Закрытая система отопления с естественной циркуляцией схема: Закрытая система отопления с естественной циркуляцией

Содержание

Схема отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома

Качественное отопление зданий жилого назначения в осенне-зимний период является главным фактором создания комфортных условий проживания. Состоит система теплоснабжения из источника тепла, труб и обогревательных агрегатов. В домах с индивидуальным отоплением и частном секторе более активно применяется отопительная система с естественной циркуляцией. Рассмотрим, какие бывают схемы теплоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя более подробно.

Часто можно встретить такие понятия, как схема самотечная и схема гравитационная система отопления – все это является синонимом схемы системы с естественной циркуляцией. Данные термины обозначают единый принцип построения системы – отсутствие насоса. Системы теплоснабжения с естественной циркуляцией иметь могут верхний розлив и нижний. Но схема отопления верхний розлив используется чаще.

В чем плюсы и минусы использования самотечной системы теплоснабжения?

Прежде чем рассмотреть схемы отопления в одноэтажных и двухэтажных домах с естественной циркуляцией, надо отметить, что самотечная система теплоснабжения может иметь плюсы и минусы.

Основными положительными сторонами таких систем отопления можно назвать:

  1. Экономичность. Для функционирования системы не требуются электронасосы.
  2. Независимость от электричества. Теплоснабжение осуществляется за счет наличия топлива в котле. Поэтому отключение электроэнергии не сказывается на работе отопительных приборов.
  3. Отсутствует вибрация и различные шумы, которые характерны при функционировании электрооборудования.
  4. Саморегуляция. Такая схема естественной циркуляции отопления обеспечивает подачу одинакового количества тепла на все радиаторы.
  5. Простота монтажа. Установку системы можно произвести и самостоятельно, даже не имея специальных навыков и знаний.
  6. Инерционность. Если котел отключить, тепло еще будет долго сохраняться в батареях и обогревать помещение.

Правда, и нагревается система, после возобновления работы котла, также будет очень долго. Что можно отнести к недостаткам. Объем воды в подобных системах раза в три больше, нежели в моделях с электронасосом. Трубы должны быть сделаны только из металла. Полимерные магистрали не выдержат высоких температур. Среди прочих минусов можно назвать и то, что системы с естественной циркуляцией отопления подходят лишь для малоэтажных сооружений.

Схемы отопления деревянных жилых сооружений

Надо отметить, что схема отопления в деревянном доме является непростой. Конечно, можно использовать электрические, воздушные и печные варианты. Но большинство пользователей останавливают выбор на водяных системах отопления.

Дом из дерева отличается большой теплоемкостью, поэтому для его прогрева понадобиться больше тепловой энергии.

Помимо этого схема отопления частного дома предполагает, что надо постоянно поддерживать комнатную температуру воды. Необходимо это для того, чтобы помещение не отсырело. При подобном устройстве отопления система состоит из теплонагревательного котла, магистрали и отопительных агрегатов. Конструкцию необходимо оснастить шаровыми кранами и терморегуляторами.

Конечно, для отопления деревянного дома можно использовать и искусственную систему теплоснабжения, но схема отопления без насоса все же встречается чаще. Более детально о системе отопления с насосной циркуляцией мы уже писали здесь.

Схема отопления двухэтажной жилой постройки

Реализуется система отопления с естественной циркуляцией двухэтажного дома в двухтрубных и однотрубных системах. Принцип у них один – от котла вверх на максимальную высоту поднимается труба, а потом идет распределение теплоносителя по конструкциям отопления. Различие заключается в следующем: в двухтрубной системе отопления вода, которая уже остыла, собирается в другую трубу, которая заводится на вход обратки теплового котла. Что касается однотрубной системы, на вход обратки котла идет трубопровод от выхода последней батареи. Двухтрубная схема отопления с естественной циркуляцией – наиболее подходящий вариант для домов с двумя этажами.

От однотрубной двухтрубная система отличается лишь порядком подключения отопительных элементов. Перед каждой батареей рекомендуется ставить регулировочный бак. Для обеспечения нормальной циркуляции воды в двухэтажном доме всегда хватает расстояния между центром теплового котла и верхней точкой подающего трубопровода. Поэтому аккумулирующая емкость для обогрева может быть оборудована не на чердаке помещения, а на втором этаже.

Схема отопления одноэтажной жилой постройки

Однотрубная схема отопления с естественной циркуляцией одноэтажного дома является наиболее подходящей для таких сооружений. Состоит такая система из одной трубы и включает котел для нагрева, трубопроводную разводку, проводку и расширительный бак.

Схема подобной системы отличается простотой. Поэтому ее установку можно провести и своими руками. По периметру жилого помещения пускается труба. Выбирать надо трубы большого диаметра – не меньше ДУ32.

Монтируется труба внутри жилого помещения. Со стороны подачи разводка должна быть выше, нежели там, где обратка возвращается к отопительному котлу. В закольцовку врезаются радиаторы либо конвекторы. Для этого применяются трубы с диаметром поменьше. Желательно на подводках установить дроссели и вентили. Также нелишним будет ивоздушник. Подобная схема позволяет обогревать помещение без использования вспомогательной арматуры.

В частном секторы широко применяют горизонтальную систему отопления, которая классифицируется на тупиковые и попутные системы движения воды. При тупиковой системе каждая из батарей располагается дальше от котла. Подобная система может быть легко разбалансирована. Поэтому настраивают ее очень долго. Надо отметить, что попутная система отопления схема которой предполагает больший расход труб по сравнению с тупиковой, используется преимущественно в простых системах теплоснабжения.

Выбирая попутную систему, надо учесть, что циркуляционные кольца должны быть одинаковыми.

Все радиаторы в системе работают как один. Сегодня очень часто используют гибкие шланги для отопления дома. Они служат для подсоединения обогревателей к системе теплоснабжения.

Причины отсутствия циркуляции воды

Часто пользователи одно- или двухэтажных домов сталкиваются с такой ситуацией, когда обогреватели начинают работать менее эффективно. Если нет циркуляции в системе отопления, на то могут быть свои причины.

Отсутствие циркуляции в системе теплоснабжения может быть вызвано:

  • Загрязнением системы. Батареи необходимо периодически промывать, иначе конструкция может забиться по всему диаметру. Если такое произошло, придется менять трубы.
  • Диаметр труб слишком маленький. А чем диаметр труб меньше, тем гидравлическое сопротивление больше. Это тоже может быть причиной того, что нет циркуляции в радиаторе отопления либо она есть, но очень слабая.
  • Завоздушиванием обогревателя. Для решения такой проблемы устанавливают краны Маевского.

Очень часто в системах теплоснабжения с естественной циркуляцией устанавливают насосы мокрого типа мощностью до 40-60 Вт. Более подробно о работе тепловых насосов для отопления можно прочитать здесь. Это один из вариантов, как улучшить циркуляцию воды в системе отопления дома. Помимо этого насосы могут помочь сэкономить до 25% затрат.

Закрытая система отопления с принудительной циркуляцией схема

Закрытая индивидуальная отопительная система работает гораздо эффективнее и надежнее, чем открытая, так как в циркуляционный контур закрытого типа кислород не попадает, следовательно, не идут разрушительные процессы окисления металла. При этом заполнение системы отопления закрытого типа можно делать как чистой питьевой или дистиллированной водой, так и теплоносителями типа антифриза, трансформаторного масла или другими синтетическими растворами, не вступающими в контакт с металлом и не вредящими здоровью людей. Подпитка отопления антифризом

Особенности закрытой системы

Название системы отопления дома происходит от конструкции расширительного резервуара, который обязательно присутствует в любой схеме отопления.

Расширительный резервуар в схеме предназначен для хранения расширяющейся при нагревании жидкости, и, так как некоторый объем теплоносителя испаряется или вытекает при эксплуатации системы, жидкость в бачок периодически доливается. В открытую емкость доливать теплоноситель требуется чаще, так как, кроме перечисленных выше причин снижения уровня жидкости, она просто испаряется с открытой поверхности резервуара. В закрытой емкости этого не происходит, поэтому долив жидкости проводится намного реже.

Сейчас популяризуется система отопления закрытого типа, как наиболее экономичная и эффективная. Ее положительные качества очевидны:

  1. Это – чаще всего автоматизированная система;
  2. Автономная схема закрытой системы отопления работоспособна с любым теплоносителем;
  3. Постоянное и контролируемое давление в трубах позволяет пользоваться любой современной бытовой техникой, требующей подключения воды;
  4. Теплоноситель не контактирует с воздухом, поэтому металл системы не окисляется изнутри (например, в металлических радиаторах и в рубашке котла) и не происходит сокращение срока службы элементов схемы;
  5. Закрытый расширительный резервуар можно монтировать в любой точке помещения дома, но обычно его устанавливают рядом с котлом. Открытый же бачок нужно устанавливать в наивысшей точке отопительной системы, а это очень неудобно с позиции эргономики, дизайна, монтажа и обслуживания, так как чаще всего бачок приходится устанавливать на чердаке;
  6. Автономная закрытая система отопления с естественной циркуляцией или с помпой включает в состав схемы автоматические воздухоотводчики, поэтому образование пробок с воздухом в трубах и отопительных приборах полностью исключено.
Схема системы закрытого исполнения

Отрицательным моментом в такой схеме отопления можно считать зависимость от электричества, так как циркуляционный насос и автоматика с датчиками требуют подключения к сетевому напряжению, и при аварийном отключении сети работа отопления останавливается. Но можно организовать закрытую схему с естественной циркуляцией с помощью точного расчета толщины отопительных труб, где за счет разного диаметра трубопровода создается давление, движущее теплоноситель по системе. Оговоримся, что это – довольно сложная задача, требующая не только правильных математических выкладок, то и абсолютно точного исполнения, поэтому на практике реализовать оптимальное давление в закрытой системе отопления с естественным движением жидкости довольно проблематично.

Можно если не нивелировать полностью, то максимально минимизировать энергозависимость закрытой схемы – для этого в схему монтируются ставят источники бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторами на конденсаторах, или параллельно подключаются генераторы напряжения, чтобы не создавать проблем с группой безопасности и циркуляционным насосом. Источники бесперебойного питания и генераторы для отопления частного дома

Комплектующие и узлы закрытой отопительной системы:

  1. Котел, обвязанный ГБ – группой безопасности с группой безопасности. Гб может быть встроенной и наружной. Группа безопасности – это датчики, манометры, термометры, воздухоотводчики, клапана, вентили, запорная арматура;
  2. Водопроводные трубы, радиаторы отопления или система «теплый пол», регистры, батареи, конвекторы;
  3. Циркуляционный электрический насос – монтируется в трубе обратки;
  4. Расширительный резервуар для компенсации скачков объема жидкости и стабилизации давления в системе.


Автономная закрытая система отопления с принудительной циркуляцией требует подбора мощности котла, и это можно сделать по упрощенному, но точному принципу: на 10 м2 отапливаемой площади затрачивается 1 кВт тепловой энергии плюс запас в 20-35%. Закрытая система с естественной и принудительной циркуляцией жидкости

О группе безопасности

ГБ монтируется на трубу подачи теплоносителя сразу на выходе ее из нагревательного котла для контроля рабочих параметров системы. Манометр позволяет визуально контролировать давление в трубах, которое не должно превышать 1,5 Бар для одноэтажного дома и 3 Бар для двухэтажного здания. Падение давления свидетельствует об утечке теплоносителя, которую необходимо ликвидировать, а повышенное давление может быть по многим причинам, в том числе: нарушение режима работы котла, перегрев системы, выход из строя насоса или предохранительного клапана. Группы безопасности для отопительных систем

Автоматический воздухоотводчик отводит из системы воздух, что позволяет вовремя ликвидировать воздушные пробки. Стандартные группы безопасности есть в продаже как в собранном виде, так и по отдельности каждый прибор. Можно приобрести все устройства по одному и смонтировать свою группу безопасности, исходя из конкретики схемы отопления.

Расширительный резервуар представляет собой герметичную емкость с мембраной, разделяющей камеру пополам. Верхняя часть камеры заполнена воздухом или инертным газом, нижняя – теплоносителем. Если температура жидкости не превышает допустимых пределов, мембрана находится в свободном состоянии. По мере повышения температуры мембрана под давлением горячего теплоносителя поднимается и сжимает воздух (газ) в верхней части камеры, что и отображает манометр как увеличение давления в системе. Чтобы не отслеживать визуально в ручном режиме превышение давления, многие модели котлов снабжаются предохранительным клапаном, который сбрасывает излишнее давление автоматически. Закрытый расширительный бачок

Как рассчитать объем теплоносителя

Перед тем, как заполнить систему отопления закрытого типа теплоносителем, следует рассчитать его количество. Это особенно актуально для дорогих жидкостей – антифриза, водно-гликолевых растворов или трансформаторного масла. Практика построения систем отопления показала, что оптимальным объемом для расширительного резервуара будет 10% от всего объема воды в системе (для технических жидкостей объем рассчитывается по-другому). То есть, для расчета емкости бачка необходимо сначала вычислить общий объем теплоносителя, а для этого нужно знать диаметр труб, объем радиаторов и объем котла. Если используются антифриз или водно-гликолевые смеси, то объем расширительной емкости нужно увеличить в полтора-два раза.


Практический пример по расчету объема мембранного расширительного бачка: При общем объеме всей системы 35 литров объем бачка мембранного типа будет составлять 3,5 литра для воды и 5-7 литров для антифриза. Бака именно такого объема в продаже может не быть, поэтому покупайте емкость бо́льшего объема.

Важно: В продаже вы встретите красные и синие мембранные расширительные емкости. Покупать нужно красный бачок – он предназначен для работы с горячей водой. Синий бачок устанавливается в системе холодного водоснабжения, и повышенных температур его мембрана может не выдержать.

Разводка труб и группы безопасности

Индивидуальная закрытая система отопления предусматривает монтаж расширительной емкости на трубе обратной подачи теплоносителя, перед насосом по ходу движения жидкости. Для подключения в трубу врезают тройник, к центральному отводу которого через латунные фитинги и короткий отрезок металлопластиковой трубы подключается бачок. После тройника врезается запорный вентиль для перекрытия воды в системе на случай ремонта или замены бачка.

