CC BY
6
УДК 621.362 DOI 10.51794/27132064-2022-2-113
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ ЗА СЧЕТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
А.А. Александрова, старший преподаватель Ю.М. Дулепова, старший преподаватель А.А. Синицин, преподаватель
ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет» Е-mail: alieksandrova_1990@mail.ru
Аннотация. Рассматривается вариант применения солнечного водонагревателя. При определении технологических параметров устройства для нагрева воды за счет солнечной энергии в основу расчетов легли следующие данные: суточная норма воды, мощность солнечного излучения, существующая система водоснабжения. В ходе работы проанализированы различные технические параметры солнечного водонагревателя, а именно - параметры нагреваемой поверхности в виде профилированного металлического листа; определены данные по объему воды, приходящегося на один м2 солнечного водонагревателя; необходимый объем воды для технологических процессов на животноводческом объекте; температура воды, нагреваемой за 1 ч на 1 м2 водонагревателя; площадь солнечного водонагревателя. Опираясь на выявленные преимущества и недостатки профилированных металлических листов для конструирования солнечного водонагревателя, для исполнения опытного образца солнечного водонагревателя был применен профиль марки НС-44-1000. В результате получили следующие технологические параметры: объем воды, приходящийся на один м2 - 19,8 л; время нагрева необходимого объема воды 141,5 л - 6,5 ч; площадь солнечного нагревателя из профилированного металлического листа - 7,1 м2. Лабораторными испытаниями определено, что использование профиля НС-44-1000 дает более равномерный нагрев поверхности, чем применение других исследуемых образцов. Конструктивные особенности водонагревателя дают возможность получить максимальное количество солнечной радиации за счет того, что непоглощенная солнечная радиация отражается на соседних ребрах.
Ключевые слова: теплоснабжение, горячее водоснабжение, возобновляемые источники электрической энергии, солнечный водонагреватель.
Введение. Развитие сельского хозяйства зависит от многих обстоятельств и процессов. К числу главных факторов следует отнести создание благоприятных, комфортных условий работы на производстве. При этом важным является решение проблемы обеспечения горячей водой технологических процессов сельскохозяйственного производства - от санитарно-гигиенических нужд работников сельского хозяйства до животноводства и выращивания растений. Современные системы теплоснабжения, включающие и горячее водоснабжение, основаны на потреблении электрической энергии или органического топлива. Постоянный рост тарифов и цен на органическое топливо и электрическую энергию, а также перегруженность существующих сельских электрических сетей 0,38-10 кВ сдерживают внедрение систем го-
рячего водоснабжения с использованием электрической энергии.
Цель исследования. Современный опыт показывает, что одним из путей решения проблемы затрат на горячее водоснабжение производственных потребителей является использование солнечной энергии, но необходимо решить комплекс научных задач, связанных с изучением режимов поступления солнечной радиации на территорию Нижегородской области, обоснованием и выбором рациональных параметров и режимов работы солнечных водонагревателей с учетом мест их установки.
Материалы и методы. Для определения оптимальных параметров солнечного водонагревателя необходимо знать суточную норму потребления воды на различные технологические нужды на животноводческих
объектах (таблица 1.) Нормы потребления включают расход воды на поение коров, приготовление кормов, доение и первичную обработку молока, подмывание вымени, мойку и охлаждение доильных установок, оборудования, молочных резервуаров и посуды, уборку помещений и мытье животных.
Таблица 1. Среднесуточные нормы потребления воды на животноводческих объектах
« о к к н Нормы потребления воды 1 гол/сутки, не менее, л
§ § а Поение в зависимо- 1 Всего воды
о « -S к « «но й w а я ^ о W п W « о сти от температуры окружающей среды & g s X А О а ° и >г> с ^ й ° р °5 о чо
до 5°С до 15°С до 30°С й ^ ир ен е о S « ^ s 2 ед н и s а & fr н | ¡т 1п н « g
6000 51 60 73 45 105 13
7000 62 70 83 46 116 13
8000 68 77 90 47,5 124,5 14
9000 75 84 97 49 133 14
10000 82 91 104 50,5 141,5 14
11000 89 98 111 52 150 14
обзор и анализ применяемых водонагревателей в сельскохозяйственном производстве показал, что солнечные установки в большинстве случаев требуют определенного места установки, изменения конфигурации системы водоснабжения, большое количество модулей для покрытия суточной нормы и высоких эксплуатационных затрат.
