Термосифонные солнечные водонагревательные установки

Экспериментальный стенд представляет собой солнечную водонагревательную установку с естественной циркуляцией, состоящую из солнечного коллектора (СК), бака аккумулятора и приборов регистрации температур (рис.1). Для эксперимента использовался солнечный коллектор (СК) площадью 2 м² производства ООО «Центр энергоэффективных технологий» г. Улан-Удэ. Поглощающая панель коллектора выполнена из параллельно расположенных медных трубопроводов DN10, припаянных к сборным медным трубопроводам DN15 (рис. 2). Пайка осуществляется твердым припоем, увеличивающим прочность изделия и стойкость к высоким температурам, которые могут возникнуть в СК. Медные трубопроводы DN10 обжимаются медными пластинами с селективным покрытием для передачи тепловой энергии с поверхности пластин теплоносителю в трубе. Это покрытие имеет следующие энергетические характеристики: коэффициент поглощения солнечной энергии а = 95 % и коэффициент излучения тепловой энергии 8 = 5 %.

Корпус СК выполнен из фольгированного полиуретана, закрытого листом 6-миллиметрового поликарбоната. В бак-аккумулятор, изолированный 100-мм слоем изовера и 6-мм энергофлексом, вмонтированы датчики по трем зонам. В первой зоне датчик был размещен на расстоянии 15 см от дна бака, второй датчик в середине бака-аккумулятора и в третьей зоне на расстоянии 15 см от уровня поверхности воды в баке.

Эффективность СВНУ зависит не только от метеорологических и конструктивных параметров СК, но и от режима работы: температуры и расхода теплоносителя.

Количество полезного тепла, Q пол , Вт*ч, вырабатываемое СК в часовом интервале за световой день, находим из выражения [1]:

Q пoл = aF r Эр (^) - U l ( Т вых тТ_а ) )

где Q - полезная тепловая мощность СК, Вт/м²;

Э - плотность потока суммарной (прямой и рассеянный) солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м²;

А – площадь СК;

F^ - коэффициент эффективности поглощающей панели;

• -    пропускательная способность прозрачной изоляции;

• -    поглощательная способность панели коллектора;

• U - общий коэффициент тепловых потерь, Вт/(м² К);

Т - температура теплоносителя на выходе из СК, К;

Т - температура окружающего воздуха, К.

Рис.1. Экспериментальная СВНУ 2 м

Рис. 2. Элементы СК:

1 – прижимной профиль; 2 – уплотнение; 3 – поликарбонат 6-мм; 4 – корпус; 5 – поглощающая пластина с селективным покрытием, 6 – трубопроводы DN10

Даффи и Бекман [1] исследовали влияние теплоемкости на режим работы СК. Это влияние обусловлено нагреванием СК от низкой температуры после полудня и колебаниями характеристик в течение дня при изменении внешних факторов. Уравнение баланса энергии для поглощающей пластины, теплоносителя и изоляции нижней поверхности СК было получено авторами [1] в предположении, что они имеют одинаковую температуру, а светопрозрачное покрытие имеет постоянную температуру, отличную от температуры пластины:

( mc )

dT p

p _d

= A ^ (ТО) -Ul (Т вых -T a ) ",

где (mc) p – эффективная теплоемкость СК.

При циркуляции нужно учитывать только теплоемкость протекающего теплоносителя, поскольку температура пластины не меняется. Если считать, что время равно 1 ч, то эффективная теплоемкость будет равна:

(mc) p = G*c р , где G – расход, л/ч;

с р - удельная теплоемкость воды, равная 1,16 Вт*ч/л*С⁰.

При условии, что Эр (тос) и Ta остаются постоянными в течение одного часа, решение уравне- ния баланса энергии имеет вид [1]:

Э (т^ -Ul (Т вых тТ_а )

UA

⁽ mc ) p

.

ехр

Э (тсс) -U_l (Т^иач тТ_а )

L   выхН Ч     а

Применение данного уравнения для каждого часового интервала позволит определить температуру СК в функции времени.

Из уравнения определяем выходную температуру СК для каждого часового интервала, для интервала 8-9 ч начальную температуру принимаем равной температуре окружающей среды:

Эд (тсс)

вых     а

UL

Э (тсс)

--—--^(ТвыхНАЧ- Т а ) - ехр

UL

UA

^{( mc )} p

.

Рассчитываем среднюю температуру воды в баке-аккумуляторе при условии, что она распределена равномерно. Отбор тепла не производится. Температуру на входе в СВНУ можно принять равной температуре в баке в предыдущий час, Т вх =Т б .

