Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор проблемы исследования 11
1.1 Введение 11
1.2 Применение солнечной энергии 12
1.3 Сбор солнечной энергии 13
1.3.1 Не концентрирующие солнечную энергию 13
1.3.2 Концентрирующие солнечную энергию (CSP) 14
1.4 Климат Ирака 19
1.5 Обзор литературных источников 22
1.5.1 Исследования солнечных коллекторов 22
1.5.2 Изучение однофазных теплообменников 29
1.6 Постановка задачи 32
ГЛАВА 2. Анализ ресурсов солнечной энергии в республике Ирак
2.1 Введение 34
2.2 Углы солнца 38
2.3 Анализ солнечной радиации в условиях Ирака 40
2.4 Выводы по главе 2 49
ГЛАВА 3. Эффективность работы солнечных коллекторов и теплообменника 50
3.1 Плоские коллекторы 50
3.1.1 Описание плоского коллектора 50
3.1.2 Тепловой анализ плоских коллекторов 53
3.2 Теплообменник 60
3.2.1 Теоретический анализ 60
3.2.2 Гидравлический анализ 70
3.3 Разработка схемы «солнечной нагреватель – теплообменник» 71
3.4 Компьютерная программа 73
3.5 Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования теплообменников солнечной систем коллекторов 106
4.1 Теплообменник 106
4.2 Система водоподачи 107
4.3 Используемые инструменты и измеряетые параметри при проведении измерений 110
4.4 Электрическая плата 111
4.5 Калибровка измерительных инструментов 111
4.5.1 Калибровка термометров 111
4.5.2 Калибровка манометров 112
4.5.3 Калибровка ротаметров 112
4.6 Проведение эксперимента 113
4.6.1 Предварительная проверка 113
4.6.2 Проведение теста 113
4.7 Обоработка результатов испытания 115
4.8 Выводы по главе 4 124
ГЛАВА 5. Разработка системы совместной работы солнечных нагревателей и теплообменников выводы и рекоммендации 125
5.1 Введение 125
5.2 Разработка системы «солнечный коллектор – теплообменник» с изменяющимся расходом технического теплоносителя 127
5.3 Рекомендации для будущих работ 131
Заключение 133
Список литературы 135
- Не концентрирующие солнечную энергию
- Анализ солнечной радиации в условиях Ирака
- Теоретический анализ
- Используемые инструменты и измеряетые параметри при проведении измерений
Не концентрирующие солнечную энергию
При обсуждении солнечной энергии речь идет, преимущественно, об использовании солнечного излучения в практических целях. Однако все возобновляемые виды энергии кроме геотермальной энергии и энергии прилива получают свои запасы из солнца. Существует много вариантов и техник применения солнечной энергии, такие как, например, приготовление пищи, обогрев, сушка, дистилляция, производство энергии, охлаждение и замораживание, сельское хозяйство и садоводство, архитектура и городское планирование, а также солнечная энергия может быть использована для удовлетворения наших потребностей в электричестве. Сегодня более 30 млн м2. солнечных коллекторов установлены по всему миру, по данным RETScreen [5]. Через фотоэлектрические солнечные энергетические элементы (SPV) свет, падающий на фотоэлектричекий (PV) элемент, преобразуется напрямую в электричество постоянного тока, который затем преобразуется инверторами в переменный ток. Системы слежения и концентраторы также используются для направления света на PV-модули в целях повышения эффективности работы системы и увеличения производства. Применение фотоэлектрических систем, как правило, ограничивается поверхностями крыш жилых и коммерческых построек, хотя также возможно их использования на предприятиях коммунального масштаба.
Солнце непрерывно поставляет огромное количество энергии. Из-за природы этой энергии, которая рассеивается, её необходимо собирать и концентрировать для использования. Солнечные коллекторы - это устройства, которые используются для сбора солнечного излучения и передают энергию жидкости, с которой контактируют. Для использования солнечной энергии необходимы солнечные коллекторы. Они как правило, бывают двух типов: - не концентрирующие солнечную энергию - концентрирующие солнечную энергию (CSP)
Плоские солнечные коллекторы - это самый распространенный вид солнечных коллекторов для солнечных систем водяного отопления в домах. Типичный плоский коллектор, рис. 1.2, а, состоит из абсорбера в изолированном контейнере с прозрачным покрытием (застеклением). Абсорбер обычно изготавливается из металлических пластин с высокой тепловой проводимостью, таких как медь или алюминий с впаянными или вставленными трубами. Его поверхность покрыта специальным селективным материалом для обеспечения максимального поглощения энергии излучения и минимизации потерь этой энергии. Изолированный контейнер сокращает потери тепла с боковых сторон коллектора. Эти коллекторы используются для нагрева жидкости или воздуха до температур ниже 80C [6]. Работа плоского коллектора подчиняется фундаментальным законам термодинамики и взаимосвязи между теплопередачей и гидромеханикой. 2-Вакуумированные трубчатые коллекторы:
Эти коллекторы обычно изготавливаются из параллельных рядов прозрачных стеклянных труб, как показано на рис. 1.2, b. Каждая труба содержит внешнюю и внутренню стеклянные трубы и металлическую абсорбирующую трубу, которая прикреплена к ребру. Ребро покрыто специальным покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но которое блокирует потери тепла за счёт лучистого теплообмена. Воздух откачивается из пространства между двумя стеклянными трубами для создания вакуума, который исключает проводение или передачу тепла от окружающей среды.
