В любых климатических условиях появляется необхо­димость в испарительном охлаждении воздуха. Примене­ние открытого абсорбционного цикла обеспечивает новые возможности для создания перспективных систем конди­ционирования воздуха. Схема состоит из осушительной ча­сти и блока испарительного охлаждения.

Эффективное решение указанной задачи заключается в применении тепломассообменного аппарата (ТМА) совме­щенного типа. В пределах одного устройства реализуются сразу несколько процессов, основной и вспомогательный, чем значительно сокращается число ТМА в представлен­ной схеме (рис. 1.56) по сравнению с аналогичными, раз­работанными ранее, где каждый этап технологического процесса последовательно осуществлялся каждый в своем типе аппарата [125].

Рис. 1.56.

Схема альтернативной си­стемы кондиционирования воздуха с гелиосистемой в качестве греющего источ­ника и абсорбером с вну­тренним испарительным охлаждением

1 — непрямой испаритель­

ный охладитель, 2 — наруж­ный воздух, 3 — абсорбер,

4 — десорбер, 5 — испаритель­ная установка; 6 — гелиосисте­ма, 7 — солнечный коллектор,

8 — бак-аккумулятор 9 — до­полнительный греющий источ­ник, 10-12 — регенеративные теплообменники, 13 — подпит­ка водой, 14 — сброс воздуха в атмосферу

Примером такого рационального совмещения основных и вспомогательных процессов в едином ТМА могут слу­жить все основные компоненты схемы: непрямой испари­тельный охладитель НИО 1 в охладительной части альтер­нативной системы кондиционирования воздуха (АСКВ), абсорбер (АБР) 3 и десорбер (ДБР) 4 в осушительной части схемы.

В НИО осуществляется процесс охлаждения основного воздушного потока при неизменном влагосодержании, ре­ализуемый в «сухой» части аппарата. Этот процесс обеспе­чивается испарительным охлаждением воды, рециркули­рующей через каналы «мокрой» части НИО. Охлажденная водяная пленка отводит тепло от основного воздушного потока через тонкую теплопроводную стенку. Оба про­цесса протекают одновременно в одном многоканальном аппарате НИО, но в его чередующихся каналах. Схема контакта потоков воды и воздуха в «мокрой» части НИО — противоточная; основного и вспомогательного воздушных потоков — поперечноточная.

В абсорбере основным является процесс осушения пленкой абсорбента воздушного потока, поступающего в дальнейшем в охладительную часть АСКВ. Во второй ча­сти аппарата вспомогательный воздушный поток, взаимо­действуя с водяной пленкой, обеспечивает отвод теплоты абсорбции от основной рабочей части ТМА.

Десорбер устроен аналогично. Процессы десорбции в нем протекают в регенеративной (восстановительной) ча­сти аппарата при взаимодействии стекающей пленки аб­сорбента (слабый раствор) и воздушного потока, выносяще­го из аппарата влагу, а подвод необходимого для десорбции тепла обеспечивается горячей водой, поступающей во вну­треннюю полость галет [128].

Абсорбер с внутренним испарительным охлаждением, таким образом, четырехпоточный, в нем два воздушных потока — основной и вспомогательный, и два жидкост­ных — рециркулирующие через испарительную часть аб­сорбера вода и абсорбент. НИО и ДБР — трехпоточные ап­параты. Основной и вспомогательный воздушные потоки и вода взаимодействуют в НИО, а в ДБР — восстанавливае­мый абсорбент, воздушный поток и вода. Схема контакта воздушных потоков поперечноточная, в осушительной ча­сти — поперечноточная между воздухом и стекающей плен­кой абсорбента; в охладительной части — противоточная между воздухом и стекающей водяной пленкой.

Поперечноточная схема движения контактирующих потоков обеспечивает удобство взаимной компоновки мно­гочисленных ТМА в едином блоке оборудования, снижая количество необходимых «разворотов» воздушных пото­ков (обеспечивая «линейность» схемы сквозного движения потоков воздуха через ТМА). Это позволяет уменьшить чис­ло вентиляторов в схеме и снизить их энергопотребление.

Аппараты НИО, АБР и ДБР устроены идентично и со­держат теплообменные элементы, размещенные внутри аппарата, так что основной и вспомогательный процес­сы протекают в них одновременно. То есть все основные ТМА данной системы могут быть унифицированы, что обеспечивает единство технологических операций при их изготовлении.

