Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований в области использования солнечной энергии для обогрева
различных объектов, цель работы, общая постановка задач исследований 22
1.1. Выбор конструктивной схемы солнечного теплообменника 22
1.2. Анализ известных методов расчета системы 37
1.2.1. Методы расчета солнечной радиации 38
Основные понятия, определения и величины 40
Порядок расчета солнечной радиации 43
1.2.2. Методы расчета работы установки днем 46
1.2.3. Методы расчета установки ночью 46
Выводы по главе 1. Цели и задачи диссертационной работы 47
2. Разработка методики расчета гелиоустановки при работе днем 49
2.1. Математическая модель работы системы , 49
2.2. Приведение уравнений движения и энергии к безразмерному виду 74
2.3. Расчет работы системы аккумулирования солнечной энергии в дневное время суток по методике, предложенной Ю.А. Ждановым 93
2.3.1. Порядок расчета изменения температуры теплоносителя и количества запасенной энергии при работе установки днем по методике Ю.А. Жданова 93
Выводы по главе 2 97
3. Расчет работы системы отопления парника в ночное время суток 98
3.1. Основные определения предположения и допущения 98
3.2. Составление уравнения теплового баланса 100
3.3. Определение момента включения системы термостабилизации 101
Выводы по главе 3 Л12
4. Оптимизация исследуемой системы и эксперимент
4.1. Выбор направления оптимизации 113
4.2. Выбор оптимального типа теплоносителя 114
4.3 Выбор оптимального объема бака-аккумулятора 119
4.4 Выбор оптимальных размеров парника 124
4.5. Описание эксперимента 124
4.6. Обработка результатов эксперимента 125
Выводы по главе 4 129
Выводы и основные результаты 134
Список литературы 135
Приложения 138
- Выбор конструктивной схемы солнечного теплообменника
- Приведение уравнений движения и энергии к безразмерному виду
- Основные определения предположения и допущения
- Выбор направления оптимизации
Введение к работе
Актуальность темы. Рассматриваемый вопрос имеет важную социальную значимость, так как большая часть пахотных земель средней полосы России является зоной рискованного земледелия (особенно для теплолюбивых овощных культур, которые боятся возвратных заморозков в мае или июне). Чтобы исключить риск подмерзания и гибели весной таких культур, как помидоры, огурцы, перцы и т. п., предлагается использовать систему термостабилизации парника ночью за счет теплоты, аккумулированной от Солнца в дневное время суток.
Цель работы. Цель заключается в создании и исследовании системы термостабилизации парника ночью за счет энергии солнечной радиации, накопленной днем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
выбрать и усовершенствовать конструкцию системы и создать математическую модель ее работы днем;
выполнить расчет работы усовершенствованной системы днем;
создать методику расчета работы системы в ночном режиме и получить конкретные результаты;
проанализировать полученные результаты расчетов и сопоставить их с экспериментальными данными, подтверждающими корректность решения поставленных задач;
внедрить результаты исследований в народное хозяйство России.
Методы исследования. Использовались теоретические методы исследования работы системы в дневном и ночном режимах. При выводе теоретических зависимостей применялись уравнения неразрывности и энергии. Для подтверждения теоретических выводов результаты теоретических исследований сравнивались с экспериментальными данными, полученными автором диссертационной работы.
Научная новизна. В работе впервые достигнуты следующие результаты:
создана система термостабилизации парника ночью с естественной циркуляцией теплоносителя;
усовершенствован дневной режим работы системы, а именно впервые введены конусы на входе и выходе бака-аккумулятора, выравнивающие температурные поля теплоносителя;
создана математическая модель работы системы днем с учетом конусов;
предложена методика почасового определения поступлений солнечной радиации на наклонную плоскость на уровне Земли, позволяющая находить оптимальный угол наклона плоскости к горизонту с учетом влияния облачности;
создана методика расчета работы системы ночью;
проведен поиск рациональных параметров солнечной установки, охватывающий выбор теплоносителя, площади солнечного теплообменника, объема бака-аккумулятора и размеров парника.
