МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021

https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

УДК 662.997.534.4 https://doi.org/10.33619/2414-2948/64/19

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

©Матисаков Т. К., канд. техн. наук, Ошский государственный университет, г. Ош, Кыргызстан, [email protected]

©Ысаков Т. Ш., Ошский государственный университет, г. Ош, Кыргызстан

TECHNIQUE FOR CALCULATING THE EFFICIENCY OF OPERATION FOR SOLAR COLLECTOR SYSTEMS

©Matisakov T., Ph.D., Osh State University, Osh, Kyrgyzstan, [email protected] ©Isakov T., Osh State University, Osh, Kyrgyzstan

Аннотация. По предложенной методике были исследованы оптимальные соединения систем коллекторов и определены гидродинамические характеристики и эффективность солнечной водонагревательной установки. Построен график зависимости нагрева от времени при различных значениях количества коллекторов. Получена зависимость изменения коэффициента теплопередачи бака-аккумулятора от толщины теплоизоляционного материала. На основе математической модели составлена программа на ЭВМ в среде Delphi 7, позволяющая определить основные характеристики и параметры солнечной водонагревательной установки.

Abstract. According to the proposed method, the optimal connections of collector systems were investigated, and the hydrodynamic characteristics and efficiency of the solar water heating installation were determined. A graph of the heating versus time was plotted for various values of the number of collectors. The dependence of the change in the heat transfer coefficient of the tank-accumulator on the thickness of the heat-insulating material is obtained. On the basis of a mathematical model, a computer program was compiled in the Delphi 7 environment, which allows to determine the main characteristics and parameters of a solar water heating installation.

Ключевые слова: коллектор, солнечные батареи, солнечная установка, гидродинамика.

Keywords: collector, solar panels, solar installation, hydrodynamics.

Важную роль в процессе повышения эффективности солнечных водонагревательных установок (СВУ) играет организация движения теплоносителя в системе. Равномерность потока теплоносителя, малый перепад давления, простота изготовления и низкая стоимость, упитывающаяся при разработке конструкции, причем обеспечение равномерности потока теплоносителя считается важным фактором [1-2].

В разработке новых тепловых и гидравлических схем работы емкостных солнечно-водонагревательных коллекторов (СВК) в СВУ можно реализовать с помощью нескольких вариантов соединений коллекторов. Возможные оптимальные варианты соединений следующие: параллельно, последовательно и параллельно-последовательно [3].

У каждой из этих выше описанных видов соединений есть свое достоинство и недостатки. Поток солнечной радиации, поглощенный системой солнечных коллекторов,

Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice https://www.bulletennauki.com

Т. 7. №3. 2021 https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

вызывает нагрев воды, циркулирующей через коллекторы. Циркуляция воды в системе обеспечивается работой насоса (системы с принудительной циркуляцией) или гидростатическим давлением, вызванным разностью плотностей воды в коллекторах (системы с естественной циркуляцией). В системах принудительной циркуляцией расход воды G через коллекторы является постоянной, а естественной циркуляцией переменной величиной. На Рисунке 1 приведены видов схемы соединений коллекторов в системе солнечной водонагревательной установки для горячего водоснабжения [2].

Рисунок 1. Структурная схема СВУ при последовательном, параллельном и последовательно-параллельном соединении коллекторов.

Система может быть представлена в виде отдельных элементов, процессы теплопередачи между которыми характеризуются средними в пределах каждого элемента значениями коэффициентов теплообмена.

Температура теплоносителя в отдельных коллекторах изменяется равномерно от входа к выходу.

При последовательном соединении коллекторов идентичным теплотехническим параметром выработанная энергия коллекторами будет одинаковыми.

