CC BY
89
Thermal Efficiency of Power Module "Boiler with Solar Collectors as Additional Heat Source" For Combined Heat Supply System
Denysova A.E., Mazurenko A.S., Denysova A.S.
Odessa National Polytechnic University Odessa, Ukraine
Abstract. The purpose of work is to increase the efficiency of the combined heat supply system with solar collectors as additional thermal generators. In order to optimize the parameters of combined heat supply system the mathematical modeling of thermal processes in multi module solar collectors as additional thermal generators for preheating of the water for boiler have been done. The method of calculation of multi-module solar collectors working with forced circulation for various configurations of hydraulic connection of solar collector modules as the new result of our work have been proposed. The results of numerical simulation of thermal efficiency of solar heat source for boiler of combined heat supply system with the account of design features of the circuit; regime parameters of thermal generators that allow establishing rational conditions of its functioning have been worked out. The conditions of functioning that provide required temperature of heat carrier incoming to boiler and value of flow rate at which the slippage of heat carrier is not possible for different hydraulic circuits of solar modules have been established.
Keywords: combined heat supply system, forced circulation, operation modes, multi-module solar collectors, boiler, thermal efficiency.
Eficienta termica a modulului energetic "centrala termica cu termogeneratoarele suplimentare in forma de colectoarele solare" pentru sistemele combinate de termoficare Denisova A.E., Mazurenco A.S., Denysova A.S.
Univesitatea Nationala Politehnica din Odesa, Odesa, Ucraina
Rezumat. Scopul lucrarii consta in sporirea eficientei sistemului combinat de incalzire in care sunt utilizate colectoarele solare. Pentru de-a optimiza parametrii sistemului de simulare matematica a proceselor termice intr-un sistem cu mai multe modulele de colectoare solare folosite ca generatoare de caldura suplimentare pentru preincalzirea apei care intra in cazan. Noul rezultat este o metodologia de calcul al unui sistem cu mai multe colectoare solare, care lucreaza in conditii de circulatie fortata, luand in considerare circuitele hidraulice de conecate a modulelor. Rezultatele simularii numerice a eficientei termice a generatoarelor termice solare pentru un sistem de alimentare cu energie termica combinata pentru diferite circuite hidraulice de conectare a modulelor panourilor solare va permite de a stabili conditii care asigure temperatura tur la cazan, precum §i valoare cantitatii debitului masic de apa, prin care se impiedice scurgerea in cazan a apei care nu avut timp sa se incalzeasca inainte de-a intra la centrala termica.
Cuvinte-cheie: sistemul combinat de termoficare, circulatie fortata, sistemul cu multe colectoarele solare, centrala termica, eficienta energetica.
Тепловая эффективность энергомодуля «котел с добавочными теплогенераторами в виде солнечных коллекторов» для комбинированных систем теплоснабжения Денисова А.Е., Мазуренко А.С., Денисова А.С.
Институт Энергетики и компьютерно - интегрированных систем управления Одесский национальный политехнический университета
Одесса, Украина
Аннотация. Целью работы является повышение эффективности работы комбинированной системы теплоснабжения с добавочными теплогенераторами в виде солнечных коллекторов. Для оптимизации параметров системы выполнено математическое моделирование тепловых процессов в многомодульной системе солнечных коллекторов, используемых в качестве добавочных теплогенераторов, для предварительного подогрева воды, поступающей в котел. Новым результатом является методика расчета многомодульной системы солнечных коллекторов, работающих в условиях принудительной циркуляции, с учетом гидравлических схем соединения модулей. Результаты численного моделирования тепловой эффективности солнечных теплогенераторов для комбинированной системы теплоснабжения, для разных гидравлических схем соединения модулей солнечных коллекторов позволяют поставить условия,
обеспечивающие требуемую температуру теплоносителя на входе в котел, а также величину массового расхода воды, при которой предупреждается проскок в котел не успевшего нагреться теплоносителя. Ключевые слова: комбинированная система теплоснабжения, принудительная циркуляция, многомодульная система солнечных коллекторов, котел, термодинамическая эффективность.