Концентрирующие солнечную энергию (CSP) На электростанциях, использующих концентраторы солнечной энергии (CSP), которые также называются солнечными тепловыми электростанциями, солнечная энергия собирается при помощи различных типов зеркал, чтобы нагреть рабочую жидкость и выработать пар (напрямую или через промежуточную стадию нагревания). Пар затем используется для того, чтобы вращать турбину приводить в действие генераторы, чтобы производить электричество, как в традиционных электростанциях. Технологии CSP больше подходят для промышленных предприятий, чем технологии фотоэлектрической солнечной энергетики [8, 47]. Существует четыре типа таких технологий, которые различаются в зависимости от типа зеркал, используемых для сбора солнечной энергии: 1- Солнечная электростанция башенного типа:
В солнечных электростанциях башенного типа (системы с центральным приёмником), поле гелиостатов (большие отдельные двухосные зеркала) используются, чтобы направить солнечный свет на центральный приёмник, закреплённый на вершине башни (см. рис. 1.3).
Система с центральным приёмником, Испания [9] Благодаря высоким коэффициентам концентрации, высокие температуры, а следовательно и более высокая эффективность, могут быть достигнуты при помощи электростанций башенного типа. В среднем, световой поток, попадающий на приёмник, имеет значения в диапазоне от 200 до 1000 кВт/м2. Этот мощный поток позволяет работать при относительно высоких температурах - выше чем 1500 С [1]. Внутри приёмника теплоноситель поглощает высококонцентрированную радиацию, отраженную гелиостатами и трансформирует её в тепловую энергию, которую можно использовать в традиционных энергетических циклах.
Хотя системы башенного типа менее приспособлены для коммерческого использования по сравнению с параболоцилиндрические системами, за последние несколько лет ряд компонентов и экспериментальных систем прошли полевые испытания по всему миру. В 2007 году первая коммерческая электростанция башенного типа начала работать в Испании. Электростанция PS-10 (проект компании Abengoa Solar) использует насыщенный водяной пар в качестве теплоносителя и имеет мощность в 10 МВт. С применением этого же типа приёмника, электростанция PS-20, расположенная в непосредственной близости с электростанцией PS-10, была запущена в коммерческое производство в 2009 году и имеет мощность в 20 МВт [6].
Анализ солнечной радиации в условиях Ирака
Самым важным параметром в работе плоских панелей является термический КПД коллектора. Он определяется как отношение доставленной полезной энергии к энергии, попавшей в апертуру коллектора. Падающий солнечный поток состоит из прямой и рассеянной радиации, а плоский солнечный коллектор может собирать оба типа радиации. Для того, чтобы создать модель плоского солнечного коллектора, нужно сделать ряд упрощающих допущений. Это позволит описать основы без усложнения базовой физической ситуации. Эти допущения в следующем:
При стабильных условиях полезное тепло, полученное солнечным коллектором, равно энергии, окружающую среду. Полезная энергия, Вт, собранная в коллекторе, может быть определена по следующей формуле, [72, 76]: Qu = Ас[lTi(та)-UL(Тр -Та)\ (3.1) Полезная энергия также равна, [74, 77, 23]: Qu = mCp(Toi) , (3.2) где Ас - общая площадь апертуры коллектора, м2; ІТІ - общая (прямая и рассеянная) солнечная энергия, попавшая на апертуру коллектора, Вт/м2; г- проницаемость поверхности (стекла), а - поглощение поглощенной теплоносителем, за вычетом потерь тепла от поверхности в пластиной, UL - общий коэффициент потери при теплопередаче солнечного коллектора, Вт/(м2 К); Тр - средняя температура поглощающей поверхности, С; Та - температура окружающей среды, m - массовый расход жидкости, проходящей через коллектор, кг/с; Ср - удельная теплоемкость жидкости в коллекторе, Дж/(кг К); Т0 - температура жидкости, выходящей из коллектора, С; Tt - температура жидкости, попадающей в коллектор, С; [70].
