CC BY
32
Усовершенствование теплообменной панели солнечного коллектора
А.П. Пирожникова, М.А. Говорунов, Г.Э. Муро, Т.Л. Пирожникова Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в статье рассмотрена возможность повышения эффективности солнечного коллектора, путем усовершенствования его теплообменной панели, что реализуется посредством оптимизации процессов теплообмена с применением концепции совмещения теплопроводных свойств различных металлов. Изложены положительные аспекты данного метода. Дана краткая характеристика проведенного сравнительного анализа Ключевые слова: теплообменная панель, энергосбережение, гелиоустановка, альтернативные источники энергии, тепловые свойства, оптимизация теплопередачи, солнечный коллектор, интенсификация теплообмена
Вопрос ограниченности природных ресурсов в современном мире является одним из самых актуальных. Запасы земных недр постепенно расходуются, а проблема загрязнения окружающей среды приобретает все большую остроту. Постоянный рост цен на энергию неизбежно ведет к увеличению стоимости нефти и газа на мировом рынке. Вследствие всех вышеперечисленных факторов получили развитие альтернативные источники энергии, такие как: ветроэнергетика, биотопливо, гелиоэнергетика, геотермальная энергетика и т.д. Наиболее доступным и экологически безопасным из них является солнечная энергия [1], рис. 1. Возможности ее применения практически неограниченны, вследствие чего ученые всего мира работают над созданием систем, которые будут способствовать расширению возможности использования данного источника. Неслучайно в последние годы все больше внимания уделяется разного рода проектам, направленным на максимально эффективное питание солнечной энергией не только отдельных домов, но и целых городских кварталов [2].
41,2
29,7
10,8
■ Ветровая "Геотермальная * Био-топливо "Солнечная
Рис. 1. - Тенденция развития ВИЭ в 2018 году, %
По самому принципу использования гелиоэнергии существует два направления оборудования: солнечные батареи и коллекторы. В поисках новых решений население все чаще обращается к последним [3]. В своем устройстве они реализуют концепцию поглощения лучистой энергии теплообменной (абсорбирующей) панелью с последующим нагревом теплоносителя в системах отопления и горячего водоснабжения [4]. Применение гелиоустановок и солнечных батарей выгодно и ведет к экономии природных ресурсов, к тому же, это оборудование экологически чистое, не наносящее вреда окружающей среде [5].
Существует множество различных конфигураций данного устройства: вакуумные, фокусирующие, гибридные, плоские, а также подразделяющиеся по более незначительным признакам [6]. В свою очередь, например, плоские солнечные коллекторы могут различаться по устройству теплообменной панели, которая вследствие определяющего воздействия на эффективность работы гелиоустановки, выступает в качестве наиболее значимого элемента конструкции. Ее усовершенствование позволит увеличить КПД систем солнечного горячего водоснабжения и отопления.
Наиболее перспективным способом реализации данного направления является совмещение теплопроводящих свойств различных металлов, так
называемая тандемная послойная система, результатом внедрения которой выступает интенсификация процесса теплопередачи, с сопутствующим увеличением эффективности работы самой установки. Воплощением подобной конфигурации служит устройство сборной теплообменной панели [7], состоящей из отдельных элементов алюминиевого толстостенного профиля, имеющего пазы и кромки для возможности монтажа, с уложенными, в образуемые его конструкцией каналы, медными
тонкостенными трубками с теплоносителем, рис. 2.
Рис. 2. - Конфигурация слоев теплообменной панели
К недостаткам подобной технологии, можно отнести высокую материалоемкость конструкции и невысокую эффективность работы, ввиду наличия воздушных полостей, снижающих эффективность теплообмена в наиболее высокотемпературных областях между медными трубками и элементами алюминиевого профиля [8], рис. 3.