Практическая значимость результатов работы. Предложенная система позволяет минимизировать риск гибели теплолюбивых культур от ночных заморозков за счет использования только лишь природных естественных источников теплоты, в частности — солнечной энергии. Система не требует подвода электроэнергии или промышленной теплоты, так как циркуляция теплоносителя в контурах дневного и ночного режимов работы происходит в результате естественной конвекции.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ, 2002).
class1 Состояние исследований в области использования солнечной энергии для обогрева
различных объектов, цель работы, общая постановка задач исследований class1
Выбор конструктивной схемы солнечного теплообменника
Поскольку расчёт солнечных теплообменников представляет особый интерес в данной установке, то на основании патентного поиска предлагается рассмотреть несколько типов конструкций коллекторов и особенности работы каждого аппарата с последующим выбором одного из них (рис. 1.1а, б, в, г, д, е, ж, з) с целью последующего применения в установке, показанной на рис. В4а, б.
На схеме (рис. 1.1а) [25] показан солнечный водонагреватель, содержащий корпус 2 со свегопрозрачной крышкой 4 и расположенные в нем тепловоспринимающую пластину 3 и ороситель 6, установленный вдоль одной из стенок корпуса. Пластина 3 установлена с зазором относительно дна корпуса 2, а ороситель 6 расположен под пластиной 3. Дно корпуса покрыто слоем изоляции 5. Нагретая вода собирается в ёмкость 1. В стенке корпуса под пластиной 3 выполнено отверстие 7 для выравнивания давления (с атмосферным) при нагреве и остывании водонагревателя. В качестве тепловоспринимающей пластины может быть использован любой гидрофобный материал.
Солнечный водонагреватель работает следующим образом. Солнечные лучи, проходя через крышку 4, падают на зачернённую поверхность тонкой пластины 3. Обратная сторона этой пластины орошается водопроводной водой в виде тонкой плёнки оросителем 6. Водяная плёнка стекая, по развитой обратной поверхности пластины 3, нагревается и стекает в ёмкость 1, откуда нагретая вода поступает потребителю.
Благодаря прохождению нагреваемой воды по тыльной стороне плоскости пластины процесс испарения воды устраняется, вся тепловая энергия пластины передаётся нагреваемой воде и подается потребителю. Отсутствие нагреваемой воды в объёме между пластиной и светопрозрачной крышкой устраняет конвективные потери с крышки. Следовательно, осуществляется максимальная передача тепловой энергии потребителю. Данная модель не может быть использована в схеме, показанной на рис. В4а, б, поскольку теплоноситель перемещается только в одном направлении - сверху вниз.
Представленный на рис. 1.16 [26] солнечный коллектор содержит прозрачное покрытие и поглотитель солнечной энергии, который выполнен в виде каналов, заполненных водой и сообщённых с потребителем, заключённых в корпус 1 с возможностью образования модулей, соединяемых между собой и формирования пространственной системы, повторяющей конфигурацию поверхности объекта, к которому коллектор прикрепляется.
Защитное покрытие выполнено в виде двух перфорированных и гофрированных листов 5, расположенных над поглотителем солнечной энергии. Листы 5 ориентированы таким образом, чтобы их впадины были обращены друг к другу, а выступы при этом контактировали между собой. Поглотитель выполнен из гофрированных листов 3, расположенных с возможностью соединения друг с другом и образованием при этом каналов 6 для движения воды.
Нижняя часть каналов 3 выполнена с возможностью светопоглощения, за счет того, что внутренняя поверхность нижней части каналов 6 выполнена со светопоглощающим покрытием 4. С целью повышения эффекта теплопоглощения водой теплоты с последующей отдачей тепловой энергии потребителю коллектор снабжён теплоизоляцией 2, расположенной между корпусом 1 и каналами 6. Теплоизоляция 2 может быть расположена также и с боковых сторон корпуса.
Устройство работает следующим образом. Солнечные лучи проникают через защитное покрытие, в частности через перфорированные, гофрированные листы 5 в зону расположения каналов 6 и нагревают воду, тепло от которой используется потребителем. В зависимости от положения лучи попадают на гофрированную поверхность листов 5, проходят через них, нагревая воздушную среду, находящуюся между ними, создавая тем самым тепловой экран. Перфорированные листы 5 выполнены так, что лучистая энергия непосредственно проникает внутрь пространства, образованного гофрами, а с другой стороны надёжно защищает поглотитель от воздействия внешней среды. Далее солнечная и тепловая энергия, проникая внутрь каналов 6, образованных гофрами листов 3, с одной стороны непосредственно нагревает воду, а с другой стороны, нагревает нижнюю часть каналов 6, выполненных со светопоглощающим эффектом. Теплота от нагретой части канала также передаются воде. Гофры расположены таким образом, чтобы при любом положении Солнца происходило эффективное поглощение тепловой энергии. Предлагаемая конструкция солнечного коллектора обеспечивает более полное поглощение лучистого потока, повышая тем самым его теплоусвоение. Кроме этого, выполнение почти всех элементов коллектора из неметаллических материалов позволяет существенно снизить металлоёмкость конструкции, а также позволяет задавать коллектору необходимую форму. Последнее свойство стало возможным за счёт использования, например, в качестве материала полипропилен, обладающий большей гибкостью. Предлагаемый коллектор позволяет также уменьшить потери теплоты в окружающую среду и повысить тем самым эффективность теплосъё ма за счёт применения текучего теплоносителя (в нашем случае воды). Существенным недостатком данной конструкции является старение полимерного материала, из которого изготовлен теплообменник, и, следовательно, ухудшение его эксплуатационных характеристик под действием высокой температуры, солнечной радиации и осадков.