Целесообразным решением при разработке подобных систем является использование источников низкопотен­циальной теплоты и, в первую очередь, солнечной энергии. Применение различного типа гелиосистем для частичного или полного обеспечения требуемого температурного уров­ня регенерации абсорбента в открытом абсорбционном ци­кле позволяет обеспечить непрерывность рабочего цикла.

Применение солнечной энергии в качестве греющего источника требует наличия дополнительного дублирую­щего источника, и его выбор зависит от типа и количества применяемых солнечных коллекторов в гелиосистеме. Та — кои дублирующии источник представляет собой газовый или электрический бойлер. Он периодически подогрева­ет теплоноситель до расчетной температуры регенерации, когда неблагоприятные погодные условия не позволяют обеспечить полную регенерацию абсорбента, используя только на солнечную энергию. Он также может работать непрерывно, если рассчитан на использование в комбина­ции с маломощной гелиосистемой, применяемой для пер­вичного подогрева теплоносителя.

Разработанная инженерная методика альтернативних схем абсорбционной системы кондиционирования воздуха позволяет, варьируя концентрацию абсорбента, параме­тры окружающей среды, соотношение расходов (воздуха и абсорбента в осушительном контуре, основного и вспомо­гательного воздушных потоков, рециркулирующей воды к вспомогательному воздушному потоку), определять па­раметры на выходе из системы и подбирать оптимальный вариант комбинированного греющего источника.

СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ

9.1. СХЕМЫ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Проблемам использования солнечной энергии в систе­мах тепло — и хладоснабжения сельских потребителей по­священа обширная литература [2, 9, 53, 80, 115, 120-123]. Солнечная энергия используется в системах отопления и вентиляции жилых зданий, животноводческих ферм, те­плиц, в системах хладоснабжения и кондиционирования, горячего водоснабжения, в различных технологических процессах.

Как показывают результаты соответствующих расче­тов, удельная годовая теплопроизводительность устано­вок солнечного горячего водоснабжения в климатических условиях России достаточно высока и составляет 500…750 кВт’ч (тепловых) на 1 м2 коллектора при коэффициенте за­мещения нагрузки 0,4…0,6. Для сезонного (только в неот­апливаемый период) солнечного горячего водоснабжения коэффициент замещения нагрузки повышается до 0,8, но удельная теплопроизводительность снижается [124].

Под эгидой ЮНЕСКО принята Всемирная Солнечная Хартия, подписанная главами 160 государств и прави­тельств стран-членов ООН. В рамках этой Хартии преду­сматривается развитие использования как солнечной энер­гии, так и других нетрадиционных источников энергии. В составе проекта предусматривается создание Всемирной солнечной комиссии, Всемирной специализированной
информационной сети, постоянное проведение межрегио­нальных конференций, создание общих программ и учеб­ных средств для подготовки специалистов и т. п.

Для значительной территории России использование солнечной энергии вполне обосновано в экономическом и экологическом отношениях.

Для примера приведем схемы систем гелиоустановок, которые сооружены и эксплуатируются.

На рис. 1.51 изображена двухконтурная схема с зам­кнутым циркуляционным контуром и разомкнутым кон­туром водоразбора.

1 — гелиоприемники; 2 — расширительный бак; 3 — циркуляционный насос гелиосистемы; 4 — бак-аккумулятор горячей воды; 5 — котел газовый отопи­тельный; 6 — в систему ГВС; 7,10 — в систему отопления; 8, 11 — из системы отопления; 9, 12 — из водопровода; 13 — в систему ГВС; 14, 17 — в систему отопления; 15, 18 — из системы отопления; 16,19 — из водопровода

Гелиоустановка предназначена для теплоснабжения двухэтажного четырехквартирного жилого дома. В цирку­ляционный контур системы входят солнечные коллекторы, секционные теплообменники баков-аккумуляторов и цир­куляционный насос типа ЦВЦ. В качестве теплоносителя принят антифриз — водный раствор 45 % — го этиленгликоля. Общая площадь коллекторов составляет 28,8 м2. Экспери­ментальные исследования системы проводились в 1984 г. Результаты испытаний представлены на рис. 1.52 [125].

Рис. 1.52.

Результаты испыта­ний системы солнечно­го теплоснабжения

Эксплуатация установки показала ее работоспособность и эффективность.

