CC BY
12
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_
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: enhelios@ukr.net
Васильченко Александра Евгеньевна, старший лаборант, кафедра "Безопасность жизнедеятельности, экология и химия", Одесский национальный морской университет, ул. Мечникова, 34, г. Одесса, Украина, 65029 E-mail: alexa.od@mail.ru
