічних можливостей різних регіонів Сирії виконана на основі статистичної обробки масиву даних по інсоляції за період 1980 – 2000 р., одержаних від 30 метеорологічних станцій світу, за допомогою вбудованих статистичних функцій прикладних пакетів програмування Excel та MathСad, що дозволило одержати зручні для практичного використання регресивні рівняння для розрахунку середньодобового потоку інсоляції на горизонтальну поверхню сонячного колектору для різник регіонів Сирії:

H(n)= A + B cos [(2365)(n–173), МДж/(м2доба).

де А=26,4–0,29 та B=2,245+0,18 – коефіцієнти регресивного рівняння.

Визначено середньорічний добовий потік сонячного випромінювання, що надходить на горизонтальну поверхню сонячного колектору для регіонів Сирії

Hрік = С + D + E 2 , МДж/(м2доба).

де C = –18,905; D=2,7584 та E = –0,0568 – коефіцієнти регресивного рівняння,

На основі формул (1) та (2) побудовані зручні для практичного використання графіки та номограми, які наведені в другому розділі роботи. Одержані результати дозволили встановити, що потік сонячного випромінювання, який надходить на горизонтальну поверхню сонячного колектору за рік для Сирії становить 5763 МДж/м2, для порівняння в Україні цей показник дорівнює 4350 МДж/м2, а середня тривалість сонячного випромінювання в Сирії та Україні, відповідно, 2420 та 2015 годин за рік.

Рис. 1. Геліотехнічні зони Сирії | На основі розроблених математичних моделей вперше побудована зручна для практичних розрахунків карта розподілення середньорічного рівня інсоляції по території Сирії, яка містить чотири геліотехнічні зони (рис. 1). Визначено сумарне річне значення валового геліотехнічного потенціалу: Н = Нi Аi,де Нi – середньорічний потік інсоляції в i-ій зоні Сирії; Аi – площа i-ої зони, яка дорівнює: Аi = ,

Виявилось, що сумарна величина річного валового сонячного потенціалу тільки для 1% територій Сирії становить Н(1%Аi) = 10661012, МДж/м2. Технічний геліопотенціал, реалізований з використанням сонячних колекторів становить:

,

де: Нj=.

Середньорічний технічний потенціал сонячного енергії для всієї території Сирії, розрахований за нашою методикою становить Нтехн= 29,4 млн. МВт, що 1,15 раз більше річного запиту на енергію в Сирії в цілому. Порівнюючи одержані 15 % з щорічним ростом запиту на енергію 8,2 % можна зробити висновок про доцільність розвитку енергозберігаючих технологій Сирії на базі сонячної енергії.

Відомості щодо середньодобового потоку сонячної енергії, яка поступає на горизонтальну поверхню сонячного колектору для Сирії в МДж/м2 при середніх умовах хмарності, які можна використовувати для практичних розрахунків, містяться в табл..1.

Середньодобові та середньорічні потоки сонячного випромінювання по зонам різняться: в першій зоні, відповідно, 10,5...12,4 МДж/(м2доба) та 3900...4500 МДж/м2; в другій – 12,5...16,0 МДж/(м2доба) та 4550...5850 МДж/м2; в третій – 16,1...18,9 МДж/( м2доба) та 5900 ... 6900 МДж/м2; в четвертій (Сирійська пустеля) – 19,2...20,6 МДж/( м2доба) та 7000 ... 7500 МДж/м2. Таким чином, вся територія Сирії площею 185180 км2 багата ресурсами сонячної енергії і є перспективною щодо геліотехнічних можливостей, поступаючись лише декільком Латиноамериканським державам та Австралії.