Схема гелиоустановки теплоснабжения с долгосрочным аккумулированием теплоты, разработанная в 1990 г. по проекту Госгражданстроя, приведена на рис. 1.53. В уста­новке предусмотрены латунно-алюминиевые солнечные коллекторы, тепловые насосы типов НТ-500М и НТ-1000М. В качестве баков-аккумуляторов используются заглублен­ные в грунт железобетонные резервуары, обвалованные

1 — солнечный коллектор;

2 — сезонный бак-аккумулятор;

3 — бак промежуточных тем­ператур; 4 — бак антифриза; 5 — бак горячего водоснаб­жения; 6 — тепловой насос;

7 — электроводонагреватели;

8 — подогреватель водоводяной;

9 — на горячее водоснабжение; 10, 11 — водопроводная вода; 12- сброс воды

слоем грунта толщиной 1 м над крышкой и под углом 45° к горизонту для размещения солнечных коллекторов.

Несомненный интерес представляют комбинированные системы, использующие несколько типов возобновляемых источников энергии, что позволяет равномерно заполнить график энергопотребления. Такая система, как правило, в технико-экономическом отношении более эффективна.

Анализ различных вариантов комбинированных схем энергосбережения, использующих возобновляемые источ­ники энергии, выполнен в работе [126].

В работе [127] приведен ряд схем теплоснабжения ком­плекса зданий, включающих использование солнечной и гео­термальной энергии. Одна из схем представлена на рис. 1.54.

В схеме предусмотрена установка теплового насо­са мощностью 3 кВт. Максимальная температура воды в конденсаторе равна 55 °С. Экспериментальные исследова­ния показали высокую эффективность установки.

На рис. 1.55 изображена схема гелиоустановки систе­мы теплоснабжения двухквартирного жилого дома, раз­работанная в КиевЗНИИЭП. В схеме предусматривается энергоснабжение потребителя также от ветродвигателя. Южный фасад выполнен в виде стены Тромба для систем пассивного отопления. Система отопления комбинирован­ная — панельно-лучистая напольная с дополнительными настенными отопительными приборами.

1 — солнечный коллектор; 2 — слив в сезонный бак-аккумулятор; 3 — водона­греватель; 4 — электроводонагреватель; 5 — в ванную; 6 — на кухню и в пости — рочную одной квартиры; 7 — из колодца; 8 — стена-коллектор в стене Тромба; 9 — тепловой насос; 10-к ТЕН от ветроагрегата; 11 — насос; 12- компрессор; 13 — сезонный бак-аккумулятор; 14 — ручной насос; 15 — слив антифриза в инвентарную емкость; 16 — отопление одной квартиры; 17 — конвекторы; 18- напольное отопление; 19- отопление второй квартиры

Солнечные коллекторы предназначены не только для обеспечения систем теплоснабжения, но могут также ис­пользоваться в качестве низкопотенциальных источников для производства механической и электрической энергии [104], в тепловых насосах систем кондиционирования [105, 106], в сушильных установках [107, 108], фотоэлектриче­ских и термодинамических преобразователях, производя­щих полезную энергию в виде работы [109] и т. д. Для оцен­ки эффективности таких систем целесообразно обратиться к эксергетическому анализу [110].

Методу определения эксергетической эффективности плоских солнечных тепловых коллекторов посвящены ра­боты [111-114].

Эксергетическая эффективность солнечных коллекто­ров представляет собой меру обратимости тепловых и опти­ческих процессов, происходящих в данном аппарате. В со­ответствии с основными положениями эксергетического анализа эффективность солнечных коллекторов определя­ется отношением плотности потока эксергии теплоносителя Епол в теплоотводящих каналах из лучепоглощающих пане­лей к плотности потока эксергии £пад солнечного излучения, падающего на их лучепоглощающую поверхность, [113]:

— для солнечных коллекторов с жидкостным теплоносителем

В этих формулах приняты обозначения: Gyp, ср — расход теплоносителя через теплоотводящие каналы лучепогло — щающей панели, отнесенный к единице фронтальной по­верхности солнечного коллектора, и его удельная теплоем­кость; Т0 — абсолютная температура окружающей среды; дпоГл — плотность потока суммарной солнечной радиации, поглощенной поверхностью лучепоглощающей панели; Кпр — приведенный на единицу фронтальной поверхности коллектора коэффициент суммарных теплопотерь; Tf BX — абсолютная температура теплоносителя на входе в лучепо — глощающую панель солнечного коллектора; г|т п — коэффи­циент тепловой эффективности лучепоглощающей панели солнечного коллектора.