Введение
Использование многомодульной системы солнечных коллекторов совместно с водогрейными котлами требует исследования особенностей работы солнечных коллекторов (СК), т.к. циркуляция теплоносителя в контуре принудительная. Необходимо выполнить анализ эффективности
многомодульной системы СК в качестве дополнительных теплогенераторов, во-первых, для оптимизации их конструкции с целью снижения стоимости альтернативной комбинированной установки, во-вторых, для оценки влияния расхода нагреваемой воды, поступающей с 1 м2 абсорбера СК, и скорости циркуляции воды в трубках коллектора. Оптимальные значения указанных параметров способны обеспечить согласованность режимов работы
многомодульной системы солнечных коллекторов с котлом и, соответственно, высокую эффективность работы всей комбинированной установки в целом [1-7].
1. Методика расчета солнечных коллекторов для комбинированной системы теплоснабжения
= т ■ ср (Т2 - Т1);
(2)
где т = Аск-Оск - массовый расход, кг/с; Оск -удельный расход воды на 1 м2 абсорбера СК, кг/(м2-с); ср - удельная теплоемкость, кДж/(кг ■К); Ть Т2 - температура на входе и выходе СК, соответственно, К.
КПД солнечного коллектора [2]
лск = ви/ (Аск ■ нс);
(3)
Эффективное использование солнечных коллекторов для предварительного подогрева воды в котле возможно при условии разработки оптимальной конструкции и схем соединения модулей СК, характеризующихся максимальной тепловой эффективностью, что позволяет повысить коэффициент замещения традиционного топлива альтернативной энергией и уменьшить выбросы диоксида углерода в окружающую среду.
С учетом уравнения (1) КПД коллектора зависит от коэффициента отвода тепла Ря
1ск = Ря [(«т)-к (Тс - Та )] / Нс
(4)
Основной тепловой характеристикой СК является зависимость полезного теплового потока ви от плотности потока солнечного излучения Нс, температуры поглощающей пластины Тс и особенностей конструктивного исполнения солнечного коллектора. Указанные факторы определяют коэффициент отвода тепла Ря , суммарный коэффициент потерь к при заданных температуре окружающей среды Та, оптических свойствах абсорбера и прозрачного покрытия, характеризующихся коэффициентами
поглощения а и пропускания т, соответственно [1]:
ви = Аск ■ Ря {(ату Нс - к (Тс - Та )]
(1)
где Аск - площадь абсорбера, м . С другой стороны, полезный тепловой поток:
Коэффициент отвода тепла представляет собой отношение фактической полезной энергии коллектора к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе:
Ря =(т^ср /к^Ас)/)-ехр[-'/(т-ср)) ,
(5)
р ' = к-Ч ш
1
к (а+( - а)р) 1
ж ■а
(6)
где Р - коэффициент эффективности СК, который показывает отношение фактически поглощенной полезной энергии к полезной энергии, поглощенной в идеальном случае,
когда температура абсорбера равна локальной температуре жидкости, т.е. когда интенсивность теплопередачи от стенки трубы коллектора к циркулирующему рабочему телу бесконечно велика; ^ -коэффициент эффективности оребрения абсорбера СК:
^ =
Л [0,5 • р- d )]
(7)
2 -а
0,5 • р- d) - параметр эффективности
где р = ., , ч
- d)
оребрения; ав - коэффициент теплоотдачи между внутренней стенкой трубы абсорбера и водой, циркулирующей в трубе, Вт/(м2 • К); 5 -толщина поглощающей пластины, м; X -коэффициент теплопроводности материала абсорбера СК, Вт/(м-К); d - внутренний диаметр трубок, м; к - шаг установки трубок СК, м.
Уравнения (1-7) обычно используются для расчета СК в сочетании с графиками зависимости КПД СК от климатических и конструктивных факторов [8, рис.1.7] и [9, рис.13].