Таблиця 1

Добовий потік інсоляції для Сирії, МДж/м2 (розподілення по місяцях)

Регіон | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | В рік

Эль Баб | 3,78 | 4,85 | 10,34 | 15,15 | 19,45 | 22,15 | 22,25 | 19,35 | 14,32 | 9,15 | 3,77 | 2,85 | 4500

Алеппо | 3,24 | 4,86 | 9,54 | 12,95 | 15,15 | 20,25 | 20,55 | 18,25 | 11,72 | 9,15 | 2,95 | 2,35 | 3997

Ракка | 4,85 | 6,97 | 11,95 | 17,25 | 21,85 | 25,96 | 25,42 | 22,85 | 17,45 | 11,65 | 5,36 | 3,65 | 5345

Эль Зор | 4,95 | 7,15 | 12,25 | 18,15 | 22,45 | 26,93 | 28,53 | 23,58 | 18,25 | 12,05 | 5,74 | 3,87 | 5610

Тадмор | 5,15 | 7,85 | 13,13 | 19,12 | 24,31 | 26,95 | 28,95 | 24,55 | 19,65 | 14,15 | 5,98 | 4,32 | 5922

Баніас | 5,45 | 8,35 | 13,96 | 21,89 | 24,98 | 28,97 | 30,24 | 28,73 | 23,86 | 16,85 | 6,55 | 4,88 | 6550

Латакия | 5,15 | 7,74 | 13,11 | 21,23 | 24,15 | 27,63 | 29,15 | 27,35 | 22,21 | 16,12 | 6,15 | 4,35 | 6234

Саламія | 5,75 | 8,56 | 14,39 | 23,77 | 25,46 | 28,84 | 30,12 | 29,25 | 23,52 | 17,34 | 8,35 | 5,15 | 6725

Хама | 5,85 | 8,76 | 14,76 | 23,93 | 25,76 | 29,14 | 30,42 | 29,75 | 23,88 | 18,24 | 8,45 | 5,55 | 6848

Хомс | 5,82 | 8,83 | 14,91 | 23,91 | 25,81 | 29,54 | 30,63 | 29,81 | 24,14 | 18,64 | 8,61 | 5,58 | 6900

Пустеля | 7,31 | 9,28 | 15,29 | 24,33 | 27,45 | 30,73 | 31,65 | 31,69 | 26,82 | 20,84 | 13,86 | 6,67 | 7500

Засобами прикладних пакетів ПЕОМ виконано математичне моделювання радіаційно-кліматичних характеристик різних регіонів Сирії, що здійснюють вплив на енергетичні показники сонячних колекторів, які працюють в конкретному регіоні. Наприклад, для регіону м. Алеппо (Сирія) встановлено, що середньорічна добова інтенсивність потоку сонячного випромінювання становить Нср(n)=1,95+2,3943n–0,1857n2,кВт-год/(м2доба). Математична модель зміни середньодобової температури повітря протягом року, що має вигляд tн(n)= –7,8477 + 9,6838 n – 0,6896 n2, 0С, встановлює кореляційну залежність між середньодобовою температурою повітря та середньомісячною амплітудою коливання температури навколишнього повітря t у вигляді t = 0,1586tн + 2,921, 0С. Для середньодобової швидкості вітру одержано залежність W(n)=1,95+0,6433n–0,0582n2, м/с, а для коефіцієнта хмарності встановлено, що Кт(n)=0,9885+0,1526n–0,0113n2.

Порівняння результатів моделювання з реальними кліматичними даними наведено на рис. 2. Результати моделювання зміни температури зовнішнього повітря та мережної води протягом року наведено на рис. 3, звідки видно, що криві мають подібний характер з деяким запізненням по температурі мережної води. Визначено оптимальні кути нахилу геліоколекторів для регіонів Сирії.

Визначені параметри використані при розрахунках енергетичної ефективності сонячних колекторів, які використовуються як приставка до котельної установки у складі комбінованої системи теплопостачання.

Рис. 2. Радіаційно-кліматичні умови для регіону м. Алеппо (Сирія)

Рис. 3. Зміна температури мережної води (tсв) та навколишнього повітря (tн)

У третьому розділі представлені результати розрахунку енергетичної ефективності сонячного колектору. При оцінці енергетичної ефективності сонячних колекторів (СК) звичайно розглядають параметри, що залежать від кліматичних умов: Нс, Та, Т1 та всі конструктивні характеристики СК – , , d, W, , та число шарів скла. Вказані параметри традиційно використовуються для оцінки енергетичного ефективності автономних сонячних колекторів, що працюють при природній циркуляції.