Удельный поток эксергии суммарной солнечной радиации

ЯПад = Ф<7пад> (1*245)

где ф — коэффициент, который можно определить по ап­проксимационной формуле [113]; дпад — плотность потока энергии суммарного излучения на фронтальной поверхно­сти коллектора

ф = 1 — 2,314Т0. (1.246)

Таким образом, имеем следующие выражения для опре­деления эксергетического КПД:

— плоских солнечных коллекторов для подогрева воды

— плоских солнечных коллекторов для подогрева воздуха, температура которого на входе в коллектор равна температуре окружающей среды,

Л )дт 9пад*

где г]опт — оптический коэффициент светопрозрачного по­крытия корпуса солнечного коллектора; ар — интеграль­ный коэффициент лучепоглощения поверхности поглоща­ющей панели коллектора.

Коэффициент тепловой эффективности Т]тп лучепогло — щающей панели солнечных коллекторов приведен в фор­мулах (1.247) и (1.248). Он зависит от многих факторов и может быть определен расчетным путем, приведенным в работах [9, 65, 115].

Эксергетический баланс и, как следствие, метод опреде­ления эксергетической эффективности плоских солнечных коллекторов изложены в работе [112]. Следует заметить, что в этой работе не учтены все потери эксергии в анали­зируемой системе, в частности, не включены потери эксер­гии от гидравлических сопротивлений при прохождении теплоносителя в трубках коллектора.

Метод эксергетического анализа использован Р. Р. Аве — зовым, чтобы оптимизировать ряд последовательно соеди­ненных между собой плоских солнечных коллекторов для подогрева воды. Автор приходит к следующему выраже-
нию для определения распределения эксергетической эф­фективности коллекторного ряда по его длине

(УрТрСуіоігг_______________

(1-2,31410 47J))gnontx | 7J)

IhLJU. In

т„

где GB = G/B — расход теплоносителя через коллекторный ряд, отнесенный к единице ширины В ряда; Tf(x) — темпера­тура теплоносителя на расстоянии х от входа в коллектор­ный ряд по направлению его движения; Т- температу­ра теплоносителя на входе в коллекторный ряд, где х=0.

Оптимальный показатель ряда последовательно соеди­ненных коллекторов можно определить из условия экстре­мума функции (1.250)

drJdx = 0. (1.251)

Если обозначить через Еп количество эксергии, равное максимальной работе, полученной в обратимом цикле Кар­но, осуществляемом между источником теплоты с темпе­ратурой Т/ср и окружающей средой, то

(1.252)

где qn — поток полезной теплоты, отнесенный к едини­це площади фронтальной поверхности Р^ солнечных коллекторов.

На основании построенных графиков зависимости хкр от Tf(x=Q) и GB автор работы [116] приходит к выводам:

— максимальным значение Еп теплоносителя будет лишь при узких диапазонах изменения его удельного рас­хода (по данным расчета для нагрева воды Gyfl составляет 0,001…0,002 кг/(м2 с); для нагрева воздуха — 0,004…0,007 кг/(м2-с));

— большие значения Gyfl способствуют выработке боль­шого количества низкопотенциальной теплоты и к сниже­нию Еп;

— при Gm < g°°t плотность потока эксергии не зависит от температуры t0 окружающей среды; при (?уд > g°™ с по­вышением t0 снижается Еп.

Необратимые потери эксергии сопровождаются возрас­танием энергии. Поэтому естественным является стрем­ление оценить эксергетические потери по значению роста энтропии AST п в системе [116]:

AST. n (1.253)

1 о

где АЕ = Е — Е ; Е — поверхностная плотность по-

^ т. п ПОД пол7 под г

тока полезной эксергии, подведенная к поверхности луче — поглащающей панели коллектора; Епол — поверхностная плотность потока полезной эксергии, полученной теплоно­сителем, имеющую температуру Tf; Т0 — температура окру­жающей среды.

Для эксергетического анализа аккумулятора теплоты целесообразно использовать понятие внутренней эксергии [117, 118], основанной на положениях неравновесной тер­модинамики [119].

Внутренняя (собственная) эксергия — есть функция со­стояния, которая характеризует максимальную работу, со­вершенную системой за счет своей энергии при обратимом переходе в состояние внутреннего равновесия. Понятие вну­тренней эксергии приобретает общепринятый смысл, ког­да рассматриваются только внешне неравновесные систе­мы, в частности потоки энергоносителя, не находящегося в равновесии с окружающей средой.