Однако, использование формул (1-7) для оценки эффективности СК сопровождается принятием мало обоснованных решений, поскольку неизвестен коэффициент
теплоотдачи ав между внутренней стенкой трубки и циркулирующим рабочим телом. Неизвестна также температура Тс абсорбера СК, оказывающая существенное влияние на суммарный коэффициент тепловых потерь к. Обычно не определяют и
термодинамическую эффективность
абсорбера СК, как теплообменника, которую при принудительной циркуляции
теплоносителя, следует учитывать, т.к. она существенно влияет на тепловую эффективность СК.
Предлагаемая нами методика расчета [1] коэффициентов (тепловой эффективности Б', отвода тепла и теплоотдачи аВ) с учетом схемно-конструктивных параметров и режимов течения позволяет рассчитать эффективность солнечных коллекторов как дополнительных теплогенераторов для котла комбинированной системы теплоснабжения. Учет этих факторов позволяет оценить реальную эффективность СК, работающих в условиях принудительной циркуляции, и обосновать схемно-конструктивные
особенности солнечных коллекторов как
дополнительных теплогенераторов для котла. Рассмотрим изменение температуры воды Тв по длине трубок и вдоль поверхности Тс абсорбера, если т = 0,005 кг/с; кР «ав = 208 Вт/(м2• К); ди = 500 Вт; Атр = 0,2 м2; Т = 20 оС; АТв - температурный напор со стороны выхода воды; АТа = Ты - Т2 - температурный напор со стороны входа воды (рис.1) [1]. Если температура воды на входе в СК Т1=20 0С, из уравнения теплового баланса (2), температура воды на выходе СК равна Т2 = 44 0С.
Рис. 1. Распределение температур вдоль поверхности абсорбера
Для определения температуры со стороны выхода воды (Ты) из СК и со стороны входа воды в СК (Тй2) исследуем термодинамическую эффективность Е теплообменника, состоящего из трубок абсорбера СК [11], для случая противоточной схемы теплообмена с учетом распределения температур вдоль поверхности поглощающей пластины (рис.1).
Физический смысл параметра Е -соотношение фактического теплового потока в реальном теплообменнике к максимально возможному тепловому потоку в идеальном теплообменнике, который в нашем случае представляет собой теплообменник противоточного типа с бесконечно большой поверхностью теплообмена:
Е--
Г Г сЦ
1 - ехр -ЛТЦ] 1 —^ 1
. 1 ^ |
1 - ехр \-NTU И - ||
ск V V ск 11
(8)
где ЫТП =-
кя • Ат
число единиц переноса
теплоты; кР - коэффициент теплопередачи от воды в трубах к пластине абсорбера СК (если пренебречь термическим сопротивлением стенки трубки абсорбера, то можно записать
с
Атр - площадь внутренней поверхности трубок абсорбера, м2; св =тср-водяной эквивалент теплоносителя с внутренней стороны трубок СК (св=смин) < сск, который является наименьшим, т.к. КПД СК <1; с ск - водяной эквивалент теплоносителя с наружной стороны поверхности труб СК. При = 0,5 получаем
сск 2'св.
При отсутствии потерь тепла в окружающую среду температура
нагреваемого теплоносителя Т2 на выходе равна температуре горячего теплоносителя Ты на входе при св < сск. Поскольку Е означает сравнение фактического и максимально возможного теплового потока, который ограничен вторым законом термодинамики, то:
E--
cB (T2 - Ti ) .
c мин (Th1 - T1 )
(9)
С учетом с,
T2 - T
получаем e = - 2 1
Thi - Ti
График функции Е = /(ЫТи) (рис. 2) построен на основе уравнения (8) для Аск = 1 м2 при изменении массового расхода т воды через СК с учетом ав при = 0,5 [1] .
1 F
A Tcp = -— J A TdA,
Amp 0
а приращение температуры [12]:
AT = ATа • exp(-q • ae • Amp ) .