Общий коэффициент теплопотери представляет собой сложную функцию который зависит от конструкции коллектора и его операционных условий. Он определяется по следующему уравнению, [19]: где Ut, Ub, Ue, - коэффициент потери в солнечном коллекторе сверху, снизу и по бокам соответственно, Вт/(м2 К). Коэффициент потери сверху Ut описывающий потерю тепла от пластины коллектора во внешнюю среду через стеклянное покрытие, считается самым важным параметром, который влияет на значение коэффициента общей теплопотери UL, а остекление сокращает потерю тепла благодаря конвективной теплоотдаче [20, 75]. Изолирующий эффект остекления усиливается при использовании нескольких листов стекла либо стекла с пластиком. Коэффициент потери тепла сверху можно определить из: где Ng - количество стекольных покрытий, Tpm - средняя абсорбирующая температура пластины, С; єр - излучательная способность абсорбирующей пластины, sg - излучательная способность покрытия (стекла), а - постоянная Стефана-Больцмана, (5,67-10"8 Вт/м2 К4); hw - коэффициент теплопередачи ветра, Вт/м2 К; С, J и е - вспомогательные параметры уравнения (3.4) и могут быть определены из, [54]:
Потери по бокам и снизу могут быть определены, если учесть, что поток тепла, падающий через основание и края коллектора, имеет одно измерение, [18, 78]: U b= , (3.9) Ue= . (3.10) где Км, Kinse, lb, le - коэффициенты проводимости изоляции основания, Вт/(м К); краев и толщины изоляции, м; соответственно.
Уравнение (3.1) можно изменить, подставив температуру жидкости на входе Гг-вместо средней температуры пластины Тр, если учитывается соответствующий поправочный коэффициент [15, 73].
Учитывал вышесказанное уравнение (3.1) можно записать в следующем виде: Qu = AcF1XlTi{Ta)-UL{Tia)\ , (3.11) где FR - фактор теплоотвода коллектора. Фактор теплоотвода коллектора учитывает разность температур пластины коллектора и жидкости теплоносителя на входе. В уравнении (3.11) температура Гг- жидкости на входе зависит от характеристик общей солнечной нагревательной здании. Однако, на величину FR влияют характеристики солнечного коллектора, типа теплоносителя и скорости течения жидкости в коллекторе [21]. FR можно определить из уравнения: фактор эффективности системы и потребности в горячей воде или в потребности тепла в коллектора. Он представляет собой отношение действительной полезно используемой энергии, к энергии поглощения поверхности коллектора. КПД коллектора можно определить при анализе распределения температур между двумя трубами абсорбера в коллекторе и при допущении, что перепадом температур при течении потока можно пренебречь [54]. Этот анализ осуществляется при учете конфигурации листовых труб, указанных в рис. 3.2, который включает три типа распределения труб внутри коллектора; трубы под абсорбирующей пластиной (рис. 3.2, а), над абсорбирующей пластиной (рис. 3.2, б) и трубы в центральной части абсорбирующей пластины (рис. 3.2, в), где Wp -расстояние между трубами, м; D - внешний диаметр труб, м; Di - внутренний диаметр труб, м; S - толщина листа
Так как металлические листы обычно изготавливаются из меди и алюминия, которые являются хорошими проводниками тепла, перепадом температур между листами можно пренебречь. Поэтому область между центральной линией, разделяющей трубы и основанием трубы можно классифицировать как классическую проблему ребра. Фактор КПД коллектора в первом случае, когда трубы располагаются под абсорбирующей пластиной (Рис. 3.2, а), можно определить по уравнению, [18, 65]:
Теоретический анализ
Колебания падения давления в трубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных последовательно, для разных значений расходов через коллекторы и входа жидкости в трубное пространство теплообменника показаны на рис. 3.22. Направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости в трубном пространстве приводит к увеличению значения падения давления в теплообменнике. Так же из этих кривых становится очевидно, что для одного и того же расхода падение давления в трубном пространстве сопровождается увеличением нагрузки теплообменника. Значение падения давления в трубном пространстве варьируется между 19,19 Па и 94,96 Па для всего диапазона значений расхода в течение всего года. Рис. 3.23 Колебания эффективности солнечного коллектора в течение года для разных расходов в коллекторе, при условии, что коллекторы соединены последовательно и вода из коллектора попадает в трубное пространство
На рис. 3.23 показано сравнение эффективности солнечного коллектора для различных расходов в коллекторе, для 21 числа каждого месяца на протяжении года в 12:00, при условии, что коллекторы соединены последовательно и вода из коллектора попадает в трубное пространство теплообменника.