Перед тем, как заполнить закрытую систему отопления, продумайте точку врезки циркуляционного насоса – на подаче или на обратке. Стандартное подключение – обратная труба теплоносителя, чтобы высокая температура не повредила детали насоса. Но при установке нового насоса его можно включать и в подачу, так как современные материалы, применяющиеся в новых моделях, выдержат даже максимальный обогрев. Перед насосом и после него также врезается запорный кран для перекрытия подачи воды. Закрытая схема отопления частного дома

Байпас в системе отопления закрытого типа не предусмотрен, так как система без насоса просто не будет работать. Вместо байпаса врезают два шаровых вентиля – по обе стороны насоса – и фильтр грубой очистки воды монтировать обязательно нужно. Вентили позволяют при необходимости демонтировать насос для замены или ремонта, а фильтр продлит срок его эксплуатации.

Автономная закрытая система отопления частного дома заполняется подпиткой через врезку в трубу обратного хода теплоносителя. Для подпитки или слива жидкости в трубу врезается вентиль или тройник с краном. Если кран не подключать к системе канализации, то при сливе жидкости под него нужно будет подставлять приемную емкость, а при подпитке – надевать на вентиль шланг, через который можно будет заливать теплоноситель в систему.

Система отопления с естественной циркуляцией в частных домах

Автор Евгений Апрелев На чтение 4 мин Просмотров 571

В дачных и загородных коттеджах получила распространение система отопления с естественной циркуляцией. Для ее установки не потребуется существенных денежных вложений, в отличие от системы с принудительной циркуляцией. Однако, несмотря на простоту схемы данного вида отопительной системы, необходимо ее правильно рассчитать и построить в строгом соответствии с полученными цифровыми значениями. В противном случае вся схема будет неработоспособной.

[contents]

Что такое естественная циркуляция систем отопления?

Для того чтобы происходил обогрев помещения, необходимо создать условия, чтобы вода или иной теплоноситель могли проходить по трубам. Система водяного отопления с естественной циркуляцией работает по следующим принципам:

  • движение воды по трубам обеспечивается благодаря различию в ее плотности в обычном и нагретом состоянии;
  • теплоноситель попадает в котельный теплообменник, происходит повышение его температуры и, как следствие, снижение плотности;
  • в системе одновременно присутствует теплая и холодная вода: поскольку у последней уровень плотности выше, чем у нагретого теплоносителя, она способна его вытолкнуть;
  • разность в плотности жидкостей и позволяет им циркулировать по трубам естественным образом.

Однако данный физический процесс для работы системы недостаточен: важно соблюсти правильные значения для уклона труб, чтобы теплоноситель не застопорился на месте.

Виды и особенности систем отопления с естественной циркуляцией

Существует несколько разновидностей отопительных систем с естественной циркуляцией теплоносителя:

  1. Закрытая схема. Она распространена в странах Запада благодаря ее экономичности, однако в России ее применение весьма ограничено. Все дело в объеме воды, которая может находиться в котле. Дело в том, что в закрытой системе может находиться лишь строго обозначенное в технических характеристиках конструкции количество теплоносителя, и расширить бак невозможно, поскольку это повредит работе схемы. Полость бака делится на 2 части: в одной находится циркулирующая жидкость, а в другой – азот, позволяющий создать нужный уровень давления для выталкивания воды и способствующий ее охлаждению. И, если в Европе малого количества теплоносителя для обогрева помещения достаточно, то в России его может далеко не хватить.
  2. Открытая схема. Эта система работает по общим принципам естественной циркуляции и схожа с конструкцией закрытой формы. Единственное отличие – это строение расширительного бака, который, в отличие от системы закрытого типа, можно соорудить самостоятельно. Бак устанавливается на крыше или на любой другой высокой точке дома. Недостатками открытой системы является частое попадание воздуха во внутренние полости конструкции. В связи с этим батареи в помещении обычно монтируются под определенными углами, а наличие кранов Маевского – обязательный элемент схемы. С их помощью можно выпускать накопившийся лишний воздух из системы.
  3. Однотрубная схема. Поскольку такая система не способна в должной мере прогреть помещения, в России ее использование ограничено. Суть системы состоит в следующем: к радиатору последовательно подсоединены подающие трубы, теплая вода доходит до верхнего участка батареи и устраняется из радиатора через отвод снизу. Теплоноситель далее поступает к следующему отопительному узлу, и его движение проходит в несколько циклов. Однотрубную систему просто установить, и выглядит она достаточно эстетично.
  4. Двухтрубная схема. Она распространена в России повсеместно. Подача теплоносителя и его отвод происходят по отдельным трубам. Подающая труба соединяется с каждой батареей. Эта система позволяет равномерно прогреть дом даже с малым количеством секций радиаторов. Отрегулировать схему также проще, и абсолютная точность при ее монтаже не требуется (допускаются небольшие погрешности в расчетах).

Каждая система имеет свои достоинства и отрицательные свойства, но среди них можно подобрать приемлемый вариант под конкретные потребности дома.

Расчет системы отопления с естественной циркуляцией

Самому проводить расчет системы отопления с естественной циркуляцией нежелательно, лучше обратиться к грамотным специалистам во избежание цифровых погрешностей. Однако наиболее точный пример расчета самостоятельно осуществляется в нижеследующей последовательности:

  1. Чтобы согреть 1 м3 помещения, в среднем требуется 400 Вт тепловой энергии. Потому мощность умножается на вычисленный объем здания, и выясняется начальное число, определяющее количество тепла.
  2. Учитываются и потери тепла через двери и окна. Количество окон умножается на 100 Вт, а количество дверей, ведущих наружу – на 200 Вт. Значения вычитаются из начального числа.
  3. Практически все комнаты в частных домах имеют наружные стены. Потому, чтобы осуществить верные вычисления, имеющийся результат умножается на коэффициент поправки, равный 1,2.
  4. Должны учитываться еще потери тепла через пол и кровлю. Результат умножается на очередной коэффициент поправки, равный 1,5.

Это коэффициенты усредненного значения. Они отличаются по регионам России. В южных частях страны он колеблется в пределах 0,7 – 0,9. В средней полосе значения варьируются в пределах 1 – 1,3. Северные области России имеют самые высокие коэффициенты: 1,4 – 2.  

Система отопления с принудительной или естественной циркуляцией


Для того, чтобы правильно подобрать оборудование для отопления, необходимо разобраться по трем основным вопросам:

— какой источник энергии для системы использовать

— какое исполнение котла выбрать

— какую схему системы водяного отопления применить

Для начала определимся, какой источник энергии мы можем применить для отопления.

Обычно, если к дому подведен газопровод, то намного экономичнее будет использование газового котла. Если же нет возможности провести газ или на это потребуется много времени и средств, но есть электричество, тогда резонно купить электрокотел для отопления. Если же в качестве источника энергии нет ни газа, ни электричества, тогда выбираем твердотопливный котел или котел «на дровах».

В отличии от твердотопливных котлов, газовые и электрические котлы бывают как напольного, так и настенного исполнения.

Основным преимуществом настенных котлов является их компактность и эргономичность, встроенные циркуляционный насос, расширительный бачок для отопления и группа безопасности;

недостаток — это практическая невозможность использования их для систем с естественной циркуляцией теплоносителя.

Существуют открытая схема водяного отопления и закрытая.

При открытой схеме, происходит естественная циркуляция теплоносителя в системе, при закрытой при помощи вспомогательного оборудования — циркуляционного насоса. На картинке ниже- система отопления с естественной циркуляцией

Система с естественной циркуляцией


Недостатки открытой схемы :

— диаметр трубы для циркуляции должен быть не менее 40-50 мм;

— расширительный бак необходимо монтировать на определенной высоте, в самой высокой точке системы;

— невозможность использования антифриза в качестве теплоносителя, из-за его испарения.

Преимущества закрытой системы отопления :

— высокий КПД;

— возможность использование трубы небольшого диаметра 25 мм;

— равномерное распределение тепла в системе, благодаря циркуляционному насосу;

— малогабаритный расширительный мембранный бак может устанавливаться не только в верхней точке, но и на других участках системы отопления с принудительной циркуляцией при использовании напольного котла;

— возможность применения антифриза;

— простота монтажа.

Расширительный бачок для системы отопления

Считается, что объем мембранного бака должен составлять 7-10 процентов от объема теплоносителя в системе водяного отопления. Например, если в системе находится не более 100 литров воды или антифриза, то мембранного расширительного бачка для отопления объемом 8 литров будет достаточно.

Система с принудительной циркуляцией


Насос для отопления как выбрать

Для того, чтобы правильно выбрать насос для отопления, принято учитывать два основных параметра: диаметр присоединительных элементов насоса и максимальную высоту подъема теплоносителя.

Для примера, рассмотрим маркировку насоса Grundfos UPS 25-40.

Число 25 указывает на диаметр подсоединяемой трубы, т.е. 25 мм или 1 дюйм. Цифра 40 обозначает максимальную высоту подъема теплоносителя для данной модели, это 4 метра. Существует множество других моделей этих насосов, например, Grundfos UPS 32-60. В данном случае, присоединение насоса 32 мм, высота подъема 6 метров и т.д.

На практике, для нормальной циркуляции теплоносителя в двухэтажном жилом доме, как и производственном помещении, площадь которого не превышает 200 квадратных метров, лучше выбрать насос для отопления с максимальным подъемом 6 метров.
Циркуляционный насос устанавливается на обратной трубе «обратке» на расстоянии 0,5-1 метр от котла.

Важным элементом закрытой системы водяного отопления является группа безопасности, включающая в себя предохранительный и воздушный клапан и манометр для контроля за давлением в системе. Группа безопасности легко монтируется и устанавливается на верхнем участке системы отопления.

nomortogelku.xyz

Читайте также:

Разработка модели CFD – LES для динамического анализа контура естественной циркуляции DYNASTY

https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116520Получить права и контент

Основные моменты

Модель LES для анализа контура естественной циркуляции при наличии распределенного отопления.

Модель учитывает жидкие и твердые области, тепловыделение и теплопроводность в трубах.

Подход позволяет воспроизводить стабильные и нестабильные переходные процессы DYNASTY.

Новая информация, собранная в виде расслоения и противотока, возникающего при реверсировании потока.

LES подходит для преодоления ограничений RANS при анализе стабильности и динамики систем естественной циркуляции.

Abstract

Естественная циркуляция используется в ядерных системах для пассивного отключения энергии в случае аварии. В связи с этим экспериментальная установка DYNASTY в Политехническом университете Милана была создана для расширения знаний об однофазных системах с плавучестью при наличии распределенного нагрева.В этой статье представлена ​​разработка вычислительной гидродинамической (CFD) модели DYNASTY с упором на способность CFD оценивать динамическое поведение объекта. Модель имитации больших вихрей (LES) учитывает как жидкие, так и твердые области, при этом тепловыделение и трехмерная теплопроводность разрешаются в стенках трубы. Исследование, проведенное с использованием OpenFOAM, показывает (i) возможность воспроизведения стабильных и нестабильных переходных процессов DYNASTY, (ii) новые наблюдения за особенностями реверсирования потока во время нестабильных переходных процессов, (iii) пригодность и преимущества LES для прогнозирования Особенности систем естественной циркуляции.

Ключевые слова. Опубликовано Elsevier Ltd.

Разработка методов анализа естественной циркуляции для реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем

3.1. Метод одномерного анализа безопасности

Метод одномерного анализа безопасности был разработан для оценки температуры горячей точки активной зоны с учетом эффекта выравнивания температуры в активной зоне и для точного моделирования распределения температуры в системе первого контура путем включения всего код теплогидравлического анализа активной зоны, TREFOIL, и недавно разработанная модель самого горячего топливного элемента в коде одномерного анализа динамики объекта, Super-COPD [10,13], как показано на рис. габаритная модель большой натриевой камеры и трубопроводов большого диаметра в первичной системе.TREFOIL [11] позволяет оценить эффект температурного выравнивания с учетом перераспределения межблочного потока и радиального теплообмена с ОВТ в активной зоне. С помощью модели самого горячего твэла можно оценить эффект температурного выравнивания с учетом перераспределения внутрикассетного потока и энергообмена между самым горячим подканалом и средним подканалом в ТВС. Коэффициент смешивания для энергообмена, вызванного поперечными потоками из-за намотки проводов вокруг твэлов, был получен в результате обзорного анализа с использованием кода подканального анализа ASFRE [12].Super-COPD представляет собой улучшенную версию кода анализа динамики объекта, применяемого для анализа безопасности для лицензирования японского прототипа SFR, MONJU [10,13], а его одномерная модель сети потока состоит из элементов потока, элементов смеси и элементы теплообменника с различными функциями. В качестве примера ниже показаны основные уравнения элементов потока и элементов теплообменника. Когда проточная сеть состоит из M узлов давления и N проточных каналов, уравнения сохранения массы и импульса элементов потока задаются уравнениями (1) и (2), (1) ∑j∈Iiai,jGj =Si(i=1,…,M),(1) (2) ∑i∈Jj-ai,jPi=FjGjαi-∆Hj-Ej+VjGjGj+LjdGjdt(j=1,…,N),(2) где I i — набор каналов потока, соединенных с узлом давления i и J j — набор узлов давления, соединенных с каналом потока j . Коэффициент a i , j равен +1 для входа и −1 для выхода в узле давления i и канале j . Переменные G , S , P , F , α, Δ H , E , V и расход, массовый расход, давление L являются нормированные к начальному расходу, показателю степени потери давления, выталкивающему давлению (силе естественной циркуляции), давлению нагнетания циркуляционными насосами, дополнительным потерям давления на клапанах, нормированным к начальному расходу, и инерции жидкости соответственно.

Рис. 2. Схема одномерной модели анализа безопасности.

