Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация и методы тепловых испытаний устройств, преобразующих солнечное излучение в низкопотенциальное тепло 12
1.1. Классификация солнечных коллекторов 12
1.2. Сравнение показателей плоских солнечных коллекторов различных производителей 15
1.3. Методы тепловых испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок 21
1.3.1. Квазистационарные методы испытаний солнечных коллекторов 22
1.3.2. Лабораторные методы 27
1.3.3. Комбинированные методы 28
1.3.4. Нестационарные методы 29
1.3.5. Методы тепловых испытаний солнечных водонагревательных установок 32
1.4. Выводы 36
1.5. Постановка задачи исследования 38
Глава 2. Исследование новых технических возможностей эффективного применения современных полимерных материалов для создания солнечных теплоиспользующих установок .. 40
2.1. Основные требования, предъявляемые к материалам элементов солнечных водонагревательных установок 40
2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных покрытий солнечных коллекторов 42
2.3. Результаты разработки солнечных коллекторов из современных полимерных материалов 49
Глава 3. Разработка стенда для теплогидравлических испытаний плоских солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок 59
3.1. Принципиальные схемы испытательных стендов и требования к точности измерений основных параметров 59
3.2. Стенд «Атон» для тепловых испытаний плоских солнечных коллекторов 62
3.3. Система сбора и регистрации экспериментальных данных стенда 67
3.4. Стенд для контроля герметичности солнечных коллекторов 73
3.5. Использование стенда «Атон» для испытаний солнечных водонагревательных установок 75
3.6. Выводы 77
Глава 4. Экспериментальные исследования тепловых характеристик солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок ...79
4.1. Исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов 79
4.1.1. Конструктивные параметры испытываемых СК 79
4.1.2. Испытания и обработка экспериментальных результатов...80
4.1.3. Исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов в нестационарных условиях 85
4.2. Исследование эффективности солнечных водонагревательных установок 86
4.2.1. Объект испытаний 86
4.2.2. Порядок проведения, обработка и анализ результатов испытаний солнечной водонагревательной установки 87
4.2.3. Моделирование работы СВУ в условиях испытаний 92
4.2.4. Исследование теплотехнических характеристик солнечной водонагревательной установки с разработанными солнечными коллекторами 94
Глава 5 Испытания солнечной установки обогрева технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН 99
5.1. Описание солнечной установки 99
5.2. Цели и задачи проведения натурных испытаний солнечной станции 102
5.3. Результаты испытаний 103
5.4. Выводы 105
Выводы 107
Литература 109
Приложение 117
- Сравнение показателей плоских солнечных коллекторов различных производителей
- Исследование спектральных характеристик прозрачных покрытий солнечных коллекторов
- Стенд «Атон» для тепловых испытаний плоских солнечных коллекторов
- Исследование эффективности солнечных водонагревательных установок
Введение к работе
Актуальность проблемы. Возможность использования экологически чистой, повсеместно доступной возобновляемой энергии солнечного излучения привлекает все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (энергия Солнца, ветра, биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды [1]. В среднем в год в зависимости от климатических условий и широты местности интенсивность суммарного потомка солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений более 1000 Вт/м2 в полдень при ясном небе. Задача, стоящая перед разработчиками и создателями различного вида солнечных установок, состоит в том, чтобы при наименьших затратах наиболее эффективно "собрать" этот поток энергии и преобразовать его в нужный вид энергии (теплоту, электроэнергию) [2].
Всё более широкое распространение таких установок ставит задачу оценки эффективности этих систем. Испытательное оборудование, позволяющее определять теплотехнические и эксплуатационные характеристики СК и солнечных водонагревательных установок (СВУ) в реальных климатических условиях и проводить их сертификацию, сегодня в России отсутствует. Отсутствие оборудования и отработанных методик испытаний сдерживает разработки новых конструкций солнечных коллекторов и СВУ, а также усовершенствование существующих конструкций. Данные об отечественном энергетическом оборудовании, для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии представлены в справочнике [3].