Подставив (11) в (10) получаем:
A T f
A Tcp = - J— J exP( - q • « в • Amp )dA mp
Amp 0
(11)
A Ta
exp( - q •a e • Amp ) - 1 .
А тр
Следовательно,
д Т _ Д Тср ■( - Ч •а в 'Атр ) а ехр( - ч ■а в ■Атр ) - 1
(12)
Для определения температуры поверхности абсорбера СК со стороны выхода воды Тк2 используем формулу (11) изменения температурного напора со стороны греющего теплоносителя по длине трубки:
ATe = ATa • eXP(-q • aв • Amp )
(13)
0,2
Е
NTU
0 1 2 3 4 5
Рис. 2. График функции Е = /(МТЦ) для абсорбера солнечного коллектора
2. Результаты расчета
дополнительных теплогенераторов для котла (солнечных коллекторов)
Согласно уравнению (9) температура поверхности труб абсорбера СК со стороны входа воды при т = 0,005 кг/с и Е =0,78 равна Ты =51 оС.
Средняя разность температур на произвольном участке поверхности абсорбера А:
тр•
= J___1_ = 1 1 1
1
Сск Св (ce / 0>5) Св (mcр / 0>5) mc
= -0,024
ск "в I "в ' yJ'-J / "в I ч^ р ' ч^ p
1 1
Тогда
(0,005-4184 / 0,5) 0,005-4184
at, = (Th1 - T2 )^exP(-q • ав • Amp ) = = (51-44) • exp(0,024 • 208 • 0,2) = 19 K
При этом: ATh2 = T1 +ATe = 39 oC.
AT = Q = = 12 oc
cp (a,. Amp ) 208 • 0,2
Из формулы (13)
_ 12-0,2'0,024'208 _7 „с а ехр(0,024'208'0,2) -1
и ДТИ _ Т2 +ДТа _ 51 0С,
что совпадает с результатом расчета по формуле (9).
Средняя температура абсорбера СК:
(14)
c
Тср = (Тм + Ти)/2 = (51+39)/2 = 45 оС.
Проведенные расчеты относятся к
единичному модулю СК площадью Аск = 1
2
м.
Рассмотрим несколько модулей СК, объединённых в систему, обеспечивающую заданную теплопроизводительность.
Результаты расчета параметров Е и для различных схем соединения модулей СК (рис. 3) представлены на рис. 4.
..!.. ..1... II
II_ У . Г_17
в)
а)
Рис. 3. Схемы соединения модулей СК
0,12 ,2.
Д- 1 модуль площадью1 м ; о - 4 модуля площадью 4 м2 (схемы а, б,в); □ - 8 модулей площадью 8 м2 (схема а, б,в); А- 4 модуля площадью 4 м2 (схема а) • - 4 модуля площадью 4 м2 (схема б) ■ - 4 модуля площадью 4 м2 (схема в) Рис. 4. Термодинамическая эффективность Е и коэффициент отвода тепла Ек для разных схем соединения модулей СК (рис.3)
3. Анализ результатов расчета
На основании приведенных теоретических положений, можно рассчитать температуру теплоносителя (ТВ1) на входе и выходе СК Тск, а также оценить термодинамическую эффективность абсорбера для различных массовых расходов воды т (табл. 2) при QU = 500 Вт, ср = 4184 Дж/(кг- К), Т = 20 оС , = 0,5.
Таблица 2 - Результаты расчета параметров СК
№ тТ= 0,05кг/с тп= 0,01кг/с тп= 0,02 кг/с
1 АТсР 12,02 9,43 7,5
2 Т2 43,9 31,9 25,98
3 ыти 1,99 1,27 0,8
4 Е 0,78 0,64 0,5
5 Ты 50,9 38,7 32,1
6 Я -0,024 -0,0119 -0,006
7 АТе 18,97 12,73 9,08
8 Тк2 38,96 32,73 29,08
9 АТа 7,02 6,76 6,09
Результаты расчета распределения температур воды и поверхности труб при изменении массового расхода воды через СК с принудительной циркуляцией, в качестве добавочного теплогенератора для котла по предлагаемой методике, представленные на рис. 5, свидетельствуют о том, что, несмотря на уменьшение температурного напора при повышении массового расхода т воды через многомодульную систему солнечных коллекторов, термодинамическая
эффективность Е абсорбера СК, как теплообменника, уменьшается, из-за уменьшения температурного потенциала теплоносителя.
