Научная статья на тему 'Выбор и расчет оптимальной гидравлической схемы гелиоколлектора с вакуумированными трубчатыми теплоприёмниками'

Выбор и расчет оптимальной гидравлической схемы гелиоколлектора с вакуумированными трубчатыми теплоприёмниками Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
60
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
ScienceRise
Ключевые слова
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СХЕМА / HYDRAULIC SCHEME / ГЕЛИОКОЛЛЕКТОР / АБСОРБЕР / ABSORBER / ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ / HEAT CARRIER / ТРУБЧАТЫЕТЕПЛОПРИѐМНИКИ / СОПРОТИВЛЕНИЕ / RESISTANCE / РАСХОД / ПОТОК / FLOW / РАСЧѐТ / HELIOCOLLECTOR / TUBULAR HEAT RECEIVERS / EXPENSE / CALCULATION

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Хотин С. Ю., Васильченко А. Е.

На основе выполненных расчѐтов определена оптимальная гидравлическая схема гелиоколлектора с вакуумированными трубчатыми теплоприѐмниками на базе концентратора солнечной радиации типа Д-фоклин, которая должна обеспечивать равномерное распределение теплоносителя по всей трубной решетке с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Осуществлѐнные исследования позволяют обеспечить надѐжную работу концентрирующего гелиоколлектора с максимальной теплотехнической эффективностью в температурном диапазоне 100-200 оС

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Selection and calculation of optimum hydraulic scheme of heliocollector with the vacuumized tubular heat receivers

On the basis of the executed calculations the optimum hydraulic scheme of a heliocollector with the vacuumized tubular heat receivers based on the concentrator of solar radiation like D-foklin, which will provide uniform distribution of the heat carrier on all pipe lattice with the smallest hydraulic resistance, is determined. The performed research allows to ensure reliable functioning of the concentrating heliocollector with the maximum thermotechnical efficiency within the temperature range of 100-200 °C

Текст научной работы на тему «Выбор и расчет оптимальной гидравлической схемы гелиоколлектора с вакуумированными трубчатыми теплоприёмниками»

2. Кузьмич, Р. Г. Диагностика, лечение и профилактика патологии яичников и яйцеводов у коров [Текст]: учеб.-метод. пос. / Р. Г. Кузьмич, Л. Н. Рубанец, А. А. Гарбузов и др. - Витебск: ВГАВМ, 2010. - 53 с.

3. Сасимова, И. А. Обоснование биофизического действия информационных электромагнитных излучений на микробиологические объекты животноводства [Текст] / И. А. Сасимова, Л. Ф. Кучин // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2008. - T. 4, № 2 (34). - С. 27-29.

4. Михайлова, Л. Н. Применение электромагнитного поля крайневысокой частоты для лечения животных [Текст] / Л. Н. Михайлова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - T. 1, № 9 (55). - С. 36-38. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/3439/3239

5. Думанский, А. В. Использование микроволнового излучения в технологических процессах лечения животных и людей [Текст] / А. В. Думанский, М. В. Торчук, Л. Н. Михайлова // Вгсник Харювського национального техшчного унгвер-ситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украь ни. - 2013. - № 141. - С. 89-91.

6. Попрядухин, В. С. Информационно-волновая терапия в ветеринарии и медицине в лечебных целях [Текст] / В. С. Попрядухин, Ю. М. Федюшко // Вюник Харкгвського нацюнального техшчного унгверситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши. - 2016. - № 175. - С. 158-160.

7. Думанский, А. В. Анализ управляющего воздействия информационных электромагнитных излучений на физико-химические процессы в биологических объектах [Текст] / А. В. Думанский, Л. Н. Михайлова // Вюник Харювського нацюнального техшчного унверситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши. - 2013. - № 142. - С. 83-86.

8. Воскресенский, Д. И. Устройства СВЧ и антенны [Текст] / Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв. - М.: Радиотехника, 2006. - 376 с.

9. Думанский, А. В. Аналитический анализ антенной системы для лечения эндометрита животных [Текст] / А. В. Думанский, Л. Н. Михайлова // Вестник Национального технического университета "ХПИ". Новые решения в современных технологиях. - 2013. - № 70. - С. 69-74. - Режим доступа: http://nbuv.gov.ua/UJRN/vcpinrct_2013_70_14

10. Думанский, А. В. Аналитический анализ гофрированного конического рупора для лечения эндометрита животных [Текст] / А. В. Думанский // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. - 2014. - T. 8, № 126. - С. 66-71.

Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Черенков О. Д.

Дата надходження рукопису 18.11.2016

Попрядухин Вадим Сергеевич, ассистент, кафедра теоретической и общей электротехники, Таврический государственный агротехнологический университет, пр. Б. Хмельницкого, 18, г. Мелитополь, Украина, 72310

E-mail: tte_ nniekt@ ukr.net

УДК:621.472(043)

Б01: 10.15587/2313-8416.2017.92405

ВЫБОР И РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА С ВАКУУМИРОВАННЫМИ ТРУБЧАТЫМИ ТЕПЛОПРИЁМНИКАМИ

© С. Ю. Хотин, А. Е. Васильченко

На основе выполненных расчётов определена оптимальная гидравлическая схема гелиоколлектора с вакуумированными трубчатыми теплоприёмниками на базе концентратора солнечной радиации типа Д-фоклин, которая должна обеспечивать равномерное распределение теплоносителя по всей трубной решетке с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Осуществлённые исследования позволяют обеспечить надёжную работу концентрирующего гелиоколлектора с максимальной теплотехнической эффективностью в температурном диапазоне 100-200 оС

Ключевые слова: гидравлическая схема, гелиоколлектор, абсорбер, теплоноситель, трубчатые теплоприёмники, сопротивление, расход, поток, расчёт

1. Введение

Расширяющиеся с каждым годом во всём мире промышленное использование солнечных энергосистем в различных сферах экономики обосновывает актуальность и целесообразность дальнейших исследований по проблемам разработки и созданию эффективных гелиотехнических установок, предназначенных для горячего водоснабжения и генерации пара низких параметров.

В настоящее время наиболее широкое применение для этих целей находят концентрирующие гелио-коллекторы. В температурном диапазоне 100-150 оС

они имеют более высокий тепловой КПД, чем обычные плоские коллекторы и эффективно работают при температурах около 200 оС, недостижимых для последних. Наиболее распространены гелиоколлекто-ры, оснащенные концентраторами типа фоклин. Они компактны, имеют невысокую себестоимость, не требуют систем суточного слежения за Солнцем, что делает их удобными в эксплуатации. Дальнейшее совершенствование гелиоколлекторов этого типа и оснащение их вакуумированными трубчатыми теп-лоприёмниками (ВТТ) позволит обеспечить потребности в энергии ряда технологических процессов и

бытовых потребителей. Надежность и теплотехническая эффективность работы трубчатого гелиоколлек-тора во многом зависят от правильного выбора его гидравлической схемы, которая должна обеспечивать равномерное распределение теплоносителя по всей трубной решетке с наименьшим гидравлическим сопротивлением. В нашем случае основные элементы гидравлической схемы - абсорберы ВТТ, представляющие собой прямые стеклянные трубки, на которых, нанесено селективное покрытие, поглощающее энергию солнечного излучения. Необходимо, чтобы каждая из них работала с максимальным тепловым КПД и минимальными энергозатратами на прокачку теплоносителя, что обеспечит максимальную производительность всей солнечной энергосистемы и высокий уровень экономической рентабельности при её внедрении в промышленную эксплуатацию. Вышеуказанные факторы определяют необходимость дальнейших исследований теплофизических и гидротехнических характеристик данных гелиосистем с целью их дальнейшего совершенствования.

2. Литературный обзор

В концентрирующих гелиоколлекторах обычно применяют два основных варианта гидравлической схемы: первый - параллельно-противоточная схема, второй - змеевикового типа, с последовательным подключением трубчатых теплопоглотителей [1, 2]. Пара-лельно-прямоточную схему применяют крайне редко из за неравномерного распределения теплоносителя по абсорберам.

В качестве теплоносителей используют воду при температурах до 100 °С, а в температурном диапазоне 100-200 оС светлые нефтяные масла, чаще всего МС-20, которое имеет наилучшие теплофизи-ческие характеристики [1, 3].