Отсутствуют и унифицированные методики объективной оценки теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и систем солнечного теплоснабжения. В России параметры солнечных коллекторов регламентируются ГОСТ Р 51595-2000 [4]. Стандарт определяет технические требования к материалам, особенностям конструкции солнечных коллекторов, допустимым значениям их параметров, а также устанавливает необходимую номенклатуру испытаний коллекторов в зависимости от целей испытаний.
Методики и программы испытаний в свою очередь регламентируются ГОСТ Р 51596-2000 [5]. Основными целями испытаний солнечных коллекторов являются проверка их работоспособности в нормальных и аварийных режимах работы. Процедура тепловых испытаний солнечного коллектора в [5] не содержится и соответственно, параметры теплотехнического совершенства для характеристики качества разработки и изготовления солнечного коллектора в [4] не используются.
Внесение дополнений в [5] в части тепловых испытаний солнечных коллекторов возможно только после отработки и апробации различных методик испытаний. Кроме этого, необходимо сравнение результатов испытаний по различным методикам. В последние годы научные исследования в области испытаний теплотехнических характеристик СК и СВУ практически не проводились. Также не разработаны методики проведения испытаний и сертификации элементов СВУ. В результате отечественные производители вынуждены либо обращаться в зарубежные испытательные центры, либо вносить в техническую документацию инструментально непроверенные теплотехнические показатели.
Формирующийся рынок гелиотехнического оборудования требует паспортизации и сертификации солнечных коллекторов. Решение этой задачи включает в себя создание стендового оборудования для комплексных испытаний СК и СВУ в соответствии с международными и отечественными стандартами и апробацию различных методик
испытаний СК и СВУ, направленных на определение теплотехнической эффективности коллекторов, их надёжности, на контроль качества изготовления.
Выполненный в диссертации детальный анализ международного опыта проведения испытаний СК и СВУ показал, что на начальном этапе работ предпочтительной является ориентация на проведение экспериментов в натурных условиях, поскольку лабораторные испытания требуют больших затрат на эксплуатацию имитаторов солнечного излучения.
Актуальным является также исследование технических и технологических возможностей применения современных полимерных материалов при создании СК, не уступающих по характеристикам, традиционно используемым материалам (металл, стекло).
Целью работы является разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения теплотехнических испытаний СК и СВУ, апробация и оценка возможности использования известных методик их натурных испытаний в климатических условиях г. Москвы, а также разработка новых конструкций СК и СВУ с применением новых материалов (теплостойкие пластмассы) и проведение их испытаний с использованием отобранных методик.
В соответствии с целевым направлением работы основными задачами исследования являются:
1. Анализ научно-технической литературы по применяемым
методикам экспериментального исследования СК и СВУ с точки зрения
возможности их реализации в климатических условиях г. Москвы.
Проведение сравнительного анализа современных конструкций
солнечных коллекторов.
2. Исследование технических и технологических возможностей
эффективного применения современных полимерных материалов для
создания солнечных теплоиспользующих установок, в частности,
экспериментальное исследование спектральных характеристик полимерных материалов с точки зрения применения их в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов. Разработка новых конструкций плоских СК из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс для эффективного преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло.
Разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения тепловых испытаний СК и определения обобщенных показателей эффективности работы СВУ по различным методикам.
Проведение натурных теплотехнических испытаний СК промышленного производства и опытных образцов СК из теплостойких пластмасс. Сравнение их тепловых и технико-экономических показателей.
Проведение испытаний солнечных водонагревательных установок.
Проведение натурных исследований эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые проведены исследования спектральных характеристик сотового поликарбоната и их сравнительный анализ со спектральными характеристиками стекла. Доказана возможность и целесообразность использования поликарбоната в качестве светопрозрачного покрытия солнечных коллекторов.
