CC BY
63
УДК 621.311.243 Д. Д. ОНДАР
Омский государственный технический университет
СИСТЕМА АВТОНОМНОГО СОЛНЕЧНО-ДИЗЕЛЬНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ ТЫВА
В данной статье рассматривается комбинированное использование дизель-генератора с солнечными энергетическими установками для получения электричества и горячей воды. Предлагается схема работы такой системы и методика расчета. Ключевые слова: солнечная энергия, солнечный коллектор, теплоноситель, дизель-генератор, бак-аккумулятор.
В Республике Тыва в последнее десятилетие активно возрождаются пастбищные животноводческие хозяйства, традиционный уклад жизни ты-винцев. И во многих этих хозяйствах нет централизованного электроснабжения. В связи с этим все они используют дизель- или бензогенератор. Но такое использование, с экономической точки зрения, неэффективно. По этой причине многие специализированные фирмы в нашей стране предлагают и устанавливают различные комбинации мини-электростанций. Самое подходящее из них, в условиях Республики Тыва (табл. 1) — это комбинация фотопреобразователей и дизель-генератора с системой аккумуляции энергии в электрических аккумуляторах. Такая система намного эффективнее. Излишек энергии накапливается в аккумуляторах, сокращается расход топлива, увеличивается ресурс дизель-генератора. И некоторые хозяйства уже устанавливают такие системы. Но даже в этом случае проблема горячего водоснабжения остается нерешенной. А ведь можно использовать ту же солнечную энергию и теплоту дизель-генератора, бесполезно выбрасывающуюся в атмосферу, для получения тепла.
Рассмотрим систему для горячего водоснабжения для семьи из пяти человек при расходе 80 л горячей воды на человека. Основными элементами рассматриваемой системы являются: солнечный коллектор (СК), дизель-генератор(система жидкостного охлаждения двигателя с последующим охлаждением дымовых газов), водяной бак-аккумулятор, дополнительный нагреватель.
Дополнительный нагреватель используется в тех случаях, когда температура греющей жидкости на входе в теплообменник меньше заданной.
Технически возможно создание солнечной системы, которая полностью обеспечивала бы годо-
вую потребность в горячей воде. В этом случае дополнительный источник энергии был бы не нужен. Однако такая система, эффективно используемая в холодные месяцы, в остальное время года будет вырабатывать большие излишки тепла. С экономической точки зрения, она была бы крайне не выгодной [2].
Итак, для данной системы сначала найдем необходимую площадь СК. Расчет проводился согласно [2 — 5]. Количество тепловой энергии, необходимое для горячего водоснабжения семьи за расчетный период, определяется по формуле:
Ь = а • С • р • N • т(г -г ), (1)
ш р Г > гв хв'' * '
где а — норма расхода горячей воды на одного человека в сутки, л; Ср— удельная изобарная теплоемкость воды кДж/(кг °С); р — плотность воды, кг/л; ггв и гхв — температуры горячей и холодной воды соответственно, °С; N — число жителей; т — число дней в расчетном периоде.
С учетом климатических условий Тывы принимаем г = 60 °С, г = 10 °С, хотя анализ литератур-
гв хв
ных данных показывает, что температуры грунтовых и водопроводных вод республики в зависимости от сезона года колеблются в широких пределах (от +5 оС до +15 оС).
Таким образом, температура горячей воды на выходе бака-аккумулятора поддерживается на уровне 55 оС, а в зависимости от сезонных изменений гхв, а также произвольных изменений расхода горячей воды соответствующим образом меняются и тепловые процессы во всех элементах, находящихся на пути циркуляции теплоносителя.
Расчет проводился с учетом ежемесячных значений температуры окружающей среды, дневных приходов суммарной солнечной радиации на на-
Таблица 1
Среднемноголетний приход солнечной энергии на единицу горизонтальной поверхности в ;-й месяц года [1]
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
46,05 77,85 129,94 148,11 166,95 160,5 167,39 144,58 113,52 77,94 42,4 33,57
Итого за год Е= 1308,81, кВтч/(м2 год)
о М
д
и
4
Р
д
X
и
Э Е Г
А
Таблица 2
Результаты расчета
Месяц Число дней в месяце Нагрузка ГВСЦш), ГДж
Январь 31 2,600
Февраль 28 2,346
Март 31 2,600
Апрель 30 2,514
Май 31 2,600
Июнь 30 2,514
Июль 31 2,600
Август 31 2,600
Сентябрь 30 2,514
Октябрь 31 2,600
Ноябрь 30 2,514
Декабрь 31 2,600
Годовая тепловая нагрузка на ГВС 30,602
Площадь СК 4 м2
Объем бака-аккумулятора 280 л.
