Исследование работы гелионагревателя
Цель экспериментальных исследований - определение основных теплоэнергетических характеристик гелионагревателя, состоящего из гелиоколлектора из 50 вакуумированных колб с тепловой трубкой, накопительного бака вместимостью 500 л, циркуляционного насоса и соединительных труб.
Гелиоколлектор установлен на открытой площадке с углом наклона к горизонту 45º. Рабочая поверхность направлена на юг. Выбранное место в течении светового дня не затеняется окружающими предметами.
Все трубы, находящиеся вне помещений, для снижения потерь тепла покрыты теплоизоляцией. Термодатчики устанавливаются к присоединительным местам с применением термопасты.
Серии опытов проводились в период с 10.09.2013 по 11.10.2013 на опытном полигоне ТОО «КазНИИМЭСХ».
Испытания проводились для двух вариантов теплотехнической схемы гелионагревателя.
При проведении опытов №1, №2, №3 и №4 гелиоколлектор был подключен непосредственно к накопительному баку, при опытах №5 и №6 - к нижнему теплообменнику накопительного бака.
Во время опытов измерялись плотность солнечной радиации, начальная температура воды в баке, температура воды в коллекторе в начале и конце процесса нагрева, температура воды в верхней части бойлера в конце процесса нагрева, температура воды в нижней части бойлера в конце процесса нагрева, температура в помещении, температура наружного воздуха, скорость ветра, время и расход электроэнергии на работу насоса.
Опыты проводились в соответствии с методиками, приведенными с ГОСТ Р 51596-2000, ГОСТ Р 54856-2011 и в [19,20].
На рисунках 23-28 показана динамика изменения температур воды в различных точках установки и температуры наружного воздуха в различные дни месяца и время суток.
Экспериментальные данные и результаты расчетов по определению теплоэнергетических параметронов установок приведены в таблице 8.
К.п.д. установки определяется по формуле:
(21)
где Qпол - полезная энергия, затраченная нагрев воды, кВт·ч;
Qсол -солнечная энергия, поступающая на гелиоколлектор;
Wэ - электроэнергия, затраченная на работу насоса, кВт·ч.
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 23 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №1, 10.09.2013, 11:00 - 18:00)
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 24 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №2, 11.09.2013, 09:00 - 18:00)
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 25 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №3, 12.09.2013, 12:30 - 16:56)
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 26 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №4, 23.09.2013, 9:00 - 16:40)
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 27 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №5, 07.10.2013, 10:00 - 17:00)
Тк - температура воды в коллекторе; Тн - температура воды в нижней части бака; Тв - температура воды в верхней части бака;
Тн.в - температура наружного воздуха
Рисунок 28 - Динамика изменения температур воды в различных
точках установки и температуры наружного воздуха (Опыт №6, 10.10.2013 - 11.10.2013)
Таблица 8 - Опытные данные
| Параметры | Опыт №1 | Опыт №2 | Опыт №3 | Опыт №4 | Опыт №5 | Опыт №6 (начало) | Опыт №6 (продолжение) | |
| Дата проведения | 10.09. 2013 | 11.09. 2013 | 12.09. 2013 | 22.09. 2013 | 07.10. 2013 | 10.10. 2013 | 11.10. 2013 | |
| Время нагрева | Начало | 11:00 | 9:00 | 12:30 | 9:00 | 10:00 | 10:00 | 9:00 |
| Конец | 18:00 | 18:00 | 16:56 | 16:40 | 17:00 | 17:00 | 17:00 | |
| Погода | Солнечно | Солнечно | Солнечно | Солнечно | Переменная облачность | Переменная облачность | Переменная облачность | |
| Скорость ветра, м/с | 1,5 | 2,0 | 1,5 | 1,0 | 1,3 | 1,5 | 2,0 | |
| Интенсивность солнечной радиации, Вт/м2 | 0,63 | 0,63, | 0,63 | 0,63 | 0,52 | 0,48 | 0,4 | |
| Температура воды в коллекторе, °С | 53 | 61 | 45 | 58 | 45 | 44,5 | 49,0 | |