Рис.5. Изменение температуры воды и температуры поверхности абсорбера по длине трубок СК при изменении массового расхода воды (т1, т11, тш) через СК
При увеличении расхода вода проходит транзитом, не успевая нагреваться до необходимого уровня. Это явление соответствует более пологому (почти параллельному) расположению кривой Тв относительно кривой Тс, что хорошо согласуется с формулой (9). Характер изменения взаимного расположения кривых Тс и Тв (рис. 5) объясняет физическую
природу графиков функций Е = /(т) и Рк = /(т) (рис. 4).
Коэффициент Рк показывает долю теплового, потока, отводимого к воде, который увеличивается с увеличением массового расхода воды т, а термодинамическая эффективность Е абсорбера СК, отражающая температурный потенциал воды, напротив, снижается при увеличении массового расходы воды т, согласно тепловому балансу (2), т.е. количество тепла отводимого к воде увеличивается, но потенциал этого тепла снижается, что влечет снижение температуры нагрева.
Для эффективной работы СК (при Е > 0,8) необходимо ЫТи > 2 (рис. 1), что соответствует расходу т < 0,005 кг/с. Увеличение расхода воды т должно сопровождаться пропорциональным
увеличением площади внутренней
поверхности трубок СК, поскольку
NTU =
kF " Amp
что
конструктивно
выражается в увеличении длины труб от 1 м до 1,5...2 м.
В результате оптимальная площадь абсорбера единичного модуля СК должна быть равна площади 1х1,5 м2 либо 1х2,0 м2. При необходимости уменьшения длины труб для сохранения условия Е>0,8 требуется увеличивать количество труб, что связано с удорожанием СК.
При ЫТи<2 (рис. 4) термодинамическая эффективность абсорбера резко снижается, несмотря на некоторое увеличение коэффициента отвода тепла Рк. Таким образом, при насосной циркуляции воды через СК, когда т > 0,005 кг/с для сохранения значения ЫТи>2 следует подключать СК последовательно в количестве
пск >2/ЫТи >2 ср- т /Атр кР . (15) многомодульная система СК, состоящая из 4.8 последовательно соединенных СК может быть использована для комбинированной системы теплоснабжения любой производительности путем их параллельного подключения между собой.
Выводы
Предлагаемая методика оценки
термодинамической эффективности
солнечных коллекторов, работающих в режиме принудительной циркуляции для предварительного подогрева воды к котлу, позволяет определить:
- коэффициенты тепловой эффективности, отвода тепла и теплоотдачи, а также распределение температур теплоносителя с учетом конструктивных параметров, режимов течения и условий эксплуатации;
- характер изменения коэффициента отвода тепла для разных схем компоновки модулей СК при изменении удельного расхода теплоносителя;
- особенности изменения температуры теплоносителя и поглощающей пластины солнечного коллектора при изменении массового расхода воды;
- оптимальное значение массового расхода теплоносителя с учетом схемных решений и конструктивных особенностей солнечных коллекторов.
- условия поддержания высокой эффективной работы солнечных коллекторов как добавочных теплогенераторов для котла.
