CC BY
29Жамият ва инновациялар -Общество и инновации -
Society and innovations
Journal home page: https://inscience.uz/index.php/socinov/index
Self-adjustable water heat batteries for solar heat supply systems
Yusuf RASHIDOV11 Bakhadir AYTMURATOV2
Tashkent Architecture and Construction Institute 2 Samarkand State Institute of Architecture and Construction
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article history:
Received September 2020 Received in revised form 15 September 2020 Accepted 25 September 2020
Available online 1 October 2020
Keywords:
Water battery Heat
Load fraction Layered charging Temperature stratification Specific water consumption.
The aim of the study is to develop a new design of a self-regulating water heat accumulator with temperature stratification of water, which excludes mixing of heating and heated coolants entering the accumulator from the charging and discharging circuits based on the natural stratification of water in the tank under the influence of volumetric (Archimedean) forces under conditions of forced circulation of the coolant.
Based on the analysis of the world experience in the development of designs of water heat accumulators with temperature stratification of water and the stability of the stratified (stratified) flow of the coolant in the volume of the accumulator, a new design of a self-regulating water accumulator is proposed.
The advantages of using self-regulating stratification water heat accumulators in solar heat supply systems are considered. It is shown that the use of stratification for short-term and long-term thermal accumulation leads to an increase in the use of solar heat by 15-20% compared to batteries with completely mixing water. In hot water systems, these batteries can provide earlier preparation of hot water with the required temperature for consumers.
2181-1415/© 2020 in Science LLC.
This is an open access article under the Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license (https://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/deed.ru)
1 Doctor of technical Sciences, Professor, Tashkent Architecture and Construction Institute, rashidov_yus@mail.ru
2 Doctoral student, PhD, Samarkand State Architecture and Construction Institute bahadiraytmuratov5566@gmail.com
Куёшли иссиклик таъминоти тизимлари учун уз-узини тартибга солувчи табакалаштирувчи сувли иссиклик аккумуляторлари
АННОТАЦИЯ
Калит сузлар:
Иссик сув аккумулятори Юкланишнинг коплаш улуши
Катламлик зарядлаш Харорат табакаланиши Сувнинг солиштирма сарфи
Тадкикот максади иссиклик ташувчисини мажбурий айланиш шароитида х,ажмий (Архимед) кучлари таъсири остида бакдаги сувни табиий табакаланиши асосида зарядлаш ва разрядлаш контурларидан аккумуляторга кириб келаётган иссиклик ташувчиларни аралашиб кетишини олдини оладиган уз-узини тартибга солувчи сувли иссиклик аккумуляторининг янги конструкциясини ишлаб чикишдан иборат.
Сувнинг х,ароратли табакаланиши ва аккумуляторлар х,ажмида стратификацияли (катламли) окимининг баркарорлиги шароитлари ва сув иссиклик аккумуляторлари конструкциясини ишлаб чикиш буйича жах,он тажрибасини тах,лил килиш асосида уз-узини тартибга солувчи сув аккумуляторининг янги конструкцияси таклиф этилди.
Куёшли иссиклик таъминоти тизимлари учун уз-узини тартибга солувчи табакалаштирувчи сувли иссиклик аккумуляторларидан фойдаланишнинг афзаликлари куриб чикилган. Киска ва узок муддатли иссиклик тупланиши учун табакаланишни куллаш куёш иссикликнинг 15-20% билан тулик аралаш аккумуляторига нисбатан купайишига олиб келади. Иссик сув тизимларида ушбу аккумуляторлар истеъмолчилар учун зарур булган х,арорат билан олдинги иссик сув тайёрлашни таъминлайди.
Саморегулируемые стратификационные аккумуляторы теплоты для систем теплоснабжения
водяные солнечного
Ключевые слова:
Водяной аккумулятор теплоты
Доля покрытия нагрузки Послойная зарядка Температурная стратификация Удельный расход воды
АННОТАЦИЯ
Целью исследования является разработка новой конструкции саморегулируемого водяного аккумулятора теплоты с температурной стратификацией воды, исключающей перемешивание греющего и нагреваемого теплоносителей, поступающих в аккумулятор из контуров зарядки и разрядки на основе естественного расслоения воды в баке под влиянием объемных (архимедовых) сил в условиях принудительной циркуляции теплоносителя.
На основе анализа мирового опыта разработки конструкций водяных аккумуляторов теплоты с температурной стратификацией воды и устойчивости стратифицированного (расслоенного) течения
теплоносителя в объёме аккумулятора предложена новая конструкция саморегулируемого водяного аккумулятора.