Результаты и обсуждение. Для решения данной проблемы на базе кафедры «Электрификация и автоматизация» ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет» изготовлен и смонтирован макет животноводческого комплекса, на крыше которого установлен солнечный водонагреватель, представленный на рисунке 1 [7].
Традиционно для горячего водоснабжения применяют электрические нагреватели (на основе ТЭНов) и электрические подогреватели аккумуляторного типа. Примерами являются электроводонагреватели ЭВПН-12 и ЭВАО. Они являются наиболее эффективны на животноводческих фермах, где условия характеризуются интенсивной эксплуатацией, повышенной влажностью воздуха и другими неблагоприятными факторами [1, 6]. Но по причине частых отключений электроэнергии и из-за неисправностей, связанных с большим временем эксплуатации и образованием накипи, водонагреватели не способны покрыть всю норму потребления горячей воды животноводческим объектом.
Одним из вариантов решения данной проблемы является применение возобновляемых источников электрической энергии, а именно - солнечной энергии. Вопросам эффективного использования солнечной энергии для горячего водоснабжения посвящены научные труды Р.А. Амерханова, П.П. Безруких, В.А. Бутузова, В.И. Виссарионова, Ю.Г. Коломиец, О.С. Поппель, Л.А. Сапли-на, С.К. Шерьязова и других [2, 3, 4]. Однако
Рис. 1. Макет животноводческого комплекса
Сконструированный стенд защищен патентом на изобретение № 2672656 [8]. Изобретение относится к солнечной энергетике, используемой для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию, в дальнейшем используемую для нагрева воды; при этом стенд может применяться в лабораторных работах для обучения студентов, изучающих дисциплину «Электротехнология». Данная установка выполнена с помощью профилированного металлического листа, плоского металлического листа, труб различных параметров и резьбовых втулок для подачи воды в каждый нагревательный элемент (рис. 2). В процессе работы были проведены лабораторные эксперименты, позволяющие определить эффективность использования данного устройства.
Рис. 2. Сварка листов
Основные данные для решения этой задачи: мощность циркуляционного насоса, мощность солнечного излучения, время нагрева воды, угол наклона водонагревательной установки. Изначальная температура воздуха была 20,8°С, начальная температура воды -17°С. Для имитации солнечного излучения использовался инфракрасный обогреватель марки SUNNY мощностью 3 кВт (рис. 3). Для движения воды был использован циркуляционный насос S.A.V.-heat 25/40 (рис. 4), для измерения температуры воды - погружной термометр марки Testo 925 [7].
Рис. 3. Инфракрасный обогреватель марки SUNNY
Рис. 4. Циркуляционный насос S.A.V.-heat 25/40
После проведения лабораторных опытов были выявлены оптимальный угол наклона солнечного водонагревателя, мощность циркуляционного насоса. Угол наклона солнечного водонагревателя для максимального поглощения солнечной радиации на территории Нижегородской области составил 38°. При угле падения 38° между ребрами солнечной установки нет пробелов, через которые проходит некоторое количество солнечной радиации. Таким образом, водонагреватель получает максимальное количество солнечной радиации за счет того, что непоглощенная солнечная радиация отражается на соседних ребрах.
В ходе проведения испытаний также была определена рациональная мощность работы циркуляционного насоса. Нагрев воды происходит быстрее всего при мощности циркуляционного насоса, равной 33 Вт. Результаты испытаний представлены в таблице 2. К нижней трубе подводится из системы водоснабжения жидкость; через соответствующие ребра, расположенные в торцевых частях установки, она греется. Достоинством данной установки является то, что каждое ребро профиля является отдельным водона-гревательным устройством, что дает нам возможность нагреть большее количество воды и до большей температуры [9].