Сохранение энергии в элементах теплообменника выражается следующими уравнениями в частных производных (3)–(6) по времени t и одному пространственному измерению Z ,

для теплоносителя внешней трубы: (3) CpMp∂∂tTp=-CpGp∂∂ZTp-U1A1(Tp-Tt)-U3A3(Tp-Tsh), (3) для трубы: (4) CtMt∂∂tTt=U1A1(Tp-Tt)-U2A2( Тт-Ц), (4) для теплоносителя внутренней трубы: (5) CsMs∂∂tTs=CsGs∂∂ZTs+U2A2(Tt-Ts), (5) для оболочки: (6) C sh M sh ∂∂ tT sh =U3A3(Tp-Tsh )-U4A4(Tsh-T air )-U5A5(Tsh-TEX ),(6) где переменные C , M , U и A — удельная теплоемкость, масса на единицу длины, коэффициент теплоотдачи и площадь теплоотдачи на единицу длины соответственно, а нижние индексы р , t , s , ш, воздух и ЭХ обозначают наружную трубку теплоносителя, трубки , теплоносителя внутренней трубы, кожуха, атмосферного воздуха и других теплоносителей соответственно, а нижние индексы 1, 2, 3, 4 и 5 указывают теплопередача между хладагентом внешней трубы и трубой, между хладагентом трубы и внутренней трубы, между хладагентом внешней трубы и оболочкой, между оболочкой и атмосферным воздухом и между атмосферным воздухом и другими теплоносителями соответственно.

Кроме того, метод одномерного анализа безопасности был улучшен, чтобы отразить результаты валидационного анализа с использованием теста с водой по шкале 1/10 [5] и теста с натриевой петлей по шкале 1/7 [6]. Усовершенствования были внесены в основном для больших нагнетательных камер, таких как верхняя нагнетательная камера реактора и первичные трубы большого диаметра, где ожидаются трехмерные сложные потоки из-за плавучести. Усовершенствованная модель анализа верхней камеры реактора показана на рис. 3 в качестве примера усовершенствования.Для моделирования теплогидравлики верхней камеры при переходе от принудительной циркуляции к естественной циркуляции разработано объемное членение верхней камеры. Верхняя камера разделена на внутреннюю и внешнюю области конструкции верхних внутрикорпусных устройств (ВВК) в радиальном направлении и разделена уровнями впуска горячей ветки, впуска ДВРК (ДВК) и самыми нижними перегородками ВВК, такими как ( V1, V3A, V4A) и (V1, V2, V3B, V4B, V5) в вертикальном направлении. Верхние объемы ядра, V3A, V4A, далее разделяются на одномерные сетки в направлении потока, а остальные объемы рассматриваются как полные области смешения.Коэффициент расхода Вт 1 / Вт c задается функцией числа Ричардсона (Ri), рассчитанного по разнице температур между V1 и V2, и скорости на выходе сердечника. Функция, связанная с числом Ri, была определена анализом проб воды в масштабе 1/10.

Рис. 3. Усовершенствованная модель анализа верхней камеры реактора.

3.2. Трехмерный метод анализа расхода жидкости

В качестве резерва одномерного анализа безопасности был разработан трехмерный метод анализа расхода жидкости для анализа теплогидравлических явлений в системе первого контура и ДОТ в условиях отвода остаточных тепловыделений для SFR. путем вставки TREFOIL и процедуры расчета выбега первичного насоса в код вычислительного гидродинамического анализа «STAR-CD (Vr4.14)” [14], как показано на рис. 4 . При соединении TREFOIL и STAR-CD расход и температура на входе узлов передаются от STAR-CD к TREFOIL, а потери давления и распределения температуры в узлах передаются от TREFOIL к STAR-CD внутри. Распределения температуры в узлах используются для расчета плавучести в STAR-CD. Мощность выработки электроэнергии в активной зоне, температура воздуха на входе в воздухоохладители в ПРАКС и СРАК и температура на входе вторичной стороны IHX задаются в качестве граничных условий для трехмерного анализа потока жидкости во время переходного процесса останова реактора.

Рис. 4. Структура трехмерного метода.

RNG (группа перенормировки) k –ϵ турбулентная модель [15,16] применяется к трехмерному анализу течения жидкости в качестве опции в STAR-CD, чтобы избежать переоценки турбулентной кинетической энергии при соударении и области отрыва в потоке. И схема адвекции второго порядка, называемая MARS (схема монотонной адвекции и реконструкции) [17], также выбрана в качестве опции в STAR-CD, чтобы уменьшить численную диффузию и колебания одновременно.Основные уравнения турбулентной модели ГСЧ k –ϵ для турбулентной кинетической энергии k и скорости ее диссипации ϵ имеют вид: =P+PB-ρϵ-23µt∂ui∂xi+ρk∂ui∂xi, (7) (8) где ∂xj+∂uj∂xi=µt∂ui∂xjSij,(10) (11) PB=-µtgiσh2ρ∂ρ∂xi,(11) (12) η=Skϵ,(12) (13) S=12SijSij1/2, (13) и μ t – турбулентная турбулентная вязкость, P и P B – продукция турбулентной кинетической энергии за счет скорости деформации S ij и плавучести соответственно. Константы в приведенных выше уравнениях следующие: (14) Cµ=0,085,σk=σϵ=0,719,σh=0,9,Cϵ1=1,42,Cϵ2=1,68,Cϵ3=1,42(PB≥0) или 0,0,Cϵ4=-0,387 ,η0=4,38,β=0,012.(14)

Трение и теплообмен со стенкой рассчитываются по стандартному логарифмическому закону на стенке следующим образом: (15) τw=ρuτ2, (15) (16) qw=ρCpuτPrt( TF-TW), (16) (17) UUτ = 1κLog (Ey +) = 1κLogeuτδν, (17) Где τ W , Q W , T W и U τ — касательное напряжение, тепловой поток, температура и скорость скольжения на стенке; U и T f – тангенциальная скорость и температура жидкости, примыкающей к стенке; C p , ν и ρ — удельная теплоемкость, кинематическая вязкость и плотность жидкости; κ — постоянная Кармана (= 0.4) и E (= 9,0) — эмпирическая константа для гладких стенок; δ — расстояние между центром соседней жидкостной ячейки и стенкой; Pr t – турбулентное число Прандтля (≈ 0,9).

(PDF) Исследования теплопередачи и потока жидкости в коллекторных трубах солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией замкнутого цикла среда переноса, то есть вода,

циркулирует по замкнутому контуру через резервуар для хранения горячей воды и питательную линию, безразмерные числа

, такие как Nu, Gr, Re и Pr, были рассчитаны для экспериментальных данных и представлены в

Рис.11, сгруппировав их в соответствии с уравнением (17). Посредством регрессионного анализа для

безразмерных групп, представленных на рис. 11, уравнение (17) становится равным

NuGr/Pr = 4,12Re’,67. (18)

Уравнение (18) соответствует большинству значений в пределах & 15% и некоторым другим в пределах ошибки f20%. Это уравнение

, которое учитывает количество движения, включая силы инерции, плавучести и вязкости

наряду с переносом энергии, связанным с числом Прандтля, обеспечивая связь между

двумя явлениями переноса, может служить фундаментальным уравнением в конструкция термосифонных солнечных коллекторов

. При вычислении безразмерных чисел использовались уравнения свойств воды

, разработанные Сиддики [15].

ВЫВОДЫ

(1) КПД коллектора колеблется от 20 до 50%, что дает Z$(zc() = 0,5 и

FRUI =

6,0

(2) График коэффициентов расхода коллектора

(F,/F’)

по сравнению с коэффициентами емкости (tiC,/A,U,F) хорошо

согласуются с данными, представленными в литературе.

(3) Локальные коэффициенты теплоотдачи уменьшаются от высоких значений во входной зоне, а затем

постепенно увеличиваются или становятся почти постоянными; представляющий развивающийся пограничный слой вблизи входа

и полностью развитый поток на оставшейся длине труб.

(4) Средние коэффициенты теплоотдачи увеличиваются почти линейно с увеличением солнечного потока. Они на

ниже для месяцев, получающих большие солнечные потоки, вероятно, из-за большой разницы температур (Т, — Т,) в таких условиях.

(5) Числа Нуссельта линейно возрастают с Si, новым безразмерным параметром. Для тех же

значений

Si,

числа Нуссельта уменьшаются с увеличением расхода горячей воды.

(6) Массовые расходы увеличиваются от низких значений и через некоторое время становятся максимальными,

затем снова начинают уменьшаться вслед за солнечным потоком. Падение массового расхода немного быстрее

, чем солнечного потока; причина в большой разнице температур между входом и выходом

коллектора при постоянном отборе горячей воды.

(7) Числа Рейнольдса изменяются линейно с

Si

и уменьшаются с увеличением расхода горячей воды

при заданном значении

Si.

(8) Безразмерные группы для исследуемого термосифонного солнечного водонагревателя, который

имеет замкнутый контур естественной циркуляции воды, выражаются как:

NuGr/Pr = 4,12Rei,67.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Ссылки на

Место, В., Данешьяр, М. и Каммеруд, Р., Среднемесячная производительность пассивных солнечных водонагревателей, в Proc.,

4th Nat. Конференция по пассивной солнечной энергии, Vol. 4, Канзас-Сити, Миссури, 3–5 октября 1979 г., стр. 601–604.

Чиннери, Д.Н.В., Солнечное водонагревание в Южной Африке.Рез. CSIR. респ., 1971, с. 248.

Звирин Ю., Шифтцер А. и Гроссман Г. Солнечные нагреватели с естественной циркуляцией моделируют линейное и нелинейное

распределения температуры.

Международный журнал тепломассообмена, 1977, 20, 997-999.

Baughn, JW и Docherty, DA, Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование системы солнечной естественной циркуляции

, в Proc., 1977 Annual Meeting of the American Section of ISES, Vol.1, июнь 1977 г., стр. 4.25-4.29.

Bat&n, J.W. и Docherty, D.A. Влияние высоты хранения на производительность системы естественной циркуляции (термосифон)

системы горячего водоснабжения. В проц. 2-я нац. Конференция по пассивной солнечной энергии, Vol. 2. Philadelphia, PA, 1618 March 1978, pp. 637641.

Morrison, G.L. and Rantunga, D.B.J., Термосифонная циркуляция в солнечных коллекторах.

Солнечная энергия, 1980,24,5%1.

Моррисон, Г.Л. и Рантунга Д. Б. Дж. Термосифонная циркуляция в солнечных коллекторах.

Солнечная энергия,

1980,24,191-198.

McDonald, T.W., Hwang, K.S. и Diciccio, R., Характеристики термосифонной петли: Часть 1.

Экспериментальное исследование.

ASHRAE Trans., 1977, 83,

Часть 2, 250-259.—

Али, А.Ф.М. и Макдональд. T.W.. Функциональные характеристики Thermosvnhon ​​100~: Часть 2. Программа моделирования.

АСКРЭ Тр., 1977, 83,

ч. 2, 260-278. __

— _ — _

Макдональд, Т. В. и Али, А. Ф. М., Рабочие характеристики термосифонной петли: Часть 2. Моделирование производительности.

ASHRAE Trans., 1977, 84,

Часть 2, 279-287.

Шифтцер А. , Каларовиц Д., Звирин Ю. и Гроссман Г., Элементы с плоской пластиной для систем солнечного отопления

с теносифонным потоком.

Журнал солнечной энергии, 1979, 22, 21-35.

Солнечные энергетические системы для Инициативы «Миллион солнечных крыш»

Цель Инициативы «Миллион солнечных крыш», объявленной президентом Клинтоном в июне 1997 года, состоит в том, чтобы к 2010 году установить солнечные энергетические системы мощностью 3000 мегаватт на одном миллионе зданий в США. Инициатива направлена ​​на увеличение спроса и снижение стоимости солнечных фотоэлектрических систем, систем солнечного нагрева воды и систем солнечного отопления помещений, расположенных на жилых, коммерческих или промышленных зданиях или рядом с ними.Это поможет снизить выбросы парниковых газов, расширить доступные варианты энергоснабжения, создать рабочие места в сфере высоких технологий и повысить конкурентоспособность США на арене солнечной энергетики. В этом документе описываются системы солнечной энергии, доступные для достижения цели Инициативы.

Солнечные фотоэлектрические системы

Солнечные фотоэлектрические системы масштаба здания производят электроэнергию для использования на месте и для продажи обратно в электрическую сеть. Эти системы могут быть подключены к коммунальной сети или автономны.Подключение к сети, где это возможно, обеспечивает обслуживание в периоды недостаточного солнечного света без аккумуляторных батарей или вспомогательного генератора. В некоторых районах излишки электроэнергии могут быть проданы коммунальным предприятиям. Фотоэлектрический массив может быть прикреплен к зданию или встроен в его структуру. В стоечных системах используются массивы стандартных фотоэлектрических модулей, прикрепленных к крышам или отдельным несущим конструкциям. В системах, интегрированных в здание, используются строительные компоненты, такие как черепица или плитка, которые включают фотоэлектрические поверхности.

Фотогальванические системы для монтажа в стойку

Фотогальваническая система для монтажа в стойку, подключенная к сети, включает в себя фотогальваническую батарею, инвертор, а также защитные и соединительные устройства. Мощность постоянного тока, вырабатываемая фотогальванической батареей, преобразуется инвертором в переменный ток бытового напряжения и частоты. Избыточная мощность возвращается в сеть.

Фотогальваническая батарея может быть установлена ​​на стационарных стойках или опорах. Крепления слежения увеличивают выработку энергии, постоянно ориентируя массив на солнце.Однако польза от отслеживания менее значительна в северных широтах и ​​облачном климате. Кроме того, системы слежения являются более дорогостоящими, могут требовать дополнительного обслуживания и часто более навязчивы, чем стационарные крепления.

Бытовые фотоэлектрические установки обычно имеют мощность от 1 до 5 киловатт. Физический размер массива зависит от фотоэлектрической технологии. 3-киловаттная система с использованием монокристаллических ячеек заняла бы около 300 квадратных футов. Для системы такой же мощности с использованием тонкопленочных (аморфный кремний) фотогальванических материалов потребуется около 600 квадратных футов.

