CC BY
7УДК 697.92
ОЦ1НКА СУМАРНОГО КОЕФЩДСНТА ТЕПЛОВТРАТ ТЕРМОСИФОННОГО
СОНЯЧНОГО КОЛЕКТОРА
Желих В.М., Лесик Х.Р., Кудь О. I.
Нацюнальний университет «Льв1вська полтехника»
Розглянуто тепловi процеси, що вщбуваються в плоских сонячних повiтронагрiвачах. Приведено способи зменшення втрат теплоти в плоских сонячних колекторах. Уточнено методику визначення теплових характеристик пасивного сонячного пов^она^вача. Визначено теплову потужшсть та ексергетичний коефщент запропонованого термосифонного гелюколектора. Спiвставлено отриманi результати дослiдного пов^рона^вача з характеристиками вiдомих конструкцiй. Результати обчислень представлеш у графiчному виглядi.
Термосифонний сонячний колектор, коефщ1ент тепловтрат, теплопоглинаюча пластина, теплова ¡золящя,пасивна система.
Вступ
Повiтрянi гелiоколектори представляють собою простi плоскi конструкцп, яю використовують для обiгрiвання примiщень та сушшня сiльськогосподарських продуктiв. У таких пов^она^вачах енерпя Сонця переходить в теплову енерпю й, таким чином, тдвищуе температуру поглинача випромiнювання. В установках з сонячними колекторами втрати енергл обумовлеш наступними причинами: оптичш втрати, тобто вiдбивання сонячного випромшювання, тепловi втрати. На рис. 1 показана принципова схема теплового потоку через пов^яний гелюколектор [1].
Для тдвищення теплово'1' потужностi повiтряних гелiоколекторiв широко використовують штучнi нерiвностi поверхш теплопоглинаючо'1' пластини, якi дозволяють турбулiзувати потiк теплоносiя.
Згiдно з [1] повеяна сонячна система вважаеться ефективною, якщо коефiцieнт тепловтрат сонячного колектора не перевищуе 2,9Вт/(м2-°С). Для зведення до мшмуму значення коефiцiента тепловтрат сонячний колектор покривають склом iз високим ступенем свiтло пропускання (коефщент свiтло пропускання бiльше 92%) попередньо напруженим, безосколковим, низько армованим товщиною бшьше 4 мм, а також здшснюеться теплоiзоляцiя корпусу конструкцп.
Мета та задач1 досл1дження
В данш роботi було поставлене завдання визначити сумарний коефщент тепловтрат та величину втрат тепла з поверхш термосифонного сонячного колектора, а також його
теплову потужшсть i коефiцieнт ексергп. Ствставити теплотехнiчнi характеристики запропонованого термосифонного гелюколектора та вiдомих конструкцiй сонячних повiтронагрiвачiв .
Методика досл1джень
Дослiдження проводились в натурних умовах для м. Львова для термосифонного сонячного колектора (рис.2а,б). За допомогою термоанемометра АТТ-1004 вимiрялися температура та швидкiсть повггря на входi та виходi з термосифонного сонячного колектора, а також рухомють зовшшнього повiтря. Для визначення температури теплопоглинаючо'1' пластини гелiоколектора використовувався трометр марки Нимбус-530. Замiри iнтенсивностi сонячного випромiнювання здiйснювалося за допомогою альбедометра.
7
б)
Рис.2. Дослщний термосифонний сонячний колектор: а) - схема експериментального стенду термосифонного гелюколектора; б) - термосифонний гелюколектор; 1 -корпус термосифонного гелюколектора; 2 - св1тлопроникне покриття; 3 - вхщний отв1р; 4 - вихщний отв1р; 5 - регулююча засл1нка; 6 - п1рометр Н1мбус-530 ; 7 -альбедометр; 8 - термоанемометр АТТ-1004; 9 - теплопоглинаюча пластина; 10 -тепло1золящя корпусу гелюколектора; 11 - повггряний канал
Схема теплових потомв дослщного пов^ряного сонячного колектора, показана на рис. 3 а. Пластина виготовлена з чорно'1' пофарбовано'1' оцинковано'1' листово'1' сталi товщиною 2 мм, площа яко'1' становить 1,2 м . Корпус колектора виконаний герметичним та теплоiзольованим. Покриттям колектора служить скляна пластина товщиною 4мм. Пов^ряний гелюколектор розташований шд кутом 30° на швденному фасадi будiвлi. Теплоносiй нагрiваeться вщ тепло поглинаючо'1' пластини i шд дieю сил конвекцп рухаеться в пов^ряному коридорi мiж абсорбуючою поверхнею та склом.
