CC BY
93
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 697.1:536.2
ГЕЛИОСИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ С ДВУХФАЗНОЙ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ЖИДКОСТЬЮ
Л. Л. ВАСИЛЬЕВ1, Д. Х. ХАРЛАМПИДИ2, В. А. ТАРАСОВА2, А. С. ЖУРАВЛЕВ1, М. А. КУЗНЕЦОВ2, Л. П. ГРАКОВИЧ1, М. И. РАБЕЦКИЙ1
1 Государственное научное учреждение «Институт
тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной
академии наук Беларуси», г. Минск
2Институт проблем машиностроения
имени А. Н. Подгорного Национальной академии наук
Украины, г. Харьков
Ключевые слова: альтернативная энергетика, гелиосистема, солнечный коллектор, термодинамический насос, тепловая труба.
Введение
В последнее десятилетие происходят значительные изменения в энергетике, жилищно-коммунальном хозяйстве, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, архитектуре и строительстве. Основными мировыми тенденциями являются существенное сокращение потребления тепловой энергии от источников на углеводородном топливе и снижение ее потерь при транспортировке от генерирующих мощностей к потребителям. Большие перемены имеют место, в частности, в секторе теплоснабжения, горячего водоснабжения, кондиционирования помещений. Традиционные источники топлива и энергии активно вытесняются возобновляемыми, одним из которых является солнечное излучение, все шире используемое для производства электричества с помощью фотоэлектрических преобразователей либо в целях получения тепла для отопления помещений и систем горячего водоснабжения [1]-[6]. На достижение прогресса в области гелиотехники, совершенствование имеющихся и создание новых конструкций направлены научные исследования, поиски инженерных решений. Важно отметить, что развитие альтернативных технологий в энергетике благотворно влияет на экологию, позволяя снизить количество выбросов вредных веществ в атмосферу.
Эффективность гелиосистемы для отопления помещений и нужд горячего водоснабжения в значительной степени определяется техническими возможностями солнечного коллектора и контура циркуляции. Высокие характеристики оборудования могут быть обеспечены применением естественно-циркуляционных систем с двухфазной многокомпонентной жидкостью, работающих по принципу термодинамического насоса и сорбирующих тепло солнечного излучения коллекторами на базе тепловых труб либо термосифонов.
Целью работы является повышение эффективности энергосберегающих систем получения тепла и холода, использующих солнечную энергию, усовершенствование контура циркуляции теплоносителя путем организации его работы по принципу термодинамического насоса.
Гелиосистемы с коллекторами на базе тепловых труб
Одним из способов использования солнечной энергии является подогрев воды для систем горячего водоснабжения, а также отопления при пониженных температурах и получения холода с целью обеспечения комфортных условий в помещениях летом.
Простая водонагревательная установка состоит из коллектора солнечной энергии, бака-аккумулятора, дополнительного нагревателя воды и насоса. Для тепло- и хладо снабжения предназначены более сложные комбинированные системы [7], состав которых дополняется сорбционной холодильной установкой, также использующие энергию солнечного излучения (рис. 1). Получаемый холод может быть предназначен для кондиционирования помещений в дневное время.
Нагрев Охлаждение
Рис. 1. Схема комбинированной солнечной установки для тепло-и хладоснабжения: 1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - дополнительный источник тепла; 4 - конденсатор; 5 - испаритель; 6 - абсорбер; 7 - теплообменник;
8 - генератор; 9 - вентиль; 10 - жидкостный насос
Основным элементом гелиоустановки является солнечный коллектор, конструкция которого в значительной степени определяет эффективность и стоимость всей системы. Плоский коллектор (рис. 2) позволяет использовать прямую и рассеянную солнечную радиацию без необходимости слежения за Солнцем. Конвективные коллекторы, передача тепла в которых производится жидкостью при ее вынужденном течении, достаточно эффективны, технологичны и не дороги, однако обладают недостатками: реверсивность теплообмена при отсутствии солнечного излучения, сложность дренажа системы. В качестве теплоприемных и теплопередающих элементов солнечных коллекторов могут применяться автономные замкнутые двухфазные устройства для передачи тепла - тепловые трубы, обеспечивающие равномерность температуры по длине приемного элемента и снижение тепловых потерь. При этом повышается надежность коллектора, предотвращается сброс тепла из системы при отсутствии солнечного излучения вследствие однонаправленности теплопередачи наклонных тепловых труб, работающих в поле гравитации. К недостаткам коллекторов с тепловыми трубами можно отнести их более высокую стоимость.