Если гидротехнические расчёты концентрирующих гелиоколлекторов с традиционными металлическими теплоприёмниками проводились ранее и результаты их хорошо известны [4, 5], то аналогичные расчёты для солнечных коллекторов на базе стеклянных ВТТ выполнены не были. Следует также отметить, что вышеуказанный тип гелиокоолекторов работает при более высоких температурах чем коллектора с металлическими теплоприёмниками и имеет ряд специфических конструктивных особенностей. Всё вышесказанное обуславливает целесообразность выполнения гидротехничеких рассчётов для определения их оптимальной гидравлической схемы.

3. Цель и задачи исследования

Цель исследования - выбор расчётным путём оптимальной гидравлической схемы концентрирующего гелиоколлектора на базе ВТТ, которая обеспечит его высокие теплотехнические характе-ристики в температурном диапазоне 100-200 оС при минимальных энергозатратах на прокачку теплоносителя.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- определить с помощью расчётов тип гидравлической схемы гелиоколлектора, имеющий наименьшее сопротивление;

- разработать конструктивную схему гидрав-личекого тракта гелиоколлектора, обеспечивающую наиболее равномерное распределение расхода теплоносителя по всем ВТТ и, одновременно, их одинаковую тепловую нагрузку.

4. Методика и математический аппарат для исследования гидравлических характеристик концентрирующих гелиоколлекторов на базе ВТТ

Для решения поставленных задач воспользуемся методикой расчета и математическим аппаратом, предложенными в [5, 6].

Параллельно-противоточная гидравлическая схема гелиоколлектора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Паралельно-противоточная гидравлическая схема гелиоколлектора Примечание: 1 - абсорберы ВТТ; 2 - раздаточные гидравлические коллекторы; 3 - сборочные гидравлические коллекторы; 4 - перегородка. Стрелками показано направление движения теплоносителя

Если представленную схему коллектора разделить на две части по центральному поперечному сечению, то видно, что и правая и левая части одинаковы и каждая из них представляет собой типовую схему, так называемого 2-образного коллектора [6], а рассматриваемый вариант гидравлической схемы (рис. 2) представляет собой два, последовательно подключенных 2-образных коллектора.

Распределение теплоносителя осуществляется из входного раздаточного коллектора. Выходной собирающий коллектор собирает и отводит теплоноситель ко второму 2-образному коллектору. В раздаточном коллекторе теплоноситель движется с отбором расхода по пути в каналы абсорберов, а в сборочном - движение теплоносителя происходит с присоединением расхода по направлению его движения из абсорберов.

На элементы гидравлической схемы накладывается ряд требований:

- незначительное изменение статического давления по ходу потока. В противном случае возрастают гидравлические неравномерности в каналах абсорберов;

- отсутствие вихреобразования и больших не-равномерностей профиля скорости потока жидкости, иначе в гидравлическом тракте гелиоколлектора не

только увеличиваются неравномерности, но и появляются пульсации расхода теплоносителя в абсорберах;

- средняя скорость потока не должна значительно или скачкообразно уменьшаться по ходу движения, а в гидравлическим тракте должны отсутствовать острые кромки, резкие повороты и т.п. Следовательно, важной задачей гидравлического расчета этой схемы является определение численных значений неравномерностей в распределении расхода теплоносителя по каналам абсорбера.

Рис. 2. Гидравлическая схема гелиоколлектора змеевикового типа: 1 - абсорберы ВТТ; 2 - ^образные соединительные трубки

Степень неравномерности раздачи (отбора) потока по боковым ответвлениям трубчатого коллектора определена эмпирически и оценивается величиной специального безразмерного параметра, называемого характеристикой коллектора (А). Для 2-образного коллектора

А = 1,4Ц/1 / (0,25е2 +1,75 + ), (1)

где e=SFб/Fн - отношение суммарной площади боковых ответвлений к площади сечения раздаточного (сборочного) коллектора; |абс - коэффициент гидравлического сопротивления трения канала абсорбера. При ламинарном течении

lc=64/Re.

(2)

где Re=wdв/у; w - скорость потока, м/с; dв - внутренний диаметр абсорбера, м; у - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Течение жидкости является ламинарным при Rе<2000.

Скорость потока определяется соотношением

w:

=G/q^r2,

(3)

где G - массовый расход теплоносителя, кг; q - плотность теплоносителя, кг/м-3; г - внутренний радиус абсорбера, м.