Сотрудники муниципального коммунального округа Сакраменто (SMUD) сообщают, что стационарные фотоэлектрические системы, установленные в рамках проекта SMUD PV Pioneer, работают с годовым коэффициентом мощности около 20 процентов. Основываясь на ограниченных данных о солнечном излучении, похоже, что аналогичные системы, расположенные в юго-восточном Орегоне или южном Айдахо (лучшие солнечные районы на северо-западе), также могут работать с коэффициентом мощности около 20 процентов. Например, 3-киловаттная система, расположенная в этих районах, будет производить около 5250 киловатт-часов в год.Системы одинакового размера, расположенные в юго-западном и северо-восточном Орегоне, центральном Айдахо и западной Монтане, будут производить примерно с 16-процентным коэффициентом мощности. Системы, расположенные в прибрежных районах Северо-Запада, будут менее продуктивными. Можно ожидать местных изменений.

Несмотря на высокую стоимость фотоэлектрических систем, они быстро дешевеют. В 1997 году SMUD подписала пятилетний контракт с компанией Energy Photovoltaics из Принстона, штат Нью-Джерси, на поставку крышных систем с 1998 по 2002 год.Гарантированная цена на установленные системы составляет 5000 долларов за киловатт в 1998 году и снижается до 3000 долларов за киловатт к 2002 году. Эти цены указаны для оптовых заказов; Индивидуальные установки стоят дороже.

По ценам SMUD 1998 года 3-киловаттная система стоила бы около 15 000 долларов. Предполагая 25-летний срок службы системы, стоимость обслуживания в течение всего срока службы в размере 750 долларов США и 6,5-процентное ипотечное финансирование, приведенная стоимость электроэнергии из этой системы, работающей при 20-процентном коэффициенте мощности, составит около 18 центов за киловатт-час.При коэффициенте мощности 16 процентов нормированная стоимость электроэнергии составит около 23 центов за киловатт-час. Эти расходы не включают возможные налоговые льготы или другие стимулы.

Потенциал дальнейшего снижения затрат превосходен. Если контрактные цены SMUD на 2002 год будут достигнуты, стоимость фотогальванических систем на крышах будет снижаться в реальном (без учета инфляции) темпе 11 процентов в год в течение десяти лет. Приведенная стоимость электроэнергии от системы, установленной в 2002 году в южном Орегоне, должна составлять около 16 центов за киловатт-час.Постоянное улучшение эффективности фотоэлектрических материалов и методов производства будет способствовать продолжению этой тенденции. Увеличенный объем производства и опыт эксплуатации системы также помогут решить проблемы с системной интеграцией и надежностью инвертора, которые возникали в некоторых более ранних системах.

Фотоэлектрические системы, интегрированные в здание

Фотоэлектрические системы, интегрированные в здание, используют фотоэлектрические поверхности, интегрированные со стандартными кровельными, остекленными и облицовочными изделиями.Себестоимость фотоэлектрической системы снижается, поскольку стандартные строительные материалы заменяются фотоэлектрическими компонентами. Другие факторы, которые, как ожидается, снизят стоимость интегрированных в здание фотоэлектрических систем, включают массовое производство стандартных компонентов, отказ от опорных конструкций, упрощение проектирования, сокращение трудозатрат на установку и использование торговцев и подрядчиков, обычно присутствующих на месте. Кроме того, интегрированные в здание фотоэлектрические системы менее навязчивы, чем системы, монтируемые в стойку.

Основные элементы встроенной в здание фотогальванической системы аналогичны элементам стоечной системы. Физический размер массива также примерно такой же, как и у стоечной системы, использующей аналогичные фотогальванические материалы. Часть крыши или фасада, не занятая фотогальваническим продуктом, отделана совместимым нефотогальваническим материалом.

Рынок интегрированных в здания фотоэлектрических продуктов находится в зачаточном состоянии. Производителей мало, а продуктовые линейки ограничены.Текущая продукция включает черепицу, черепицу и кровельные панели со стоячим фальцем. Также производятся изготовленные на заказ фасадные панели, а также полупрозрачные световые люки, солнцезащитные козырьки, навесы и маркизы. Примеры коммерческих продуктов включают:

  • Фотогальваническая черепица United Solar имитирует внешний вид и функции стандартной кровли из композита с тремя выступами. Продукт представляет собой гибкую полосу размером 12 на 86 дюймов с экспозицией от 5 до 6 дюймов при установке. Открытая часть облицована тонкопленочным фотогальваническим материалом.Мощность каждого блока составляет 17 Вт. Один дистрибьютор характеризует его как кровельный продукт с 25-летним сроком службы, что эквивалентно высококачественной черепице.
  • Atlantis Energy «SunSlate» состоит из фотогальванического модуля, прикрепленного к стандартной фиброцементной кровельной черепице. Каждая плитка имеет высоту примерно 28 дюймов и ширину 16 дюймов с экспозицией 11 дюймов при установке. В зависимости от технических требований и требований к внешнему виду используются кристаллические или тонкопленочные фотогальванические материалы. Пиковая мощность плитки SunSlate с использованием кристаллического модуля составляет от 11 до 15 Вт.Плитка с тонкопленочным модулем будет производить пиковую мощность от 4 до 9 Вт. Изделие рассчитано на 40-летний срок службы и имеет десятилетнюю гарантию.
  • «Архитектурная панель со стоячим фальцем» компании United Solar обеспечивает внешний вид и функции металлической кровли со стоячим фальцем. Этот продукт устанавливается на стандартную крышу. Тонкопленочный фотогальванический материал ламинируется на металлической базовой панели. Панели доступны в стандартных размерах и рассчитаны на 5 Вт на квадратный фут. «Структурная панель со стоячим фальцем» United Solar представляет собой аналогичный продукт, но самонесущий.

Производительность интегрированных в здание фотогальванических систем на наклонных южных поверхностях сравнима с производительностью стоечной системы. Другие ориентации снижают производительность системы.

Заявленная стоимость «под ключ» для подключенных к сети систем варьируется от 5000 до 14 000 долларов за киловатт. Однако в ближайшие несколько лет ожидается существенное снижение затрат. Atlantis Energy, например, будет поставлять системы SunSlate для SMUD по установленным ценам, начиная с 5060 долларов за киловатт в 1998 году и снижаясь до 3180 долларов за киловатт к 2002 году.

Общая стоимость 3-киловаттной системы по ценам SMUD 1998 года составит около 15 000 долларов. Система заменит кровлю сопоставимого качества примерно на 1500 долларов, а чистая стоимость системы составит 13 500 долларов. При 25-летнем сроке службы системы, стоимости обслуживания в течение всего срока службы в размере 750 долларов США и 6,5-процентном ипотечном финансировании приведенная стоимость электроэнергии из системы, работающей с 20-процентным коэффициентом мощности, составит около 17 центов за киловатт-час. Если бы система работала с коэффициентом мощности 16 процентов, стоимость электроэнергии составила бы около 21 цента за киловатт-час.Эта стоимость не включает возможные налоговые льготы или другие стимулы.

Массовое производство встроенных в здание фотогальванических компонентов в сочетании с ожидаемым снижением стоимости фотогальванических материалов может привести к более быстрому снижению затрат, чем ожидалось, для крышных систем. Если ценовые положения недавнего контракта SMUD на 2002 год будут выполнены, чистая стоимость энергии системы, работающей с 16-процентным коэффициентом мощности, например, должна снизиться примерно до 14 центов за киловатт-час.

Несмотря на то, что продукты, интегрированные в здание, лучше всего подходят для нового строительства, можно модернизировать здания с подходящей конструкцией крыши, площадью и ориентацией. Поскольку это новые продукты, которые собираются в полевых условиях, можно ожидать некоторых проблем с надежностью при использовании фотоэлектрических батарей, интегрированных в здание. Сообщается, что в некоторых установках наблюдается потеря эффективности фотоэлектрических элементов из-за перегрева подложки.

Солнечное водонагревание

Солнечные водонагреватели используют солнечную энергию для нагрева воды в жилых, коммерческих или промышленных целях. На Северо-Западе эти системы обычно компенсируют примерно половину электрической или газовой энергии, обычно используемой для подачи горячей воды. Солнечную энергию также можно использовать для обогрева бассейнов. Из-за более простой конструкции систем бассейнов и сезонного совпадения солнечной радиации и использования бассейна солнечные системы нагрева бассейнов обычно более рентабельны, чем другие приложения для нагрева воды с использованием солнечной энергии.

Солнечные системы нагрева воды

Солнечные системы нагрева воды продаются уже много лет.В продаже имеется множество различных конструкций. Например, Управление энергетики штата Орегон в настоящее время имеет значения производительности для 77 сертифицированных OG-300 и 12 типовых конфигураций и размеров систем для государственной программы налоговых льгот по альтернативным источникам энергии. В активных системах для циркуляции теплоносителя используется насос, тогда как в пассивных системах используется естественная циркуляция. В системах с открытым контуром питьевая вода циркулирует непосредственно через солнечный коллектор, тогда как в системах с замкнутым контуром используется промежуточный контур теплопередачи между коллекторами и теплообменником.Все системы оснащены функциями защиты от замерзания при использовании в климатических условиях с отрицательными температурами.

Доступные конструкции включают:

  • Активные системы защиты от замерзания с замкнутым контуром: они составляют около 40 процентов от 600 до 800 солнечных систем нагрева горячей воды, ежегодно устанавливаемых в Орегоне, по данным Управления энергетики штата Орегон. Типовая система состоит из двух коллекторов по 32 квадратных фута каждый, контура теплообмена с насосом и расширительным баком, теплообменника, бака для хранения питьевой воды, органов управления и вспомогательного (бустерного) водонагревателя.В качестве теплоносителя используется раствор антифриза, обычно смесь воды и пропиленгликоля. Когда контроллер обнаруживает достаточную разницу температур между коллектором и аккумулирующим баком, теплоноситель прокачивается через коллекторы. Здесь он нагревается солнечным излучением. Горячая жидкость отдает тепло в резервуар для хранения питьевой воды через теплообменник. Вспомогательный нагреватель (как правило, стандартный бак для горячей воды) повышает температуру питьевой воды до желаемой температуры, когда солнечного излучения недостаточно.Системы активной защиты от замерзания оказались очень надежными, но требуют более тщательного обслуживания, чем системы других типов. Поскольку смесь антифризов может окисляться при температурах, иногда достигаемых, когда система не работает в очень жаркие дни, pH жидкости необходимо проверять каждые четыре года. Жидкость заменяют, если она не соответствует спецификациям.
  • Системы обратного слива: сотрудники Eugene Water and Electric Board (EWEB) сообщают, что системы с обратным сливом являются наиболее распространенной и надежной конфигурацией, устанавливаемой в рамках программы солнечного нагрева воды EWEB.Типичная система обратного стока включает два коллектора, замкнутый контур теплопередачи с насосом и резервуаром обратного дренажа, теплообменник, резервуар для хранения питьевой воды, органы управления и дополнительный водонагреватель. В качестве теплоносителя используется вода, обработанная ингибитором коррозии. Когда контроллер обнаруживает достаточную разницу температур между коллектором и аккумулирующим баком, теплоноситель прокачивается через коллекторы. Здесь он нагревается солнечным излучением. Горячая жидкость отдает тепло в резервуар для хранения питьевой воды через теплообменник.Когда температура воздуха приближается к нулю, насос отключается. При этом коллекторы и теплообменные трубопроводы сливаются в резервуар, который находится в отапливаемом помещении.
  • Дренажные системы: Дренажная система представляет собой активную систему с разомкнутым контуром. Типичная дренажная система состоит из солнечных коллекторов, накопительного бака и контура оборотной воды с насосом и запорным/дренажным клапаном. Также предусмотрены органы управления и дополнительный обогреватель. Питьевая вода циркулирует насосом непосредственно через солнечные коллекторы, когда контроллер обнаруживает достаточную разницу температур между коллектором и накопительным баком. Когда насос не работает, автоматический дренажный клапан изолирует и сливает коллектор и контур в отстойник. Эта функция обеспечивает защиту от замерзания. Дренажные системы обеспечивают преимущества меньшего количества компонентов и несколько большей эффективности теплопередачи, чем другие конструкции. В более ранних системах слива были проблемы с надежностью клапана слива.
  • Интегрированные системы коллектора/аккумуляции: Пассивная конструкция, эти системы используют солнечные коллекторы со встроенными теплообменниками и накопительными баками.Холодная питьевая вода подается в теплоизолированный теплообменник/аккумулятор, расположенный в верхней части коллектора. Интегрированный замкнутый контур теплопередачи, содержащий устойчивую к замерзанию жидкость, передает тепло от поверхности коллектора к теплообменнику. Эта жидкость циркулирует за счет термосифонного действия. Подогретая питьевая вода забирается из накопительного бака по мере необходимости. Вспомогательный нагрев обеспечивается вспомогательным нагревателем, расположенным в накопительном баке. Из-за относительно небольшого размера накопительного бака после него часто устанавливают вспомогательный нагреватель горячей воды.Морозостойкость достигается за счет использования незамерзающего теплоносителя, нагреваемого объема накопительного бака, усиленной изоляции накопительного бака, встроенного догревателя и изоляции трубопроводов питьевой воды, идущих к коллекторам и от них. По сравнению с активными системами пассивные системы обеспечивают меньшее потребление электроэнергии, большую надежность и меньшие затраты на техническое обслуживание.

Управление энергетики штата Орегон (OOE) подсчитало, что солнечные водонагревательные системы, расположенные в южном или восточном штате Орегон, будут вытеснять 3000 киловатт-часов в год, если компенсировать электрический нагрев горячей воды.Подобных характеристик можно ожидать от систем, расположенных в южном Айдахо или западной Монтане. По данным OOE, системы, расположенные в долине Уилламетт, будут вытеснять около 2500 киловатт-часов в год. Это значение, вероятно, характерно для прибрежных районов Северо-Запада. Можно ожидать местных изменений. Эти оценки производительности основаны на типичной нагрузке горячей воды на домохозяйство из трех человек. Большие нагрузки обычно приводят к большему смещению, тогда как меньшие нагрузки уменьшают смещения.