Приведение уравнений движения и энергии к безразмерному виду
Потери теплоты с поверхности трубопроводов и бака-аккумулятора незначительны. Вся энергия, воспринятая солнечным коллектором, используется на подогрев жидкости в баке-аккумуляторе, [II].
Схема установки одноконтурная, т.е. состоит из бака-аккумулятора, солнечного коллектора и промежуточных трубопроводов, а в баке-аккумуляторе нет промежуточного теплообменника для передачи теплоты от солнечного коллектора. Происходит непосредственное смешение нагретой и холодной жидкости в баке-аккумуляторе. Поэтому, средняя температура теплоносителя в коллекторе в каждый момент времени равна температуре теплоносителя в баке-аккумуляторе, [II]. интенсивность падающей солнечной радиации изменяется в течение дня, достигая своего максимального значения в полдень.
Полезная энергия dEK0J1, Дж, отводимая из коллектора за момент времени dr, с, это разность количества суммарной, солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет следующий вид [13].
Основные определения предположения и допущения
Согласно [24] парник - малогабаритное культивационное сооружение, имеющее боковое ограждение и съемную свегопрозрачную кровлю; обслуживается людьми, находящимися вне сооружения или внутри него, эксплуатируется в течение весенне-летнего периода.
Парник имеет конструкцию в виде «домика», (рис. 3,1) и однослойное пленочное покрытие.
Выбирается один из самых неблагоприятных режимов: днем температура окружающего воздуха не поднимается выше +5 С - +8 С, свегопрозрачная кровля парника снята. В момент захода Солнца парник закрывается на ночь, в течение которой температура окружающего воздуха может упасть ниже нуля. ТогдаТн0=Тп0.
Система термостабилизации должна поддерживать температуру воздуха в парнике, например, не ниже +3 С до восхода Солнца.
Воздух подчиняется законам идеального газа.
Потери теплоты в парнике меняются во времени, и их расчет разбивается на два этапа.
а) Расчет потерь теплоты при выключенной системе отопления. В этот период воздух в парнике остывает до +3 С. В момент покрытия парника пленкой темпе ратура воздуха внутри парника равна температуре окружающего воздуха. Расчет позволяет определить график падения температуры воздуха под пленкой и момент включения системы отопления. Очевидно, что температура воздуха под пленкой при выключенной системе отопления падает с некоторым запаздыванием во вре мени по сравнению с графиком падения температуры окружающего воздуха, оп ределяемым по (3.1). Построив график падения температуры воздуха под пленкой при выключенной системе отопления, легко определить время запаздывания.
б) Расчет потерь теплоты при включенной системе отопления, поддерживающей температуру воздуха в парнике +3 С. Этот расчет позволяет определить тепловые потери в парнике в каждый момент времени после включения системы отопления до восхода Солнца и, следовательно, количество энергии, которую необходимо передать системе отопления на компенсацию тепловых потерь при температуре воздуха в парнике +3 С.
3.3. Определение момента включения системы отопления и нахождение тепловых потерь в парнике при включенной системе отопления, поддерживающей постоянную температуру в парнике.
Расчет начинается с нахождения потерь теплоты в парнике после захода Солнца. Наибольший вклад в потери теплоты в парнике вносят потери через ограждения. Поэтому, для оценки времени включения системы отопления потерями через грунт и инфильтрацию можно пренебречь.
Для нахождения потерь теплоты необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи различных поверхностей ограждения парника.