Використання сонячних колекторів сумісно з котельними установками (рис. 4) потребує додаткових досліджень ефективності сонячних колекторних приставок, оскільки в цьому випадку циркуляція теплоносія у контурі є вимушеною. Є необхідним аналіз ефективності сонячних приставок, по-перше, з позиції оптимізації їх конструкції зниження вартості комбінованих установок теплопостачання, по-друге, з позиції оцінки впливу витрати води, що нагрівається з 1 м2 площі СК, а також швидкості циркуляції води у трубках сонячного колектора. В цьому випадку оптимальні значення вказаних параметрів здатні забезпечити високу ефективність комбінованої установки та узгодженість в роботі сонячної приставки та котельного агрегату. В роботі запропонована методика, що дозволяє оптимізувати означені впливові параметри при сумісний роботі сонячних колекторів та котельної установки.

Баланс енергії СК розглядається у вигляді: НсАс() = Qu + Qпот , (1)

Тепловий потік, який передається від поглинаючої пластини до рідини, визначаючий теплопродуктивність СК, можна розрахувати за формулою:

Qu = mср(Т2 – Т1) , (2)

Тепловий потік, який визначає теплові втрати СК, теплові втрати СК, можна розрахувати за формулою:

Qпот = К Ас (Тс – Тв) , (3)

Тепловий потік, що передається вздовж потоку, джерелом якого є сонячне випромінювання, що надходить на 1 м довжини труби СК внутрішнім діаметром d:

qu = [d+ (W/2)F)][()c – K TВ – Та ] , (4)

Ефективність оребріння поглинальної пластини СК:

F = th[p(W – d)/2]/[p(W – d) 2] (5)

де p = [2В /()]1/2 – розрахунковий параметр.

Тепловий потік qu, що відводиться рідиною, яка циркулює в трубі при температурі Тf :

qu = d ВTВ – Тf ] . (6)

Повний корисний тепловий потік від всієї поверхні поглинаючої пластини, з урахуванням рівнянь (1–5):

Qu = Ас FR[()c– KTВ – Та], (7)

де FR – коефіцієнт відводу тепла СК, який можна визначити з формули:

FR = (mср / K Ас ) {1 – exp[–АсK F / (mср)]} . (8)

З іншого боку, коефіцієнт відводу тепла дорівнює:

FR = G cp(Т2 – Т1) / [()c– KT1 – Та]], (9)

де G = m/Ас– витрата води на 1 м2 площі СК, кг/(см2).

Рис. 4. Схема КСТ з теплообмінниками для підводу тепла до бака-акумулятора

При цьому коефіцієнт ефективності сонячного колектору:

F = (1/К) /{W [(1 / (K(d +(W – d)F))) + (1/( d В))]} . (10)

Зазначимо, що коефіцієнт тепловіддачі В від внутрішньої поверхні труби адсорбера до рідини може змінюватись в широких межах від 100 до 5000 Вт/(м2К), що залежить від режиму руху та геометрії прохідного перерізу каналу. При розрахунках автономних СК звичайно задаються необхідною температурою підігріву води, а ККД СК звичайно визначають графічним шляхом в залежності від середньої темперітури пластини Тср= (T1 + Т2)/2 та температури зовнішнього повітря Та з урахуванням числа скляних покрить.

Проте, існуюча методика може бути розповсюджена тільки на сонячні колектори, які працюють при природній циркуляції рідини, коли витрата та швидкість звичайно не розраховуються, а визначаються приблизно за емпіричними даними, з урахуванням температурного напору Т=(T2–Т1) та взаємного розташування СК та бака-акумулятора, тому оцінити достовірно швидкість циркуляції рідини в трубках СК неможливо.