Поверхность нагрева теплообменника 0,286 м2
Длина трубки теплообменника 6,5 м
Дизель-генератор 4 кВт
Время нагрева 4 ч
клонную поверхность СК, температуры холодной воды, температуры теплоносителя у входа СК и т.д.
Учитывая а = 80 л/сут; С =4,19 кДж/(кг °С); р = 1 кг/л; г =10 оС; г =60 оС; N = 5 , по уравне-
1 хв гв 1
нию (1) находим значение тепловой нагрузки, необходимой для удовлетворения суточной потребности семьи в горячей воде и заносим в табл. 2.
Зная тепловую нагрузку, можем сдепоту рпро-шенный расчет нахождения площади поверхности СК, предварительно приняв коэффициент замаще-ния /=0,3
А = 0Ь/К ,
к
где 0 = 0,625 для ГВС [4], ЕК — годовой поток солнечной энергии на плоскость СК, кДж/м2
Ек = ЯЕ=1,1 • 1309 • 3600 = 5,2 Г/ЛжОмЮ
Я =1,1 — коэфф. пересчета количестса соонеч-ной энергии с горизонтальной поверхности на плоскость СК [4], £=1309 кВт • ч/м2 (табл. 1).
Тогда А = 0,625^30,602/5,2 = 3,7 м2. Принимаем 4 м2. Объем водяного аккумулятора У=а,07А = = 0,074 = 0,28 м3.
Вкоройэтап — расчет коверхности нагрева те° плообменника бака-аккумулятора. Исходя из того, что, когда на небе светит солнце, дизель-генератор не работает, т. к. фотопреобразователи вырабатывают электричество, а СК — тепло. Поэтому будем считатЬ; ото С60 и ринклк-генетарор нивргда к^що-временно не работают, поэтому бак-аккумулятор кмеетодин теплообменное
Осо бенностью режима работы такого аппарата является то обстоятельство, что при постоянных Оеетоде ер ч темпенегтве ^коды темптрттноа °т на выходе из аппарата г"1 по мере нагревания воды в аккумулято^увтвиновается.Инменгние темпт0«-гНк срммгщей в н^е^ге^овааивй ммт,в1 в зтвиеомостиот времени изображено на рис. 1. Такой режим не-сиоснив усложняет редечке, тег ттк нееНхорке^о использовать две переменные во времени: температуру г1 и г2.
Дифференциальные уравнения теплопередачи и теплового баланса имеют вид:
йО = к • £ • М • йт=а1с1({1-г1)й = 02с2М,
(2)
где (2!1с1 н — покные втплoехкамгн вопмоно-
сителей; Дг — средняя логарифмическая разность нтиштпакур:
К - f1)
М
1п
(к - ^) .
(1е-С2)
Подставив з начение Д г в (1) ипроизведя преоб-
разования, получим
откуда
_[п. н есл,
^ = п + + ^) е Иь
Подставив значение переменной ^ в равенство (2) ипроизведя преобразовация, получим:
И2С2
кр \
ч
Пе =
_П±п_ а +
Лосум чаоуьуравронпя интогрируем в пределах от 0 до т, а правую — в пределах от начальной температуры г'2 доконечной г 2
^ ( кР \
И2С2
! ч е
ен
(3)
О О
а, 1
И!С!
Ис
14
И! с
170
Рис. 1. График изменениятемператур вводонагревателе-аккумуляторе
File Edit Operate Tools Browse Window Help
|»|#| Q'[m]| 15ptAppli7
Г Наружны
lEi^illi
J
15 pt Applicati on Font *
Наружный диаметр
трубки теплообменника, мм Внутренний диаметр
Ф'
трубки теплообменника, мм
-14
ш
Температура греющей воды на входе, |
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
Температура нагреваемой воды б начале, '
у|ю
ремя нагрева
10 В —
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Температура нагреваемой воды в конце, t2"|
4-
J
' 14
-16
-18
1'' 20
..............Количество нагреваемой
50 55 60 65 70 75 80 ' воды, 62 кг _
Активная площадь солнечного коллектора |
1,5 2 2,5 3
-800
0 1000
1280
Рис.2.Частьинтерфейсадля заданияначальныхданных
Температуры теплоносителей
100 -
90-
80-
70-
и
ni 60-
t
О- ьо-
с
J: ь 40-
30-
20-
10-
0-
На* 1альна я тем1 ерату >а rpei ищем зоды
Коне чная 1 емпер атура ~реюц спт
Темп ¡ратур а нагр еваем Ж БОА Ы
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Время нагрева, ч
Рис. 3. График температур
По уравнению (3) можно определить удельную производительность аппарата:
kF = G1c1 ln -
1
1 -
ln
t -1
H 2
(4)
Зная удельную производительность и величину теплопередачи,легко можноопределить поверхность аппарата Б.