Таблица 2. Результаты лабораторных опытов
Мощность солнечной радиации 1,5 кВтч/м2
Время нагрева, мин. 20 40 60 80 100 120
Температура поверхности солнечного водонагревателя, ° С 29,8 33,2 38,4 42,1 45,4 49,1
Температура воды на выходе, ° С 24,2 27,4 30,1 33,4 36,2 39,0
Мощность солнечной радиации 3,0 кВтч/м2
Время нагрева, мин. 20 40 60 80 100 120
Температура поверхности солнечного водонагревателя, ° С 38,4 42,8 47,9 51 54,3 58,1
Температура воды на выходе, ° С 25 28,7 31,3 34,8 38,1 40,3
Мощность солнечной радиации 6,0 кВтч/м2
Время нагрева, мин. 20 40 60 80 100 120
Температура поверхности солнечного водонагревателя, ° С 41,4 48,7 55,4 63,7 69,7 75,9
Температура воды на выходе, ° С 25,3 30,1 33,3 36,4 40,3 44,2
Для определения оптимальных параметров солнечного водонагревателя были рассмотрены несколько видов профилированного металлического листа, технические характеристики которых представлены в таблице 3. В процессе разработки лабораторного стенда были исследованы следующие показатели: объем воды, приходящийся на 1 м2 рабочей поверхности солнечного водонагревателя, температура нагрева воды за 1 ч в установке площадью 1 м2, время нагрева необходимого объема воды и площадь солнечного водонагревателя для покрытия суточной нормы (рис. 5). На основе анализа солнечных водонагревателей различных конфигураций были выявлены следующие преимущества и недостатки каждого из них.
Таблица 3. Технические характеристики профилированного металлического листа
Вид профилированного металлического листа Общая ширина листа, мм Полезная ширина, мм Высота волны, мм Вес, кг/м2
С-25-1100 1140 1110 25 4,8
НС-35-1000 1060 1000 35 5,4
НС-44-1000 1047 1000 44 5,3
Н-60-845 902 845 60 8,8
Н-75-750 800 750 75 9,8
По показателям объема воды, приходящегося на 1 м2 рабочей поверхности солнечного водонагревателя, наиболее перспективной является установка с профилированным металлическим листом марки Н-75-750, и этот показатель составляет 21,92 л/м2, а минимальный объем наблюдается у профиля Н-60-845 - 16,8 л/м2.
7777 '//// п
1 1
III вт
Ш т
п
Объем воды, Температура нагрева воды Время нагрева Площадь солнечного
приходящийся за 1 ч в установке необходимого объема водонагревателя, кв. м
на 1 кв. м поверхности площадью 1 кв. м, °С воды, мин. водонагревателя, л
0 С-25-1100 □ С-35-1000 [51 НС-44-1000 И Н-60-845 Рис. 5. Технические показатели солнечного водонагревателя
□ Н-75-750
Максимальная температура нагретой воды (11,5°С) наблюдается в варианте с применением профиля типа С-25-1100 за счет невысокой высоты волны и большой площади, а минимальная (7°С) - с применением профилированного листа типа Н-75-750. Это связано с тем, что профилированный металлический лист Н-75-750 имеет большую высоту волны, и солнечная радиация не может полностью нагреть поверхность, т. к. каждая волна создает тень последующей. Минимальное время нагрева необходимого объема воды на 1 гол/сутки наблюдается у устройства с профилированным листом С-35-1000, и оно составляет 5,8 ч, а максимальное время в случае с Н-75-750 - 7,5 ч. Также была рассчитана для всех представленных типов профилированного листа площадь солнечного нагревателя для нагрева суточной нормы воды на 1 гол/сут. Максимальную площадь бу-
дет иметь водонагреватель с профилем марки Н-60-845, и она составит 8,4 м2, а минимальную площадь мы наблюдаем у профилированного листа типа С-25-1100.
Выводы. На основе результатов анализа всех преимуществ и недостатков профилированных металлических листов для конструирования солнечного водонагревателя был применен профиль марки НС-44-1000. Объем воды, приходящийся на 1 м2 рабочей поверхности, в этом случае составляет 19,8 л, что на 2,12 л меньше, чем в случае с Н-75-750, но при этом температура нагрева воды за 1 ч больше на 2,64°С. Время нагрева необходимого объема воды для профилированного листа марки НС-44-1000 составит 6,5 ч, что на 0,8 ч больше, чем при использовании С-35-1000. Площадь солнечного нагревателя с применением профилированного металлического листа типа НС-44-1000 составит 7,1
м2, что на 0,6 м2 больше, чем в случае применения Н-75-750, но на 1 м2 меньше, чем С-35-1000. Также при применении профиля НС-44-1000 наблюдается равномерный нагрев поверхности. Такие конструктивные особенности водонагревателя дают возможность получить максимальное количество солнечной радиации за счет того, что непоглощенная солнечная радиация отражается на соседних ребрах.
Литература:
1. Оболенский Н.В. Анализ электроподогревателей, используемых при нагреве воды в технологических процессах с.-х. производств // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2010. № 3(18). С. 55-67.
2. Теоретические модели поля солнечной радиации и результаты исследований солнечного водонагревателя в климатических условиях Красноярского края / А.В. Бастрон и др. // Вестник КГАУ. 2008. № 4. С. 245-254.