Стоимость «под ключ» систем солнечного нагрева воды, установленных в рамках программы EWEB, колеблется от 2300 до 4000 долларов США, в среднем 3100 долларов США. Затраты были стабильными в реальном выражении в течение нескольких лет. По оценкам сотрудников EWEB, затраты на техническое обслуживание установленных в настоящее время систем в течение 20 лет составляют от 300 до 600 долларов.

Например, можно ожидать, что система, расположенная в южном Орегоне и обслуживающая домохозяйство из трех человек, заменит электроэнергию по цене около 8 центов за киловатт-час без учета возможных налоговых льгот или других стимулов.Это предполагает 20-летний срок службы системы, стоимость обслуживания в течение всего срока службы в размере 450 долларов США и 6,5-процентное (номинальное) ипотечное финансирование. В более облачных прибрежных районах солнечный нагрев горячей воды заменит электричество по цене около 10 центов за киловатт-час.

Значительного снижения стоимости систем солнечного водонагрева не ожидается. Скорее, эволюционные улучшения в материалах и конструкции оборудования должны постепенно повышать эффективность и надежность системы и снижать затраты на техническое обслуживание.

Солнечные системы обогрева бассейнов

Солнечные системы обогрева бассейнов являются одними из наиболее рентабельных применений солнечной энергии. Системы подогрева бассейнов менее сложны и затратны, чем солнечные системы нагрева питьевой воды. Обычно можно использовать полную мощность системы. Применение может быть рентабельным даже при низких в настоящее время ценах на энергию.

В системах круглогодичного обслуживания бассейнов используются стеклянные коллекторы, замкнутый контур теплопередачи, заполненный незамерзающей жидкостью, и теплообменник для передачи тепла воде бассейна. Теплообменник обычно находится в системе фильтрации бассейна. Застекленные коллекторы обеспечивают эффективный сбор солнечной энергии в холодное время года. Промежуточный контур теплопередачи обеспечивает защиту от замерзания и изолирует материалы коллектора от химикатов для бассейна.

Солнечные нагреватели для бассейнов, предназначенные только для использования в теплую погоду, используют неглазурованные коллекторы. Они изготавливаются из резины или пластика, устойчивого к ультрафиолетовому излучению и химикатам для бассейнов. Вода в бассейне циркулирует через коллектор с помощью фильтрующего насоса.Эти системы опорожняются в холодную погоду.

Более ранние данные (1989 г.), собранные для программы налоговых льгот по альтернативным источникам энергии в штате Орегон, показывают, что солнечные системы обогрева бассейнов, установленные в рамках этой программы, компенсируют в среднем 9 545 кВтч энергии в год. Срок полезного использования от 15 до 20 лет можно ожидать от сезонных систем, использующих неглазурованные неметаллические коллекторы. Системы, использующие стеклянные коллекторы и незамерзающие системы теплопередачи, могут работать 20 и более лет.

Затраты на установку солнечных систем подогрева бассейнов сильно различаются в зависимости от типа, размера и качества системы.Системы, установленные в рамках программы налоговых льгот штата Орегон, стоили в среднем 2100 долларов по состоянию на 1989 год. В долларах 1998 года это составило бы около 2700 долларов. Техасское управление по энергосбережению в настоящее время сообщает о затратах в диапазоне от 2000 до 5000 долларов. Эти затраты разумно согласуются с более ранними данными Орегона, если предположить, что большинство систем Орегона были сезонного типа с более низкими затратами. Однако в 1992 году Служба распространения энергии Флориды сообщила, что стоимость системы солнечного обогрева бассейна колеблется от 3700 до 5000 долларов (в долларах 1998 года).

Данные о затратах и ​​производительности в штате Орегон за 1989 год, скорректированные на доллары 1998 года, дают нормированную стоимость в 2,6 цента за вытесненный киловатт-час. Это предполагает 15-летний срок службы и стоимость обслуживания в течение всего срока службы в размере 200 долларов США.

Крупных технологических прорывов в системах солнечного обогрева бассейнов не ожидается. Постоянное совершенствование материалов должно привести к созданию более долговечных и надежных систем. Солнечное отопление помещений

Многие подходы к использованию солнечной энергии для отопления помещений были разработаны после энергетического кризиса 1970-х годов.Пассивные и активные системы являются двумя основными подходами.

В пассивных системах используется прямой сбор и хранение тепла солнечного излучения. Стратегически ориентированное остекление пропускает солнечное излучение в здание, где оно нагревает бетон, воду или другие материалы, имеющие большую тепловую массу. Эти компоненты часто интегрированы с полами, стенами или другими элементами конструкции здания. Тепло распределяется по зданию за счет прямого излучения и естественной циркуляции. Стоимость пассивных систем может быть низкой, а некоторые простые пассивные меры рентабельны даже при нынешних низких ценах на энергию. Однако часто бывает трудно модернизировать пассивные системы для существующих конструкций.

Активные системы используют солнечные коллекторы, установленные на крыше, стене или земле. Воздух или жидкость, циркулирующие с помощью вентиляторов или насосов, используются для передачи тепла от коллекторов к аккумулятору тепла, а от аккумулятора — в помещения здания.

Активные жидкостные системы отопления помещений используют многие из тех же компонентов, что и солнечные системы нагрева воды. Типичная система состоит из коллекторов, замкнутого первичного контура теплопередачи, теплообменника, накопительного бака, средств управления системой и вспомогательного источника тепла.Первичным теплоносителем может быть вода или смесь антифриза. Насос прокачивает эту жидкость по коллекторам, где она нагревается солнечным излучением. Тепло отдается вторичному рабочему телу, находящемуся в баке-аккумуляторе. Вторичная жидкость циркулирует из резервуара для хранения через плинтус, радиатор или трубки лучистого отопления, когда требуется тепло помещения. Некоторые системы используют теплообменники фанкойлов в системе с принудительной подачей воздуха для подачи тепла в помещения здания. Системы жидкостного солнечного отопления обычно обеспечивают нагрев воды для улучшения загрузки системы.Жидкостные системы легче модернизировать к существующим конструкциям, чем пассивные системы или активные воздушные системы.

Типичная система активного воздуха состоит из коллекторов, использующих воздух в качестве рабочей жидкости, воздуховодов, вентиляторов, заполненного камнем резервуара для хранения тепла, органов управления и вспомогательного нагревательного устройства. Вентилятор прогоняет воздух по коллекторам, где он нагревается солнечным излучением. Теплый воздух может циркулировать непосредственно в помещениях зданий или в бункере-накопителе, где избыточное тепло накапливается в горной массе.Воздух циркулирует через накопительный бункер в помещения здания, когда от коллекторов не поступает достаточно тепла.

Проблемой любой системы солнечного отопления является перегрев в летние месяцы. Затраты на охлаждение могут компенсировать экономию, достигнутую в течение отопительного сезона. Однако правильно спроектированная система солнечного отопления помещений может повысить комфортность здания и даже снизить нагрузку на охлаждение в летнее время.

Из-за различий в конструкции зданий и климатических условиях стоимость мер по солнечному отоплению сильно различается.Например, по оценкам Управления энергетики штата Орегон, функции пассивного солнечного отопления могут заменить электричество по цене от 2 до 10 центов за киловатт-час без учета возможных налоговых льгот или других стимулов. Некоторая разница в стоимости связана с трудностью оценки того, какие элементы системы относятся к системе солнечного отопления, а какие являются неотъемлемой частью конструкции здания. Дополнительные затраты на техническое обслуживание простых пассивных солнечных мер незначительны.

Перспективы более широкого применения простых пассивных мер солнечного отопления хорошие. Простые меры, такие как окна, выходящие на юг, и соседние перекрытия из плит, относительно недороги, а дополнительные расходы на техническое обслуживание незначительны. Пассивные конструкции могут быть рентабельными даже в условиях Северо-Запада, где отопительные нагрузки в зимнее время часто совпадают с пасмурными днями. Кроме того, пассивные меры могут улучшить эстетику и комфорт здания. Наиболее серьезными препятствиями для более широкого использования пассивного солнечного отопления являются внутренние характеристики здания, такие как ориентация и планировка помещения.Хотя перспектива значительного снижения затрат или повышения производительности невелика, повышение осведомленности разработчиков и потребителей о преимуществах пассивных мер должно расширить их применение.

Из-за высокой стоимости устанавливается несколько активных систем солнечного отопления. Облачный климат отопительного сезона на большей части Северо-Запада, по-видимому, фундаментально ограничивает долгосрочный потенциал активных систем.

Хохдрук-Натурумлауфкессель | ГекаКонус | Hersteller von Thermalölerhitzer, Dampfgenerator, Abhitzekessel

– котел высокого давления с естественной циркуляцией, работающий по принципу самотечной циркуляции.

Поэтому для работы NUK-HP® не требуются циркуляционные насосы. В качестве теплоносителя используется котловая вода. В этом котле вода испаряется в герметично закрытом контуре. Пар поступает в теплообменник, а конденсат самотеком возвращается в котел.

 

Заявка
Пищевая промышленность Перегонка и фракционирование жирных кислот, этерификация жирных кислот, перегонка глицерина, дезодорация пищевого масла, расщепление жира.Применяется во всех технологических тепловых установках, в которых может быть реализована естественная циркуляция в системе отопления.

 

Преимущества
Эффективная, нетоксичная система нагрева. Очень низкое гидравлическое сопротивление в вертикальных трубах испарителя гарантирует высокую скорость циркуляции воды. Низкая радиационная нагрузка в камере сгорания и большая конвекционная поверхность нагрева. Таким образом, образование пузырьков пара в системе трубопроводов очень мало. Гарантируется контролируемая теплопередача на нагревательных поверхностях и достигается высокая эффективность сгорания.

Дополнительную техническую информацию о каждом типе нагревателя вы найдете в разделе загрузки нашего интернет-сайта.

 

Производство Оснащено и произведено в соответствии с техническими правилами Европейского сообщества (PED 2014/68/EU) и другими международными организациями (например, SELO, ГОСТ-Р, РТН, ASME, AS).

Оборудование
Котельное оборудование предназначено для эксплуатации без присмотра (согласно PED и EN 12952). Давление, минимальный уровень котловой воды и температура дымовых газов постоянно контролируются системой безопасности.

Управление
Производительность может контролироваться различными системами управления.

  • Контроль давления:
    Производительность NUK-HP® и давление насыщенного пара регулируются независимо от температуры продукта (например, растительного масла).
  • Каскадное управление:
    Производительность NUK-HP® регулируется в зависимости от температуры продукта (например, растительного масла). Давление насыщенного пара адаптируется в определенном диапазоне регулирования в соответствии с потребностью теплообменника в тепле (например,грамм. растительное масло) в температуре продукта.

Горелка
NUK-HP® может быть оборудован горелками для дизельного топлива, мазута, биодизеля, природного газа, сжиженного газа, биогаза или двухкомпонентными горелками. Выбор горелки зависит от мощности котла, вида топлива и требований, предъявляемых к регулированию мощности. Производительность может регулироваться различными системами управления: 2-ступенчатая: высокая/низкая/выкл. или модулирующая

Постоянный мониторинг

  • Низкий уровень воды
  • Давление пара
  • Температура дымовых газов
  • Автомат горения

Дополнительную техническую информацию о каждом типе котла Вы найдете в разделе загрузки нашего интернет-сайта.

 

 

 

 

 

 

 

 

* Расчетное давление 80 бар или 95 бар

Дополнительную техническую информацию о каждом типе котлов вы найдете в разделе загрузки нашего интернет-сайта.

 

 

M 22 насос заполнения
V 1 клапан заполнения и слива
V 2 обратный клапан низкого уровня
V 3 клапан промывки и удаления воздуха
V 4 клапан манометра
V 6 обратный клапан
PI манометр
SV 1 предохранитель клапан
SV 3 предохранительный клапан для заправочного насоса
теплообменник WT
датчик температуры TE
регулятор температуры TIC
ограничитель давления PASH
датчик давления PE
регулятор давления PIC
разрывная мембрана RP
переключатель индикатора-сигнализации давления PIASH
электрод низкого уровня воды LE
Реле низкого уровня LASL
Датчик пламени XZA
Ограничитель температуры дымовых газов TSAH

Дополнительную техническую информацию о каждом типе котлов вы найдете в разделе загрузки нашего интернет-сайта.

 

Проектирование, изготовление и исследование эффективности новой солнечной системы нагрева воды на термальных источниках: на пути к устойчивому развитию

В этой статье исследована новая система солнечного теплового насоса на основе тепловых трубок для небольшого производства горячей воды для бытовых целей. Эффективному использованию солнечной энергии препятствует непостоянный характер ее доступности, что ограничивает ее использование и эффективность в бытовых и промышленных целях, особенно для нагрева воды.Самый простой и часто используемый метод – это преобразование солнечной энергии в тепловую. Мы разработали прототип солнечной системы нагрева воды для экспериментальных испытаний. Мы сообщили об исследовании эффективности преобразования солнечной энергии в разные сезоны, которая составляет 29,24% летом, 14,75% зимой и 15,53% в сезон дождей. В этой статье также обсуждается нагреватель постоянного тока для резервной системы и ток с использованием термоэлектрического генератора, который составляет 3,20 В летом, 2,120 В зимой и 1,843 В в сезон дождей.Эта солнечная система нагрева воды в основном подходит из-за простоты эксплуатации и обслуживания. Ожидается, что такая новая гелиотермальная технология будет способствовать дальнейшему развитию систем отопления/горячего водоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии (солнечной энергии) и, следовательно, приведет к значительным экологическим преимуществам.