Внутренняя эксергия удобна для анализа потерь ра­ботоспособности вследствие необратимости. При этом работу диссипативного характера duex можно выразить феноменологически:

где T — время; 1/д — работа диссипативных сил; х. — термо­динамические внешние силы; JJ — релаксационная состав­ляющая потока; V— объем.

Уравнением (1.254) можно пользоваться для эксерге — тического анализа в тех случаях, когда изменение параме­тров окружающей среды (приемников теплоты или веще­ства) связаны с происходящими в системе процессами, что невозможно сделать при использовании его в традицион­ном понимании.

Пользуясь внутренней эксергией, можно дифференци­ровать потери необратимых процессов (трение, теплопро­водность, диффузия и пр.), а также локализовать их. Вну­тренняя эксергия как общая мера отклонения системы от состояния внутреннего равновесия применима особенно там, где речь идет о так называемой «энергии, накоплен­ной системой», то есть при анализе аккумуляторов тепло­ты. Внутренняя эксергия может служить критерием эво­люции, равновесия и устойчивости термодинамических систем, в том числе при оптимизации этих систем.

Автоматическое регулирование работы гелиосистем по­зволяет повысить точность поддержания технологических параметров, понизить энергетические потери при преоб­разовании лучистой энергии в энергию других видов, сни­зить эксплуатационные расходы.

Решение задачи поддержания требуемых значений тем­ператур на объекте теплопотребления можно представить так [9]:

тіп£[Дїг(т)]2 (1.238)

1=1

при условии

Д*г(т)<Д*норм, (1.239)

где N — число измерений, проведенных за изучаемый временной промежуток Т работы системы (месяц, отопи­тельный сезон, год и т. д.); At — отклонение значения ре­гулируемой температуры в момент времени т(. от заданно­го значения; т — момент времени; Д£норм — нормированное (максимально допустимое) отклонение регулируемой тем­пературы от заданного значения.

Минимум тепловых потерь в системе солнечного тепло­хладоснабжения будет при выполнении условия г

min J [Qn. C0JIH (т) + Qn/rp (т) + Qna (с) + Qn. np (т)] dx, (1.240)

о

где Q_____ — потери энергии при улавливании солнечной

11 .соли

радиации и ее преобразовании в энергию других видов; Qn тр — потери полученной энергии при транспортирова­нии в гелиосистеме; Qn а — потери энергии в аккумуляторе; Qn пр — потери энергии в прочих элементах гелиосистемы.

Экономия топливно-энергетических ресурсов при использовании солнечной энергии определяется из соотношения

где Qcojih(t) — количество энергии, вырабатываемой гелиоу­становкой за время т; фо6щ(т) — суммарное количество энер­гии, вырабатываемое теплоисточниками всех видов за это же время.

Система автоматического управления должна удовлет­ворять требованиям экономичной целесообразности

т

тіп|£у(т)гіт; (1.242)

о

т т

JZCMH(T)dT<JZa(T)dT, (1.243)

о о

где Zy(т) — стоимостная характеристика экологического ущерба от работы поливалентийной системы за время т; ZeoJx) — затраты на эксплуатацию системы, использую­щей солнечную энергию, за время т; £а(т) — затраты на эксплуатацию альтернативного источника теплоты при условии выработки одного и того же количества энергии за одинаковый период времени.

Успех автоматизации гелиосистем в значительной мере определяется выбором степени и объема автоматизации. Немаловажное значение имеет подключение микропроцес­сорной техники в систему автоматического регулирования.

Солнечные системы теплоснабжения, как правило, предусматривают наличие аккумулятора энергии. Когда речь идет о небольших установках индивидуального или фермерского пользования, целесообразно оборудовать гелиоколлектор и аккумулятор теплоты в виде единого агрегата [100].

Солнечный коллектор может быть совмещен с аккуму­лятором энергии из твердых аккумулирующих материа­лов (ТАМ). Схема такой установки показана на рис. 1.48. Теплоносителем служит воздух, который нагревается в коллекторе за счет лучистой энергии Солнца. Из коллек­тора воздух поступает в аккумулятор, конструктивно со­ставляющий одно целое с коллектором. Для повышения эффективности аккумулирования теплоты над аккумуля­тором предусмотрено одно — или двухслойное остекление. Таким образом, солнечный коллектор имеет свое продол­жение над аккумулятором теплоты. Нагретый воздух за­бирается вентилятором и направляется в систему воздуш­ного отопления.

