CC BY
104
УДК 662.9
Е. А. Харитонов, С. В. Анаников, И. В. Иванова
РАСЧЕТ СОЛНЕЧНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Ключевые слова: солнечный водонагреватель, солнечный коллектор, плотность потока солнечного излучения, расчет солнечного водонагревателя.
Дана оценка использования солнечных нагревателей воды в различных странах. Проведены экспериментальные исследования лабораторного солнечного водонагревателя. Разработана оригинальная конструкция солнечного водонагревателя. Предложена уточненная схема расчета солнечного водонагревателя с учетом плотности потока солнечного излучения.
Key words: solar water heater, solar energy collector density of solar radiation Flux.
The paper describes solar heater applications in different countries, and presents the results of experimental testing for a unique laboratory scale solar heater. A detailed scheme for calculating the solar heater parameters is given; solar radiation flux is taken into account.
Введение
Проблемы и основные тенденции энергоресурсосбережения в различных отраслях промышленности и быту рассмотрены во многих работах [13]. В данной работе основное внимание уделяется солнечным нагревателям воды, позволяющим существенно снизить энергопотребление.
Первые солнечные нагреватели воды были созданы в середине 17 века, а их практическое применение началось только в середине прошлого века.
На сегодняшний день энергия солнца для нагревания воды широко используется во многих странах с большим количеством солнечного излучения. В странах Средиземноморья, Японии, Колумбии установка солнечных водонагревателей (коллекторов) стала нормой. Всего в мире используется более 5 миллионов солнечных водонагревателей.
Мировой лидер по производству и применению солнечных нагревателей воды — Китай. В 2007 году в Китае солнечными водонагревателями пользовались около 40 миллионов семей общей численностью в 150 миллионов человек. К 2009 году суммарные площади установленных солнечных коллекторов выросли до 140 млн. м2. Этого достаточно для снабжения горячей водой примерно 60 млн. домохозяйств. К 2020 году 300 миллионов квадратных метров помещений в Китае будет оборудовано солнечными водонагревателями.
В США эксплуатируются солнечные коллекторы общей площадью более 10 млн. м2, а в Европе ежегодно в эксплуатацию вводится коллекторы с суммарной площадью более 3 млн. м2 [4].
Также очень широко применяется водонагреватели в Израиле, где примерно 85 % квартир оснащены данным оборудованием. Это обусловлено законом, принятым в этой стране в 1976 году, обязывающим строить жильё со встроенными солнечными коллекторами. Такое широкое применение солнечных водонагревателей экономит около 8 % всей электроэнергии, производимой в стране [5].
В России суммарная площадь солнечных коллекторов в настоящее время не превышает 100 тыс. м2 [1].
В эксплуатацию вводятся различные конструкции солнечных водонагревателей, промышленно производимых в Китае, Израиле, США, Японии, Индии, Франции, Турции.
В регионах, для которых присущ переизбыток солнечной радиации (Турция, южные районы КНР, Саудовская Аравия и т.д.), в качестве устройства для нагревания воды чаще всего используют плоский солнечный коллектор. Такие коллекторы сравнительно дешёвы, однако их эффективность ограничена геометрией - они эффективно работают, когда солнечные лучи падают на поверхность коллектора под углом большим 30 градусов, то есть летом - приблизительно 8 часов в сутки [6].
К настоящему времени разработаны различные типы солнечных нагревателей, которые можно разбить на два больших класса: активные, в которых вода перекачивается с помощью электрического насоса, и пассивные (термосифонные), в которых вода перемещается путем естественной конвекции, возникающей за счет разности плотностей нагретой и охлажденной воды. Второй класс аппаратов проще и дешевле, хотя и менее эффективен.
В данной работе рассматривается конструкция солнечного водонагревателя второго типа.
Как правило, такие аппараты содержать два важнейших элемента: плоский коллектор, выполненный из металла, и бак-накопитель (бойлер) воды.
Коллектор поглощает световую энергию солнца и преобразует ее в тепло, которое передается непосредственно нагреваемой воде. Солнечные коллекторы устанавливаются под углом к горизонту (30-60°) так, чтобы в полдень лучи солнца падали перпендикулярно на поверхность коллектора [7].
