Исследование солнечного водонагревателя с вакуумированным трубчатым коллектором

В статье описана конструкция солнечного водонагревателя с вакуумированным трубчатым коллектором, приведены результаты его натурных испытаний в климатических условиях г. Алматы, определены энергетические и параметры и обоснована целесообразность круглогодичного использования в южных регионах республики.

Введение

В настоящее время интенсификация животноводческой отрасли требует решения комплекса сложных задач, к числу которых относится теплообеспечение молочных ферм.

При существующих технологиях и системах машин в молочном скотоводстве на получение центнера молока затрачивается 32…35 кВт·ч электрической энергии и 8…10 кг топлива, что выше в 2,5…3,5 раза, чем в молочных хозяйствах США и других ведущих зарубежных странах В то же время в известных системах теплообеспечения не уделяется должного внимания вовлечению в энергобаланс молочных ферм энергии Солнца.

Казахстан относится к государствам с благоприятными условиями для развития солнечной энергетики. В южных областях республики годовая  длительность солнечного света составляет 2200-3000 часов в год, а средняя за год пиковая мощность доходит до 1200 Вт/м2.

Поэтому разработка и ускоренное внедрение энергосберегающей технологии теплообеспечения на базе инновационных технических средств с использованием возобновляемых источников энергии и снижение на ее основе энергоемкости животноводческой продукции является актуальной [1].

В КазНИИМЭСХ разработана гелиоэлектрическая тепловая установка, предназначенная для паро- и горячего водоснабжения и отопления молочных блоков животноводческих ферм и содержащая  солнечный водонагреватель.

Материалы и методы

На рисунке 1 показана теплотехническая схема солнечного водонагревателя, а на рисунке 2 – общие виды его основных конструктивных элементов.

Солнечный водонагреватель состоит из гелиоколлектора, состоящего из 70 вакуумированных колб с тепловой трубкой, теплоизолированного накопительного бака вместимостью 500 л, циркуляционного насоса, соединительных труб и защитно- регулирующих арматур, контрольно-измерительных приборов и щита управления с индикацией температур.

Использование вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов обусловлено их основными преимуществами: возможность работы при значительных отрицательных температурах наружного воздуха и пасмурной погоде, поглощение солнечной радиации в течение дня, благодаря цилиндрической форме вакуумной трубки, а также низкий коэффициент тепловых потерь вакуумированных колб [2].

  Теплотехническая схема солнечного водонагревателя

Рисунок 1 - Теплотехническая схема солнечного водонагревателя 

Основные конструктивные элементы солнечного водонагревателя

Рисунок 2 - Основные конструктивные элементы солнечного водонагревателя Стандартная вакуумированная колба   имеет следующие характеристики: длина  – 1800 мм, наружные диаметры внешней и внутренней стеклянных труб – 58 мм и 48 мм соответственно; степень поглощения - > 91 %; средний коэффициент тепловых потерь -< ≤ 0,6 Вт/м2·ºС [2]. 

Солнечный водонагреватель работает следующим образом. Солнце нагревает теплоноситель в гелиоколлекторе. Когда температура на термодатчике 16 коллектора превысит температуру в термодатчике 6 накопительного бака 1 на настроенную величину (3-5 градусов), система управления включает циркуляционный насос 10. Нагретый теплоноситель от выхода коллектора по трубам проходит на вход теплообменника 3. Теплоноситель, передав тепло через теплообменник 3 технологической воде в баке 1, из выхода  теплообменника  3  циркуляционным насосом 10 на вход коллектора. После того, как температура на двух термодатчиках сравняется, насос выключается.

Если температура технологической воды  в конце светового дня ниже  заданной, то бак подключают через вентили 5 и 7 к электрическому котлу (на рисунке  не показан).

Поскольку технологическая вода в баке используется преимущественно во время вечерней дойки, то ее нагрев гелиоколлектором осуществляется практически в течение светового дня.

Гелиоколлектор установлен на открытой площадке, с углом наклона к горизонту 45º. Рабочая поверхность направлена на юг. Выбранное место в течении светового дня не затеняется окружающими предметами.

Все трубы, находящиеся вне помещений, для снижения потерь тепла покрыты теплоизоляцией. Термодатчики устанавливаются к присоединительным местам с применением термопасты.

Целью натурных испытаний солнечного водонагревателя является определение его основных теплоэнергетических характеристик в климатических  условиях г. Алматы.

Во время опытов измерялись плотность солнечной радиации, начальная температура нагреваемой воды; температура воды в верхней и нижней частях бака, температура теплоносителя на входе гелиоколлектора и на выходе из него; продолжительность нагрева воды, температура воздуха в помещении, температура наружного воздуха, скорость ветра, расход электроэнергии на работу  насоса. Измерения и испытания проводились в соответствии с методиками, приведенными в [3…5].