При выполнении теоретического расчета системы солнечного отопления определяется количество тепла, которое может выработать солнечный коллектор с тепловыми трубами или термосифонами, и вычисляется потребная мощность дополнительного источника тепла. Уровень солнечной радиации, падающей на единицу площади коллектора, рассчитывается методом Ангстрема. Суть его состоит в том, что, располагая данными о продолжительности солнечного периода, полученными на основе многолетних наблюдений на метеорологических станциях, можно рассчитать среднемесячные уровни солнечной радиации, а затем ее суммарную величину, поступающую на коллектор, с учетом местной широты, склонения Солнца, угла наклона коллектора, используя уравнение Ангстрема-Прескотта [8]-[10]:
Н 1 п -= а + Ь—,
Н о по
где Н - суммарная среднемесячная солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли; Н0 - радиация, поступающая на верхнюю границу атмосферы; п , п0 -среднемесячная и максимально возможная месячная продолжительности солнечного сияния; а и Ь - эмпирические коэффициенты, которые учитывают расположение местности, суммарную солнечную радиацию и определяются методом регрессии для разных климатических зон [11].
1
2
Рис. 2. Плоский коллектор солнечной энергии с тепловыми трубами: 1 - теплоизоляция; 2 - стеклянное покрытие; 3 - тепловые трубы; 4 - жидкостный теплообменник
Полезное количество тепла, производимое солнечным коллектором с селективной поверхностью, в который вмонтированы вакуумные изоляторы и тепловые трубы, может быть найдено из следующего уравнения [12]:
0 = ГА
А
$ —ТиЬ СТ - Та )
А
где - коэффициент отвода тепла; $ - энергия солнечного излучения, поглощенная единицей площади приемника; Аг - площадь абсорбционной поверхности коллектора; - общая площадь коллектора; - коэффициент теплопередачи; Тг - внутренняя температура коллектора; Та - температура окружающей среды.
Накопленный в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси многолетний опыт разработки и исследования тепловых труб разнообразных конструкций, работоспособных в различных диапазонах температур и внешних условий, термосифонов (конвективных, пародинамических, кольцевых), в том числе для использования возобновляемых источников энергии, а также солнечных коллекторов на их основе [7, ] [13]-[16], данные других авторов [17]-[19] свидетельствуют о высоком уровне теплотехнических параметров таких устройств. Анализ влияния на эффективность ц = двых/ дсолн (двых - удельная полезная энергия, используемая на нагрев теплоносителя; дсолн - удельная энергия падающего солнечного излучения) солнечного коллектора термических сопротивлений я входящих в его состав компонентов показал, что зависимость ц{я) не линейна, при уменьшении термического сопротивления до некоторого характерного значения эффективность ц практически не зависит от я .
4
3
В результате натурных испытаний установлено, что коллекторы такого типа обладают следующими достоинствами:
- поддерживается равномерность температуры по всей длине теплоприемного элемента, что снижает потери тепла;
- обеспечивается высокая надежность устройства, поскольку при выходе из строя отдельных элементов передача энергии уменьшается, но не прекращается;
- предотвращается сброс тепла из системы при недостатке солнечного излучения из-за отсутствия теплопередачи наклонными тепловыми трубами против сил гравитации;
- осуществляется быстрый запуск системы ввиду низкой теплоемкости конструкции.
Такие свойства коллекторов обеспечивают возможность успешного их применения для создания эффективных гелиосистем получения тепла и холода.