Из этого рисунка становится очевидно, что эффективность коллектора менялась на протяжении года с лета по зиму для всех значений расходов, эффективность коллектора варьировалась между 48,58% и 83,68% для всех значений расходов. Рис. 3.24 Колебания разницы температур солнечного коллектора со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное пространство)
Рисунок 3.24 показывает колебания разницы температур между входом и выходом в солнечном коллекторе в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Из рисунка становится понятно, что разница температур увеличивается с утра к полудню и затем снижается к вечеру, также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению разницы температур жидкости на выходе из коллекторов. Максимальное и минимальное значение разницы температур 21 декабря варьируется между 12,09 С и 2,54 С для всех значений расходов, соответствующие значения 21 июня варьируются между 31,71 С и 10,62 С.
Различие между указанными выше значениями разницы температур по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляла 44,0 % для расхода 0,5 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,222 кг/с составляло 44,3% для расхода 0,5 кг/с. Рис. 3.25 Колебания нагрузки теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное пространство)
Рис. 3.25 показывает колебания нагрузки теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, для различных значений расходов жидкости через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Каждый из этих рисунков содержит 11 кривых, каждая кривая соответствует результатам, полученным при определенном расходе жидкости на входе в межтрубное пространство.
Из рисунка становится понятно, что нагрузка на теплообменник увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру, также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению нагрузки теплообменника. Однако различие между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к 0,222 кг/с 21 декабря в 12:00 составляло 22,7% для расхода жидкости 0,5 кг/с, соответствующие значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,222 кг/с составляло 9,9% для расхода жидкости 0,5 кг/с. Рис. 3.26 Колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное пространство)
Рис. 3.26 показывает колебания общего коэффициента теплопередачи теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня для 24 коллекторов, соединенных параллельно, для различных значений расходов через коллекторы и на входе жидкости в трубное пространство теплообменника. Из этих рисунков становится понятно, что увеличение расхода жидкости приводит к увеличению значения общего коэффициента теплопередачи при постоянной температуре. Этот вывод соотносится с общими принципами теплопередачи в теплообменнике. Таким образом, тепловая нагрузка теплообменника напрямую зависит от общего коэффициента теплопередачи при постоянной разнице температур.
Различие между указанными выше значениям нагрузки теплообменника по отношению к 0,5 кг/с 21 декабря в 12:00 составляло 36,4% для расхода жидкости 0,222 кг/с, соответствующее значение 21 июня в 12:00 по отношению к 0,5 кг/с составляло 33,4% для расхода жидкости 0,222 кг/с. Рис. 3.27 Колебания потери давления в трубном пространстве теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов, соединенных параллельно, трубное пространство)
Колебания потери давления в трубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 теплообменников, соединенных параллельно, для различных значений расходов через коллекторы и жидкости на входе в трубное пространство теплообменника показаны на рис. 3.27. Направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости в трубном пространстве приводит к увеличению потери давления в теплообменнике, также из этих кривых становится понятно, что для одного и того же расхода снижение потери давления в трубном пространстве сопровождается увеличением нагрузки теплообменника. Значение потери давления в трубном пространстве варьируется между 19,89 Па и 95,11 Па для всего диапазона значений расхода на протяжении года.
Используемые инструменты и измеряетые параметри при проведении измерений
Рис. 3.6 показывает ежечасное суммарное солнечное излучение на поверхности коллектора с 21 февраля по 21 декабря. Из рисунка становится понятно, что солнечное излучение усиливалось с утра к полудню и затем ослаблялось к вечеру, и это стандартный результат для всех дней на протяжении года. Также солнечное излучение усиливалось с февраля по июнь и затем ослабевало к декабрю. Ежечасное суммарное излучение усиливалось от февраля к июню примерно на 29,1% в 12:00 и затем ослабевало с июня по декабрь примерно на 45,9% в 12:00. показывает колебания тепловой нагрузки солнечного коллектора во времени в разные месяцы года для одного коллектора с 21 февраля по 21 декабря. Из рисунка становится очевидно, что тепловая нагрузка коллектора увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру, и это стандартный результат для всех дней на протяжении года. Также тепловая нагрузка коллектора увеличивалась с февраля по июнь и затем снижалась к декабрю. Тепловая нагрузка коллектора увеличилась с 1155,1 Вт в феврале до 1903,7 Вт в июне на примерно 39,3 % в 12:00, и затем снижалась с 1903,7 Вт в июне до 735,7 Вт в декабре на 61,3 % в 12:00.