Теплопродуктивнiсть сонячного колектора у значнш мiрi залежить вщ теплотехнiчних характеристик абсорбера, а саме вщ кiлькостi поглинуто'1' сонячно'1' енергп. Оскiльки корпус гелiоколектора герметичний та теплоiзольований основнi тепловтрати здiйснюються через скляну поверхню. Еквiвалентна теплова схема плоского пов^рона^вача показана на рис 3б [2].
КВгШм2}
б)
и
1(Вт№) | 1ЛктР
\
Теплопоглинаюча
пластина Ипл) -Шар тепловоУ 0 ^_^ 1пл
¡золяци
Рис. 3. Схема термосифонного сонячного колектора з одинарним скляним покриттям: а) схема теплових потоков термосифонного сонячного колектора; б) еквiвалентна теплова схема повггряного сонячного колектора,
де ивтр - сумарний коефiцieнт тепловтрат, Вт/(м2-°С); ис; ид - коефщент тепловтрат, вiдповiдно, через скляну пластину та днище повггряного гелiоколектора, Вт/(м2-°С); I -iнтенсивнiсть сонячного випромiнювання, Вт/м2; / пл, 1с - температури, вiдповiдно,
теплопоглинаючо! та скляно! пластин, °С; 1вх, - вiдповiдно, температура на виходi та вход! в сонячний колектор, °С; Иплс - коефщент конвективного теплообмiну мiж пластиною та склом, Вт/(м2-°С); Иконв - коефщент тепловiддачi в навколишне середовище, Вт/(м2-°С);
Ир -с; Ир,с_атм - коефiцiенти теплообмiну випромiнюванням вщ пластини до скла та вщ скла до навколишнього середовища, Вт/(м -°С)
2
Сумарний коефiцiент тепловтрат сонячного колектора и , Вт/(м -°С), розраховуються за формулою [2]:
и втр = ис + иб + ид , (1)
де иб - коефiцiент тепловтрат через боковi поверхнi повiтряного гелюколектора,
Вт/(м2-°С).
Оскiльки боковi поверхнi сонячного колектора добре теп^зольоваш, значення иб буде незначним, тому нехтуемо ним.
Коефщент тепловтрат днища колектора ид, Вт/(м -°С), буде рiвним:
де
Я 5 -
и д = Я
5 , (2)
вiдповiдно, коефiцiент теплопровiдностi, Вт/(м-°С) та товщина теплово! iзолящi, м. В якост теплоiзолящi обрано пiнополiстирол товщиною 0,03 м, для якого Я = 0,045Вт/(м2 • °С).
Розрахунок коефщента тепловтрат скляно! пластини, ис, Вт/(м2-°С), проводиться методом ^ерацп. У випадку одинарного засклення формула мае наступний вигляд:
1 1
ис =
Ил с + Ир
- + -
Ик„,в + И р
р.пл_с конв р.с-ану
Коефщент конвективного теплообмiну мiж пластиною та склом, Ип визначаеться з рiвняння:
(3)
Вт/(м2-°С),
h =
пл-с
1 - 0,0018. (t -10).
Упл.сер iKJJ ^ 0,07
де пл 'сер - усереднене значення температури поверхш теплопоглинаючо'1 пластини,
°С; Dt - рiзниця температур поверхнi теплопоглинаючо'1 та св^лопроникно'' пластин,°С; l -
вiдстань мiж пластинами, м.