Естественно-циркуляционная система отопления с двухфазной многокомпонентной жидкостью
Важным звеном, обеспечивающим эффективность передачи полученной в гелио-коллекторе энергии потребителю, является контур циркуляции теплоносителя.
Существующие способы циркуляции теплоносителя в системах отопления, такие как применение насосов или осуществление движения горячей воды через отопительные приборы за счет движущего напора циркуляции, обусловленного разностью плотностей нагретой и охлажденной воды в опускных и подъемных трубах, имеют свои недостатки. Так, с одной стороны, естественно-циркуляционные системы с гомогенным теплоносителем обладают неоправданно высокой металлоемкостью, а с другой - работа систем с принудительной циркуляцией теплоносителя связана с затратами энергии на привод насосов. Зачастую работа насосов сопровождается шумом и вибрациями. Кроме того, насос является источником аварий и требует систематического надзора.
Работы по созданию принципиально новых методов обеспечения интенсивной циркуляции теплоносителя в системах охлаждения устройств промышленной теплоэнергетики велись в 80-х гг. прошлого столетия в Харьковском инженерно-строительном институте исследовательской группой, возглавляемой Е. М. Ново-хатским [20]. Разработанные ими экспериментальные образцы естественно-циркуляционных систем обладали многими преимуществами. Интенсификация движения теплоносителя осуществлялась в них за счет термодинамической работы цикла Ренкина (Rankine cycle), которая производилась в результате испарения и конденсации какой-либо жидкости с температурой кипения меньшей, чем температура кипения основного теплоносителя. Такая система получила название «система с термодинамическим насосом». С тех пор принципиально новый способ организации движения теплоносителя, основанный на использовании работы расширения легкокипящей вспомогательной жидкости, был незаслуженно забыт. Однако исследование таких систем не потеряло свою актуальность, а, наоборот, с повсеместным внедрением «зеленой» энергетики для них открылись новые области применения. Так, естественно-циркуляционная система может быть применена в комплексе с гелиоколлекторами на основе тепловых труб в системах отопления и горячего водоснабжения. Работающая без подвода внешних источников первичной энергии (электроэнергии) по принципу термодинамического насоса, образованного двухфазной многокомпонентной жидкостью, система имеет повышенную надежность движения теплоносителя, экономичность работы, низкую металлоемкость, простоту конструкции. В таких системах происходит существенное увеличение движущего напора циркуляции за счет использования работы расширения испаряющейся в
подъемной части циркуляционного контура легкокипящей жидкости и конденсации ее паров во вспомогательном теплообменнике.
Система отопления и горячего водоснабжения включает в себя несколько контуров (рис. 3). В гелиоконтуре осуществляется насосная циркуляция воды. При этом предусмотрен сброс части нагретой воды в бак-аккумулятор 15 для обеспечения горячего водоснабжения.
Рис. 3. Конструкция термосифонной гелиосистемы с термодинамическим насосом: 1 - вентиль; 2 - уровень вспомогательной жидкости в циклоне; 3 - уровень воды в циклоне; 4 - циклон; 5 - опускная труба; 6 - отопительные приборы; 7 - обратная труба; 8 - теплообменник; 9 - игольчатый вентиль; 10 - подъемная труба; 11 - труба для вспомогательного теплоносителя; 12 - конденсатор пара легкокипящей жидкости;
13 - солнечный коллектор; 14 - трехходовой вентиль; 15 - бак-аккумулятор;
16 - вентиль; 17 - насос