Рассмотрены преимущества использования
саморегулирующихся стратификационных водяных тепловых аккумуляторов в системах солнечного теплоснабжения. Показано, что использование стратификации для кратковременного и долгосрочного накопления тепла приводит к увеличению использования солнечного тепла на 15-20% по сравнению с полностью перемешивающимися аккумуляторами. В системах горячего водоснабжения эти аккумуляторы могут обеспечить более раннюю подготовку горячей воды с требуемой температурой для потребителей.
ВВЕДЕНИЕ
Водяные аккумуляторы теплоты (ВАТ) являются неотъемлемой частью систем солнечного теплоснабжения (ССТ). Они служат для выравнивания графиков выработки и потребления теплоты между солнечными коллекторами (СК) и потребителями: системами горячего водоснабжения (ГВС) и отопления. ВАТ могут работать при значительной степени температурной стратификации, когда верхняя часть аккумуляторного бака горячее, чем нижняя [1, с.523]. Принцип послойной зарядки теплового аккумулятора от СК, когда вода, нагретая в коллекторе, подается в соответствующий её температуре слой по высоте бака и исключается перемешивание слоев, широко используется в настоящее время при проектировании систем солнечного ГВС и отопления [2, 146-151].
При этом потенциальный выигрыш в доле покрытия солнечной энергии (СЭ) для солнечной установки с идеально стратифицированным баком и с малым удельным расходом воды через СК, в диапазоне от 0,002 до 0,007 кг/(м2^с), по сравнению с полностью перемешанным баком и большим удельным расходом воды через солнечный коллектор порядка 0,01^0,02 кг/(м2^с), может достигать 1/3 [1, 523].
АКТУАЛЬНОСТЬ
Несмотря на то, что при больших удельных расходах обеспечиваются более высокие значения коэффициента отвода теплоты от коллектора Гя [1, с.523]. Повышение доли покрытия нагрузки в такой установке согласно некоторым экспериментальным данным [1, с.523] возможно с 0,48 до 0,66. На практике столь существенного выигрыша пока получить не удалось вследствие сложности реализации хорошей температурной стратификации в аккумуляторных баках [1, с.523]. Поэтому разработка конструкций тепловых аккумуляторов, обеспечивающих высокую температурную стратификацию воды в аккумуляторных баках является актуальной задачей, требующей своего решения.
Целью исследования является разработка новой конструкции саморегулируемого водяного аккумулятора теплоты с температурной стратификацией воды, исключающей перемешивание греющего и нагреваемого теплоносителей, поступающих в аккумулятор из контуров зарядки и разрядки на
основе естественного расслоение воды в баке под влиянием объемных (архимедовых) сил в условиях принудительной циркуляции теплоносителя.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Разработка новой конструкции саморегулируемого водяного аккумулятора теплоты с температурной стратификацией воды, исключающей перемешивание греющего и нагреваемого теплоносителей, поступающих в аккумулятор из контуров зарядки и разрядки на основе естественного расслоение воды в баке под влиянием объемных (архимедовых) сил в условиях принудительной циркуляции теплоносителя осуществлялась методом анализа мирового опыта разработки водяных тепловых аккумуляторов с учётом критериев устойчивости стратифицированного (расслоенного) течения теплоносителя в объёме аккумулятора.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Мировой опыт разработки конструкций ВАТ с температурной стратификацией воды. Немецкие компании Виссманн (У1е58тапп) [2, 146-151] и «Будерус» (Buderus) [3, с.22-31] разработали различные варианты систем солнечного ГВС с автоматической поддержкой температуры нагрева горячей воды в СК. Для этого применяется послойная зарядка ВАТ.
При использовании принципа послойной зарядки вода, нагретая в СК, распределяется по слоям, каждый из которых имеет определенную температуру. При этом смешение с более холодными слоями не происходит (рис.1.).
а) б)
ВР««« «У»0* Время суток
Рис. 1. Обычная (а) и послойная (б) зарядка ВАТ
При зарядке емкостного водонагревателя со встроенным теплообменником без использования послойного принципа одновременно нагревается весь объем жидкости (рис.1, а). Для достижения требуемой температуры коллектор должен работать продолжительное время. Если потребность в теплоте возникает до достижения требуемой температуры воды, то необходим дополнительный нагрев с помощью традиционного теплогенератора.
При послойной зарядке заданная температура в верхней части емкостного водонагревателя достигается раньше (рис.1, б). Весь объем достигает заданной температуры за тот же период времени, что и в водонагревателе без использования послойной зарядки.
Используя принцип послойной зарядки, можно снизить расход теплоты на дополнительный нагрев, для чего вода, нагретая в СК, подается в слой с
соответствующей температурой, при этом необходимо избежать перемешивания слоев. Таким образом, можно раньше обеспечить подачу теплоты потребителю, не используя дополнительный догрев.