Выбор направления оптимизации
Работа [34] посвящена исследованию эксплуатации подобных установок, содержащих бак-аккумулятор. В работе доказана целесообразность сезонного использования подобных установок в средней полосе России, причем объем бака-аккумулятора находится в пределах 100 л. Как уже отмечалось в 1-ой главе, увеличение объема бака-аккумулятора свыше 100 л, а площади теплообменника больше 3 м2 не приводит к увеличению вероятности большего нагрева теплоносителя, а, следовательно, к большему количеству запасенной энергии солнечной радиации. При площади коллектора, превышающей 3 м2, наблюдается увеличение тепловых потерь за счет конвекции. Кроме того, конструкция теплообменника выбрана с учетом климатических условий средней полосы Российской Федерации (коллектор имеет тройное остекление). Увеличение объема бака-аккумулятора приводит к возрастанию времени прогрева массы теплоносителя, что приводит к небольшой разнице начальной и конечной температуры теплоносителя в баке-аккумуляторе к концу светового дня.
В качестве теплоносителя для расчета работы системы в дневное и ночное время суток используется вода, как дешевое, доступное, эффективное с точки зрения теплофизи-ческих характеристик и экологически чистое вещество.
Поскольку в ночное время суток нередки заморозки, то существует опасность замерзания воды в коллекторе, как наименее теплоизолированного элемента системы, а вследствие этого, разрушения тепловоспринимающей панели.
Данное обстоятельство позволяет наметить первое направление оптимизации - выбор незамерзающего теплоносителя.
В приложении 2 проведен расчет количества запасенной энергии солнечной радиации при объеме бака-аккумулятора 300 л. В работе [34] утверждается, что оптимальный объем бака-аккумулятора 100 л. Данный факт позволяет наметить второе направление оптимизации - выбор оптимального объема бака аккумулятора.
В приложении 3 рассчитано количество теплоты, которую необходимо подвести для обогрева парника, устанавливаемого на обычную грядку размерами 6 на 2 м. А достаточно ли количества запасенной днем энергии системой, имеющей оптимальный объем бака-аккумулятора, для обогрева парника с такими размерами? Данный вопрос указывает на третье направление оптимизации - выбор габаритов парника, который система будет в состоянии обогреть при самых неблагоприятных условиях окружающей среды, которые могут иметь место в течение сезона работы установки, 4.2 Выбор оптимального типа теплоносителя.
Перед тем как заняться поиском другого теплоносителя, необходимо определить, будет ли замерзать вода в коллекторе ночью при самых неблагоприятных условиях работы в сезон с мая по сентябрь? За неблагоприятный день принимается 1 мая со средней температурой окружающего воздуха днем +6 С. Ночью температура может упасть ниже отметки О С.
Согласно расчетам, проведенным в приложениях 2 и 3, график работы системы 1 мая с коллектором, ориентированным на Юг, а также основные предположения следующие:
1) В момент восхода Солнца (около 6 ч) включается контур нагрева теплоносителя в баке-аккумуляторе.
2) Контур нагрева теплоносителя в баке-аккумуляторе выключается, когда прекращается облучение панели теплообменника, ориентированной на Юг (около 19 ч).
3) До захода Солнца (21 ч) система находится в выключенном состоянии. При этом бак-аккумулятор, а также соединительные трубопроводы хорошо теплоизолированы, и тепловые потери в соединительных трубопроводах и баке-аккумуляторе пренебрежимо малы. Однако, происходит охлаждение массы воды, находящейся непосредственно в коллекторе, отсеченном в теплофизическом отношении от остальных элементов, содержащих воду, запорными клапанами. Средняя температура окружающего воздуха продолжает оставаться на отметке +6 С.
4) В момент захода Солнца парник накрывается пленкой. Контур ночного обогрева парника включается с запаздыванием в 1 ч, как только температура воздуха под пленкой достигнет +3 С (22:00). Изменение температуры окружающего воздуха ночью подчиняется закону ночного падения температуры окружающего воздуха, рассмотренному в главе 3 настоящей диссертации. Согласно расчетам, проведенным в приложении 3, температура окружающего воздуха понижается в ночное время суток до - 4 С (минимальная температура перед рассветом).
5) Система работает на поддержание постоянной температуры воздуха в парнике на отметке +3 С с момента включения контура ночного обогрева до восхода Солнца.
6) В течение всего времени с 19 ч до 6 ч утра происходит охлаждение массы воды, содержащейся в коллекторе.