| Начальная температура воды в баке,°С | 21 | 22 | 22 | 22 | 21 | 23,5 | 33 | |
| Температура воды в нижней части бака в конце нагрева, °С | 49 | 57 | 41 | 50 | 42 | 41 | 48 | |
| Температура воды в верхней части бака в конце нагрева, °С | 50 | 58 | 43 | 51 | 42 | 41,5 | 48 | |
| Расход электроэнергии на работу насоса, кВт·ч | 0,33 | 0,54 | 0,21 | 0,41 | 0,41 | 0,32 | 0,37 | |
| Полезная энергия, затрачиваемая на нагрев воды, кВт·ч | 16,28 | 20,6 | 9,62 | 16,56 | 12,21 | 10,35 | 8,72 | |
| Солнечная энергия, поступающая на гелиоколлектор, кВт·ч | 22,05 | 28,35 | 13,92 | 24,13 | 18,2 | 16,8 | 16,0 | |
| К.п.д установки | 0,727 | 0,713 | 0,682 | 0,675 | 0,656 | 0,604 | 0,532 | |
| Средняя тепловая мощность, затрачиваемая на нагрев воды, кВт | 2,32 | 2,28 | 2,18 | 2,16 | 1,74 | 1,47 | 1,09 | |
| Удельная теплопроизводитеьность, кДж/м2·ч | 1670,4 | 1641,6 | 1569,6 | 1555,2 | 1252,8 | 1058,4 | 784,8 | |
Причем
, (22)
Eс Sτ, (23)
где св - удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/кг;
m - масса воды в баке, m = 500 кг;
tв.кон -конечная температура воды в бака, ºС;
tв.нач - начальная температура воды в бака, ºС;
Е - Среднедневная плотность потока солнечной радиации на поверхности гелиоколлектора, Вт/м2;
τ - продолжительность нагрева, ч;
S - площадь поверхности гелиоколлектора, S =5м2.
По данным эксперимента №1:
По показанию счетчика электроэнергииWэ=0,33 кВт·ч.
Определяем к.п.д. установки:
Средняя за время нагрева тепловая мощность, затрачиваемая на нагрев воды:
(24)
Удельная теплопроизводительность на 1 м2 площади гелиоколлектора:
(25)
Значения η, Рср, Qуд, определенные по данным других экспериментов, приведены в таблице 8.
К.п.д. гелиоколлектора изменяет свое значение в течение дня и в течение года, в зависимости от температуры коллектора и температуры окружающей среды, а также от величины падающего излучения
Анализ данных показывает, что в сентябре вакуумированный гелиоколлектор с 50 тепловыми трубками и площадью S=5 м2 способен нагреть воду объемом 500 л от 22 ºС до 42 ºС за 4,42 ч, до 50 ºС за 7,0…7,66 ч, и до 57 ºС за 9 ч, при ясной, солнечной погоде и колебании температуры наружного воздуха в пределах 21…35 ºС. При данных степенях нагрева количество полезной энергии составляет 9,62 кВт·ч, 16,56 кВт·ч и 20,6 кВт·ч соответственно, а средняя тепловая мощность на нагрев воды - 2,18 кВт, 2,16 кВт и 2,28 кВт соответственно. Наблюдается постепенное снижение удельной теплопроизводительности от 1670,4 до 1555,2 кДж/м2·ч, и к.п.д. установки от 0,727 до 0,675 по мере приближения конца месяца.
В октябре месяце в результате понижения температуры наружного воздуха и плотности солнечной радиации вода в бойлере нагревалась от 21 ºС до 42 ºС за 7 часов. К.п.д. установки находился в пределах 0,55…0,65.
На рисунке 28 показана динамика изменения температур в течение двух дней. Как видно из рисунка, к 17 часам первого дня температура воды в бойлере поднялась до 41, 2 ºС, а затем началась медленное понижение и к 9 часам утра следующего дня температура стала 33 ºС. В дневное время ее температура поднялась до 48 ºС. В эти дни температура наружного воздуха в дневное время колебалась в пределах 12…18 ºС, а в ночное время она опускалась до 8 ºС. Эти факторы обусловливали сравнительно невысокий степень нагрева во второй день. Средняя мощность колеблется в пределах 1,49…1,09 кВт.
Анализ экспериментальных показывает, что использование дополнительного теплового контура (гелиоколлектор - подающий трубопровод- теплообменник бойлера - обратный трубопровод - гелиоколлектор) приводит к неизбежным потерям, связанным с передачей тепла между средами. Поэтому при температурах выше +15 градусов оно заметно влияет на эффективность вакуумных коллекторов. В этих случаях использование одноконтурной системы нагрева становится целесообразным.
Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 284; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!