Рис. 3. - Плоская конфигурация сборной теплообменной панели в разрезе
Для устранения недостатков необходимо оптимизировать толщину теплопроводных слоев с целью интенсификации теплообмена от абсорбирующей поверхности панели к трубкам теплоносителя, ориентировав этот процесс на достижение наивысших показателей технико-экономического обоснования. Сущность усовершенствования заключается в том, что в данном устройстве для оптимизации процесса теплопередачи, элементы алюминиевого профиля должны изготавливаться с полностью эквидистантной медным трубкам внутренней поверхностью, исключающей из теплопроводного сечения воздушные полости, снижающие эффективность теплообмена в наиболее нагретых областях панели. Для этого следует изменить плоскую конфигурацию панели на волнообразную, рис. 4, что приведет к уменьшению материалоемкости, увеличению площади лучеприемной поверхности, повышению эффективности работы гелиоустановки, а также, за счет сохраненных на ее поверхности Ц-образных продольных каналов с дополнительно оптимизированным их расположением, относительно мест наиболее подверженных изгибу, позволит снизить трудоемкость монтажа, который будет осуществляться полностью вручную. [9]
Абсорбирующее и-образныи корпус панели
г канал
покрытие
Рис. 4. - Волнообразная конфигурация сборной теплообменной панели в разрезе
Дополнительно для интенсификации теплообмена и упрощения процесса монтажа толщина стенок теплообменной панели также оптимизируется, что обусловлено необходимостью подбора слоев, реализующих концепцию совмещения тепловых свойств различных металлов с наибольшей эффективностью, при этом сохраняющих возможность упрощенного монтажа и экономическое обоснование. Вследствие чего, учитываются все параметры, оказывающие влияние на конечный результат, табл. 1.
Табл. 1 - Толщина элементов алюминиевого профиля теплообменной панели
Толщина, мм Обоснование Предел прочности из условия - °"1,2 кгс/мм Сопротивление теплопередаче, м^С/Вт Масса 1м элемента панели, кг
1 Неудовлетворительная толщина панели. - низкие материалоемкость и сопротивление теплопередачи, но недопустимая прочность, возможны деформации 3,83 0,71 0,51
2 1,12 0,72 0,89
3 Оптимальная толщина панели. - деформации из-за собственных нагрузок исключены, сопротивление теплопередаче и материалоемкость удовлетворяют заданным условиям 0,72 0,73 2,04
4 0,57 0,73 3,59
5 0,55 0,74 5,56
6 Толщина панели удовлетворительная. 0,51 0,75 8,07
7 - прочность элемента панели достаточная, но 0,49 0,75 10,98
8 не целесообразная для данного случая ввиду 0,47 0,76 14,34
9 увеличения сопротивления теплопередаче и 0,46 0,76 18,15
10 материалоемкости, усложнения процесса монтажа 0,45 0,77 22,4
В данной системе определяющую роль играет сопротивление теплопередаче, которое, если будет выше допустимых значений, посредством задержания теплоты в теплоаккумуляционном устройстве, значительно увеличит тепловые потери через светопрозрачное покрытие солнечного коллектора и приведет к снижению КПД установки. Однако повышение толщины алюминиевого слоя, несмотря на увеличение материалоемкости конструкции и повышение экономических затрат, будет технически обоснованным и позволит с большей эффективностью реализовать концепцию совмещения тепловых свойств различных металлов. Результатом работы которой, кроме всего прочего, служит большая устойчивость к погодным условиям, обуславливающая возможность временной работы в случае затенения при высокой облачности или после захода Солнца [10].