Отвод теплоты из гелиоконтура и подвод ее к основному теплоносителю (воде) естественно-циркуляционной системы отопления осуществляется через теплообменник рекуперативного типа 8. Система отопления заполнена водой так, что уровень воды 3 в циклоне 4 может располагаться несколько выше или ниже ввода в циклон пароводяной смеси, поднимающейся вверх по подъемной трубе 10. Помимо воды в данной системе имеется вспомогательная легкокипящая жидкость (например, бензол) или гетерогенная легкокипящая жидкость - бензин, у которого температура кипения первых фракций находится в пределах 40-50 °С, а последних - около 80-85 °С. Уровень этой вспомогательной жидкости 2 в циклоне 4 расположен выше уровня 3, так как ее плотность меньше плотности воды. Вспомогательная жидкость заливается в систему через вентиль 1, так что конденсатор пара легкокипящей жидкости 12 и труба 11, соединенная с подъемной трубой 10, также заполнены легкокипящей жидкостью. До начала пуска системы отопления в работу вентиль 9 закрыт. Циклон 4 соединен с отопительными приборами 6 опускной трубой 5. Охлажденная в отопительных приборах вода по обратной трубе 7 поступает в теплообменник 8. Начальный период работы такой отопительной системы ничем не отличается от этого периода работы обычной отопительной системы с естественной циркуляцией теплоносителя. После того как температура воды в подъемной трубе достигает величины,
превышающей температуру кипения самых легких фракций вспомогательной жидкости, вентиль 9 открывают, легкокипящая жидкость самотеком поступает в подъемную трубу 10, полностью или частично испаряется и пароводяная смесь поступает в циклон 4, где происходит разделение пара и жидкости. Горячая вода из циклона направляется в отопительные приборы 6. Отделившиеся от воды пары легкокипящей жидкости поступают в конденсатор 12, а затем конденсат самотеком поступает в нижнюю часть подъемной трубы. Конденсатор представляет собой оребренную трубу, которая омывается холодным воздухом.
Если легкокипящая жидкость гомогенна, то она участвует в процессе циркуляции теплоносителя, если гетерогенна - в процесс циркуляции с повышением температуры вступают фракции с более высокой температурой кипения, и, таким образом, количество вспомогательной жидкости, участвующей в процессе циркуляции, растет с повышением температуры теплоносителя до тех пор, пока не будет участвовать фракция с самой высокой температурой кипения.
Предлагаемая технология создания гелиосистемы отопления с двухфазной многокомпонентной жидкостью также позволяет реализовать новые перспективные способы интенсификации теплообмена, основанные на использовании наносред.
Гелиотехнологии могут быть успешно применены в сушильных установках аграрного сектора, системах нагрева воды для бытовых целей, обеспечивая экономию до 5 тыс. тонн условного топлива в год [21] при существенном улучшении экологической обстановки.
Задачи по использованию энергии Солнца, наряду с другими возобновляемыми источниками энергии, актуальны для Республики Беларусь и соответствуют приоритетным направлениям научно-технической деятельности на 2016-2020 гг.
Заключение
В результате обобщения изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Развитие солнечной и других видов альтернативной энергетики является важной и актуальной задачей, направленной на решение экономических и экологических проблем.
2. Коллекторы на тепловых трубах и термосифонах обладают рядом достоинств, позволяющих создавать эффективные гелиосистемы для тепло- и хладоснабжения потребителей.
3. Высокой эффективностью использования солнечной энергии обладает естественно-циркуляционная система обогрева объектов, работающая по принципу термодинамического насоса, образованного двухфазной многокомпонентной жидкостью. Технология создания такой гелиосистемы отопления позволяет реализовать новые перспективные способы интенсификации теплообмена, основанные на использовании наносред.
Литература
1. Покотилов, В. В. Использование гелиосистем и других ВИЭ для теплоснабжения многоэтажных зданий / В. В. Покотилов, М. А. Рудковский // Энергоэффективность. - 2014. - № 1. - С. 16-20.
2. Анарбаев, А. И. Сопоставление эксплуатационных характеристик некоторых типов солнечных коллекторов и водонагревательных установок в условиях Узбекистана / А. И. Анарбаев, Р. А. Захидов, Н. И. Орлова // Гелиотехника. - 2007. -№ 1. - С. 14-20.
3. Jee, J. M. Flat plate solar photovoltaic-thermal (PV/T) systems: A reference guide / J. M. Jee, S. Iniyan, G. Ranko // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2015. -Vol. 51. - P. 62-88.