Температура в баке в текущий час определяется из уравнения теплового баланса:

( mc р ) б

^ = Э'- (та) „-(С^-Уб-Та ),d

откуда т = т +

Тб Та

V c p

- Э^ (таг) n -А- U l (Т₆ нач тТ_а ) ;

Начальная температура в баке-аккумуляторе равна начальной температуре окружающей среды Т бНАЧ1 =Т а .

Рассчитываем Т вых и Т б для 9 часовых интервалов при следующих условиях:

U L =4,5 Вт*ч/град; G=2,5 л/ч; А=2 м²; V= 100 л.

Экспериментальные испытания проводились в период выбранных пятидневок. В каждый из пяти ясных дней производилось 9 замеров (температура воды на входе и выходе из СК, температура в баке-аккумуляторе по трем зонам). Значения температур фиксировались двумя солнечными контроллерами Resol BS4.

Полученные расчетные и экспериментальные значения приведены в таблице.

На основании полученных расчетных и экспериментальных данных определяем количество полезного тепла Q пол , вырабатываемого СК, и количество аккумулируемого тепла Q акк баком-аккумулятором по формуле:

Q акк =V*c р (Т б -Т вх ).

Результаты изменения температуры по трем зонам и расчетное значение температуры в баке-аккумуляторе приведены на рисунке 3.

^НЯИШ

8-9ч. 9-10ч. 10-11ч. 11-12ч. 12-13ч. 13-14ч. 14-15ч. 15-16ч. 16-17ч. 17-18ч.

1-я зона 2-я зона 3-я зона расчет. значение

Рис. 3. Изменение температуры в баке-аккумуляторе по трем зонам и расчетное значение температуры в баке

На основании таблицы определяем суточный к.п.д. СК и суточный к.п.д. СВНУ:

- суточный к.п.д. СК: л _СК      пол ;

Эр расч.

8095,9   0,61 ;

13247,1

7978,5

лэксп .                  0,60;

^{эксп .}   13247,1

• - суточный к.п.д. СВНУ:   СВНУ    ^Qакк ;

СВНУ   Э Р

3966,4

4512,6

"^{эксп .}    13247,1    ^0,34.

03 ;

^{расч .}    13247,1     ^,

Таблица

Экспериментальные и расчетные данные теплотехнических характеристик СВНУ

Время	Солнечная радиация, Вт*ч		Температура на выходе из СК, С0		Температура бака-аккумулятора		Q акк, Вт*ч		Q пол, Вт*ч
	Э 2    \ Э	Э ( та )	n расч.	эксп.	расч.	эксп.	расч.	эксп.	расч.	эксп.
8-9	1009,1	817,4	23,7	23,6	22,7	23,6	406	417	737	744,8
9-10	1516	1228	30,3	31,0	27,8	28,8	591,6	603,2	1084,5	1078,5
10-11	1821,2	1475,2	38,1	44,0	33,7	34,1	684,4	614,8	1262,9	1212,5
11-12	1939,8	1571,2	46,1	49,2	39,6	43,8	684,4	825	1294,3	1267,8
12-13	1896,3	1536	53,5	52,7	45,0	50,4	626	765	1204	1211
13-14	1725,9	1398	56,6	58,8	49,4	56,1	510,4	661,2	1049,4	1030
14-15	1401,5	1135,2	58,0	59,5	52,0	59,1	301,6	348	789,5	776,6
15-16	1019,8	826	59,2	60,2	53,4	61,5	162	278,4	486,3	477,8
16-17	641	519,2	59,7	60,7	53,35	61,3	-	-	188	179,5
17-18	276,5	224	59,3	58,2	53,2	60,4	-	-	-	-
Итого	13247,1						3966,4	4512,6	8095,9	7978,5

В результате эксперимента определены теплотехнические характеристики термосифонной СВНУ:

• -    через 4 часа после начала эксперимента достигается расчетная температура 323-328 К и СВНУ работает 5-6 часов в установившемся режиме, при этом отбор воды не производится;

• -    время зарядки бака-аккумулятора по трем зонам: 1-я зона 5 часов, 2-я зона 7 часов и 3-я зона 8 часов;

• -    суточное количество полезного тепла, вырабатываемого СК, Вт*ч, 7978,5, расчетное – 8095,9, % ошибки - 1,4;

• -    суточное количество аккумулируемого тепла (энергоемкость) Вт*ч, 4512,6, расчетное – 3966,4, % ошибки – 12;

• -    суточный к.п.д. СК: л СК  0,6 ;

• -    суточный к.п.д. СВНУ: Г)СВНУ  0,34 .