Литература (References)
[1] Denysova A.E., Mazurenko A.S., Denysova A.S. Effectivnost multimodulnych solnechnych kollektorov kak pristavok k boileru [Efficiency of multi-module solar collectors as the prefix to the boiler]. Problemele energeticii regionale termoenergetica, 2014, no. 3(26), pp. 53-59. (In Russian)
[2] Denysova A.E., Mazurenko A.S. [Investigation of distribution of the flow rate in the solar collectors]. Trudy 7 Mezhdunarodnoy Konferencii GRE-2000 «Badanie rozpluwy czynnika grzewczego w heliosystemach» [Proc. of the Opole Technical University "Management of power equipment"], Opole, 2000, no. 255, pp. 53 - 63 (In Polish).
[3] Denysova A.E., Mazurenko A.S. [The influence of accuracy accounting of heat carrier in the solar collector circuit on thermal efficiency of heat supply unit]. Trudy 15 Mezhdunarodnoy Konferencii «Vlijanie tochnosti ucheta teplonositelia v konture cirkuliacii solnechnogo kollektora na teplovuju effektivnost ustanovki teplosnabgenia» [Proc. 15th Int. Conf. "Commercial accounting of heat carriers and improvement of the flow measurement of liquid, gas and steam"], Saint-Petersburg, 2002, pp. 363 -371. (In Russian)
[4] Denysova A.E., Mazurenko A.S., Novakovskij E.V. [Prospects of application for Ukraine of the delta type solar collectors]. Trudy OPU «Perspektivy
c
в
primenenia v usloviach Ukrainy solnechnych kollektorov tipa delta-systema» [Proc. of the Odessa PU], 2003, no 20, pp. 69 - 72. (In Russian)
[5] Denysova A.E., Novakovskij E.V. Mazur E.G. Effektivnost geliokollektornych pristavok tipa «delta-systema» s promegutochnym ekranom dlia combinirovannych system teplosnabgenia [Efficiency of solar collector prefix type delta-system with the intermediate screen for combined heat supple systems]. Ekotechnologii i resursosberegenie, 2004, no. 1, pp. 16 - 18. (In Russian)
[6] Denysova A.E., Novakovskij E.V. Mazur E.G. [Thermal efficiency of solar prefixes to boilars for combined heat supple systems]. Trudy OPU «Energeticheskaja effektivnost solnechnych pristavok k kotlam combinirovannych system teplosnabgenia» [Proc. of the Odessa PU], 2004, no. 21, pp. 61 - 64. (In Russian)
[7] Denysova A.E., Mazurenko A.S., Novakovskij E.V. Povushenie effektivnosti combinirovannych
system teplosnabgenia s solnechnymi pristavkami [Rising of the efficiency of combined heat supple systems with solar prefixes]. Cholodilnaja technika i technologia, 2003, no. 4, pp. 33 - 37. (In Russian)
[8] Valov M.I., Kazandjan B.I. Systemy solnechnogo teplosnabgenia [Solar collector heat supply systems]. Moskow, 1991. 140 p.
[9] Brian Norton. Solar Energy Thermal Technology. London, 1991.
[10] Kharchenko N.V. Individualnye solnechnye ustanovki [An individual solar units]. Moskow, 1991. 208 p.
[11] Kies V.M., London A.L. Kompaktnye teploobmenniki [Compact heat exchangers]. Moskow, 1967. 224 p.
[12] Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat transfer]. Moskow, 1981. 416 p.
Сведения об авторах:
Денисова Алла Евсеевна. Доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой тепловых электрических станций и энергосберегающих технологий Одесского
национального политехнического университета. Ее научные интересы включают генерация энергии с использованием возобновляемых источников
энергии, интегрированные
системы теплоснабжения. Email: [email protected]
Мазуренко Станиславович.
Антон
Доктор
технических наук, профессор, кафедры тепловых
электрических станций и энергосберегающих технологий Одесского национального
политехнического университета. His research interests includes distributed power generation and microgrid.
Email: [email protected]
Денисова Анастасия
Сергеевна. Программист-
бакалавр, кафедрa тепловых электрических станций и энергосберегающих технологий Одесского национального
политехнического университета. Ее научные интересы включают энергосберегающие технологии и энергоменеджмент. Email: [email protected]
