Розробка, моделювання та оптимізація елементів систем сонячного гарячого водопостачання

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Національний технічний університет України НТУУ «КПІ», Київ, 2011. Дисертація присвячена дослідженню теплофізичної ефективності елементів систем сонячного гарячого водопостачання, розробці на цій основі нових технічних рішень ефективних конструкцій елементів геліосистем, способів їх випробувань і методів теплового розрахунку з використанням математичного моделювання та оптимізації режимних параметрів. Розроблені в дисертації нові технічні рішення, методи теплових розрахунків проточних і акумулюючих сонячних колекторів та інших елементів (теплообмінників та теплоакумуляторів) дозволяють забезпечити проектування і розрахунки ефективних конструкцій елементів геліосистем гарячого водопостачання з сонячними колекторами, обладнаними такими атрибутами якості, як антиконвективна структура, екранна теплоізоляція та селективне 21 покриття. Запропоновані в роботі нові способи теплових випробувань сонячних колекторів проточного та акумулюючого типів і теплообмінників-рекуператорів та засновані на них процедури визначення параметрів їх конструкції дозволяють експериментально визначати «константи» їх математичних моделей, і можуть бути використаними при сертифікаційних випробуваннях геліообладнання.Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальный технический университет Украины НТУУ «КПИ», Киев, 2011. Диссертация посвящена исследованию теплофизической эффектив-ности элементов систем солнечного горячего водоснабжения, разработке 22 на этой основе новых технических решений эффективных конструкций элементов гелиосистем, способов их испытаний и методов теплового расчета с использованием математического моделирования и оптимизации. Установлено, что математическая модель солнечного коллектора включает два выражения КПД СК: экспоненциальное (модель HWB) и логарифмическое. Впервые получено аналитическое выражение КПД СК в логарифмической форме: СК = ( )/ln(/), которое представляет собой аналог среднелогарифмической разности температур в теории теплообменников и является основой проектного метода теплового расчета СК. Также получены два его более точных (чем линейное) нелинейных приближения, приводящихся к линейному виду, необходимому при интерпретации результатов тепловых испытаний. На основе 2-го и 3-го нелинейных приближений впервые разработаны: 1) новый метод испытаний СК в полевых условиях с двумя разными расходами воды через абсорбер GA и 2) алгоритм пересчета характеристик СК, полученных по методу NBS USA, в его параметры F() и FUL. В рамках экспоненциальной модели HWB впервые разработаны: 1) обобщенный метод испытаний СК с определением сразу трех его параметров (F()N , FUL и константы модификатора bо) и 2)алгоритм пересчета характеристик СК FR() и FRUL, полученных по методу AHSRAE USA, в параметры его математической модели F() и FUL. Впервые в полном объеме проведен эксергетический анализ тепло-вого баланса солнечного коллектора и термодинамическая оптимизация режимных параметров. Установлено, что производство эксергии в СК пропорционально квадрату плотности падающего солнечного излучения, на этой основе впервые определены оптимальные параметры рабочих режимов: температура воды на выходе из СК (Тf)opt = 3(ToTm2) и ее расход (GA)opt. Определен критерий эксергетической эффективности солнечного коллектора Кех = ()2(F/UL), который позволяет определять лучшие СК и ранжировать их в рамках второго закона термодинамики. На основе эксергетического анализа солнечных ресурсов впервые установлено, что эксплуатировать системы солнечного горячего водоснабжения в Украине рационально только в теплую половину года. В результате решения дифференциального уравнения накопления теплоты водой в солнечном коллекторе аккумулирующего типа впервые получено аналитическое выражение для максимального нагрева воды в СКА (t)max за световой день, а также соотношение между объемом абсорбера и площадью его апертуры (V/A)СКА при заданном нагреве. На основе анализа полученного решения введено новое понятие «термический адмитанс» (термическая проводимость тепловой цепи СКА), величина которого зависит от активной AUL и реактивной C составляющих и равна корню из суммы квадратов ее составляющих: [(AUL)2 + (C)2]. В результате оптимизации конструкции пакета экранной теплоизоляции было найдено условие его оптимальности:(/)i = idem. 23 На этой основе впервые разработан замкнутый метод теплового расчета сложного теплообмена в оптимальном пакете экранной теплоизоляции. Уточнен известный способ В. Б. Вейнберга экспериментального определения параметров нестационарной модели проточного и аккумулирующего солнечного коллектора в регулярном режиме Спр (приведенной теплоемкости СКА) и Кэф (коэффициента теплопотерь). Разработаны новые технические решения эффективных элементов систем солнечного горячего водоснабжения: двухконтурная гелиосистема ГВС с двумя разными теплообменниками (скоростного и емкостного типа), включенными последовательно и объединяющих контуры теплоносителя и нагреваемой воды, которые имеют свои автономные системы автоматики, что резко повышает эффективность работы гелиосистемы в нестационарных условиях эксплуатации (утром, вечером и в условиях периодической облачности); теплообменник емкостного типа с «внешним» расположением змеевика для антифриза, а также с «плавкой» оболочкой корпуса из парафина, что значительно повышает его эффективную теплоемкость и снижает опасность отравления антифризом нагреваемой в емкости воды; аккумулятор тепла на основе фазового перехода плавкого вещества, в котором создание объединенного металлического оребрения обоих змеевиков (теплоносителя и нагреваемой воды) позволяет значительно повысить коэффициент теплопередачи между ними как в режиме рекуперации, так и в режимах «зарядки» и «разрядки» плавкого вешества. антиконвективная структура солнечного коллектора, замкнутые ячейки которой сформированы параллельными полосами металлической фольги, блокирует конвекцию в воздушной прослойке между стеклом и абсорбером и значительно снижает теплопотери с лицевой стороны СК. Результаты диссертационной работы были использованы на практике, что подтверждается актами внедрения (КБ «Шторм» при КПИ, ВНИИМОЖ, НИИСТ ВНИПИ Энергопром, Атомэнергопроект, ЗиО-Подольск, УкрЦСМ) и протоколами испытаний гелиооборудования, разработанного по договорам НИИСТ с БЗОО (№ 631/90, № 410/88 и др.) и ГосНИИ НЭЭ Минэнерго (№ 1-1/93 от 10.06.93, № 13 от 5.01.95 и др.), а также научно-техническими отчетами о разработке гелиосистем (отчет о НИР ИПМ НАНУ по СВН-200 № 05.21.04/140-92 программы ГКНТ Украины 04.10.01 и отчет о НИОКР НИИСТ по разработке гелиосистемы ГС-20, №ГР 11890058056, Киев,1989 г.). А также в грантовых проектах: проекте “DEMO SOLAR-WEST” INCOP-DEMO № 4041/98, и проекте УНТЦ № 3984 «Солнечные коллекторы на основе тепловых труб для подогрева воды: разрабока, изготовление, исследование», 2008-2009.The dissertation for a Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.14.06 – Technical thermo-physics and engineering heat energetic. – National technical university of Ukraine NTUU “KPI”, Kiev, 2011. The thesis is devoted to investigation of thermo-physical efficiency of solar hot water supply systems, designing on this base the new engineering solutions for effective construction of the heliosystem elements, methods of their tests and thermal calculation with use of mathematical modeling and conditions parameters optimization. The designed in the thesis new engineering solutions, thermal calculations methods for solar collectors of running and accumulative types and other elements (heat exchangers and thermal receiver) allow providing the design and calculation of the effective constructions of the elements of hot water supply heliosystems with solar collectors equipped by such attributes of quality as anticonvection structure, screen heat insulation and selective coating. The proposed in the work new methods for heat tests of solar collectors of running and accumulative types and heat exchangers – recuperators and based on them procedure for determination of their construction parameters allow to define sufficiently reasonably and exactly the experimental estimations of these parameters, that is constants of their mathematical models, and may be use at the certification tests of helioequipment

Similar works

Having an issue?

Is data on this page outdated, violates copyrights or anything else? Report the problem now and we will take corresponding actions after reviewing your request.