Компания «Buderus» [3, с.22-31] предлагает разнообразные по размерам и конструктивному исполнению бойлеры для ГВС с послойным заполнением (рис.2.). Все модификации базируются на принципе термосифона (естественной циркуляции).
Если вода нагревается в СК, например, только до 30°С, то она поднимается в лишь до слоя в баке с такой же температурой (рис.2.).
Рис. 2. Выход горячей воды из теплопроводной трубы во время малой солнечной
активности
Вода проходит сквозь открытые гравитационные заслонки в бойлер и заполняет соответствующую зону. Выход нагретой воды сквозь гравитационные заслонки препятствует дальнейшему подъему воды по теплопроводной трубе и смешиванию со слоями воды с более высокими температурами.
С. Зоколей [4, с.49-50] отмечает необходимость поддержания температурной стратификации в односекционных аккумуляторных баках.
Для этого он рекомендует систему, в которой используется трехходовой клапан, регулируемый дифференциальным термостатом, с помощью которого холодная воды сбрасывается в нижнюю часть аккумуляторного бака, а горячая вода-в верхнюю (рис. 3, а).
А'*'
1-Открытая гравитационная 2 заслонка в теплопроводной
трубе; 2-Закрытая , гравитационная заслонка; AW -
Выход горячей воды; ЕК-Вход холодной воды; R-Обратный трубопровод гелиоконтура; V-Прямой трубопровод гелиоконтура
IScience
through ti*\e And cpAce
а) - трехходовой клапан, регулируемый с помощью термостата; б)-подвижная труба-рычаг с шарнирным соединением; в)-Т-образная перфорированная труба; 1-зона раздачи нагретой воды; 2-зона раздачи охлажденной воды; Б-дифференциальный термостат; Б1, 52-температурные датчики.
Рис.3. Устройства для ввода теплоносителя в аккумулятор, способствующие
сохранению стратификации
В работе предлагается также использовать подвижную трубу-рычаг шарнирным соединением (рис.3, б), регулируемую с помощью дифференциального термостата, которая всегда будет отбрасывать теплоноситель на тот уровень в аккумуляторе, где температура слоя воды соответствует температуре входящего теплоносителя. Эту же систему, как отмечает автор, можно применять на выходе теплоносителя, поступающего в аккумуляторный бак из коллектора.
Более простое конструктивное решение данной задачи приведено в работе [5, с.129-130], в которой предлагают использовать для расслоения воды в аккумуляторном баке водораспределитель в виде Т-образной перфорированной трубы (рис.3, в), раздающей нагретую воду через верхнюю секцию 1, а охлажденную-через нижнюю секцию 2 за счет разности плотностей аккумулирующей среды и поступающего теплоносителя.
Разработанная конструкция саморегулируемого ВАТ с температурной стратификацией воды
Действие саморегулируемого стратификационного ВАТ [6, с.50-55], исключающего перемешивание греющего и нагреваемого теплоносителей, поступающих в аккумулятор из контуров зарядки и разрядки, основано на
естественном расслоение воды в баке под влиянием объемных (архимедовых) сил в условиях принудительной циркуляции (рис.4.). Для этого служат перфорированные трубы подвода 1,3 и отвода 2, 4 греющего и нагреваемого теплоносителей в которых площади /перфорационных отверстий 5 должны быть рассчитаны исходя из условий обеспечения раздачи и отбора жидкости из соответствующих температурных слоев, а также устойчивости стратификации в объеме аккумулятора.
Перфорированные трубы являются активными элементами (АЭ) бака-аккумулятора, работающими в режиме теплового триггера и способными самостоятельно переключаться между двумя устойчивыми состояниями раздачи и отбора греющего и нагреваемого теплоносителей в зависимости от их температуры благодаря действию архимедовых сил, которые становятся соизмеримыми с
силами инерции при критическом значении параметра условной щели ^ Р [6, с.50-55].
1-перфорированная труба для подвода греющего теплоносителя; 2-перфорированная труба для отвода греющего теплоносителя; 3-перфорированная труба для подвода нагреваемого теплоносителя; 4-перфорированная труба для отвода, нагреваемого теплоносителя; 5-перфорированные отверстия Рис.4. Принципиальная схема саморегулирующегося стратификационного
аккумулятора теплоты
Исследованию вопросов, связанных с явлением стратификации воды в аккумуляторных баках применительно к системам солнечного теплоснабжения, посвящены работы многих зарубежных гелиотехников.
В работах [7, с.17-24; 8, с.106-113; 9, с.554-558] рассмотрено влияние стратификации на эффективность работы ССТ путем моделирования режимов работы одно-, двух- и многосекционного бака-аккумулятора на ЭВМ. Выявлено, что характеристики установок, полученные при использовании моделей без учета стратификации, могут существенно отличаться друг от друга. Эти различия становятся более явными при переходе от односекционного бака с полным перемешиванием воды к двух-или трех секционному баку.