Коэффициент теплоотдачи от трубки при естественной конвекции жидкости можно определить поформулам М. А.Михеева.Расчет проводитсяме-тодом последовательных приближений, задавшись температурой стенки.
В данной работе мы не будем делать вычисления, а просто воспользуемся готовой компьютерной программой, написанной средствами ЬаЪУ1еш 7.1 [6]. Очень простая и понятная в пользовании
интерфейсом программа. Она вычисляет требуемую поверхность нагрева теплообменника бака-аккумулятора по методу, описанному в [7] с учетом рекомендаций в [2], для известных уже данных (рис. 2): площадь СК, объем бака, температура греющей воды на входе в теплообменник, начальная и конечная температуры нагреваемой воды, диаметр трубки теплообменника и время нагрева. В данной программе заложены все те-плофизические свойства воды и этиленгликоля в пределах температур от нуля до 100 °С.
После того как мы ввели начальные данные, программа выводит на экран график температур, вычисляет поверхность нагрева и требуемую длину трубки (рис. 3, 4).
Из рисунков мы видим, что за шесть часов вода в баке нагревается до нужной температуры 60 °С, поверхность нагрева Б = 0,286 м2, а длина трубки 6,5 м.
GiciT
t - t
i2
Рис. 4. Поверхность нагрева и длина трубки
Рис.5.Схема водонагревателя ДИ — дополнительный источник; СК — солнечныйколлектор;БА — бак-аккумулятор; ЦН — циркуляционный насос;ХВ — холодная вода; ГВ — горячая вода; ДГ — дизель-генератор
Следующий шаг — выбор дизель-генератора. Дизель-генератор будем выбирать так, чтобы тепловыделение было не больше 7 кВт, т. к. производительность теплообменника 7 кВт (рис. 3). В против-нлмслукие двигатель будет перегреваться изначально. Исходя из того, что с 1 кВт установленной мощности можно получить 1,5 кВт тепловой энергии в специальных утилизационных контурах [8], выбираем дизель-генератор на 4 кВт электрической мощности (тепловыделение 6 кВт). Схема такой системы показана на рис. 4.
Схема работает следующим образом. Теплоноситель, нагретый под действием солнечной радиации в СК, поступает в теплообменник и возвращается обратно. Если температура теплоносителя на выходе из СК ниже требуемой, включается ДИ. При включении ДГ, трехходовой клапан переключается. По мере нагревания воды в баке мощность теплообменника падает, тем самым создавая угрозу перегрева двигателя ДГ. В этом случае избыток тепла будет направляться в радиатор дизель-генератора.
Таким образом, такая система не только обеспечивает потребителя горячей водой, но и максимально эффективно использует дизель-генератор. То
есть при работе дизель генератора происходит следующее. Питание потребителей электрической нагрузки, зарядка аккумуляторных батарей и нагрев воды в баке-аккумуляторе. Стабильное электро-и горячее водоснабжение, увеличение ресурса дизель-генератора.
Библиографический список
1. Ондар, Д. Д. Ресурсы солнечной энергии в Республике Тыва / Д. Д. Ондар // Современные технологии и управление в энергетике и промышленности : сб. науч. тр. — Омск : ОмГТУ, 2012. — С. 263-271.
2. Бекман, У. А. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. А. Бекман, С. А. Клейн, Дж. Даффи. — М. : Энерго-атомиздат, 1982. — 80 с.
3. Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования ВСН 52-86. — М. : Госгражданстрой. Государственный комитет по гражданскому строительству и архитектуре при Госстрое СССР, 1988. — 11 с.
4. Харченко, Н. В. Индивидуальные солнечные установки / Н. В. Харченко. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 208 с.
5. Байрамов, Р. Б. Солнечные водонагревательные установки / Р. Б. Байрамов, А. Д. Ушакова. — Ашхабад : Ылым, 1987. — 168 с.
6. Ондар, Д. Д. Математическое моделирование расчета солнечного бака-аккумулятора / Д. Д. Ондар, А. С. Ненишев // Современные технологии в энергетике : межвуз. тематич. сб. науч. тр. — Омск : ОмГТУ, 2013. — С. 103-111.
7. Лебедев, П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки : учебник для студентов техн. вузов / П. Д. Лебедев. — 2-е изд. перераб. — М. : Энергия, 1972. — 319 с.
8. Эффективность развития малых ТЭЦ на базе газотурбинных и дизельных энергоустановок при газификации регионов / А. М. Карасевич [и др.] // Теплоэнергетика. — 2000. — № 12. — С. 35-39.
ОНДАР Демир-оол Дмитриевич, аспирант кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 18.06.2014 г. © Д. Д. Ондар