Литература
1. World Energy Outlook 2017 // URL:
eia.gov/outlooks/ieo/pdf/0484%282017%29.pdf
2. Girya L.V., Sheina S.G., Fedyaeva P.V. The procedure of substantiation of selection of the energy-efficient design solutions for residential buildings // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. V. 10. № 8. pp. 1926319276
3. Пирожникова А.П., Сафорьян Л.Н. Позиция России в мировом энергетическом комплексе//Научное обозрение. -2016. - № 20. - С. 176-180. URL: sced.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=473:arh-no-24&catid=21&Itemid=156
4. Шеина С.Г., Пирожникова А.П. Тенденции развития альтернативной энергетики в странах мира и России//Инженерный вестник Дона, 2016, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3720
5. Пирожникова А.П. Энергосберегающие технологии//Материалы международной научно-практической конференции «Строительство - 2014» / РГСУ. - Ростов н/Д, 2014. - С. 153-156
6. Даффи, Дж. А., Бекман У.А. Основы солнечной теплоэнергетики. -Долгопрудный: Интеллект. - 2013. - 886 c.
7. Копецкий С.Ю., Юров А.И., Жеруков Б.Х., Шахмурзов М.М., Кожоков М.К., Апажев А.К., Фиапшев А.Г. Теплообменная панель и способ ее сбор-ки//Патент на полезную модель RUS 2520775 27.06.2014
8. Дерюгин, В.В., Васильев В.Ф., Уляшева В.М. Тепломассообмен: учеб. Пособие. - Электрон. дан. - Санкт-Петербург: Лань, 2018. - 240 с. URL: e.lanbook.com/book/107285.
9. Пирожникова А.П., Муро Г.Э., Говорунов М.А. Оптимизация процесса теплопередачи сборной теплообменной панели солнечного коллекто-ра//Инженерный вестник Дона, 2018, № 3. URL: iv-don.ru/uploads/article/pdf/IVD_81_Pirozhnikova.pdf_49aa1517d3.pdf
10. Стоянов Н. И. Комплексное энергоснабжение обособленных объектов от солнечной энергии //Ставрополь: Северо-Кавказский федеральный ун-т, 2014. -96 c.
References
1. World Energy Outlook 2012. URL: eia.gov/outlooks/ieo/pdf/0484%282017%29.pdf
2. Girya L.V., Sheina S.G., Fedyaeva P.V. The procedure of substantiation of selection of the energyefficient design solutions for residential buildings. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. V. 10. № 8. pp. 1926319276.
3. Pirozhnikova A.P., Safor'yan L.N. Poziciya Rossii v mirovom ehnergeti-cheskom komplekse. Nauchnoe obozrenie. 2016. № 20. pp. 176. 180. URL: sced.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=473:arh-no-24&catid=21&Itemid=156
4. Sheina S.G., Pirozhnikova A.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3720
5. Pirozhnikova A.P. Materialy mezhdunarodnoj nauchno.prakticheskoj konfe-rencii «Stroitel'stvo. 2014». RGSU. Rostov n.D, 2014. pp. 153.156.
6. Daffi, Dzh. A., Bekman U.A. Osnovy solnechnoj teploehnergetiki. [Basics of solar thermal power]. Dolgoprudnyj: Intellekt. 2013. pp. 886.
7. Kopeckij S.YU., YUrov A.I., ZHerukov B.H., SHahmurzov M.M., Kozhokov M.K., Apazhev A.K., Fiapshev A.G. Teploobmennaya panel' i sposob ee sbor.ki. [Heat exchange panel and method of its Assembly]. Patent na polez-nuyu model' RUS 2520775 27.06.2014
8. Deryugin, V.V., Vasil'ev V.F., Ulyasheva V.M. Teplomassoobmen: ucheb. Posobie. [Heat and mass transfer]. EHlektron. dan. Sankt-Peterburg: Lan', 2018. pp. 240. URL: e.lanbook.com/book/107285.
9. Pirozhnikova A.P., Muro G.EH., Govorunov M.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №3. URL: iv-don.ru/uploads/article/pdf/IVD_81_Pirozhnikova.pdf_49aa1517d3.pdf
10. Stoyanov N. I. Kompleksnoe energosnabzhenie obosoblennyh ob"ektov ot solnechnoj ehnergii. [Complex power supply of separate objects from
solar energy]. Stavropol': SeveroKavkazskij federal'nyj unt, 2014. pp. 96.