При використанні СК як приставки до котла (рис. 4), необхідна споживачу температура теплоносія гарантується котельною установкою, а сонячний колектор виконує роль водяного економайзера з вимушеною циркуляцією, забезпечуючи попередній підігрів води. Для вказаних умов характер зміни коефіцієнта ефективності СК від швидкості циркуляції та питомої витрати теплоносія крізь колектор не встановлений, тому існуюча методика, яка пристосована для розрахунку СК з природною циркуляцією, відповіді на це питання не дає. Для дослідження функції коефіцієнта ефективності СК від коефіцієнта тепловіддачі F = f(в), необхідно попередньо встановити залежність коефіцієнта тепловіддачі від режиму течії В = f(Re).

Для вимушеного турбулентного режиму руху інтенсивність теплообміну:

Nuж = 0,021·Reж0,8 · Prж0,43 (Prж / Prс )0,25. (11)

Рівняння (11) визначає тепловіддачу в прямих гладких трубах при (l/d) > 50. За визначальну температуру приймається середня температура рідини Тср=(Т1+Т2)/2, а визначальним розміром є внутрішній діаметр труби d. Число Prс вибирається за середньою температурою поверхні стінки труби.

Для вимушеного ламінарного режиму руху інтенсивність теплообміну:

– при в’язкістному режимі (Ra = GrPr 8 105):

Nuж = 1,55·(Reж· Prж· d / l )1/3 (ж /с)1/7; (12)

– при в’язкістно-гравітаційному режимі (при Ra =GrPr > 8 105):

Nuж = 0,15·Reж0,33 · Prж0,43 Grж0,1 (Prж / Pr с )0,25 , (13)

що дозволяє визначити коефіцієнт тепловіддачі від поглинаючої пластини СК до рідини в трубках В =Nud.

На рис. 5 представлені розрахункові схеми циркуляції рідини для трьох типових варіантів з’єднання модулів СК при однаковій сумарній витраті рідини G (м3/с), але при різній питомій витраті G = G/Ас, м3/(см2).

Рис. 5. Розрахункові схеми для 3-х варіантів з’єднання модулів СК

Результати розрахунку теплової ефективності СК за запропонованою методикою для розглянутих варіантів з’єднання модулів СК при різних значеннях сумарної витрати рідини G дозволили проаналізувати енергетичну ефективність СК в широкому діапазоні швидкостей циркуляції рідини в трубках СК.

На рис. 6 в графічному вигляді представлені результати розрахунків коефіцієнту теплової ефективності сонячного колектора F та коефіцієнту відводу тепла FR в залежності від режиму течії та конструктивних параметрів СК. На рис. 7 для аналогічних умов представлені графіки зміни коефіцієнта тепловіддачі в від внутрішньої поверхні труб до рідини та зміна відповідного температурного напору Т. Аналіз результатів розрахунку показує, що для СК з природною циркуляцією (V = 0,01 – 0,03 м/с) коефіцієнт ефективності відповідає діапазону значень F = 0,8 – 0,85, а коефіцієнт відводу тепла відповідає діапазону FR = 0,68 – 0,8.

Рис. 6. Залежність коефіцієнта ефективності F та коефіцієнта відводу тепла FR від

режиму течії при d = 0,01 м та Тср = 40 оС

Рис. 7. Залежність коефіцієнта тепловіддачі в та температурного напору Т від швидкості циркуляції при d = 0,01 м та Тср = 40 оС

З графіків видно, що коефіцієнт тепловіддачі в = 200 – 300 Вт/(м 2К), а температурний напір Т = 8 – 12 оС. Таким чином, для СК з природною циркуляцією рідини ККД, який є функцією різниці температур Т між навколишнім середовищем і рідиною на вході та коефіцієнта відводу тепла FR:

СК = FR(){1– KTв – Та/ [(Нс()]} , (14)

при помноженні на коефіцієнт відводу тепла FR знижується приблизно на 30 %, а температура рідини на виході з СК “відстає” від температури пластини на 10 0С або більше, чим пояснюється низька теплова ефективність сонячних колекторів з природною циркуляцією. Отже, використання вимушеної циркуляції рідини в СК дозволяє збільшити коефіцієнт ефективності до F = 0,95, при цьому коефіцієнт відводу тепла також збільшується до FR = 0,95, а температура рідини, що нагрівається, наближується до температури поверхні поглинаючої пластини при температурному напорі Т = 1 0С, що суттєво збільшує теплову ефективність сонячного колектора.