С участием автора разработаны новые конструкции плоских СК и СВУ из теплостойких и стойких к ультрафиолету пластмасс, эффективно преобразующие энергию солнечного излучения в тепло, защищенные патентами на полезную модель № 48038 и № 48039, зарегистрированными в ГРПМ РФ 10 сентября 2005 г [75, 76].
Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для тепловых испытаний СК и СВУ в натурных условиях г. Москвы, являющийся на сегодня единственным специализированным стендом в России для исследования СК и СВУ. Конструкция стенда защищена патентом № 53416 на полезную модель, зарегистрированным в ГРПМ РФ 10 мая 2006 г [77].
В условиях г. Москвы на созданном стенде выполнены натурные испытания СК различных производителей, в том числе и разработанных СК из полимерных материалов, а также СВУ. Определены обобщенные теплотехнические характеристики испытанных СК и СВУ, необходимые для оценки эффективности их практического использования в различных климатических условиях.
Проведены натурные исследования эффективности работы системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследований спектральных характеристик полимерных материалов (сотовые поликарбонаты), перспективных для использования в качестве прозрачных покрытий солнечных коллекторов.
Новые конструкции СК и СВУ из теплостойких пластмасс.
Технические решения, лежащие в основе создания стендового оборудования для комплексных испытаний солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок.
Результаты теплотехнических испытаний и сравнительного анализа СК и СВУ различных конструкций и фирм производителей.
Результаты экспериментальных исследований системы солнечного теплоснабжения технического блока Большого оптического телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН.
Практическая значимость работы. Разработанный
теплогидравлический стенд сегодня является единственным специализированным стендом в России. Его наличие создаёт предпосылки для организации сертификационных испытаний гелиотехнического оборудования отечественных производителей и целенаправленных исследований по отработке усовершенствованных конструкций солнечных коллекторов. В соответствии с условиями грантов Правительства Москвы 2003 и 2004 гг. стенд получил статус стенда коллективного пользования и с 2005 г. используется как учебная база для студентов МЭИ, МГУЭИ и МГТУ, подготавливаемых ВУЗами по специальности «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии».
Результаты проведенных исследований спектральных
характеристик светопрозрачных материалов были использованы при разработке и создании из полимерных материалов солнечных коллекторов, не уступающих по эффективности, а по стоимостным и удельным весовым показателям существенно превосходящих традиционные солнечные коллекторы, из металла и стекла.
Работы выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Минпромнауки России и Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» (Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по грантам РФФИ 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных
теплостойких полимерных материалов» и 06-08-01530 «Исследование процессов формирования и эффективности использования селективных оптических покрытий на полимерных материалах», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Кабардино-Балкария, 2005), IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии. Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме в рамках председательства Российской Федерации в «Большой Восьмерке» «Водородные технологии для производства энергии» (Москва, 2006), Школе молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2006), Пятой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, по результатам разработок получено 3 патента на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения; содержит 130 страниц текста, 72 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 77 наименований.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю Попелю О.С. за предложенную тему и руководство настоящей работой, Фриду СЕ. за постоянное внимание и помощь во время работы над диссертацией, Прокопченко И.В., Мордынскому А.В., Коломиец Ю.Г., Пилипенко В.В., Щеглову В.Н., Сковородько С.Н. за участие в выполнении экспериментальных исследований.
Благодарю также чл. корр. РАН Э.Э. Шпильрайна и всех сотрудников отделения за поддержку работы.
Сравнение показателей плоских солнечных коллекторов различных производителей
В условиях наличия на внутреннем рынке большого выбора солнечных коллекторов, в том числе зарубежных производителей, важно определить тенденции технического развития и объективно оценить соответствуют или не соответствуют выпускаемые в России солнечные коллекторы мировому техническому уровню. Это можно установить, сравнив их конструктивные и теплотехнические параметры с характеристиками зарубежных аналогов. Такое сравнение впервые было выполнено 10 лет тому назад в работе [10]. Аналогичные исследования проведены на базе данных Института солнечных технологий SPF (Швейцария) - одного из европейских сертификационных центров по солнечным установкам [11].