Следует отметить, что равномерная раздача теплоносителя (с точностью +10 %) обеспечивается при А<0,5.

Гидравлическое сопротивление в Па для 2-об-разного коллектора может быть определено:

APz=(1-0,25A2)2/A2,

(4)

для рассматриваемой схемы гелиоколлектора (4) будет иметь вид:

ДР=2(1-0,25А2)2/А2.

(5)

Для 2-образного коллектора отношение скорости движения в каждом отдельно взятом абсорбере к средней скорости теплоносителя в них определяется из соотношения:

wx/wcp=1+0,25 А2-0,5А2х',

(6)

где х'=х/L; х - расстояние, на котором находится входное отверстие абсорбера от начала раздаточного (сборочного) коллектора, м; L - длина раздаточного и сборочного коллекторов, м.

Гидравлическая схема гелиоколлектора змее-викового типа с последовательным подключением ВТТ представлена на рис. 2, Направление движения теплоносителя показано стрелками.

Гидравлическое сопротивление такой схемы гелиоколлектора [5] определяется выражением:

ДР=ДРТр+ДРмс,

(7)

где ДР-ф - гидравлическое сопротивление трения, Па; ДРмс - местные гидравлические сопротивления, Па.

АР =ЛР +АР

ДРтр ДРтр.абс.+ДРтр.соед. :

(8)

где ДРтр.абс. - гидравлическое сопротивление трения в абсорберах, Па; ДРтр.соед. - гидравлическое сопротивление трения соединительных трубок, Па.

ДРтр.абс. n ^Tp.a6c. La6c.w P/2dB]

(9)

где п - количество ВТТ в гелиоколлекторе; Lабс. -длина абсорбера.

Для соединительных трубок формула (8) принимает вид:

ДРтр.соед. n ^тр.соед. -^оед. w r/2dB]

(10)

где п' - количество соединительных трубок; Lсоед. -линейная длина канала соединительной трубки, м; |тр.соед=|тр.абс. - коэффициент сопротивления соединительной трубки.

Местные сопротивления будут иметь место в ^образных соединительных трубках за счет изменения направления движения потока жидкости на 180о.

Величина местных сопротивлений гелиокол-лектора в рассматриваемой схеме определяется соотношением:

ДРмс=П'. |мсР^2/2,

(11)

где |мс - коэффициент местного сопротивления, который может быть определен по справочным данным, предложенным в [7], по таким параметрам

как угол поворота потока жидкости и отношению радиуса кривизны трубок к их внутреннему диаметру. В нашем случае |мс=0,23. Определим гидравлическое сопротивление предложенных схем при использовании в них в качестве теплоносителей воды и масла МС-20, основные параметры которых представлены в табл. 1.

Результаты расчетов сведены в табл. 2 и 3.

Результаты выполненных расчётов, представленные в табл. 2 и 3, показывают, что сопртивление гидравлического тракта гелиоколлектора с ВТТ, выполненного по параллельно-противоточной схеме,

почти в 30 раз меньше чем у гелиоколлектора с последовательным подключением ВТТ.

Таблица 1

Основные параметры теплоносителей

Наименование теплоносителя Темература,оС Расход, кг/с

на входе на выходе

Вода 25 85 0,025

Масло МС-20 80 140 0,015

Таблица 2

Результаты гидравлического расчета параллельно-противоточной схемы_

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Наименование теплоносителя Re A Хабс AP, Па

Вода 205,73 0,2074 0,2835 43,49

Масло МС-20 53,42 0,3250 0,8188 131,15

Таблица 3

Результаты гидравлического расчёта схемы змеевикового типа с последовательным подключением ВТТ