Важным энергетическим параметром солнечного водонагревателя является его к.п.д.. Его расчетное значение 5с.в определяют как произведение к.п.д. составных элементов установки:

Результаты и обсуждение

На рисунках 3…6 показана динамика изменения температур теплоносителя в гелиоколлекторе, технологической воды в баке и наружного воздуха в течение светового дня и суток в характерные холодные и теплые месяцы года. Результаты расчетов по определению теплоэнергетических параметров  солнечного водонагревателя приведены в таблице 1.

На рисунке 3 показана динамика суточного изменения температур теплоносителя на выходе из коллектора, воды в баке и наружного воздуха, полученная в  ходе натурных испытаний солнечного водонагревателя в холодные дни февраля.

Анализ экспериментальных данных и результатов расчетов показывает, что в течение первого дня, когда температура наружного воздуха (Тн.в) изменилась в пределах  -13 ºС…-7 ºС  при ясной погоде, гелиоколлектор   нагревает воду в баке   от 24 ºС до 44 ºС, а затем в ночное время  происходит понижение  температуры воды   до 41 ºС при понижении Тн.в ночью до – 21 ºС. В следующий световой день она нагревается до температуры  до 57 ºС при колебании  Тн.в  в   пределах -20 ºС…-10  ºС. В первый день степень нагрева составила 44-24=20 ºС, а во второй день – 57-41=16 ºС, что составляют соответственно 44%

Динамика суточного изменения температур теплоносителя на выходе из коллектора, воды в баке и наружного воздуха (дата проведения -05.02.2014 -06.02.2014)

Рисунок 4 – Динамика суточного изменения температур теплоносителя на выходе из коллектора, воды в баке и наружного воздуха

Рисунок 5 – Динамика суточного изменения температур теплоносителя на входе и выходе коллектора, воды в баке и наружного воздуха и 35% требуемого значения (60- 14=46 ºС), а при этом к.п.д.  составляет 0,56 и 0,5 соответственно.

В результате повышения температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации в марте степень нагрева воды в баке при Тн.в= 8…21 ºС составила 50-14=36 ºС и 40-19=21 ºС при ясной погоде  и  переменной  облачности соответственно (рисунок 4а и 4б). Указанные степени нагрева соответствуют 78% и 46%  требуемого значения (46 ºС). При этом к.п.д. установки повышается до 0,65.

На рисунке 5а и 5б представлены результаты испытаний, проведенных в начале июля. Анализ данных показывает, что вакуумированный гелиоколлектор с тепловыми трубками способен нагреть воду объемом 500 л от 22 ºС до 70 ºС при ясной погоде и колебании Тн.в в пределах 26…31 ºС, а при переменной облачности – до 55 ºС. Степень нагрева воды составляет   соответственно 48 ºС и 33 ºС, что соответствует 120% и   82,5 % требуемого значения (60-20=40 ºС). Благодаря значительному снижению тепловых потерь, к.п.д. установки в июле  возрастает до 0,7.

Как показывают расчеты, количество полезной солнечной энергии, затрачиваемой на нагрев технологической воды, в начале февраля составляет 11,63 кВт·ч в день, в середине марта – 20,93  кВт·ч в день, а в начале  июля - уже 27,91 кВт·ч в день. 

Таблица 1 – Результаты расчетов по определению теплоэнергетических параметров солнечного водонагревателя

 Результаты расчетов по определению теплоэнергетических параметров солнечного водонагревателя

Выводы

Результаты натурных испытаний солнечного водонагревателя, состоящего из вакуумированного трубчатого гелиоколлектора с тепловой трубкой и площадью апертуры 5,7 м2 и накопительного бака вместимостью 500 л, показали, что в климатических условиях г. Алматы при отрицательной  температуре  наружного воздуха -10…-15 0С к.п.д. установки может составить не менее 0,5, а степень нагрева технологической воды может достигать 20 0С, т.е около 40 % от заданной.  В  весенний и летний периоды к.п.д. может составить от 0,6 до 0,7, а вода в баке нагревается от начальной температуры 14…22 0С до 50… 70 0С. При этом вклад солнечной энергии в приготовлении горячей воды составляет зимой не менее 40%, а летом – не менее 80%.

Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности круглогодичного использования вакуумированных трубчатых гелиоколлекторов для горячего водоснабжения в южных регионах республики.

 

Литература 

  1. Кешуов С.А., Алдибеков И.Т., Барков В.И. Ресурсосберегающие системы и установки для электротеплообеспечения в малом молочном животноводвсте. Алматы: ТОО «Нур-Диас», 2012.- 320 с.
  2. http://www.journal.esco.co.ua/cities/2013_8/art254.pdf
  3. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Под.ред. Виленского В.Д.– М.: Энергоиздат. 1982.-504с.
  4. ГОСТ Р 51596-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Методы испытаний. М.: Стандартинформ, 2001.- 30 с.
  5. ГОСТ Р 54856-2011. Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребления и эффективности системы теплогенерации с солнечными установками. М.: Стандартинформ, - 38 с.
Год: 2014
Город: Алматы