Для визначення температури труб адсорбера зі сторони виходу (Th1) води та зі сторони входу води (Th2) виконано дослідження термодинамічної ефективності Е адсорбера СК як теплообмінника, з урахуванням розподілення температур вздовж поверхні труб поглинаючої пластини:

E = {1– exp[–NTU(1– cв/cск)]} / {1– [(cв/cск) exp[–NTU(1 – cв/cск)]} , (14)

де NTU = KF · Атр /cB – число одиниць переносу тепла.

Оскільки Е означає зрівняння фактичного та максимально можливого теплового потоку, а величина максимально можливого теплового потоку обмежена другим законом термодинаміки, то справедливо:

E = cв(Т2 – Т1) / cмин(Тh1 – Т1). (15)

З урахуванням сВ = cмин, одержано E = (Т2 – Т1) / (Тh1 – Т1).

Графік функції Е = f(NTU) (рис. 8) побудовано на основі рівняння (14) для СК площею Аск = 1 м2 при різних масових витратах m води крізь СК з урахуванням в.

Рис. 8. Графік функції Е = f(NTU) при ск = 0,5

В загальному випадку середня різниця температур на довільній дільниці вздовж поверхні поглинальної пластини СК дорівнює: Тср = (1/ Атр)· Т· dАтр, (16)

а приріст температури вздовж труби СК Т = Та exp(–q ·В ·Атр) . (17)

Звідки Тср =(Та /Атр) ·exp(–q ·В ·Атр)·dAтр=[Та / (–q ·В ·Атр)]·[exp(–q·В ·Атр)–1)] та Та = Тср · (–q ·В ·Атр) / [exp(–q ·В ·Атр) – 1)]. (18)

Температура труби зі сторони виходу води Тh2

ТВ = Та exp(–q ·В ·Атр) , (19)

де q = (1/сск) – (1/св) = [1/(св/0,5)] – (1/св) = [1/(m·сp/0,5)] – (1/ m·сp).

Запропонована методика, з урахуванням багатомодульної структури сонячної приставки дозволила одержати результати (рис. 9) щодо термодинамічної ефективності Е та коефіцієнта відводу тепла FR СК для розглянутих вище гідравлічних схем.

Рис. 9. Зміна термодинамічної ефективності Е та коефіцієнту відводу тепла FR для багатомодульної структури СК

На основі вищевикладених теоретичних положень запропонована методика розрахунку температури теплоносія на виході СК, визначена термодинамічна ефективність при різних масових витратах води m (табл. 2), для QU = 500 Вт; сp = 4184 Дж/(кг· К); Т1 = 20 оС та ск = 0,5, звідки видно, що для ефективної роботи СК (при Е >0,8) необхідно NTU >2, що відповідає умові m < 0,005 кг/с.

Таблиця 2

Результати розрахунку температури води ТВ та поверхні труб СК ТС по довжині

№ | Параметр | mI = 0,05 кг/с | mII= 0,01 кг/с | mII= 0,02 кг/с

1 | Тср = QU/(В ·Атр) , оС | 12,02 | 9,43 | 7,5

2 | Т2 = Т1 + QU/(В ·Атр) , оС | 43,9 | 31,9 | 25,98

3 | NTU = В · Атр /cB | 1,99 | 1,27 | 0,8

4 | Термодинамічна ефективність Е | 0,78 | 0,64 | 0,5

5 | Тh1 = Т1+(Т2 – Т1)/Е , оС | 50,9 | 38,7 | 32,1

6 | q = [1/(m·сp/ск)] – (1/ m·сp)– | 0,024– | 0,0119– | 0,006

7 | Тв = (Тh1 – Т2) ·exp(–q ·В ·Атр) , оС | 18,97 | 12,73 | 9,08

8 | Тh2 = Т1 + Тв , оС | 38,96 | 32,73 | 29,08

9 | Та = Тср·(–q ·В ·Атр) / [exp(–q ·В ·Атр) – 1)] | 7,02 | 6,76 | 6,09

10 | Перевірка Тh1 = Т2 + Та | 50,9 | 38,7 | 32,1

Запропонована методика розрахунку дозволила встановити, що при вимушеній циркуляції рідини в контурі СК для збереження ефективності його роботи при NTU > 2 слід підключати одиничні модулі СК послідовно в кількості nск 2·ср·m /Атр· KF .