1 — вентилятор; 2 — остекление; 3 — воздушный слой; 4 — теплопоглощающая пластина; 5 — изоляция; 6 — вентиляция вторичного контура; 7 — подача на­гретого воздуха потребителю; 8 — воздушный канал; 9 — аккумулятор; 10 — солнечный коллектор аккумулятора

Солнечный коллектор устанавливается под углом, рав­ным географической широте данной местности. Часть коллектора, которая непосредственно передает солнечное излучение аккумулятору, находится под углом 8… 10° по отношению к горизонтальной поверхности. Площади этих двух элементов солнечного коллектора рекомендуется вы­бирать одинаковыми.

Аккумулятор состоит из гравия или другого твердого гранулированного материала. Размер гранул 30…50 мм. Объем аккумулятора У^, м3, следует принимать равным (0,10…0,15)А, где А — общая площадь солнечного коллек­тора, м2.

Вариант коллектора с водяным аккумулятором пока­зан на рис. 1.49. Теплота солнечного излучения передается через зачерненную металлическую пластину воде, поме­щенной в аккумуляторе. Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду коллектор и аккумулятор покрыва­ются слоем изоляционного материала. Горячая вода может подаваться потребителю либо непосредственно из емкости аккумулятора, либо через теплообменник, размещенный в баке аккумулятора. Емкость аккумулятора можно при­нять равной 0,13…0,18 м3 на 1 м2 площади.

Рис. 1.49.

Коллектор, соединенный с водя­ным аккумулятором:

1 — вода; 2 — теплообменник; 3 — те­плоприемная зачерненная пластина; 4 — воздушный слой; 5 — двухслойное остекление; 6 — насос; 7 — изоляция; 8 — корпус аккумулятора; Р — угол на­клона коллектора

Представляет интерес разработанный В. В. Мойсеенко и С. В. Смирновым [101] бытовой солнечный коллектор, совмещенный с водяным аккумулятором. Аккумулятор
состоит из двух емкостей, одна из которых заполнена хо­лодной водой, другая — подогреваемой до 50…70 °С за счет солнечной энергии. Тем самым обеспечивается естествен­ная циркуляция воды в аккумуляторе. Для коллектора размером 1600×750 мм в каждой емкости помещается по 100 л воды.

Более эффективным является вариант совмещения сол­нечного коллектора с аккумулятором, в котором использу­ются вещества с фазовым переходом.

В работе [102] приведена конструкция теплоэлектроак­кумулятора, в котором в качестве аккумулирующего ма­териала применяются нитраты щелочных металлов. В ка­честве источника энергии могут использоваться солнечное излучение или электронагреватель. Этот аккумулятор (рис. 1.50) состоит из трех секций. Теплоаккумулирующим мате­риалом первой секции служит эвтектическая смесь К, Na, Li/N03 (40%) и карбамида (60%); температура фазового перехода 63 °С, удельная энергия 119 кВт-ч/м3. Вторая секция состоит из смеси К, Na, Li/N03 (30%) и ацетами­да (70 %); температура фазового перехода 48 °С, удельная энергия 103,2 кВт-ч/м3. Третья секция состоит из тепло­аккумулирующего материала К, Na, Li/N03 (40%) и аце­тамида (40 %); температура фазового перехода равна 33 °С, удельная энергия 48,32 кВт-ч/м3.

Рис. 1.50.

Многосекционный аккумулятор с эв­тектическими схемами замещения с солнечным электронагревателем:

1 — остекление; 2 — солнечный коллектор; 3 — металлокерамическая пленка; 4 — те­плопоглощающая пластина; 5 — теплоак­кумулирующий материал (t = 50…60 °С); 6 — теплоаккумулирующий материал (t = 40…50 °С); 7 — теплоаккумулирующий ма­териал (f = 30…40 °С)

Первая секция покрыта слоем стекла и обращена к Солнцу. Теплота солнечного излучения аккумулируется материалами секций и в процессе фазового перехода пере­дается помещению. Для того, чтобы обеспечить постоян­ный обогрев помещения, предусматривается установка масляного электронагревателя, примыкающего к послед­ней, третьей секции. При помощи масляного нагревателя можно компенсировать недостаток поступления тепловой энергии от солнечного излучения.

Таким аккумулятором теплоты может быть заменена часть внешнего ограждения здания, обращенная к югу или юго-западу [103]. Аналогично часть цоколя теплицы мо­жет быть оборудована под аккумулятор теплоты.