По данным на начало 2004 г. в SPF было испытано 203 солнечных коллектора, из них плоских СК с остеклением (именно они обычно используются в солнечных водонагревательных установках) - 174. На рис. 1.2 (а) и 1.3 (а) представлены распределения значений габаритной площади и удельной массы рассматриваемых солнечных коллекторов по количеству образцов. В целом, оба распределения качественно похожи на результаты [10] (рис. 1.2 (б) и 1.3 (б)). Вместе с тем, за прошедшее десятилетие наметилась тенденция освоения производства солнечных коллекторов большей единичной площади: абсолютное большинство СК сегодня имеют габаритную площадь 2 и более квадратных метра. Начато производство СК с единичной площадью 6 м2 (второй максимум на гистограмме рис. 1.2 (а)) и даже 8 м2. Такие крупногабаритные СК предназначены для монтажа на кровле и могут также применяться как «строительные» элементы, интегрируемые в конструкции зданий (крыш и стен).
Максимум гистограммы удельной массы коллекторов сдвинулся влево, что соответствует снижению удельной массы примерно на 5 кг/м2. Сегодня лучшие СК с металлическими тепловоспринимающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением имеют удельную массу 15-20 кг/м2 (максимум распределения на рис. 1.3 (а)).
Именно снижение удельной массы способствовало увеличению единичной площади СК. Так, СК площадью 6 м2 весит, как правило, 100 -150 кг, что не создает серьезных трудностей при выполнении монтажных работ с применением несложных вспомогательных средств.
Распределения по количеству образцов показателей теплотехнического совершенства солнечного коллектора: оптического КПД коллектора, F (ra), и приведенного коэффициента тепловых потерь, F UL, испытанных в SPF, приведены на рис. 1.4 (а), 1.5 (а) (при их определении использована апертурная площадь коллектора, которая несколько меньше габаритной).
Средние значения параметров теплотехнического совершенства коллекторов, испытанных в SPF, составляют: F (TQ) = 0.70, FVL = 3.41-3.84 Вт/(м2К). Сравнение с результатами [10] показывает, что как оптические свойства, так и типичные тепловые потери солнечных коллекторов за последние годы практически не изменились. Этот факт говорит о достаточной отработанности конструкций и технологий производства плоских СК с металлическими теплопоглощающими панелями и стеклянным прозрачным ограждением.
В России наиболее известными являются солнечные коллекторы Ковровского механического завода (г. Ковров) и НПО «Машиностроения» (г. Реутов Московской обл.), для которых более или менее достоверно известны параметры теплотехнического совершенства (рис. 1.6 и 1.7).
ОАО «Ковровский механический завод» выпускает солнечный коллектор КМЗ с габаритной площадью 1 м2, массой 27 кг, F\JQ) = 0.72 и F UL = 5.4 Вт/м2К. НПО «Машиностроения» - солнечный коллектор «Сокол» площадью 2 м2, массой 54 кг, F (TO) = 0.75 и FVL - 4.2 Вт/м2К. На производственной базе НПО «Машиностроения» изготавливаются также коллекторы ОАО «Альтэн» (солнечный коллектор «Альтэн-1» площадью 2.6 м2, массой 34 кг, Р (та) = 0.65 и F UL = 3,6 Вт/м2К).
Оптические КПД коллекторов КМЗ и «Сокол» в целом соответствуют техническому уровню зарубежных СК. Несколько завышенный приведенный коэффициент потерь солнечного коллектора КМЗобъясняется, по-видимому, неселективностью его поглощающей панели, поскольку практически все выпускаемые в настоящее время солнечные коллекторы за рубежом имеют поглощающую панель с селективным оптическим покрытием [11].