1. Введение

Нагрев воды для бытовых нужд – это простой и эффективный способ использования солнечной энергии. Первоначальная стоимость солнечной системы нагрева воды очень высока без каких-либо эксплуатационных расходов.Это естественная солнечная тепловая технология. В этой системе падающее солнечное излучение преобразуется в тепло и передается в переносную среду, такую ​​как вода [1]. Солнечная энергетика является наиболее мощной из альтернативных источников энергии. Из-за растущего спроса на энергию и роста стоимости ископаемого топлива (например, газа или нефти) солнечная энергия считается привлекательным источником возобновляемой энергии. Солнечный нагреватель — это устройство, использующее солнечную энергию для производства пара для бытовых и промышленных целей [2–5].На нагрев воды уходит почти 20% от общего энергопотребления средней семьи. Солнечные водонагревательные системы являются самой дешевой и наиболее доступной чистой энергией, доступной домовладельцам, которые могут обеспечить горячую воду, необходимую для семьи. Солнечные водонагреватели могут работать в любом климате [6–9]. Производительность этих нагревателей варьируется в зависимости от наличия солнечной энергии в данном месте и, что более важно, от температуры холодной воды, поступающей в систему. Он может быть как активным, так и пассивным [10].Термосифонный солнечный водонагреватель основан на подъеме теплой воды, явлении, известном как естественная конвекция, для циркуляции воды через солнечный коллектор и в резервуар для хранения воды. Эффект термосифона для солнечной системы нагрева воды использовался с солнечными коллекторами в качестве основного компонента нагрева. Эти системы солнечного отопления используют либо прямой нагрев, либо косвенный нагрев коллектором [11–13]. В этих случаях поток, вызванный термосифоном, является результатом падающего солнечного излучения, но на него также влияет схема удаления горячей воды.В последнее время система нечетких моделей используется для прогнозирования температуры воды на выходе из термосифонной системы солнечного водонагрева [14]. В настоящее время солнечные и другие альтернативные источники энергии используются для различных применений, таких как производство электроэнергии, кондиционирование воздуха, отопление помещений и системы горячего водоснабжения. Фотоэлектрическая тепловая технология (PVT) относится к солнечным тепловым коллекторам, в которых фотоэлементы используются как неотъемлемая часть поглощающей пластины. Такая система вырабатывает одновременно и тепловую, и электрическую энергию [15].Сообщалось, что солнечные водонагреватели на различных индийских станциях обеспечивают 100 литров горячей воды при средней температуре 50–70°C, которую можно поддерживать на уровне 40–60°C до следующего утра [16]. Коллектор спирального абсорбера при температуре 55°C достиг наилучшего массового расхода при 0,011 кг/с и обеспечил комбинированный КПД PVT 64%, электрический КПД 11% и максимальную мощность 25,35 Вт. Однопроходный абсорбер с прямоугольным коллектором обеспечивает наилучший массовый расход 0.075 кг/с, при температуре поверхности 392°C, с комбинированным КПД PVT 55%, с электрическим КПД 10% и максимальной мощностью 22,45 Вт [15]. Al 2 O 3 и водные наножидкости MWCNT оказывают значительное влияние на эффективность FPSC (плоский солнечный коллектор) экспериментально. Результаты показали, что использование водных наножидкостей Al 2 O 3 и МУНТ по сравнению с водой в качестве рабочей жидкости повысило эффективность до 28,3 % и 35 % соответственно [17].Производительность новой гибридной системы горячего водоснабжения в сочетании с термоэлектрическим кондиционером (TEC1-12704) показала, что эта система может нагреть 120 литров воды до 50°C в течение 2 часов и соответствующий самый высокий коэффициент производительности гибридной системы составляет 3,12% [18]. Установлено, что летом солнечный нагреватель нагревает воду до 52°С. Зимой температура холодной воды в баке птичника составляет от 16°С до 18°С против 22°С-25°С летом. Из-за разницы температур между сезонами и снижения солнечной радиации зимой тепловой КПД падает с 52°С летом до максимума 38°С зимой [19].

2.
Материалы и методика
2.1. Материалы и конструкция системы

Система управления и хранения тепла состоит из сети трубопроводов, резервуара для хранения и резервной системы. Конструкция системы состояла из резервуара, двигателя стеклоочистителя, батареи постоянного тока, медной трубы, изоляционных материалов, материалов покрытия, корпуса, материалов для остекления и уплотнений, а также различных систем трубопроводов. На рис. 1 представлена ​​полная предлагаемая модель систем солнечного нагрева воды. Медная труба была выбрана для системы из-за ее высокой теплопроводности и антикоррозионных свойств.Черная краска и угольный порошок использовались из-за их высокой поглощающей способности, а стекло использовалось в качестве материала для остекления из-за его высокой пропускающей способности.


2.2. Экспериментальная установка и описание процесса

Это исследование включает в себя сравнение осуществимости систем солнечного водонагревателя. Для целей данного исследования была разработана солнечная система горячего водоснабжения для семьи из четырех человек. Приборная схема системы обогрева представлена ​​на рисунке 2. При включении двигателя вода из резервуара сначала поступает в U-образную медную трубу диаметром 3/8 дюйма и теплопроводностью 376 Вт·м/К.Корпус покрыт пробковым листом с черным покрытием, акустическое сопротивление которого составляет 1,2 × 10 5 . Передняя поверхность кожуха закрыта низкожелезистым стеклом (примерно 0,85–0,90 при нормальном падении). Корпус хранится в горячем, блестящем месте, где медная трубка получает большее количество тепла. Горячая вода, поступающая из медной трубы, поступает в резервуар через другую изоляционную трубу, и эта горячая вода снова несколько раз рециркулирует через медную трубу аналогичным образом.Для резервной поддержки или для быстрого процесса нагрева в резервуаре используется нагревательный змеевик, работающий от батареи постоянного тока 6 В. Тогда два радиатора (один содержит воду нормальной комнатной температуры, а другой горячей температуры) приводят к разности температур в соответствии с эффектом Пельтье и, следовательно, производят электричество.


3. Результаты и обсуждение
3.1. Факторы, влияющие на температуру горячей воды
3.1.1. Влияние времени воздействия солнечного света

На характеристики солнечных коллекторов в значительной степени влияет их рабочая температура, которая зависит от времени воздействия солнечного света.Температура и интенсивность солнечного света меняются в зависимости от времени года. В летний сезон погода более жаркая и солнечная по сравнению с дождливым и зимним сезоном, что приводит к высокой температуре, которая составляет примерно 77,5°C, как показано на рисунке 3. С другой стороны, в сезон дождей зарегистрированная температура составляет самый низкий среди сезонов из-за обильных дождей и сильных порывов ветра. Кроме того, температура меняется в течение дня во все времена года.Максимальная температура воды приходится на период между 10.00 и 13.00 из-за жаркой, блестящей и резкой теплоты погоды для большей интенсивности солнечной энергии. Интенсивность солнечной энергии утром остается низкой и начинает падать с самой высокой температуры днем.


3.1.2. Влияние нагревателя постоянного тока

На рис. 4 показан температурный профиль системы отопления с использованием нагревателя постоянного тока. В этом случае в качестве резервной системы используется нагреватель постоянного тока, потребляющий минимальное количество электроэнергии от аккумуляторной батареи 6 В.В промежутке между 8.00 и 10.00 в летний сезон температура воды поднимается до 58°С за 12 минут прогрева, тогда как в зимний сезон температура поднимается до 52°С за 10 минут прогрева и в дождливую погоду. сезона температура повышается до 50°С на 11 минуте нагрева. Самая высокая температура (78°С) среди сезонов отмечается в летний сезон в период с 11 до 13 часов при продолжительности обогрева 18 минут. В дополнение к этому самая высокая температура в зимний сезон и сезон дождей составляет около 72°C и 64°C при времени нагрева 17 минут и 16 минут соответственно.


3.1.3. Действие угольного порошка

Угольный порошок используется в качестве слоя покрытия в солнечных водонагревателях из-за его низкой стоимости и нетоксичности. Повышение температуры системы прямо пропорционально процентному содержанию углерода в слое покрытия. Максимально достигнутая температура воды на выходе составляет около 80°С в июне и 69°С в феврале.

3.2. Термоэлектрический анализ нагревателя

Термоэлектрическое устройство преобразует разницу температур на устройстве в электрическое напряжение в соответствии с термоэлектрическим принципом.Этот термоэлектрический эффект используется для получения электричества. В таблице 1 показаны термоэлектрические показания в разное время в разное время года.


0,200 1,2 1,6 1,6 1,6 2,5 783 1,09 2,0

Время (мин) Лето Rainy Rainy
RT 25 ° C, WT 24 ° C RT 25 ° C, WT 22 ° C RT 25 ° C, WT 24 ° C
° C (V) Mω) (MA) ° C (V) (Mω) (Mω) (MA) ° C (V) (Mω) (MA)

8. 00-8.10 6 0,769 183 3 0,127 1,04 122 1 0,080 1,02 078
8,10-8,20 10 0.420 1.1 381 6 0.224 1.09 205 3 3 0.127 1.04 122
8.20-8.30 14 0.500 416 10 0,439 1,2 365 5 0,325 1,1 295
8.30-8.40 18 0,740 1,3 528 13 0 0.679 1.3 522 8 0.420 0,420 1.2 350
805990 8.40-8.50 20 0.937 1. 4 669 17 0,821 1,4 586 10 0,521 1,2 434
8. 50-9.00 23 1,110 1,6 693 20 0.925 1.5 616 616 13 0.590 1.2 491 491
9.00-9.10 25 1.320 1.8 859 22 1.110 693 15 0,679 1,3 522
9.10-9.20 26 1,547 2,0 773 24 1,226 1,7 721 16 0.720 0,720 553 553
9.20590 9.20-9.30 28 1.663 2.2 755 25 955 25 1,73 1. 8 762 18 0,842 1,4 601
9.30-9.40 30 1,880 2,5 752 27 1,492 1,9 785 20 0. 937 1.5 624 624 9.40-90 9.40-9.50 9.90-9.50 30 1.0 3.0 663 28 1.590 2.0 795 23 1.110 693
9.50-10.00 31 2,020 3,1 651 28 1,755 2,3 763 24 1,320 1,8 733
11.00-1190 11.00-11 11 11 0.220 1.09 201 1 9 1 0,090 1.05 085 2 0,127 1.04 122
11.10-11.20 20 0,337 1,1 306 4 0,210 1,09 192 6 0,310 1,1 281
11.20-11.30 28 0. 520 0.520 1.2 433 8 0,429 1.2 357 9 0.420 1.2 350
11. 30-11.40 34 0,720 1,3 567 13 0,642 1,3 493 13 0,590 1,2 491
11.40-11.50 38 0.921 1,4 657 20 0.829 0,829 1.4 592 18 0,842 1.4 601
11.50-12.00 41 1.110 693 25 1,010 1,6 631 23 1,110 1,6 693
12.00-12.10 43 1,470 1,9 773 30 30 1.235 1,7 726 26 1. 213 1.7 713 713
12.10-12.2012 43 1,770 2. 3 769 35 1,479 1,9 747 30 1,327 1,8 737
12.20-12.30 44 2,013 2,9 694 38 1.621 2.1 771 771 1 971 1.422 1.9 748 948
12.30-12.40 45 2.450 3.1 790 40 1.877 750 33 1,566 2,0
12.40-12.50 46 2,920 3,2 912 41 1,972 2,8 704 39 34 1.724 29 749 749
12. 50-1.00 46,5 3.20 3.4 947 42 2.120 3. 0 706 35 1,843 2,5 737
2,00-2,10 19 0,240 1,09 220 4 0,122 1,05 116 1 0.089 0.089 1.02 087 087
2.10-2.2012 0.462 1.1 420 7 0.229 1.09 210 4 0.224 205
2,20-2,30 27 0,532 1,2 443 12 0,333 1,1 302 8 0,420 1.2 350
3
2
2.30-2.40 31 0.649 1.3 499 18 0.527 0. 527 1.2 439 11 0.520 1. 2 433
2,40-2,50 34 0,842 1,4 601 25 0,726 1,3 558 15 0,649 1,3 499
2.50-3.00 35 1.010 1.010 631 631 28 0,952 1.4 680 18 0.842 1,4 601
3. 00-3.10 37 1,220 1,7 717 32 1,057 1,5 704 19 0,937 1,5 624
3,10-3,20 39 1.447 1.9 761 761 33 1.267 1.7 745 21 945 21 945 1,112 1.6 695
3. 20-3.30 41 1. 41 1.552 776 34 1,387 1,8 770 23 1,213 1,7 713
3,30-3,40 40 1,449 1,9 762 39 34 1.306 1.8 725 725 22 1.190 1.8 730 730
3.40-3.50 40 1.402 1. 9 737 33 1,221 1,7 718 21 1,02 1,9 756
3,50-4,00 39 1,363 1,9 717 32 1.123 1.7 660 660 20 0,950 2,0 751 751

3.
2.1. Профиль напряжения и температуры

Эффективность термоэлектрического устройства зависит от разницы температур на устройстве.Эффект Пельтье основан на разнице температур, поэтому, чем выше разница температур, тем больше выработка электроэнергии. В период с 8.00 до 10.00 разница температур в летний сезон выше, чем в зимний и сезон дождей из-за более высокой интенсивности солнечной энергии, которая обеспечивает большее количество напряжения. На рис. 5 видно, что в летний период с 8.00 до 10.00 из-за большей разницы температур вырабатывается около 2,02 В электроэнергии, а зимой и в сезон дождей около 1.Производится 755 В и 1,32 В электричества соответственно.


В период с 11:00 до 13:00 в летний сезон солнечный коллектор получает максимальное количество тепла от солнечной энергии и получает более высокую температуру горячей воды. На рис. 6 показано, что максимальное напряжение составляет 3,20 В при перепаде температур 46,5°C в летний период. В зимний сезон напряжение составляет 2,12 В при перепаде температур 42°C, а в сезон дождей напряжение составляет 1,843 В при перепаде температур 35°C в течение 11 часов. с 00:00 до 13:00.