Для вырабатываемой полезной энергии один из последовательно-параллельно соединенных коллекторов (Рисунок 1 а) можно найти из формулы:

Q = Gycp (t{M)} - ti}) приj=1 и i=1, 2, 3,... n выражение (1) примет вид:

n n

X Qi =1 G,cp (t,+1 - tt)

(1)

(2)

,=1

,=1

Для системы с естественной циркуляцией изменение расход воды рассчитывается по формуле [3]:

G =

gHp-tFkq^

1

(3)

cP Pt

f

32 LT„ 3

2 Л

Тр "Тр

+л

V 2 drP 2 у

где q, Fк, G — интенсивность падающего на коллектор излучения, площадь СК и расход воды; щ — КПД Д солнечного коллектора; Ср — коэффициент

Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021

https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

объемного расширения и теплоемкость воды; — плотность воды при средней температуре

$ о

в СВК; к — скорость движения воды в каналах коллектора; $тр и Lтр — скорость воды в

соединительных трубопроводах и их длина; С, и X — коэффициенты сопротивления

коллектора и трения трубопроводов; dтp — диаметр трубопровода; g — ускорение свободного

падения.

Расход воды сильно зависит от коэффициента С При течении жидкости по теплопринимающей трубе коллектора местное сопротивление оказывает сильное влияния ее движения.

Местное сопротивление и сопротивления электрического проводника имеют одинаковую структуру. Аналогичные явления должны протекать в геометрически подобных системах. Тогда для последовательно и параллельно соединенных коллекторов можно найти как сопротивление электрической цепи: - при последовательном

! = у (4)

- при параллельном

С = Е£.

i—1

Используя выражения (1) и (2) введем обозначения:

(5)

(6)

a, = Gfp;

n

b, =£ GiCp (t,+1 -1i).

Для системы, состоящей из n последовательно и т параллельно соединенных коллекторов можно (Рисунок 1 а, б, в) написать системы линейных уравнений:

a11 x1 + a12 x2 +... + a1nxn — b1, (7)

a\ 1 x + a^x^ +... + ax — b,

21 1 22 2 2n n 25

a31 xi + a32 x2 + ... + a3nxn = b3,

a ,x, + а л, +... + am„x„ — bm.

ml 1 m 2 2 mn n m

При решении уравнении (1.7) нам не известно свободный член bi его определяем bi при

требуемой температуре

(t,+i - h)

(h+i - h)

выходе из последовательно соединенных n коллекторов.

Требуемая температура 4'+1 " это предельная значения температуры при повышении ее превысит тепловых потерей коллекторов. В этом случае можно определить оптимальные числа коллекторов в системе.

Бюллеmень науки и пракmики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021

https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

Решая системы уравнений (7) по методу Гаусса можно привести к одной из этих из следующих систем:

си х + с12 х2 +... + сыхп = (8)

Сх0 ... с„х — $,

22 2 2п п 2'

c х = d .

mn n m

где Cjj Ф 0 (i=1, 2, 3 , n), c,j — некоторые коэффициенты, d, — свободные члены;

С11X1 + ci2 X2 + .» + cimXm + ... + c1nXn = d1, (9)

c^»X-I ... ci ,„х„ ... „х„ — ,

22 2 1m m 2n n 2'

c x +... + c x = d .

^ mm m mn n m

где n<m.

Система (8) имеет единственное решение, значение Xn находится из последнего уравнения, Xn-i — из предпоследнего, xi — из первого.

Система (9) имеет бесконечное множество решений. Из последнего уравнения можно выразить одно из неизвестных (например, Xm) через остальные n-m неизвестных (xm+i, Xm+2, 2, Xn), входящих в это уравнение. Из предпоследнего уравнения можно выразить Xm-i через эти неизвестные и т. д. В полученных формулах, выражающих Xi, X2, 2 , Xm-i, Xm через Xm+i, Xm+2, 2 , Xn, последние неизвестные могут принимать любые значения.

Анализируя, выше описанных составим алгоритма расчета теплосети системы коллекторов.