Колебания тепловой нагрузки солнечного коллектора со временем в разные месяцы года (для 24 коллекторов в рядах) Рис. 3.8 показывает колебания тепловой нагрузки солнечных коллекторов со временем в разные месяцы года для 24 коллекторов, соединенных в ряды, с 21 февраля по 21 декабря. Из рисунка становится ясно, что тепловая нагрузка коллектора увеличивалась с февраля по июнь и сокращалась к декабрю. Тепловая нагрузка коллектора увеличилась с 27723,8 Вт в феврале до 45690,8 Вт в июне и затем снизилась с 45690,8 Вт в июне до 17657,2 Вт в декабре. показывает колебания разницы температур между входом и выходом в солнечном коллекторе в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных в ряды, для трех значений расходов теплоносителя через коллекторы и входа жидкости в межтрубное пространство теплообменника. Очевидно из рисунка, что разница температур увеличивалась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру. Также эти кривых указывает, что увеличение расхода жидкости через коллекторы приводит к снижению разницы температур жидкости на выходе из коллекторов. Максимум и минимум разницы температур 21 декабря варьируется между 21,5 С и 5,67 С для всех расходов, соответствующие значения 21 июня варьируется между 55,8 С и 23,5 С. Различие между указанными выше значениями разницы температур по отношению к 0,194 кг/с 21 декабря в 12:00 варьируется между 17,7% и 29,7% для расходов жидкости 0,237 и 0,28 кг/с соответственно. Значения температура 21 июня в 12:00 по отношению к 0,194 кг/с варьируются между 17,6% и 30% соответственно для расходов жидкости 0,237 и 0,28 кг/с.
Рис. 3.10 показывает изменение нагрузки теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных в ряды, для трех различных значений расходов через коллекторы и входа жидкости в межтрубное пространство теплообменника. Каждый из этих рисунков содержит в себе три кривые. Каждая кривая соотносится с результатами полученными при определенном расходе жидкости на входе в межтрубное пространство.
Из рисунка становится понятно, что нагрузка на теплообменник увеличиваась с утра к полудню и затем снижалась к вечеру. Также направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости через коллектор приводит к снижению нагрузки теплообменника. Однако, разница между указанными выше значениями нагрузки теплообменника по отношению к 0,194 кг/с 21 декабря в 12:00 варьируется между 4,2% и 8,7% соответственно для расходов жидкости 0,237 и 0,28 кг/с, и аналогичные значения 21 июня в 12:00 по отношению к 0,194 кг/с варьируются между 1,1% и 2,3% соответственно для расходов жидкости 0,237 и 0,28 кг/с. показывает колебания общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике в период времени с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных в ряды, для трех различных значений расходов через коллекторы и входа жидкости в межтрубное пространство теплообменника. Из этих рисунков становится понятно, то увеличение расхода жидкости приводит к увеличению общего коэффициента теплопередачи при постоянной температуре. Этот вывод соответствует основным принципам теплопередачи в теплообменнике. То есть, тепловая нагрузка в теплообменнике изменяется напрямую под влиянием общего коэффициента теплопередачи при постоянной разнице температур.
Различия между указанным выше значениями общего коэффициента теплопередачи в теплообменнике по отношению к 0,28 кг/с 21 декабря в 12:00 варьируется между 1,4% и 3,2% соответственно для расходов жидкости 0,237 кг/с и 0,194 кг/с, при этом значения скорости 21 июня в 12:00 по отношению к 0,28 кг/с варьируются между 1% и 2,2% для расходов жидкости 0,237 и 0,194 кг/с соответственно.
Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника со временем 21 декабря и 21 июня (для 24 коллекторов в рядах, межтрубное пространство)
Колебания падения давления в межтрубном пространстве теплообменника в период с 21 декабря по 21 июня для 24 коллекторов, соединенных в ряды, для трех различных значений расходов жидкости через коллекторы и при входа жидкости в межтрубное пространство теплообменника показано на рис. 3.12. Направление этих кривых показывает, что увеличение расхода жидкости в межтрубном пространстве увеличивает падение давления в теплообменнике. Также из этих кривых становится очевидно, что для одной и той же расхода снижение падения давления в межтрубном пространстве сопровождается повышением нагрузки на теплообменник. Значение падения давления в межтрубном пространстве варьируется между 56,6 кПа и 120 кПа для всего диапазона значений расхода жидкости на протяжении года.