Согласно исследованиям [8] в климатических условиях средней полосы России эффективней использовать сезонные солнечные водонагреватели, которые эффективно работают 6-7 месяцев в году (март/апрель - сентябрь).
Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования проводились на лабораторном аппарате в указанный период времени. С помощью ртутных термометров фикси-
ровалось изменение температуры воды в аппарате в течение светового дня.
Лабораторный аппарат для поглощения и улавливания солнечных лучей (рис. 1) состоял из алюминиевой цилиндрической емкости 1 для воды, диаметром ^ = 0.2 м), высотой (И = 0.105 м) с максимальным объемом воды 3 л. Наружная поверхность емкости была окрашена черной термостойкой краской. Емкость для воды была помещена в прозрачный корпус 2 из монолитного тонкостенного поликарбоната и не имела крышки.
5
Рис. 1 - Лабораторный аппарат со спиральной вставкой: 1 - емкость для воды; 2 - прозрачный корпус; 3 - светопоглощающая поверхность; 4 -основание; 5 - спиральная вставка
В емкость для воды был помещен спиральный элемент, состоящий из нескольких витков спирали с постоянным шагом. Высота спирального элемента была равна высоте алюминиевой емкости.
Температуру воды измеряли стандартным ртутным термометром с максимальной температурой 100 0С.
Лабораторный аппарат для нагрева воды работал следующим образом.
Солнечные лучи проходили через прозрачную оболочку поликарбоната и падали на светопо-глощающую поверхность емкости. Выбор светопо-глощающей поверхности в виде цилиндрической емкости не случаен, так как поверхность обогрева не зависела от угла поворота земли вокруг солнца, а только от угла падения его лучей относительно горизонта. Тепло, поглощенное цилиндрической поверхностью, приводило к нагреву воды. Благодаря наличию прозрачной тонкостенной оболочки, потери тепла в окружающую среду были минимальны.
Исследования проводилась на открытой местности в солнечные летние дни в районе г. Казани (широта: 55°47'15" с.ш., долгота: 49°07'29" в.д.). Продолжительность солнечного излучения за астрономический год в этом районе в среднем составляет 1916 часов.
Цель экспериментов состояла в измерении температуры воды в различных зонах спиральной вставки. Для этого в течение светового дня измерялась температура воды в двух точках аппарата: в центре аппарата (в начале спирального элемента) и в последнем витке спирали. Кроме того, измерялась
температура нагретого воздуха внутри прозрачного корпуса аппарата.
На рисунках 2 и 3 в графической форме представлены полученные результаты.
Рис. 2 - Изменение температуры воды (°С) в первом (кривая 2) и последнем (кривая 1) витке спирального элемента лабораторного аппарата в течении светового дня (объем воды - 2,4 л, начальная температура воды - 9 °С)
Температура воды в первом витке спирального элемента заметно ниже, чем в последнем витке, образованным спиральным элементом и внутренней цилиндрической поверхностью аппарата. После захода солнца (19.00) температура в первом и последнем витке спирали совпадают.
Рис. 3 - Изменение температуры воды в емкости (кривая 2) и воздуха (кривая 1) внутри прозрачного корпуса аппарата в течении светового дня
Эксперименты показали, что в начальный момент температура воды меняется незначительно (наблюдается индукционный период), затем практически прямолинейно. К концу светового дня скорость нагрева уменьшалась до нуля. Температура воздуха внутри прозрачного кожуха аппарата была более высокой, чем температура воды в емкости в течение всего светового дня.
Температура воды в последнем витке спирального элемента была на 5-7 градусов выше, чем в первом витке. Такое незначительное, на наш взгляд, увеличение температуры воды можно объяснить невысокой скоростью ее нагрева и диссипацией тепловой энергии по всему объему нагреваемой воды.
Максимальная температура воды к концу светового дня выравнивалась по всей длине спирального элемента и составляла в среднем 50-550С.
Температура воздуха внутри прозрачного корпуса аппарата была намного выше, чем температура воды, что вызвано теплоотдачей от светопо-глощающей поверхности в замкнутое пространство,
образованное внешним цилиндром и прозрачным корпусом аппарата.