В статье [7, с.17-24] показано, что использование при моделировании нагрева воды более трех секций не вносит существенных изменений в характеристики установки по сравнению с характеристиками трех секционного бака. Поэтому при анализе преимуществ стратификации обычно сравнивают односекционный бак с полным перемешиванием воды с трех секционным.
Эффект от расслоения воды при кратковременном и долгосрочном тепловом аккумулировании может быть определен из динамики работы гелиосистемы в целом. В связи с этим он зависит от вида тепловой нагрузки, покрываемой системой.
Последнее оценивали в работах [7, с.17-24; 8, с.106-113]. В [7, с.17-24] показано, что при отоплении применение стратификации позволяет повысить долю использования СЭ на 2-12 %. Аналогичный анализ [8, с.106-113], проведенный для систем горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха, выявил повышение эффективности гелиосистем при использовании расслоения воды в аккумуляторе на 5-15%.
В работе [9, с.554-558], на основе обобщения результатов испытаний экспериментальных гелиодомов с системами солнечного отопления и охлаждения, показано, что применение стратификации при кратковременном и долгосрочном тепловом аккумулировании приводит к увеличению использования солнечного тепла на 15%. Этот вывод подтверждают также экспериментальные данные, полученные в работе [10, с.2-5], согласно которым стратификация увеличивает на 20% количество полезно используемой радиации.
Для оптимального конструирования стратификационных аккумуляторов тепла и правильного проектирования системы аккумулирования необходимо знать условия, при которых происходит устойчивое расслоение, и оценить ее степень.
На устойчивость стратифицированного (расслоенного) течения теплоносителя в объёме аккумулятора, наряду с числом Рейнольдса, существенное влияние оказывает безразмерная величина, называемая числом Ричардсона [11,
Случай Л=0 означает однородную жидкость, случай Л>0-устойчивое расслоение, а случай Л/<0-неустойчивое расслоение. В формуле (1) подстрочный индекс ст означает, что берется значение градиента скорости на стенке. Энергетические оценки показали [11, с.473], что турбулентность должна затухать при Л>2. В качестве предела устойчивости в [11, с.473] приведено значение Л>1.
Для случая непрерывного распределения плотности и при линейном распределении скоростей в неограниченно распространенной жидкости в качестве предела устойчивости в [11, с.473] приведено значение Л/=0,25.
Разработана конструкция саморегулируемого водяного аккумулятора теплоты с температурной стратификацией воды, исключающая перемешивание греющего и нагреваемого теплоносителей, поступающих в аккумулятор из контуров зарядки и разрядки на основе естественного расслоение воды в баке под влиянием объемных (архимедовых) сил в условиях принудительной циркуляции теплоносителя.
с.473]
(1)
ВЫВОДЫ
Библиографические ссылки
1. Даффи Дж., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ.-Долгопрудный: Издательство Дом «Интеллект». 2013. 888 с.
2. Книга о «Солнце». Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения. Издание 06/2010. www.viessmann.ua.
3. Документация по проектированию: гелиотехника Logasol для горячего водоснабжения и поддержки отопления. Издание 03/2013. www.buderus.ru.
4. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. Стройиздат, 1979.-209 с.
5. Lochrike R.I., Holzer I. C., Gazi H.N., Sharp M.K. Stratification enhancement in liguid thermal storage tanks.-Journal of Energy, 1979, 3, № 3, p.129-130.
6. Рашидов Ю.К. Саморегулирующиеся активные элементы для водяных систем солнечного теплоснабжения// Архитектура. Строительство. Дизайн.- Т., 2013, № 4, с.50-55.
7. Ganellias M., Javelas R. Simulation d'un systeme de chauffage solaire. Influence de la stratification des temperatures dans la cuve de stockade sur lefficacite de systeme.-Revve Generale de thermique, 1979, 18 , № 205, р.17-24.
8. Sharp M.K., Loehrke R.I. Stratified thermal Storage in residential solar energy applications.-Journal of Energy, 1979, vol.3, № 2, p.106-113.
9. Koppen C. W. J. Fischer L.S., Dijkmans A. Stratification effects in the short and long term storage of solar heat.-Sun.: Mankind's Future Source Energy. Vol.1. Proc. Int. Solar Energy Soc. Congr., New Dehil, 1978. New York, e.a., 1978, 554-558.
10. Рабинович М.Д., Ферт А.Р. и др. Системы солнечного теплоснабжения сельских домов // Сельское строительство, 1983, №1, с.2-5.
11. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