В четвертому розділі наведена методика та результати експериментальних досліджень сонячних колекторів в умовах природної та вимушеної циркуляції рідини.

Методика експериментального дослідження СК базується на визначені ККД, як відношення теплопродуктивності СК до кількості сонячної енергії, що надходить на його поверхню: ск = Qu /(A ск Hc) (20)

З іншого боку ККД СК визначається ефективним оптичним ККД 0 = та ефективним коефіцієнтом теплових втрат К: ск = [0 – К(Tс – Tа) /Hc] FR . (21)

Результати експериментальних досліджень ККД СК зручно представити в вигляді функції ск = f(), де параметр = (Tс – Tа) /Hc . Оскільки К практично не залежить від температури, то рівняння (21) уявляє собою лінійну залежність в координатах (ск , ). Для більшості типів СК такі графіки містяться в літературі, проте зіставлення цих типових даних щодо ск = f() показує, що енергетичні характеристики для ідентичних конструкцій СК не співпадають на 20 %. Це пояснюється тим, що авторами не враховується коефіцієнт відводу тепла FR, який звичайно приймається FR 1, в той час як FR 1 (рис. 6). Виконані нами дослідження дозволили оцінити характер зміни FR для різних гідравлічних схем роботи багатомодульної структури СК при зміні питомої витрати рідини Gск = m/Аск крізь СК. Встановлено, що при зменшені питомої витрати коефіцієнт відводу тепла суттєво змінюється в залежності від гідравлічної схеми з’єднання СК, наприклад, FR 0,6 – 0,8 при зміні витрати у межах Gск 0,05 – 0,01 кг/(м2с).

Схема експериментального стенду для дослідження енергетичної ефективності СК (рис. 10) дозволяє визначити ККД СК з природною та вимушеною циркуляцією, проте у випадку природної циркуляції виникають труднощі, які пов’язані з надійністю вимірювання малих витрат рідини Gск, внаслідок незначного напору в системі (~ 100 Па). Для надійного вимірювання малих витрат в діапазоні 0,005 – 0,01 кг/(м2с), розроблена спеціальна конструкція витратоміра типу Вентурі (рис. 11), в якому кут конусності менше 100, що дозволяє зменшити власні гідравлічні втрати та попередити зниження швидкості рідини в контурі СК, а це дозволило проводити точні вимірювання витрати в трубопроводі на вході в бак-акумулятор (БА) при мінімальних втратах напору та зберігати режим природної циркуляції. Внутрішній корпус витратоміру, горловина якого поєднана з замкнутою порожниною зовнішнього корпусу, дозволяє підключати п’єзометричні трубки для відбору тиску з горлового перерізу.

На рис. 12 – 13 наведені експериментальні дані щодо нагріву води в одиничному модулі СК площею Аск = 1 м2 в ясний сонячний день. З графіків видно як змінюється температура води на вході та виході СК, а також у верхній та нижній частині БА протягом дня (рис. 13), причому температура в верхній частині БА наближується до температури води на виході СК, що свідчить про акумулювання тепла.

При цьому температура води на вході в СК у зрівнянні з температурою в нижній частині БА протягом дня все більше відстає, що є наслідком охолодження теплоносія в трубопроводі циркуляції. Таким чином, можна зробити висновок щодо необхідності надійної ізоляції не тільки СК та БА, але й системи з’єднувальних трубопроводів, а також підтримання стратифікації температури по висоті БА, наприклад, шляхом зниження турбулентності потоку теплоносія, який надходить в верхню частину БА, що забезпечить високу теплову ефективність сонячної приставки.