Для повышения эффективности аккумулятора реко­мендуется перед первой аккумулирующей секцией уста­навливать солнечный коллектор. При этом повысится эффективность использования солнечного излучения. Те­плопоглощающую пластину рекомендуется покрыть за­черненной металлокерамической пленкой, например Ni-P. В этом случае в дождливый или облачный день через тепло­керамическую пленку пропускается электрический ток, чем обеспечиваются нагрев аккумулирующих сред и пере­дача теплоты в помещение. Подобный солнечный электро­нагреватель, совмещающий в себе несколько функций, не нуждается в дополнительном нагревательном оборудова­нии и дополнительной площади [84].

Следует подчеркнуть, что приведенные варианты ак­кумуляторов, использующих солнечную энергию, могут служить как для теплоснабжения индивидуальных и фер­мерских хозяйств, так и для более крупных потребителей энергии.

Один из путей энергосбережения при передаче и транс­формации тепловых потоков заключается в применении тепловых труб, которые характеризуются рядом преиму­ществ: низким термическим сопротивлением, не требуют дополнительных затрат энергии на передачу теплоносите­ля [89].

В работе [90] для оптимизации тепловых труб вводятся функции

2’nqXx-[klht1X + k2At2(L-X)]x
Tip X(L-X)r2

где f1 — изменение КПД жидкой фазы на единицу длины X; /2 — относительная энергия, выработанная генератором фа­зового перехода; г — радиус тепловой трубы; q — плотность теплового потока; X — участок трубы, куда подводится по­ток солнечной радиации; kv k2 — коэффициенты теплопе­редачи соответственно через участки X и L — X тепловой трубы; Atx = £ж — tH — разность температур жидкости и на­ружного воздуха; At2 = tn — tH разность температур пара и наружного воздуха; L — длина тепловой трубы; т — время; р — плотность; А, — удельная теплота испарения.

Оптимальный тепловой режим при условии 8f2/de = 0 описывается зависимостью

% = 2Ь/а, (1.221)

где ^ = X/L; & = [ft1At1X + ft2At2(L-X)]x; а = 2nrqXi.

Величина £, связана с f2 зависимостью

/2 = (а$-в)/ф$а), (1.222)

где D = npX(L — X).

Надо признать, что, невзирая на ряд существенных преимуществ, тепловые трубы в качестве теплообменных аппаратов не нашли должного применения в сельском хо­зяйстве. Несомненно, что технико-экономически обосно­ванное использование тепловых труб в системе энергоснаб­жения сельского хозяйства окажется весьма эффективным.

Методам расчета и выбора оптимальных параметров те­плообменных аппаратов на тепловых трубах посвящен ряд работ, среди которых следует выделить [91-94]. Заслужи­вает внимания методика теплотехнического расчета тепло­обменников на тепловых трубах, изложенная в работе [95].

При проверечном расчете задают температуру на входе и выходе холодного теплоносителя t10, tl2; расход горячего

И ХОЛОДНОГО теплоносителей Gj и G2; схему движения пото­ков. Требуется определить: поверхность теплообмена в го­рячей и холодной зонах аппарата Fv F2; его эффективность Е; число рядов и количество тепловых труб; характеристи­ки оребрения.

При проверочном расчете известны количество зам­кнутых испарительно-конденсационных контуров, их тип, число рядов, схема движения потоков, Fv F2, tw, t20, Gv G2. Необходимо определить суммарный тепловой поток, зна­чения температур теплоносителя на выходе из теплообмен­ника tln, t2n.

Соотношение для определения температуры насыще­ния в і-й тепловой трубе имеет вид

(1.223)

где tu и t2i — локальные температуры греющего и нагревае­мого теплоносителей; Fu, F2І — поверхности теплообмена в і-й тепловой трубе в зонах нагрева и охлаждения соответ­ственно; oij, апі — коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней сторон тепловой трубы в зоне нагрева; а2, аы — коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней сто­роны тепловой трубы в зоне охлаждения.

Тепловой поток, передаваемый через і-ю тепловую тру­бу, определяется из соотношения

Qi = Iі ~ . (1.225)

Ац Аїі

Если принять обозначение

‘ 1 1

—— +

Аі у

где Кы имеет смысл коэффициента теплопередачи, отнесен­ного к одной тепловой трубе, то уравнение (1.225) можно записать следующим образом:

Закон распределения температуры насыщения по ря­дам тепловой трубы имеет вид:

tsi = {*10 Iі — еХР(- тКш 0 +

+ [ 1 + (W2 /Wl) exp (-тКаі і)] + t2о [(W2/Wl)e^p(-mK3i і) + (1.228)

+ z, [(W2 jWx)exp(-тКві і)] } [(1 + W2/Wx )(2l + l)]’1

где Wl = GjCpl; W2 =G2cp2; m = —— + —— ; Gx и cpl — рас­ход И удельная (j1cpl (-*2Cp2

изобарная теплоемкость греющего теплоносителя; G2 и ср2 — расход и удельная изобарная теплоемкость нагревае­мого теплоносителя.