3. Попель О.С. Определение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 1. С. 15-23.
4. Коломиец Ю.Г. Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях: дис. к.т.н. М., 2009. 174 с.
5. Александрова А.А. Выбор ЭПВ технологических процессов в АПК // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. М., 2014. С. 164-168.
6. Маслова А.А. Теоретические предпосылки создания солнечного водонагревателя // Вестник НГИЭИ. 2015. № 4. С. 67-76.
7. Маслова А.А. Математическое моделирование работы устройства для нагрева воды за счет солнечной энергии // Известия. 2019. № 2(76). С. 145-149.
8. Пат. 2672656 RU. Устройство для нагрева воды за счет солнечной энергии / А.А. Маслова и др. Заяв. 01. 07.16; Опубл. 16.11.18
9. Дулепова Ю.М. Обоснование возможности использования нового энергосберегающего устройства // Вестник НГИЭИ. 2017. № 5. С. 61-68.
Literatura:
1. Obolenskij N.V. Analiz elektropodogrevatelej, ispol'-zuemyh pri nagreve vody v tekhnologicheskih processah s.-h. proizvodstv // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vosto-ka. 2010. № 3(18). S. 55-67.
2. Teoreticheskie modeli polya solnechnoj radiacii i re-zul'taty issledovanij solnechnogo vodonagrevatelya v kli-maticheskih usloviyah Krasnoyarskogo kraya / A.V. Bastron i dr. // Vestnik KGAU. 2008. № 4. S. 245-254.
3. Popel' O.S. Opredelenie resursov energii solnechnogo izlucheniya po territorii Rossii // Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. 2007. № 1. S. 15-23.
4. Kolomiec YU.G. Issledovanie effektivnosti preobrazo-vaniya energii solnechnogo izlucheniya v nizkopotenci-al'noe teplo v razlichnyh klimaticheskih usloviyah: dis. k.t.n. M., 2009. 174 s.
5. Aleksandrova A.A. Vybor EPV tekhnologicheskih pro-cessov v APK // Energoobespechenie i energosberezhe-nie v sel'skom hozyajstve. M., 2014. S. 164-168.
6. Maslova A.A. Teoreticheskie predposylki sozdaniya solnechnogo vodonagrevatelya // Vestnik NGIEI. 2015. № 4. S. 67-76.
7. Maslova A.A. Matematicheskoe modelirovanie raboty ustrojstva dlya nagreva vody za schet solnechnoj energii // Izvestiya. 2019. № 2(76). S. 145-149.
8. Pat. 2672656 RU. Ustrojstvo dlya nagreva vody za schet solnechnoj energii / A.A. Maslova i dr. Zayav. 01. 07.16; Opubl. 16.11.18
9. Dulepova YU.M. Obosnovanie vozmozhnosti ispol'-zovaniya novogo energosberegayushchego ustrojstva // Vestnik NGIEI. 2017. № 5. S. 61-68.
RESULTS OF THE WATER HEATING DUE TO SOLAR ENERGY DEVICE'S CONSTRUCTIVE
FEATURES STUDYING
A.A. Alexandrova, senior lecturer Y.M. Dulepova, senior lecturer A.A. Sinitsin, lecturer
GBOU VO «Nizhny Novgorod state university of engineering and economics»
Abstract. The option of a solar water heater use is being considered. At water heating due to solar energy device's technological parameters determining, the following data as the basis for calculations: the water daily rate, solar radiation power, existing water supply system were used. In the course of this work, solar water heater's various technical parameters were analyzed, namely, heated surface in the form of a profiled metal sheet's parameters; data on the volume of water per m2 of the solar water heater were determined; water volume required for livestock facility's technological processes; water temperature boiled 1 m2 of water heater in 1 hour; solar water heater's area. Based on profiled metal sheets for solar water heater construction's identified advantages and disadvantages, the solar water heater prototype NS-44-1000 brand profile was used. As a result, the following technological parameters were obtained: water volume per m2 is 19,8 liters; 141,5 liters water volume required heating time - is 6,5 hours; solar heater made of profiled metal sheet's area is 7,1 m2. Laboratory tests had determined that the of the NS-44-1000 profile using gives more uniform heating of the surface than other test samples. The water heater's design feature make it possible the maximum amount of solar radiation to obtain due to the fact that unabsorbed solar radiation on adjacent ribs is reflected.
Keywords: heat supply, hot water supply, electric energy renewable sources, solar water heater.