Коллектор «Альтен-1» имеет низкий коэффициент тепловых потерь, но одновременно и довольно низкий оптический КПД, что объясняется применением толстого (8 мм) сотового поликарбоната в качестве прозрачного ограждения вместо стекла. Этим же объясняется и относительно низкое значение удельной массы этого коллектора.
Удельная масса СК КМЗ и «Сокол» заметно больше массы большинства зарубежных олнечных коллекторов, что свидетельствует0 потенциальных возможностях совершенствования конструкции. СК сединичной площадью около 1 м2 за рубежом сегодня практически невыпускаются.
СК отечественных производителей, как правило, можно приобрести по существенно более низким ценам, чем зарубежных. По данным производителей стоимость коллектора КМЗ сегодня составляет около 100 долларов, коллектора «Сокол» - около 170 долларов за 1 м2. Зарубежные коллекторы стоят, как правило, около 300 долларов за1 м2 и дороже, что определяется более высокой себестоимостью,дополнительными транспортными затратами и «наценками»поставщиков [12].
Оценки показывают что, солнечные водонагревательные установки оказываются привлекательными с экономической точки зрения, прежде всего, при замещении ими электрических водонагревателей.
Исследование спектральных характеристик прозрачных покрытий солнечных коллекторов
Как уже упоминалось выше, в качестве прозрачной изоляции солнечных коллекторов обычно применяется стекло. Применение других материалов было ограничено отсутствием недорогих материалов, удовлетворяющих довольно жестким требованиям [15, 65] и, прежде всего, обладающих высокой прозрачностью для солнечного излучения и стойкостью к внешним атмосферным воздействиям, включая ультрафиолетовое излучение. В последние годы вследствие бурного развития технологий производства и обработки пластмасс появилась возможность замены стекла современными прозрачными полимерными материалами.
Основными функциями прозрачного ограждения солнечных установок являются:- эффективное пропускание внутрь солнечного коллектора солнечного излучения, которое затем поглощается теплообменной панелью, преобразуя его в тепло, идущее на нагрев прокачиваемого через неё теплоносителя;- снижение радиационных и конвективных тепловых потерь в окружающую среду от нагретой тепловоспринимающей панели. Радиационные потери снижаются за счет того, что прозрачное ограждение не пропускает инфракрасное излучение нагретой панели в окружающую среду (поглощает или отражает его). Тем самым, создается так называемый «парниковый эффект». Снижение конвективных потерь обеспечивается за счет создания тонкой воздушной прослойки с относительно большим термическим сопротивлением.
Стекло в качестве прозрачного ограждения солнечного коллектора выполняет перечисленные функции в полном объеме. Сорта стекла с малым содержанием окисов железа характеризуются высоким коэффициентом пропускания излучения в области солнечного спектра (до 0,9). В то же время, оно практически непрозрачно для инфракрасного излучения и обеспечивает парниковый эффект.
С учетом этих свойств стекла практически все солнечные установки, количество которых в мире оценивается более 100 млн. м2, сегодня оснащаются солнечными коллекторами с прозрачным ограждением из стекла. Вместе с тем, существенными недостатками стекла являются его большой удельный вес и низкая ударостойкость. Это приводит к повышенному весу солнечных коллекторов и повышенным эксплуатационным затратам, связанным с необходимостью периодической замены треснувших и разбитых стекол.
Предметом исследования возможности замены в солнечных коллекторах стекла на современные пластики в настоящей работе является экспериментальное изучение спектральных характеристиксотового поликарбоната различной толщины, являющегося одним из наиболее перспективных потенциальных конкурентов стеклу в солнечной энергетике [66, 67].
Промышленно выпускаемый экструзионный листовой сотовый поликарбонат - сложный полиэфир угольной кислоты и 2,2-бис(4-оксифенил) пропана, обладает рядом привлекательных характеристик: высокой прозрачностью для видимого излучения (по данным производителей 80 - 85%), малым удельным весом (1200 кг/м3), стойкостью к атмосферным воздействиям, высокой ударной вязкостью (250-500 кДж/м2), высокой прочностью (при статическом изгибе 77-120 МН/м2, что в 200 раз выше, чем для стекла), морозостойкостью (до - 40С), теплостойкостью (до 120С), устойчивостью к действию кислот, растворов солей, окислителей. Сотовый поликарбонат представляет собой полые панели, в которых два или более слоев поликарбоната соединены продольными ребрами жесткости.