Алгоритм расчета теплосети системы коллекторов может быть следующим:

Зададим исходные данные, как в первом случае. Потом определим значений гидродинамических коэффициентов и теплотехнических параметров в разных видах соединений. В этом этапе определится изменение местных сопротивлений в зависимости канала и его вида соединения. Затем идет расчет температур выходящих из коллекторов, и программа просматривает оптимальные видов соединения.

Найденные средние значения температур в разных точках системы используются для уточнения, тепло полученные от солнечного излучения в рамках решения задачи гидродинамических свойств системы.

Для проверки адекватности результатов расчета по составленной модели было выполнено численное моделирование в программе Delphi 7. Математическая модель гидродинамические характеристики параметры соответствовали экспериментальным условиям.

Зависимости теплоносителя для принудительных и естественных систем циркуляции воды от количества в системах коллекторов при параллельном, последовательном и, последовательно-параллельном соединении приведены на Рисунках 1-4. В Рисунках с

кривыми - и ------ даны естественной а и ~ принудительной циркуляции

теплоносителя системы собранных из солнечно-водонагревательных коллекторов изготовленных из U и спирало образных абсорберов.

Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice https://www.bulletennauki.com

Т. 7. №3. 2021 https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

т, с

70.00

62.86

55.71

48.57

41.43

34.28

27.14

20.00

У s ^ у У у

у'"'

...

r"

1 4 6 3 12 15

п, количество коллекторов Рисунок 2 параллельное соединение системы коллекторов.

17

20

6 Э 12 15

п., количество коллекторов

Рисунок 3 последовательное соединение системы коллекторов.

т. с 86.00

76.57

67.14

57.71

48.23

38.86

29.43

20.00

_ -

Л,;"":'-

6 3 12 15

п, количество коллекторов

17

20

Рисунок 4 последовательно-параллельное соединение системы коллекторов.

Бюллеmень науки и пракmики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021

https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64

Как видно из Рисунков, при последовательном соединении с повышением количество коллекторов температура теплоносителя увеличивается и постепенно насыщается. При таком соединении можно реализовать циркуляции теплоносителя принудительным путем поэтому предлагается уменьшит количества последовательно соединенных коллекторов в системе а параллельном наоборот.

В результате разработана математическая модель для расчета гидродинамических характеристик систем солнечных коллекторов. С помощью моделью выбраны оптимальные решения систем состоящих из n последовательно m паралеллно соединенных коллекторов работающих с полной мощностью.

Список лиmераmуры:

1. Байрамов Р. Б., Ушакова А. Д. Солнечные водонагревательные установки. Ашхабад: Ылым, 1987. C. 44-48.

2. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Ташкент: Фан, 1988. С. 36-68.

3. Сатыбалдиев А. Б., Матисаков Т. К. Определение режима естественной циркуляции воды в СВУ на основе математического моделирования // Известия ОшТУ 2009. №1. С. 160162.

References:

1. Bairamov, R. B., & Ushakova, A. D. (1987). Solnechnye vodonagrevatel'nye ustanovki. Ashkhabad. (in Russian).

2. Avezov, R. R., & Orlov, A. Yu. (1988). Solnechnye sistemy otopleniya i goryachego vodosnabzheniya. Tashkent. (in Russian).

3. Satybaldiev, A. B., & Matisakov, T. K. (2009). Opredelenie rezhima estestvennoi tsirkulyatsii vody v SVU na osnove matematicheskogo modelirovaniya. Izvestiya OshTU, (1), 160162. (in Russian).

Рабоmа полупила Приняmа к публикации

в редакцию 05.02.202i г. i5.02.202i г.

Ссылка для циmирования:

Матисаков Т. К., Ысаков Т. Ш. Методика расчета эффективности работы систем солнечных коллекторов // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7. №3. С. 194-199. https://doi.org/10.33619/2414-2948/64/19

Cite as (APA):

Matisakov, T., & Isakov, T. (2021). Technique for Calculating the Efficiency of Operation for Solar Collector Systems. Bulletin of Science and Practice, 7(3), 194-199. (in Russian). https://doi.org/10.33619/2414-2948/64/19