4. Мырзакулов, Б. К. Энергосбережение и возобновляемые источники энергии / Б. К. Мырзакулов // Наука, новые технологии и инновации. - 2013. - № 7. -С.18-24.
5. Del Chiaro, B. Solar Water Heating: How California Can Reduce Its Dependence on Natural Gas / B. Del Chiaro, T. Telleen-Lawton. - Los Angeles : Environment California Research & Policy Center, 2007. - 20 p.
6. Савилов, А. В. Альтернативные источники солнечной энергии в многоквартирном доме / А. В. Савилов, А. А. Петрушкин // Молодой ученый. - 2017. - № 10. -С. 80-85.
7. Васильев, Л. Л. Тепловые трубы в системах с возобновляемыми источниками энергии / Л. Л. Васильев, Л. П. Гракович, Д. К. Хрусталев. - Минск : Наука и техника, 1988. - 159 с.
8. Gueymard, C. Acritical look at recent interpretations of the Angstrom approach and its future in global solar radiation prediction / C. Gueymard, P. Jindra, V. Estrada-Cajigal // Solar Energy. - 1995. - Vol. 54, No 5. - P. 357-363.
9. Wong, T. Solar radiation model / T. Wong, W. K. Chow // Applied Energy. - 2001. -Vol. 69. - P. 191-224.
10. Пашинский, В. А. Оценка падающей солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории в условиях Республики Беларусь / В. А. Пашинский, А. А. Бутько, А. А. Черкасова // Экол. вестн. - 2015. - Т. 32, № 2. - С. 77-82.
11. Radosavljevic, J. Defining of the intensity of solar radiationоn horizontal and oblique surfaces on Earth / J. Radosavljevic, A. Dordevic // Facta Universitatis. Ser.: Working and Living Environmental Protection. - 2001. - Vol. 2, No 1. - P. 77-86.
12. Duffie, J. A. Solar Engineering of Thermal Processes. 4th edition / J. A. Duffie, W. A. Beckman. - Hoboken, New Jersey (USA) : Wiley, 2013. - 936 p.
13. Анализ параметров плоского солнечного коллектора с тепловыми трубами / Л. Л. Васильев [и др.] // Весщ АН БССР. Сер. фiз.-энергет. навук. - 1984. - № 3. -С. 57-62.
14. Использование теплообменников на тепловых трубах для кондиционирования, в области пищевой промышленности и холодильной техники / Л. Л. Васильев [и др.] // Весщ НАН Беларусь Сер. фiз.-тэхн. навук. - 2014. - № 3. - С. 85-90.
15. Использование возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов с помощью тепловых труб / Л. Л. Васильев [и др.] // Энергоэффективность. -2016. - № 11. - С. 28-31.
16. Васильев, Л. Л. Утилизация возобновляемых и вторичных энергоресурсов с помощью тепловых труб и термосифонов / Л. Л. Васильев, А. С. Журавлев // Энергетика и ТЭК. - 2017. - Т. 167, № 2. - С. 20-22.
17. Rassamakin, B. Aluminum heat pipes applied in solar collectors / B. Rassamakin [et al.] // Solar Energy. - 2013. - Vol. 94. - P. 145-154.
18. Azad, E. Theoretical and experimental investigation of heat pipe solar collector / E. Azad // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2008. - Vol. 32, Iss. 8. -P. 1666-1672.
19. Riffat, S. B. A novel hybrid heat pipe solar collector/CHP system / S. B. Riffat, X. Zhao // J. Renew. Energy. - 2004. - Vol. 29. - P. 2217-2233.
20. Новохатский, Е. М. Отопительная система с термодинамическим насосом / Е. М. Новохатский, А. Д. Харлампиди. - Харьков : ХИСИ, 1984. - 5 с. - Деп. в ВНИИИС № 5054-84.
21. Нистюк, В. П. Роль возобновляемой энергетики в Республике Беларусь и перспективы ее развития / В. П. Нистюк // Энергоэффективность. - 2010. - № 3. -С. 17-20.
Получено 27.11.2018 г.
