Введение к работе
Актуальность темы.
Для теплоснабжения сезонных потребителей в летний и переходный периоды года перспективны солнечные водонагревательные установки с емкостными радиационно-конвективными теплообменниками. В них вырабатывается и аккумулируется низкопотенциальная теплота, что позволяет экономить энергоресурсы, снизить зависимость региона от привозного топлива и сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Практическая реализация этого направления предусматривает решение двух проблем. Первая связана с разработкой эффективной и недорогой теплообменной аппаратуры в виде эластичных емкостей из водостойких технических тканей. Вторая касается выбора дублирующего источника энергии, оптимальным вариантом которого является теплонасосная установка. В этом случае возможен комбинированный режим теплохладоснабжения потребителя, когда он обеспечивается не только горячей, но и холодной водой для использования в системе кондиционирования воздуха.
В диссертационной работе проведены исследования процессов радиационно-конвективного теплообмена в емкостных водонагревателях из текстильных материалов, а также рассчитаны режимы работы теплового насоса, доводящего температуру воды до нужного потребителю температурного уровня. Этим и определяется её актуальность.
Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н.Косыгина» и определена заданиями Министерства образования и науки РФ, а также грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00358.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка емкостных теплообменных аппаратов из текстильных материалов, предназначенных для подогрева воды солнечным излучением, и исследование протекающих в них процессов радиационно-конвективного теплообмена. Для достижения этой цели решены следующие научные и технические задачи:
1) исследованы технологические возможности эффективного применения современных водостойких тканей с полимерными покрытиями в качестве эластичных оболочек и разработаны опытные образцы емкостных радиационно - конвективных теплообменников, отличающиеся улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными показателями;
2) созданы лабораторные стенды, на которых проведены экспериментальные исследования:
- коэффициента теплопроводности и степени черноты ткани с ПВХ покрытием, используемой для изготовления водонаполненных оболочек емкостных теплообменников;
- теплопроизводительности и КПД опытных образцов теплообменников из водостойких тканей в натурных условиях;
- эффективности емкостных теплообменников в условиях интенсификации теплообмена на их поглощающей поверхности;
3) разработаны математические модели, описывающие перенос теплоты в емкостных радиационно-конвективных теплообменниках и позволяющие проводить инженерные расчеты и анализ их теплотехнических параметров, а также режимов совместной работы с компрессионными тепловыми насосами;
4) сопоставлена энергетическая эффективность емкостной установки горячего водоснабжения и проточной, выполненной на базе традиционного солнечного коллектора и аккумулятора теплоты.
Научная новизна.
1) Разработаны математические модели, описывающие нестационарный прогрев жидкости в емкостных теплообменниках из водостойких тканей, а также режимы их работы с дублирующим источником энергии – тепловым насосом в системах теплохладоснабжения сезонных потребителей. С их помощью проведены расчеты динамики прогрева воды, теплопроизводительности и КПД теплообменников в зависимости от интенсивности лучистого теплового потока, коэффициента трансформации теплоты и эксергетического КПД теплового насоса.
2) Разработан новый метод интенсификации теплообмена в водонаполненных текстильных оболочках, предусматривающий струйное натекание теплоносителя на обогреваемую поверхность. Показано, что этот метод обеспечивает рост средних коэффициентов теплоотдачи воды в 4…10 раз.
3) Созданы новые образцы емкостных теплообменников с водонаполненными оболочками из тканей с полимерными покрытиями, разработана схема использования этих теплообменников в теплонасосной системе для совместной выработки теплоты и холода.
4) Проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик емкостных теплообменников различных конструкций, на основании которых получены новые данные по их энергетической эффективности.
Практическая ценность и значимость работы.
1) Разработаны новые образцы емкостных теплообменников для нагрева воды радиационными тепловыми потоками на основе водостойких технических тканей с полимерными покрытиями.
2) Созданы лабораторные стенды для экспериментального исследования теплотехнических характеристик текстильных теплообменных аппаратов емкостного типа и интенсификации теплоотдачи в них.
3) Определены параметры, практически важные в процессе эксплуатации емкостных аппаратов: – оптимальная толщина слоя жидкости, теплопроизводительность, КПД, коэффициенты тепловых потерь и эффективности текстильных водонаполненных оболочек, поглощающих солнечное излучение.
4) Результаты работы могут быть использованы при проектировании современного теплообменного оборудования, работающего в области умеренных температур и плотностей лучистых потоков. Лабораторные стенды могут служить студентам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина в качестве учебной базы при изучении курсов «Тепломассообменное оборудование предприятий» и «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», а также при выполнении ими курсовых, дипломных и научно-исследовательских работ.
Достоверность основных научных положений и выводов работы обусловлена применением современных методов исследования тепловых процессов, включающих их математическое и физическое моделирование, воспроизводимостью результатов экспериментов, а также удовлетворительным соответствием расчетных и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно - технических конференциях: - «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2008, Текстиль-2009, Текстиль-2011), г. Москва; «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности», г. Москва, 2010; «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2009, Прогресс-2012), г. Иваново; XII международной конференции «Возобновляемая энергетика XXI столетия», АР Крым, п. Николаевка, 2011; международной научно - практической конференции «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК», г. Москва, 2012; 8 международной научно – технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», г. Москва, 2012.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ в отечественных научных журналах и сборниках. В их число входят 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 70 наименований. Работа изложена на 124 страницах, содержит 14 таблиц и 67 иллюстраций.