Наименование теплоносителя Re Хабс "V" хмс АРтр,Па АРмс,Па АР,Па

Вода 822,92 0,0790 0,23 1253,20 5,05 1258,25

Масло МС-20 213,68 0,2995 0,23 4189,02 3,24 4192,26

5. Результаты исследования и их обсуждение

Данные результатов исследования свидетельствуют, что гидравлическое сопротивление схемы змеевикового типа с последовательным подключением ВТТ многократно превышает сопротивление параллельно-противоточной схемы. Гидравлические неравномерности в абсорберах ВТТ у последней не будут превышать 10 % от номинала, поскольку величина характеристики коллектора А<0,5 как при использовании воды так и масла в качестве теплоносителя. Таким образом, параллельно-противоточная схема может быть рекомендована для практического применения. Следует отметить, что физико-технические параметры системы Д-фоклин-ВТТ и гелиоколлекторов на их базе, полученные в результате численного моделирования, не противоречат сведениям, приведенным в публикациях, посвященных этой тематике [8-10] и др. Также к достоинствам гелиоколлекторов, выполненных по параллельно-противоточной схеме, можно отнести то, что они более удобны для сборки и технического обслуживания. Кроме того они могут функционировать в случае демонтажа одного из ВТТ, при наличии заглушек на соединительных патрубках.

6. Выводы

Выполненные исследования показывают.

1. Наиболее рациональной гидравлической схемой гелиоколлектора, позволяющей обеспечить его эффективную и надежную работу при минимальных значениях гидравлического сопротивления и не-равномерностей, является параллельно-противоточ-ная схема.

2. Конструктивное устройство гидравличеко-го тракта гелиоколлектора, реализованное на основе параллельно-противоточной схемы в виде комбинации двух последовательно подключенных Ъ -образных коллекторов, обеспечивает высокое значение его энергетического КПД при равномерной тепловой нагрузке каждого абсорбера ВТТ и минимальных энергозатратах на прокачку теплоносителя.

Таким образом, была доказана целесообразность применения данной гидравлической схемы при проектировании гелиоколлекторов, оснащённых линейными концентраторами солнечной радиации на базе ВТТ и других трубчатых теплопри-ёмников.

Литература

1. Хотин, С. Ю. Разработка и исследование концентрирующего коллектора с вакуумированными теплоприёмниками [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / С. Ю. Хотин. - К., 2001. - 185 с.

2. Даффи, Дж. Основы солнечной теплоэнергетики [Текст]: уч.-справ. рук. / Дж. Даффи, У. Бекман. - М.: Интеллект, 2013. - 888 с.

3. Чаховский, В. М. Выбор рабочего теплоносителя двухконтактных схем солнечных энергоустановок [Текст] / В. М. Чаховский, В. А. Пожарнов // Гелиотехника. - 1990. - № 1. - С. 79-81.

4. Бекман, У. Расчет системы солнечного теплоснабжения [Текст] / У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. - М.: Энергоиздат, 1982. - 80 с.

5. Schweiz. Maschinenmarkt Solareiemente zur Warmwasserhersteltung Hohere Leistungs - fahigkeit [Text]. - Solar Energy. - 1988. - Vol. 32, Issue 4. - Р. 218-224.

6. Raducanu, C. Centrale Heliotermoelectrice hibride. Variante energetice [Text] / C. Raducanu, C. Popescu // Energetica. -1989. - Vol. 8. - Р. 354-357.

7. Клименко, А. В. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы [Текст]: справочник / А. В. Клименко,

B. М. Зорин. - М.: МЭИ, 1999. - 528 с.

8. Lazzarin, R. M. Comparative performances of evacuated tubular collectors in dhw heating [Text] / R. M. Lazzarin, L. Schibuola // Advances In Solar Energy Technology. - 1988. - Vol. 1. - P. 778-782. doi: 10.1016/b978-0-08-034315-0.50150-6

9. Perers, B. Comparison of thermal performance for flat plate and evacuated tubular collectors [Text] / B. Perers // Advances In Solar Energy Technology. - 1988. - Vol. 1. - P. 615-619. doi: 10.1016/b978-0-08-034315-0.50118-x

10. Хотин, С. Ю. Вакуумированные трубчатые теплоприёмники [Текст] / С. Ю. Хотин, Р. С. Бабаян,

C. О. Мамедниязов, Л. Б. Беграмбеков. - Ашхабад, 1991. - 4 с.

Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Загребнюк В. I.

Дата надходження рукопису 05.01.2017

Хотин Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия", Одесский национальный морской университет, ул. Мечникова, 34, г. Одесса, Украина, 65029 E-mail: [email protected]

Васильченко Александра Евгеньевна, старший лаборант, кафедра "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия", Одесский национальный морской университет, ул. Мечникова, 34, г. Одесса, Украина, 65029 E-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.