В период с 14:00 до 16:00 в летний сезон солнечный коллектор забирает из солнечной энергии больше тепла, чем зимой и в сезон дождей. Установлено, что в период с 15:25 до 16:00 разность температур постепенно уменьшается из-за меньшей интенсивности солнечной энергии. На рис. 7 показано, что максимальное напряжение составляет 1,40 В при перепаде температур 40°C в летний период. В зимний сезон напряжение составляет 1,22 В при разнице температур 33°C, а в сезон дождей напряжение равно 1.02 В при разнице температур 21°C.


3.2.2. Профиль тока и напряжения

Согласно закону Ома, ток постепенно увеличивается с увеличением напряжения. Но с определенной точки увеличения напряжения ток постепенно уменьшается, потому что после достижения точки напряжения некоторые порции напряжения используются для работы батареи постоянного тока. В летний период с 8:00 до 10:00, когда напряжение достигает 1320 мВ, достигается максимальное значение тока, около 859 мА. Однако, когда напряжение достигает 1547 мВ, ток падает до 773 мА и постепенно уменьшается до 651 мА, как показано на рисунке 8. С другой стороны, в зимний сезон, когда напряжение достигает 1590 мВ, наибольшее значение тока составляет около 795 мА, а затем падает до 763 мА. Однако в сезон дождей максимальное значение тока, 733 мА, получается при напряжении 1320 мВ.


В летний период с 11:00 до 13:00, когда напряжение достигает 1470 мВ, получается ток около 773 мА.С другой стороны, когда напряжение достигает 1770 мВ, ток падает до 769 мА и постепенно уменьшается до 694 мА, как показано на рисунке 9. Но после перезарядки батареи ток возрастает до 794 мА и постепенно увеличивается до 947 мА. В зимний период наибольшее значение тока, около 771 мА, регистрируется при напряжении 1621 мВ и постепенно снижается до 706 мА от своего пикового значения. Но в сезон дождей наибольшая величина тока 783 мА оценивается при напряжении 1566 мВ.


В летний сезон (с 14:00 до 16:00), когда напряжение достигает 1552 мВ, максимальный ток составляет около 776 мА, а когда напряжение достигает 1449 мВ, ток падает до 762 мА, как показано на рисунке 10. , В зимний сезон, когда напряжение достигает 1387 мВ, максимальная величина тока около 770 мА падает до 725 мА при 1306 мВ. Однако в сезон дождей наибольшая величина тока 756 мА получается при напряжении 1437 мВ.


3.2.3. Профиль напряжения и сопротивления

Напряжение, развиваемое в электрической системе, в значительной степени зависит от сопротивления, а также скорости и плотности электронов.На рис. 11 показана зависимость между напряжением и сопротивлением. В период с 8.00 до 10.00 в летний период сопротивление составляет 3,1 мОм при соответствующем напряжении 2020 мВ, тогда как в зимний период сопротивление составляет 2,3 мОм при соответствующем напряжении 1755 мВ. Точно так же в сезон дождей это значение составляет 1,8 мОм с соответствующим напряжением 1320 мВ.


В период с 11:00 до 13:00 в летний сезон сопротивление 3,4 мОм оценивается при напряжении 3200 мВ и в зимний сезон 3.0 мОм получается при напряжении 2120 мВ, как показано на рисунке 12. Точно так же в сезон дождей 2,5 мОм регистрируется при напряжении 1843 мВ.


В период с 14.00 до 16.00 в летнее время регистрируется сопротивление около 1,9 мОм при напряжении 1363 мВ, а в зимний сезон это значение составляет около 1,7 мОм при напряжении 1123 мВ, как показано на рис. Рисунок 13. С другой стороны, в сезон дождей регистрируется сопротивление 2,0 мОм, что соответствует напряжению 950 мВ.


3.3. Анализ мощности и эффективности

Эффективность системы солнечного нагрева воды определяется отношением энергии, выделяемой системой солнечного нагрева воды, к энергии, получаемой системой. Учитывая массу воды 0,50 кг и удельную теплоемкость воды 4,186 кДж/кг°C, КПД () для каждого сезона рассчитывается при максимальной продолжительности температуры с 11:00 до 13:00.

Потребляемая энергия или энергия, полученная системой солнечного нагрева воды, оценивается по следующему уравнению: где — масса воды в кг; – удельная теплоемкость воды, кДж/кг°С; и представляет собой разность температур между конечной температурой воды и начальной температурой воды.

С другой стороны, энергия, высвобождаемая солнечной системой нагрева воды, или выработка энергии рассчитывается по следующему уравнению: где мощность в ваттах; напряжение в вольтах; сила тока в амперах; и время в секундах.

Эффективность солнечной системы нагрева воды летом составляет около 29,24% при мощности 4,1216 Вт, как показано в таблице 2. Напротив, эффективность системы зимой и сезон дождей составляет 14,75% и 15,53% соответственно.


сезон


.5 3,20 1,288 4,1216 29,24
зима 45 2,10 0,921 1,93 14,75
Дождливый 35 1,82 0,868 1,58 15,53

3.
4. Анализ стоимости системы

На самом деле, анализ стоимости этой системы солнечного отопления зависит от количества членов семьи, количества требуемой горячей воды, а также стоимости источников отопления.Проведен сравнительный анализ затрат различных систем энергопотребления для семьи из четырех человек. Предполагается, что семье требуется около 50 литров воды в день, в том числе 16 литров для душа, 12 литров для стирки белья и 10 литров для крана. Соответственно семье требуется примерно 1500 литров горячей воды в месяц и 18250 литров горячей воды в год.

В случае системы солнечного отопления входной энергией является возобновляемая солнечная энергия. Таким образом, стоимость системы представляет собой только стоимость производства без каких-либо эксплуатационных расходов в течение пятилетнего срока службы.Стоимость строительства предложенной системы отображается в таблице 3.

Компонент Сумма (BDT)

Медная труба 2000
Черная краска 80612 80
Углеродный порошок 40
9
Araldite Clue 250
серебристый лист 300
Низкий железный стакан 300
Двигатель стеклоочистителя 300 300
Нагревательная катушка 120
DC аккумулятор (6 В) 600
пластиковая коробка 120
хлопок 10
провод 10 9
30 30
Другие 300


Общая сумма = BDT 4500

2

Если электричество используется для подогрев воды вместо солнечной системы отопления, то для нагрева 50 литров воды требуется около 10 кВтч электроэнергии. Соответственно, общая стоимость нагрева воды для семьи составляет около 19162,5 БДТ в год и 95812,5 БДТ за пять лет. Таким образом, использование системы солнечного отопления снижает затраты на потребление энергии семьей на 95,30% в течение пятилетнего срока службы системы. С другой стороны, стоимость газа для нагрева того же количества воды составляет примерно 65 БДТ в день. Таким образом, общая стоимость отопления за пять лет составляет около 118625 BDT, что почти на 96,21% выше, чем стоимость предлагаемой системы солнечного отопления.С базовым вариантом газового гейзера для удовлетворения потребностей в горячей воде зимой, летом и в сезон дождей система имеет эффективность 60%.

4. Заключение и рекомендация

Целью данной работы было разработать недорогую солнечную систему нагрева воды. С помощью этого устройства мы получаем самую высокую температуру, 77,5°C, воды и 3,20 В. Мы также используем нагреватель постоянного тока для резервной системы, и требуется 18 минут, чтобы поднять температуру до 77,5 ° C, и более высокая температура также достигается с помощью этого прибора. Дефицит электричества и газа в нашей стране слишком велик. Из-за ограниченности природных ресурсов стоимость газа и электроэнергии быстро растет. В результате не получится использовать горячую воду для всех видов бытовых работ с использованием газа или электричества. Итак, мы попытались изобрести этот тип солнечного водонагревателя, чтобы он мог удовлетворить все потребности, когда требуется горячая вода без использования газа или электричества.

Будущие рекомендации будут сосредоточены на будущем тестировании и изучении вариантов финансирования.Необходимы дополнительные испытания для оценки вариантов изоляции и оценки характеристик других недорогих материалов, и дальнейшая работа будет включать изменение этой конструкции для удовлетворения потребностей и материалов других регионов.

номенклатура
T :
RT: комнатная температура (° C)
WT: Температура воды (° C)
T : Разница температур (° C)
: Напряжение
: Сопротивление ()
или : Ток (А).
Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

Численный анализ термосифонных солнечных водонагревателей :: Science Publishing Group

Численный анализ термосифонных солнечных водонагревателей

Сэмюэл Сами, Эдвин Марин, Хорхе Ривера

Исследовательский центр возобновляемых источников энергии, Католический университет Куэнки, Куэнка, Эквадор

Адрес электронной почты:

(С.Сами)

Для цитирования этой статьи:

Сэмюэл Сами, Эдвин Марин, Хорхе Ривера. Численный анализ термосифонных солнечных водонагревателей. Международный журнал энергетики и энергетики . Том. 5, № 2, 2016. С. 83-89. doi: 10.11648/j.ijepe.20160502.18

Поступила в редакцию: 26 января 2016 г.; Принято: 3 февраля 2016 г.; Опубликовано: May 11, 2016

Аннотация: В этой статье представлено моделирование и симуляция, а также валидация водонагревателя солнечного коллектора с закрытым термосифонным стеклом и естественной циркуляцией. Уравнения сохранения энергии для потока теплоносителя и аккумулирующего резервуара были записаны в конечно-разностной форме, проинтегрированы и решены для получения характеристик термосифонной системы при различных условиях солнечной инсоляции и массового расхода воды, а также температуры воды. Сопоставление экспериментальных данных с предложенным численным прогнозом показало, что модель достаточно хорошо предсказала температуру откачки из накопительного бака при различной начальной температуре воды в накопительном баке.

Ключевые слова: тепловой солнечный коллектор, термосифон, водонагреватель, моделирование, проверка анализа

Нагрев воды обычно составляет значительный процент потребления энергии в бытовых и промышленных целях. Базовое углеродное топливо для нагрева воды приводит к выбросам парниковых газов и других загрязняющих веществ. Из-за высокой стоимости первичных энергоресурсов и связанных с этим серьезных экологических проблем солнечная энергия является альтернативным жизнеспособным источником энергии для нагрева воды. Солнечный нагрев воды можно охарактеризовать как активный или пассивный [1-5]. Активная система основана на электрическом насосе для циркуляции рабочей жидкости через солнечный коллектор. При пассивном солнечном нагреве воды теплоноситель использует явление термосифонирования для циркуляции воды под действием сил плавучести и замещается более холодной водой со дна резервуара [5]. Эта непрерывная циркуляция продолжается до тех пор, пока не нагреется вода в накопительном баке (рис. 1).

Компания Abgo сообщила о характеристиках термосифонного солнечного водонагревателя [6].Оценка производительности была основана на математических моделях, описывающих тестовую систему, и некоторых измеренных экспериментальных данных. Было исследовано влияние некоторых конструктивных и рабочих параметров, которые, как было показано, влияют на производительность системы. Численное моделирование стационарной естественной конвекционной теплопередачи в трехмерной односторонней трубке с наножидкостью было представлено Shahi et al. [7]. Это была упрощенная модель одностороннего вакуумного солнечного нагревателя из водяного стекла.В модели предполагалось, что труба с водяным затвором является адиабатической, а отверстие трубы находится под действием наножидкости медь-вода. Управляющие уравнения были основаны на цилиндрической системе координат.

Другой численный анализ модифицированного солнечного коллектора с вакуумными трубками был представлен Sato, et al. [8]. В данной статье предложено исследование солнечного нагрева воды с вакуумными трубками, их работы, характеристик и рабочих параметров. Кроме того, Хаммади [9] сообщил о другом аналитическом исследовании системы солнечного нагрева воды с естественной циркуляцией в Басре.Результаты показывают, что производительность солнечного водонагревателя зависит от таких параметров, как угол наклона и ориентация коллектора, скорость ветра, площадь коллектора, широта и солнечное время.

Рис. 1. Термосифонная солнечная система нагрева воды.

2. Математическая модель

Схема исследуемой системы представлена ​​на рис. 1. Система состоит из тепловой солнечной панели с солнечными стеклянными трубками в качестве водонагревателя и регулирующих клапанов.Технические характеристики солнечного коллектора со стеклянной трубкой приведены в табл.1. Как и в пассивной солнечной системе нагрева воды, вода в качестве теплоносителя использует явление термосифонирования для циркуляции между солнечными трубками и баком. За счет сил плавучести более холодная вода вытесняется со дна резервуара. Эта непрерывная циркуляция продолжается до тех пор, пока не нагреется вода в накопительном баке (рис. 1). В накопитель было залито 150 литров воды, а трубки рабочей жидкости заполнены рабочей жидкостью.Рабочая жидкость течет внутри труб в коллекторы и термосифонным путем обратно в бак-аккумулятор солнечной воды. В солнечном коллекторе солнечное излучение поглощается рабочим телом. Из-за поглощения солнечной радиации температура рабочей жидкости повышается. Таким образом, из-за разности плотностей рабочего тела нагретое рабочее тело движется вверх к накопительной емкости. Тепло от рабочего тела передается холодной воде и повышает ее температуру в аккумулирующей емкости.Следующие параметры были записаны с интервалом в 1 минуту с целью проверки предложенной модели; температура холодной воды, температура рабочей жидкости, температура солнечного коллектора, температура бака-аккумулятора, солнечная инсоляция (Вт/м 2 ), температура окружающей среды, скорость ветра (м/сек), температура горячей воды и относительная влажность (%).