На основе многочисленных исследований была предложена конструкция [9] проточного солнечного водонагревателя содержащего емкость, для воды, образованную двумя коаксиально расположенными цилиндрами, находящимися внутри прозрачного корпуса. Емкость для воды имела днище и крышку. Между цилиндрами была помещена спиралевидная вставка. Внутренний полый цилиндр с открытым верхним концом был выполнен удлиненным и имел отверстия, расположенные внутри корпуса под днищем емкости.
Солнечный водонагреватель работает следующим образом: холодная вода поступает через входной патрубок в емкость для воды в первый виток спирали и двигается по спирали по мере отбора воды из водонагревателя через отводящей патрубок, который расположен в последнем витке спирали. Нагрев воды осуществляется за счет тепла солнечных лучей, которые проходят через прозрачный корпус и нагревают внешнюю цилиндрическую поверхность окрашенной емкости. Благодаря наличию спиралевидной вставки, небольшой объем воды, находящейся в последнем витке вставки, нагревается намного быстрее и до более высокой температуры, чем вода в соседних витках спирали. Если нагретая вода не используется, то тепло воды не теряется, а передается воде, находящейся в соседних витках спиралевидной вставки, что позволяет избежать затрат на теплоизоляцию водонагревателя.
Дополнительный нагрев воды осуществляется в аппарате за счет конвекции теплого воздуха, из пространства, образованного прозрачным корпусом и емкостью во внутренний полый цилиндр, который имеет в нижней части отверстия, расположенные под днищем емкости для воды. Холодная вода, поступающая в спиралевидную вставку, благодаря естественной конвенции теплого воздуха через внутренний полый цилиндр, получает дополнительное тепло, что также приводит к увеличению температуры воды на выходе из аппарата.
Поскольку обогреваемый корпус аппарата является цилиндрическим, то греющая поверхность водонагревателя не зависит от угла поворота земли относительно солнца, что существенно упрощает конструкцию аппарата и, следовательно, его стоимость.
Наличие удлиненного внутреннего цилиндра позволяет устанавливать водонагреватель в любом удобном месте над землей, обеспечивая доступ к водонагревателю максимального количества солнечных лучей.
Теоретические исследования
Известно, что в солнечный день на каждый квадратный метр поверхности, (установленной перпендикулярно солнечным лучам), падает от 800 до 1000 Вт/м2 солнечной тепловой энергии (плотность потока солнечного излучения). Плотность потока солнечного излучения зависит от района проведения эксперимента, даты проведения эксперимента, вре-
мени суток и представляет из себя колоколообраз-ную кривую.
Данные для плотности потока солнечного излучения Р от времени суток, высоты солнца над горизонтом для заявленной местности и даты эксперимента, можно найти на сайте http://planetcalc.ru/320/ [10].
Учитывая, что нагреваемая поверхность расположена вертикально, плотность потока солнечного излучения Р была пересчитана с учетом высоты солнца над горизонтом по формуле:
Р1 = Р ■ С08(—> 180
где Р1 - плотность потока солнечного излучения, вычисленная с учетом высоты солнца над горизонтом, Вт/м2; а - высота солнца над горизонтом, градусы.
Л
г =
Г 0 > Г 0 > Г 0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 3.99
6 20 11.56
7 50 19.73
8 120 28.14
9 150 36.41
10 450 44.02
11 625 50.25
12 Р = 800 а = 54.13
13 835 54.74
14 815 51.90
15 765 46.36
16 470 39.13
17 300 31.03
18 80 22.61
19 30 14.32
20 25 6.50
21 0 0
22 0 0
23 0 0
24 ,0 > V 0
Для аппроксимации кривой плотности потока солнечного излучения Р1 была использована четырехпараметрическая функция нормального распределения, имеющая вид:
-(*,- -ь)2
й
Р2 = а ■ е с ,
где, а, Ь, с, d - параметры, которые необходимо вычислить, ^ -время суток, сек.
Методом наименьших квадратов в математической интегрированной системе MathCad были получены следующие значения параметров:
а=544,021 Ъ=4,782-104 с=3,123-104 d=2,372/
Расчетная и экспериментальная плотность потока солнечного излучения совпадают (рис.4).