Результати обробки експериментальних даних свідчать (табл. 3) про добре наближення експериментальних (скЭ) та розрахункових значень КПД (скР ), одержаних з урахуванням реальних значень FR за нашою методикою.

Таблиця 3

Результати обробки експериментальних даних |

Номер досліду та час заміру

Параметр | Формула | №1

11.00 | №2

12.00 | №3

13.00 | №4

14.00 | №5

15.00

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Hc, Вт/м2 | Експеримент | 816 | 889 | 925 | 922 | 900

Tа, 0С | Експеримент22 | 27 | 29 | 32 | 31

T1, 0С | Експеримент30 | 33,3 | 39 | 43,5 | 40,1

T2, 0С | Експеримент49 | 54,3 | 61 | 63 | 61,6

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

h, мм.вод.ст | Експеримент9 | 11 | 12 | 12,5 | 11

p, Па | p =gh | 98 | 108 | 118 | 129 | 108

Швидкість води, Wв, м/с | (2p /в)1/2 | 0,42 | 0,44 | 0,49 | 0,5 | 0,47

m , кг/с | Fгв Wв0,0052 | 0,0058 | 0,0059 | 0,0062 | 0,0058

FRРис. 6 | 0,74 | 0,75 | 0,75 | 0,76 | 0,75

Qu, Вт | mcp(T2– Т1) | 414 | 510 | 557 | 560 | 520

ККД по експерименту скэ | Qu /(A ск Hc)0,51 | 0,575 | 0,60 | 0,60 | 0,58

Параметр = (Tс – Tа) /Hc0,0215 | 0,0192 | 0,0179 | 0,0172 | 0,0174

Розрахунковий ККД скр | [0 –К(Tс – Tа) /Hc] FR | 0,54 | 0,58 | 0,6 | 0,61 | 0,60

Найбільша відносна похибка вимірювання рівня води становить 12 %, витрати рідини – 3,5 %. Сумарна похибка вимірювання температури води в СК та БА термоелектричними перетворювачами ТХКР–0,2–С/Х–3 в комплекті з вторинним приладом КСП-4 становить т = 1,34 К.

П’ятий розділ присвячений визначенню техніко-економічних характеристик комбінованих сонячних систем теплопостачання, їх порівнянню з традиційними системами теплопостачання з метою визначення економічної доцільності використання КСТ. Економічна доцільність визначається показником річної економічної ефективності:

Эгод=Зтгод–Зкгод=(КтЕн–Стгод)–(КкЕн–Скгод). (22)

Запропонована нами конструктивна схема КСТ, яка здатна підтримувати ефективну взаємодію сонячної приставки з котлом (рис. 4), повинна забезпечувати максимальний коефіцієнт заміщення для зниження паливної складової витрат та мати високий ККД сонячної приставки для економії капітальних витрат на приставці. Використання КСТ економічно доцільним є при умові Эгод = Зтгод – Зкгод > 0, а теплова та економічна ефективність КСТ залежить від конструктивних та режимних факторів (температури підігріву води в приставці). В табл. 4 наведена методика та результати розрахунків економічної ефективності використання КСТ для регіону Алеппо (Сирія). В розрахунках прийнято, що традиційна котельна установка працює цілорічно, забезпечуючи споживачів гарячою водою з температурою Тг = 60 оС, а СК приставка працює протягом півроку літнього сонцестояння. Для котла Т = 0,8; Ву.т. = 0,98 т/год; Qпгод = 255103 ГДж/рік; Кт = 2106 $; Qср = 22,37 МДж/(м2доба). Основні характеристики СК FR, , , К прийняті за нашою методикою, врахована питома вартість СК кс = 50...100 $/м2 та зміна коефіцієнту =f(Т2). В розрахунках враховані багаторічні кліматичні дані для Сирії, температура повітря Тсра для піврічного літнього періоду прийнята з поправкою на тривалість сонячного сяяння. Результати розрахунків вартості виробленого тепла та річної економічної