Уравнения сохранения и уравнения теплопередачи были написаны для каждого водного солнечного коллектора со стеклянной трубкой, резервуара-накопителя и теплоносителя следующим образом;

Уравнения сохранения энергии и теплообмена:

Массовый расход, циркулирующий через солнечный коллектор из стеклянной трубки, можно рассчитать по следующей формуле [9];

(1)

Уравнение (1) можно переписать следующим образом;

(2)

и;

(3)

Где Т м ;

(4)

Коэффициент теплопередачи ветра определяется по [9,10];

(5)

Кроме того, следующие параметры; плотность, удельная теплоемкость, коэффициент расширения воды, а также объем накопительного бака определяются соответственно:

(6)

(7)

(8)

(9)

При этом уравнение энергии термосифонного солнечного водонагревателя при суточном солнечном излучении можно записать следующим образом [6];

(10)

Скорость откачки воды из накопительного бака определяется по формуле;

(11)

Где τα_ — эффективный коэффициент пропускания-поглощения, F 1 — коэффициент эффективности коллектора, а U — общий коэффициент тепловых потерь коллектора.

W и Tm — полная теплоемкость системы и средняя температура системы соответственно. B – это константа, которую можно принять равной 1, если вода забирается из середины бака, и 2, если она забирается из верхней части бака [6].

Эффективность преобразования энергии солнечного коллектора можно рассчитать следующим образом;

ƞ C = Q U = Q U / A C I O (12)

, где Q U — это энергия, поглощенная коллектором.

Энергия, поглощаемая коллектором, может быть получена следующим образом [6];

Q U = A C F 1 F 1 F 1 8 [I O (τα) — U L (T M -T A )] (13)

Где

F 1 : коэффициент полезного действия коллектора

U л : общий коэффициент тепловых потерь коллектора (Вт/м 2 К)

Решение приведенных выше уравнений дает массовый расход воды, откачиваемой из накопительного бака , энергия, поглощаемая солнечным коллектором, эффективность преобразования энергии, а также температура накопительного бака при сливе воды из бака.

3. Численная процедура

Механизмы преобразования энергии и теплопередачи, происходящие в процессе термосифонирования в стеклянных трубках тепловой солнечной панели, описаны в уравнениях (1)–(13). Вышеупомянутые уравнения были записаны в конечно-разностной форме и решены в соответствии с логической блок-схемой, показанной на рисунке 2, как функция времени. Сначала определяются входные независимые параметры, а другие зависимые параметры рассчитываются и интегрируются для получения массового расхода откачиваемой воды согласно уравнению (2) и температурного градиента в резервуаре-накопителе согласно уравнению (11).Итерации выполнялись до тех пор, пока не было достигнуто решение с допустимой ошибкой итерации. Численная процедура начинается с использования солнечного излучения для расчета массового расхода воды, циркулирующей в солнечной панели из-за сил плавучести. Это следует путем прогнозирования профиля температуры воды в зависимости от времени.

Таблица 1. Технические характеристики солнечного коллектора из жидкого стекла.

90 589
SUNSHORE вакуумных трубках ХАРАКТЕРИСТИКИ
Модель 58 * 1 800
Материал боросиликатное стекло
Внешняя трубка диаметром Ȼ 58 мм
Внутренняя трубка Dia ȼ 47 мм
пробирок длина 1800 мм
трубки № 10
Толщина 1.6 мм
Вакуумное внутреннее давление ≤ 5,0 x 10-3 PA
поглощаемость ≥ 0,92 (AM 1,5)
Emassivity ≤ 0,08 (80 ° C ± 5 ° C)
Поглощающее покрытие Алюминий/медь/нержавеющая сталь или алюминий/N/алюминий
Тепловое расширение 3. 3
Температура застоя ≥ 270 ° C
Тепловые потери 22 Вт / (м3, K)
Максимальная прочность 30 мм Железный шар снизился прямо на пробирки от 450 мм Высокое отношение, трубка без повреждений
против заморозки — 30 ° C — 30 ° C — 30 ° C
сопротивления Hailstone 25 мм диаметр Hailstone
Время жизни 15 лет

Рисунок 2. Логическая блок-схема.

4. Результаты и обсуждение

Термосифонный солнечный водонагреватель показан на рис. 1, имеет характеристики, указанные в табл. 1. Накопительный бак емкостью 150 литров был соединен пластиковыми патрубками для циркуляции воды от и к коллектору. В этом разделе мы сначала представляем результаты численного моделирования системы солнечного водонагревателя, представленной в ссылке [6] при различных условиях, и, во-вторых, подтверждаем нашу предложенную модель экспериментальными данными.

Вышеупомянутая система уравнений (1)–(13) в конечно-разностной формулировке была численно решена, и образцы прогнозируемых результатов представлены на рисунках 3–15 при различных входных условиях, таких как инсоляция, расход теплоносителя и температуры теплоносителя, а также углы наклона солнечных панелей. В частности, рис. 3 представлены ежедневные изменения солнечной инсоляции (Вт/м 2 ), измеренные на участке и использованные для проверки предложенной модели.Совершенно ясно, что интенсивность излучений зависит от часа дня и месяца года. В работе использовались средние значения радиационной инсоляции.

В целом из рисунков (4)–(11) совершенно ясно, что температура воды в накопительном баке снижается в процессе вакуумирования, и скорость падения температуры функционально зависит от различных параметров, описываемых уравнениями (1 ) через (13). В следующих разделах будут представлены и проанализированы результаты моделирования температуры резервуара для хранения при различных условиях.

Рис. 3. Изменение во времени солнечной инсоляции в течение 2015 года.

Рис.

Рис. 5. Изменение во времени начальной температуры воды в аккумуляторе при различных солнечных излучениях.

Результаты моделирования представлены на рисунках. 5 через. 11 показывают, что температура воды в резервуаре-накопителе в основном зависит от солнечной радиации и условий окружающего воздуха.Однако типичный анализ смоделированных результатов, представленных на рисунках с 7 по 11, также показывает, что температура воды в накопительном баке зависит от других параметров, таких как ориентация коллектора, количество труб в солнечном коллекторе и объем бака, скорость откачки вода из бака и подпиточная вода.

Рис. 6. Изменение во времени различной начальной температуры воды в накопительном баке при разной солнечной радиации.

Рисунок 7. Изменение во времени различной начальной температуры воды в накопительном баке с различными тепловыми трубками в солнечном коллекторе.

В частности, рис. 5 показано влияние интенсивности солнечного излучения на скорость снижения температуры внутри резервуара-накопителя. Из этого рисунка также видно, что чем меньше радиационная инсоляция, тем медленнее скорость снижения температуры.

Рис. 8. Изменение во времени начальных температур воды в различных объемах накопительных баков.

Результаты моделирования представлены на рис. 6 иллюстрирует влияние начальной температуры накопительного бака на скорость снижения температуры в накопительном баке при разной солнечной инсоляции при постоянном расходе отвода воды из накопительного бака. Из этого рисунка совершенно ясно, что более длительный период эвакуации воды происходит при более низкой солнечной инсоляции и более низкой начальной температуре резервуара-аккумулятора.

Рис. 9. Изменение во времени начальной температуры воды в накопительном баке при различных температурах воды на выходе.

Рис. 10. Изменение во времени начальной температуры воды в накопительном баке при различных углах наклона гелиотрубок.

Однако, Рис. 7 показано, что увеличение количества солнечных трубок увеличивает время эвакуации воды из накопительного бака при постоянной солнечной инсоляции. Из результатов, представленных на этом рисунке, также видно, что чем больше количество солнечных трубок, тем выше температура резервуара для хранения воды.

Рисунок 8 построен для изучения влияния объема накопительного бака на изменение во времени исходной температуры воды и времени откачки воды из накопительного бака.Очевидно, что чем больше объем накопительного бака, тем больше времени занимает эвакуация.

Рис. 11. Изменение во времени начальной температуры воды в аккумулирующей емкости при различных расходах откачки.

По результатам моделирования также было замечено, что начальная максимальная температура резервуара для хранения оказывает значительное влияние на время эвакуации, поэтому этот показатель важен для представления влияния начальной температуры в резервуаре для хранения.На рисунке также показано, что чем выше начальная температура, тем дольше период вакуумирования.

С другой стороны, на рис. 10 представлен эффект изменения угла наклона коллектора солнечных трубок. Из этого рисунка видно, что чем больше угол, тем дольше период эвакуации. Кроме того, Рис. 11, чтобы проиллюстрировать влияние скорости эвакуации воды при постоянной солнечной инсоляции на период эвакуации. Как показано на этом рисунке, чем выше скорость потока эвакуации, тем быстрее время эвакуации.Стоит отметить, что скорость откачки зависит от применения солнечного водонагревателя. Обычно этот тип солнечного водонагревателя оснащен панелью системы управления и контроллером установки температуры, а также датчиком температуры внутри бака, а также электрическим нагревателем, чтобы обеспечить постоянную подачу желаемой температуры. Этот электронагреватель можно использовать при очень низкой интенсивности солнечного излучения или при экстремально холодной воде, чтобы обеспечить подачу желаемой температуры.

Для проверки предсказания предложенной модели, представленной в вышеупомянутых уравнениях (1)–(13), были построены рисунки с 12 по 14 для имитации данных, представленных на этих рисунках. Предсказанные результаты были основаны на следующей экспериментальной установке для солнечных трубок из жидкого стекла [(Таблица 1) и Рис. 1]; угол наклона 30 ° (Sin φ = 30 °), количество солнечных трубок = 10 и V = 0,15 мᵌ. Поток воды, выходящей из резервуара, поддерживался постоянным во время моделирования, представленного на этих рисунках.Температуры измерялись датчиками Tip 3-pin транзистор DS18B20 с точностью ±0,5°C и аналоговым мультиметром EM5510 с разрешением 0,1°C и точностью разрешения ±1,5% ±3°C.

Рисунок 12 . Сравнение предсказания модели и экспериментальных данных.

Рис. 13. Сравнение предсказания модели и экспериментальных данных.

Рисунок 14. Сравнение предсказания модели и экспериментальных данных.

Расходы воды измерялись расходомерами типа на эффекте Холла, номер модели YFG1 с точностью +/- 3% от расхода в диапазоне 1-10 л/мин. Интенсивность солнечного излучения измерялась на площадке с использованием программного пакета HOBO для регистраторов данных HOBO.

Из этих рисунков совершенно ясно, что температура воды в накопительном баке снижается по мере того, как вода сливается из накопительного бака и подается подпиточная городская вода в накопительный бак.Из сравнения, представленного на этих рисунках, также видно, что предложенная модель достоверно предсказала изменение температуры откачиваемого резервуара во времени при различных начальных температурах воды в резервуаре и солнечном излучении, измеренных системой сбора данных Hobo. Можно также отметить, что результаты, представленные на этих рисунках, показывают незначительные расхождения между прогнозируемыми результатами и данными, которые относятся к тепловым потерям. Чем выше температура накопительного бака, тем выше потери тепла.

Эффективность преобразования энергии солнечного коллектора была рассчитана с использованием уравнений (12) и (13) и представлена ​​на рисунке. 15, для различных значений солнечной радиации и начальной температуры воды в накопительном баке. Результаты, показанные на этом рисунке, ясно показывают, что более высокое солнечное излучение повышает эффективность преобразования энергии солнечного коллектора. Также показано, что более низкая температура воды в накопительном баке связана с более высокой эффективностью. Это связано с меньшими потерями тепла из накопительного бака в процессе нагрева воды.

Рис. 15. Эффективность преобразования энергии солнечного коллектора.

5. Выводы

В ходе данного исследования были представлены и обсуждены моделирование и симуляция, а также валидация водонагревателя с закрытым термосифонным стеклянным солнечным трубчатым коллектором с естественной циркуляцией. Уравнения сохранения энергии были написаны для потока теплоносителя из хранилища в конечно-разностной форме, проинтегрированы и решены, чтобы получить поведение термосифонной системы при различных условиях солнечной инсоляции и массового расхода воды, а также при температурах резервуара для хранения воды.

Результаты, представленные в этом исследовании, показали, что более высокая солнечная радиация повышает эффективность преобразования энергии солнечного коллектора. Из сравнения, представленного здесь, совершенно очевидно, что предложенная модель достаточно хорошо предсказала изменение во времени температуры эвакуационного резервуара при различных начальных условиях воды в резервуаре и солнечной радиации.

Благодарность

Исследовательская работа, представленная в этой статье, стала возможной благодаря поддержке Католического университета Куэнки.

номенклатура

Nomentlature

0 Коллекционерная площадь (м2)
D диаметр стекла солнечной трубки
г ускорение из-за гравитации (м / с2) H Высота бака (M)
I Солнечная интенсивность (W / M2)
L Длина коллектора (M)
M Расход воды (кг / s)
N Количество трубок в коллекционере (-)
U скорость (м / с)
T температура (° C)
T Время (ч)
Греческие символы 9 0612
A A Абсмиссия
τα Эффективное пропускание-поглощение
ρ Плотность воды (кг / м3)
β’ Коэффициент расширения воды ( K-1)
ʋ ʋ Средняя кинематика вязкость воды (м2 / с)
индексов C коллектор
S Бак для хранения
o Выход и вход коллектора соответственно

Каталожные номера

  1. Махендра С. Севеда, «Анализ производительности солнечного водонагревателя в регионе NEH Индии», Международный журнал возобновляемых и устойчивых источников энергии, 2013 г .; 2 (3): 93-98.
  2. Букола О.Б., «Расчет потока и характеристики коллектора солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией» Журнал инженерии и прикладных наук, Vol. 1, Выпуск: 1, стр. 7-13, 2006.
  3. Б. Зитцманн, «Солнечный водонагреватель с термосифонной циркуляцией», Соответствующая технология, Vol. 2004. Т. 31. Вып. 1. С. 66–70.
  4. Д.Дж. Клоуз, «Производительность солнечных водонагревателей с естественной циркуляцией», Солнечная энергия, Vol. 6, Issue: 1, pp. 33-40, 1962.
  5. J. Huang, S. Pu, W. Gao, and Y. Que, «Экспериментальное исследование тепловых характеристик термосифонного плоского солнечного водонагревателя с кожухом». теплообменник», Энергетика, Вып. 35, с.
  6. М. Шахи, А. Махамуди и Ф. Талеби, «Численное моделирование устойчивой естественной конвекционной теплопередачи в трехмерной односторонней трубе, подвергнутой воздействию наножидкости», Международные сообщения в области тепло- и массообмена, 37, стр.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.