В результате решения проблемы защиты поликарбоната от разрушающего воздействия солнечного ультрафиолета путем покрытия его тонким (60-100 мкм) слоем защитного материала (соэкструзией или лакированием) поликарбонат стал широко применяться в строительстве. Панели из поликарбоната практически не бьются и не растрескиваются, что в отличие от стекла исключает серьезные проблемы при их транспортировке и сборке. Это свойство гарантирует высокую стойкость к воздействию града и падающих предметов. Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получение экструзионным способом листов с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом.
В мире производится множество марок сотового поликарбоната. Все они по своим техническим характеристикам практически не отличаются друг от друга. Отличие сотового поликарбоната различных фирм заключается в использовании различного экструзионного
оборудования и добавок, определяющих прозрачность и цветность листов.
Попытки производителей получить такие же листы из других светопропускающих материалов успехом не увенчались. При использовании для этих целей гранул полиметилметакрилата (оргстекла) лист с такими тонкими стенками не может сформироваться после выхода из головки экструдера из-за повышенной хрупкости и тут же ломается. Поэтому сотовые листы из оргстекла имеют очень толстые стенки (более 1 мм) - этим обеспечивается прочность листа, но в то же время резко повышается его вес. При использовании
Стенд «Атон» для тепловых испытаний плоских солнечных коллекторов
При разработке испытательного стенда за основу была взята схема с разомкнутым контуром, так как она обеспечивает более высокую стабильность расхода теплоносителя в контуре и более высокую точность поддержания температуры на входе в коллектор, чем при использовании замкнутой схемы. Принципиальная схема стенда представлена на рис. 3.3.
Стенд состоит из подставки для монтажа испытываемого коллектора, циркуляционного контура, датчиков и измерительного комплекса, системы управления и питания.
Испытуемый коллектор устанавливается на металлической опорной раме плоскость, которой обращена на юг и наклонена под углом 45 к горизонту (рис. 3.4).
К - испытываемый солнечный коллектор; Бі - накопительный бак; Б2 - бак постоянного уровня; 7j - термостат точной доводки температуры; Т2 -проточный термостат; П - пиранометр; М - ультразвуковая метеостанция; Р - ультразвуковой расходомер; Bi...B3 - вентили; ОК- обратный клапан; Ни Н2 - циркуляционные насосы; TClf ТС2, ТС3, ТС4, ТС5 - электрические термометры сопротивления: на входе в коллектор, на выходе из коллектора, окружающего воздуха, верхнего бака постоянного уровня и накопительного бака; КМ- контроллер многоканальный; ЭВМ - вычислительный комплекс.
тенд включает в себя два бака Бі и Б2. Перед началом испытаний теплоноситель (вода) в нижнем накопительном баке Бі емкостью 750 литров (рис. 3.5) нагревается с помощью проточного термостата Тг (рис. 3.7) мощностью 15 кВт до температуры, примерно соответствующей планируемой в эксперименте температуре на входе в солнечный коллектор. Теплоноситель в баке постоянно перемешивается с помощью насоса Ні для предотвращения температурной стратификации. Большой объём и, следовательно, большая тепловая инерция позволяют использовать накопительный бак без теплоизоляции. В процессе эксперимента при помощи насоса Нг теплоноситель из бака Бі поступает в теплоизолированный бак постоянного уровня Б2 емкостью 50 литров (рис. 3.6), расположенный выше испытуемого солнечного коллектора. Здесь теплоноситель доводится до требуемой температуры с помощью термостата точной доводки Ть Из бака теплоноситель по теплоизолированному трубопроводу подаётся на вход испытываемого солнечного коллектора.Рис. 3.7. Проточный термостат: а) нагреватель, б) блок автоматики
Теплоносителем в испытательном контуре служит вода. В случае необходимости в зимнее время тепловые испытания солнечных коллекторов могут выполняться с антифризом. На подводящем и отводящем трубопроводах установлены запорные вентили, с помощью которых и регулирующего вентиля на подводящем трубопроводе можно изменять расход теплоносителя через солнечный коллектор. Для удаления воздуха из солнечного коллектора при его заполнении водой в верхней части контура предусмотрен воздушный вентиль.