Коефiцieнт тепловi швидкосп повiтря u, м/с:
h
Коефщент тепловiддачi в навколишне середовище, коне, Вт/(м2-°С), залежить вiд
Конв = 5,7 + 3,8 u (5)
h
Коефiцiенти теплообмiну випромшюванням вiд пластини до скла, р ,пл-с ,Вт/(м2-°С)
h
та вщ скла до навколишнього середовища, р с-атм , Вт/(м2-°С), рiвнi:
t2 +t
" пл с пл с >
h = s(tПл + С )(tпл + te )
(1/вп. ) + ('/Se ) - ' Кс-атш = S 'Я' (te + ^Ж + )
(6) (7)
S ' S
де s =5,67x10-8 Вт/(м2-°С4) - стала Стефана-Больцмана; с- стушнь чорноти
fs = 0,9; s = 0,85 ч t = t - 6,°С поверхнi теплопогинаючо1 пластини та скла ( пл ' ' с ); н зпов -
температура небосхилу .
Методика розрахунку полягае в тому, що довiльно задаеться температура
поверхш скляно'1 пластини i визначаються вище вказанi коефiцiенти та U.
Результати цих обрахунмв використовуеться для визначення за приведеною
нище формулою. Якщо отримане значення близьке до попередньо заданого
о • t ~
розрахунок завершено. В iншому випадку одержана температура с приимаеться за розрахункову i обчислення повторяеться.
Таким чином, кшьмсть теплово'1 енергп, що втрачаеться в навколишне середовище через скло буде рiвною:
/4 4 \
Q = F ■ (h (t -1 ) +-s(tпл ~ )-)
пл пл -с пл с
(1/) + (1/Sc) - 1 (8)
Згiдно з методикою запропоновую Ель Себа'' [3], використовуючи коефщент
тепловтрат, можна визначити теплову потужшсть пов^яного сонячного колектора, Q, Вт (9) та Иого коефщент ексергетично'' ефективностi (11):
U (t -1 )
Q = A41 (sm ) - ] ■ Fm,
2 (9)
Фактор ефективносп сонячного колектора, A:
А = hконе /(hKOHB + Uетр ),
(10)
^ ш V „ iii(teux)]-Ьл.W Вт (11)
n z-^п.к p з.п
де W - робота, яку виконуе вентилятор, Вт. Оскшьки дослiдниИ сонячниИ колектор
t
■ W = 0
працюе в пасивному режим^ доданок t ех . Тодi формула набуде вигляду:
Ex
Ексерпя сонячного повiтронагрiвача■ n, Вт, визначаеться наступним чином:
Exn = Qn.K - m ■ cp • t^ • ln(^)] - ^ ■ W, Вт
Ехп = QtLK - т • с, • 1 „ • Ч-^-)],
вх
Коефiцiент ексергетично! ефективностi сонячного колектора:
Ех п
Пех =
1тРпк
С г V 1
(12) (13)
V
г
я 0
де 18=4080 °С - температура Сонця, яка рiвна % температури його абсолютно чорного тша [4].
Результати i ix анал1з
Згiдно iз виконаними обрахунками усереднений сумарний коеф^ент
тепловтрат дослiдного термосифонного сонячного колектора становить 2,8 2 2 Вт/(м -°С), оскiльки це значення не перевищуе 2,9 Вт/(м -°С) запропоновану
конструкщю можна вважати ефективною.
На рис. 4а представлено залежшсть ексергетичного коеф^ента, запропонованого гелгоколектора вiд масово! витрати, Ь, м3/год. та температури теплоносiя на виходi з термосифонного сонячного колектора, гвих, °С. Максимальне значення коеф^ента ексергп, що отримане для дано! моделi становить 7,2 %. Са'1'д Фарахат [5] дослiджував ексерпю сонячного повiтронагрiвача, використовуючи вентилятор для перенесення пов^ряних мас, значення цього коеф^ента для запропоновано! ним конструкцп рiвний 7,43%. У результатi сшвставлення даних спостерiгаеться подiбнiсть результатiв.