РЯД1 Ряд2
0,0Е+00 2,0Е+04 4,0Е+04 6,0Е+04 8,0Е+04 время, сек
Рис. 4 - Зависимость плотности потока солнечного излучения от времени, найденная экспериментальным (кривая 1) и расчетным (кривая 2) путем
Суммарное количество тепла Р (Дж) за сутки, полученное единицей поверхности (м2), вычислялась путем интегрирования найденной функции нормального распределения:
dt
86400 (t b)2 Q = j a- e cd
0
Q=13475565 Дж/м2
Конечная расчетная температуры воды в солнечном лабораторном нагревателе определялась в конце светового дня для массы воды m=2,4 кг с учетом греющей поверхности аппарата.
Учитывая, что конструкция аппарата имела цилиндрическую форму, светопоглощающая поверхность (Sp) не зависела от угла поворота земли вокруг солнца и была равна половине внешней цилиндрической поверхности лабораторного аппарата:
Sp=0.033 м2.
Для лабораторного солнечного нагревателя суммарное количество накопленного тепла Q с учетом его греющей поверхности за один световой день равно:
Qi=444694 Дж.
Конечная температура нагреваемой воды рассчитывалась по формуле:
Tk --Tn + Q,,
c-m
где ТК - конечная температура воды, 0C; Tn - начальная температура воды, 0C; m - масса воды в лабораторном аппарате, кг.
При начальной температуре воды, равной 120C, конечная температура воды равна 560С, а экспериментальная конечная температура равна 53-54 0С.
Заключительная часть
Предложен способ расчета температуры воды в солнечном водонагревателе, который позволяет получить хорошее совпадение с экспериментальным результатом. Незначительно более высокое расчетное значение температуры можно объяснить тем, что ряд факторов не учитывался при расчете конечной температуры воды, в частности, не учитывался коэффициент отражения солнечных лучей от прозрачного корпуса аппарата и коэффициент пропускания солнечных лучей через тот же корпус.
Литература
1 Амирова С.С., Ахметшин И.Т., Вогурова Ю.А. Энергосберегающие технологии на ОАО «Нижнекамскшина» // «Вестник казанского технологического университета», Т.17, N 7, 2014. C 95.
2. Алексеева Ю.А., Основные тенденции энергоресурсосбережения в нефтегазохимическом комплексе // «Вестник казанского технологического университета», Т.17, N11, 2014. C 267.
3. Краснов А.А., Шакирзянов И.В. // Технологическая платформа «Малая распределительная энергетика». Выводы, цели, технологическая политика Т.17, N4, 2014. C 296.
4. Разновидности солнечных водонагревателей для дома [Электронный ресурс].-Режим доступа: http://remkasam.ru/raznovidnosti -solnechnyx -vodonagrevatelej -dlya-doma.html, свободный. — Проверено 22.04.2014.
5. Экскурс по мировым тенденциям использования солнечных водонагревательных установок [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://progress21.com.ua/ru/solar-collectors/Solar-collectors-in-the-world -dlya-doma.html, свободный. — Проверено 22.04.2014.
6. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: учебное пособие / В.В. Елистратов. — СПб.: Политехи. ун-та, 2008. — 224 с.
7. Капралов А. И. Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов / А.И. Капралов. — М.: ВИНИТИ, 1988. — 56 с.
8. Попель О.С. Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России [Электронный ресурс] / О.С. Попель // SolarHome. — М., 2002-2013. — Режим доступа: http://www.solarhome.ru/biblio/solar/solar_effective.htm, свободный. — Проверено 05.05.2014.
9. Харитонов Е.А., Ананников С.В., Иванова И.В. Солнечный нагреватель, Заявка № 2014117322/06(027421) от 29.04.2014.
10. Азимут и высота солнца над горизонтом [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://planetcalc.ru/320/, свободный. — Проверено 20.04.2014.
© Е. А. Харитонов - к.т.н., доцент, каф. химической кибернетики КНИТУ, umc-x@kstu.ru; С. В. Анаников - д.т.н., профессор той же кафедры, ananikovsv@rambler.ru; И. В. Иванова - студ. той же кафедры, osenilo-mj@mail.ru.
© E. A. Kharitonov - Ph.D., Associate Professor, Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, umc-x@kstu.ru; S. V. Ananikov -Full Doctor, Professor in the same department, ananikovsv@rambler.ru; I. V. Ivanova - Student in the same department, osenilo-mj@mail.ru.