Теплоизоляция бака постоянного уровня выполнена теплоизоляционным материалом "энергофлекс" и обмотана сверху защитным материалом. В качестве трубопроводов использованы гибкие металлопластиковые трубы. Их теплоизоляция выполнена трубчатым теплоизоляционным материалом "энергофлекс".
Отличительной особенностью схемы стенда является использование двух термостатов, один из которых (термостат точной доводки) установлен непосредственно в баке постоянного уровня, что позволяет гарантированно поддерживать температуру на входе в коллектор, с погрешностью ±0,1С, чем обеспечивается одно из основных требований методик тепловых испытаний СК- жесткая стабилизация температуры теплоносителя на входе в коллектор.
Система КИП и А стенда реализована на оборудовании, позволяющем с высокой точностью измерять и регистрировать экспериментальные данные. Принципиальная схема системы КИП и А стенда приведена на рис. 3.8. Гидравлическая схема стенда и система КИП и А обеспечивают реализацию на нем любых стационарных и динамических методик натурных испытаний СК.Рис. 3.8. Принципиальная схема системы КИП и А стенда Автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин выполнена на основе высокоточного промышленного контроллера ТМ 5103 (рис. 3.9). Контроллер обеспечивает: связь и управление от персонального компьютера; использование до 8 аналоговых измерительных входов, для подключения термометров сопротивления; пиранометра, расходомера и других измерительных приборов и наличие 4 релейных выходов для управления нагревателями и исполнительными устройствами. Связь контроллера с компьютером осуществляется через последовательный порт. Система сбора данных оснащена программой, позволяющей регистрировать с заданной периодичностью и хранить измеренные экспериментальные данные.
Исследование эффективности солнечных водонагревательных установок
С целью апробации методик испытаний СВУ в климатических условиях г. Москвы были проведены натурные испытания нескольких СВУ по методике стандарта ISO 9459-2:1995.
Испытания СВУ производились в период со 2 по 30 августа 2005 г. Объектом испытаний была СВУ (рис. 4.4).
Установка включает в себя 4 солнечных коллектора «Радуга» с суммарной апертурнои площадью 4 м2, технические характеристики которых представлены в Приложении 1, теплоизолированный бакемкостью 250 л, расположенный над солнечными коллекторами и соединительные теплоизолированные трубопроводы.
Гидравлическая схема установки предусматривает естественную циркуляцию воды в контуре установки. Резервный электрический нагреватель, встроенный в бак-аккумулятор СВУ в процессе испытаний не использовался.
Основной целью испытаний является получение обобщенных зависимостей дневной теплопроизводительности установки и максимальной температуры нагрева воды в баке аккумуляторе от дневной суммы солнечного излучения, поступающего на поверхность солнечных коллекторов СВУ, с учетом начальной температуры нагреваемой воды и температуры окружающего воздуха.
Методика предусматривает непрерывное измерение в течение дневного эксперимента плотности потока солнечного излучения в плоскости солнечных коллекторов и температуры окружающей среды. В качестве примера на рис. 4.5 приведены графики, показывающие изменение данных параметров для одного из дней проведения эксперимента.
Результаты измерений солнечной радиации интегрируются, в результате чего определяется дневная сумма солнечной энергии Н (МДж/м2), поступившая на поверхность солнечных коллекторов [57].