На рис. 4б зображено графiчну залежшсть теплово! потужностi сонячного повiтронагрiвача Q ,Вт вiд температури теплоносiя на виходi з термосифонного
сонячного колектора, гвих, °С та штенсивносл сонячного випромiнювання, I,
Вт/м2.
В цих двох залежностях спостер^аеться схожють. В пасивнiй гелiосистемi, яка працюе за принципом вшьно! конвекцп без вентилятора, ексергетичний коефiцiент зростае разом з тепловою потужшстю (рис.4а,б), оскiльки не мае додаткових затрат енергп на транспортування теплоноЫя.
а) б)
■Г V
1ни,°Г
Рис. 4. Тепловi характеристики запропонованого термосифонного гелiоколектора: а - залежшсть ексергетичного коеф^ента, ^ех,%, вiд температури теплоносiя на
виходi з гелiоколектора, гвих, °С, та його масовоТ витрати, Ь , м3/год.; б - залежшсть тепловот потужностi гелюколектора, Q, Вт, вiд температури
теплоноая на виходi з колектора, г вих, °С, та штенсивносп сонячного
♦ 2 випромшювання, I, Вт/м
Висновки
В данш робот наведено уточнену методику визначення теплових характеристик пов^ряного гелiоколектора Ï3 пасивним використанням сонячно'1 енергп.
Проведено спiвставлення ексергетичних коефщенпв та коефiцieнтiв тепловтрат запропонованого та юнуючих сонячних колекторiв, при цьому слщ вiдзначити ïx достатню збiжнiсть.
Список використаноï л1тератури
1. Fabio Struckmann, 2008, «Analysis of a Flat plate Solar Collector», Renewable Energy Technology.
2. Duffie JA, Beckman WA, 1991. Solar engineering of thermal processes. New York: Wiley;
3. A.A. El-Sebaii, H. Al-Snani, 2010, «Effect of selective coating on thermal performance of flat plate solar air heaters», Journal of Solar Energy № 35, рр. 1820-1828.
4. Bejan, A., Keary, D. W. and Kreith, F., 1981, "Second Law Analysis and Synthesis of Solar Collector Systems", Journal of Solar Energy.
5. Farahat, S., Ajam, H. and Sarhaddi, F., 2004a, "Method and Basis of Flat Plate Collector Optimization with Exergy Concept", Proceedings of First Iranian Conference on Ecoeenergy, Urmia University, Urmia, Iran.
6. Farahat, S., Ajam, H. and Sarhaddi, F., 2004b, "Optimization of Linear Parabolic Solar Collectors with Exergy Concept", Proceedings of 19th International Power System Conference, Tehran, Iran.
7. Geng Liu, Y., Cengel, A. and Turner, R. H., 1995, Exergy Analysis of a Solar Heating System, Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 1173,р.
УДК 628.356
НАДЕЖНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И
ВОДООТВЕДЕНИЯ
Салиев Э. И.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Приведена одна из главных свойств надежности систем водоснабжения и водоотведения - ремонтопригодность и ее характеристики. Была произведена комплексная оценка критериев трубопроводов и значительное количество эксплуатационной и диагностической информации, а также альтернативная методика гидравлического расчета трубопровода, имеющих значительный износ и повреждения.
Надежность, ремонтопригодность, вероятность восстановления, среднее время восстановления, коэффициент технического использования, коэффициент готовности, мобильные измерительные комплексы
Введение
Общая протяженность водопроводных сетей в Украине составляет 86 тыс. км из них в аварийном состоянии находятся 29,3 тыс. км, и потери воды сегодня достигают 50 %.При эксплуатации городских водопроводов значительная часть трудовых затрат приходится на устранение повреждений трубопроводов [3]. Кроме того, при ликвидации повреждений отключаются большие участки, что неблагоприятно сказывается на обеспечении потребителей водой. Аварийные ситуации приводят к потерям воды, а, следовательно, и к возникновению дефицита воды в целом по городу. Поэтому снижение количества повреждений трубопроводов является одним из основных резервов экономии эксплуатационных затрат на городских водопроводах. С этой целью проводится анализ