После захода Солнца производился отбор нагретой воды из бака аккумулятора путем вытеснения ее холодной водой из водопровода с одновременным измерением температуры сливаемой воды. Отбор воды из бака аккумулятора продолжался до тех пор, пока разница между температурой отбираемой воды ta и температурой водопроводной воды tmam не становится пренебрежимо малой (менее 1С). Измеренныевеличины фиксировались с периодичностью 10 секунд с помощью контроллера ТМ-5103.Рис. 4.6. Изменение температуры воды в зависимости от отношения объема слитой воды к объему бака-аккумулятора
В соответствии с используемой методикой требуется проведение не менее 8 дневных экспериментов с различными погодными условиями. Дневная производительность СВУ определяется по формуле (1.17).
Результаты измерения приведены в Приложении 2, обработанные данные - в табл. 4.1.Для аппроксимации полученных значений дневнойзависимости от дневной суммы солнечного излучения Н и разности между среднедневной температурой окружающего воздуха, ta, и температурой холодной воды, tmain используются соотношения (1.15)и (1.16).
Коэффициенты уравнений (1.15) и (1.16) определялись с использованием линейного метода наименьших квадратов (табл. 4.2) и использовались для построения обобщенных зависимостей (рис. 4.7 и 4.8). 10 20 H, МДж/м2 Рис. 4.7. Input-output диаграмма для Q
Полученные зависимости позволяют проводить оценки эффективности работы испытанной СВУ в достаточно широком диапазоне изменения дневной суммы солнечной радиации, среднедневной температуры наружного воздуха и температуры воды, заливаемой в бак для нагрева.
Например, среднедневная сумма солнечной радиации в месте предполагаемой эксплуатации рассмотренной СВУ составляет 20 МДж/м2. Такая сумма является характерной для летних солнечных дней во многих регионах страны, в том числе и в Москве. Если например среднедневная температура наружного воздуха равна +20С, а температура водопроводной воды, заливаемой в СВУ +5С. С помощью рис. 4.7 найдем, что теплопроизводительность СВУ составит около 38 МДж. Отсюда легко рассчитывается КПД СВУ, имеющей суммарную площадь солнечных коллекторов 4 м2: 38Мдж/(4м2-20Мдж/м2)100% « 47%. Из рис. 4.8 легко определить, что ожидаемая максимальная температура нагрева воды в баке рассмотренной СВУ в этих условиях составит около 50С.
Измеренный в отдельном эксперименте для испытываемой СВУ коэффициент тепловых потерь бака-аккумулятора (4.18) составил 3.2 Вт/К, а для всей установки (при неотключенных от бака на ночь солнечных коллекторах) 5,4 Вт/К. Существенное отличие полученных коэффициентов свидетельствует о том, что в ночное время может иметь место достаточно интенсивная обратная циркуляция теплоносителя, приводящая к более чем полуторократному увеличению тепловых потерь.
С использованием этих данных легко оценить ожидаемое охлаждение воды в баке-аккумуляторе за ночь в случае, если в предшествующий день полученная в СВУ горячая вода не была использована.
Проведение описанных выше испытаний и включение их результатов в соответствующий технический паспорт СВУ позволяет обеспечить потребителя необходимой информацией для оценкиэффективности использования СВУ в тех или иных условиях предполагаемой эксплуатации.
Результаты испытаний солнечной водонагревательной установки были использованы для верификации ее математической модели. Моделирование СВУ было выполнено в среде динамического моделирования TRNSYS в условиях проведенных экспериментов.
Отметим, что в процессе создания стандарта ISO на испытания СВУ также предполагалось использовать динамическое моделирование установки в среде TRNSYS, параметры элементов которой предварительно определяются в результате отдельных испытаний, однако, как уже отмечалось выше, разработка стандарта закончена не была, и эта процедура, входящая в планировавшуюся часть 4 стандарта, в нем отсутствует.Схема СВУ на испытательном стенде в системе TRNSYS имеет вид информационной диаграммы, приведенной на рис. 4.9.