Уравнение (1.225) справедливо при постоянстве значе­ний т, Kgi, Wv W2 и z.. Такое предположение вполне допу­стимо для незначительных перепадов температур, что, как правило, характерно для процессов теплообмена, имеющих место в сельскохозяйственных технических устройствах.

Рассмотрим задачу оптимизации теплообменных аппа­ратов с тепловыми трубами.

Эффективность таких аппаратов в значительной степе­ни зависит не только от внешних условий теплообмена, но и от параметров тепловых труб, используемых в них.

Выбору оптимальных параметров должно предшество­вать определение целевой функции. При этом основными являются требования обеспечения минимума материаль­ных затрат и энергопотребления, или, в общем случае,
рентабельность приведенных затрат. Задача заключается в том, чтобы добиться минимальной массы, приходящей­ся на единицу передаваемой теплоты m/Q и минимальных удельных затрат N/Q на прокачку теплоносителя.

С увеличением расхода теплоносителя возрастает ко­эффициент теплопередачи. Вместе с тем, возрастание расхода теплоносителя повышает необходимую мощ­ность для его прокачки. Следовательно, существует рас­ход теплоносителя, при котором достигается минимум энергопотребления.

Обоснованный выбор основных параметров теплооб­менных аппаратов на тепловых трубах требует постановки и решения соответствующей оптимизационной задачи, т. е. определения минимума комплексной функции вида [95]

(1.229)

где z — целевая функция; т — масса теплообменного ап­парата; У; — скорость движения теплоносителя; Сг, С2 — ко­эффициенты, позволяющие согласовать z с конкретным значением соответствующего критерия оптимальности. Например, если рассматривать Z, как некоторую эквива­лентную массу, то С1 = 1, а С2 — эквивалент энергозатрат на прокачивание; Ар — перепад давлений; цг — КПД; игАр/тіг — энергозатраты на прокачивание теплоносителя і.

Масса теплообменного аппарата с тепловыми трубами пропорциональна поверхности теплообмена:

(1.230)

где С3 — коэффициент, учитывающий увеличение массы те­плообменного аппарата с тепловыми трубами за счет кор­пуса, обвязки и внутрикорпусных деталей (в первом при­ближении определяется по справочным данным [93]); 8ті и рті, 8орі и рорі — толщина и плотность материала стенки

и оребрения соответственно; F0ViIFt — коэффициент оребре — ния в соответствующей зоне аппарата.

Полученную поверхность теплообмена аппарата с те­пловыми трубами можно рассчитать из известного инте­грального соотношения

f = £з=—

Н ЬА Т

При этом следует учитывать особенности в определении коэффициента теплопередачи [96]:

где F., Fv F2 — внешние поверхности тепловых труб в со­ответствующих зонах; cl — коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности тепловых труб в соответствующей зоне; FiB — внутренняя поверхность тепловых труб в со­ответствующей зоне; olb — коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности тепловых труб соответствующей зоне; d — внешний диаметр тепловых труб; А, м — теплопро­водность материала стенки.

Обобщая вышеприведенное, можем рассматривать функционал z как вектор пространства состояния системы

где St — живое сечение в соответствующей зоне. В форму­ле (1.234) F2/F1, kt, St, щ, FopijFt являются переменными функциями и независимыми параметрами х] уравнения теплообменного аппарата с тепловыми трубами. Тогда ре­шением конкретной задачи оптимизации следует считать
такое значение Х} , при котором для остальных элементов множества cij <Xt <Ц выполняется неравенство

z(x] )>г(Щ). (1.235)

Отсюда следует

г = г(Щ)^> minZ(xT). (1.236)

Qj ^ Xj ^ bj

В результате приходим к известной задаче нелинейного программирования:

£=0. (1.237)

дХ;

которая решается численными методами (Лагран­жа-Понтрягина, Гамильтона-Якоби-Веллмана и др.) [97].

Принцип максимума Понтрягина относится к зада­че оптимального управления. Наиболее полное решение этой задачи получено для линейных систем, где соотноше­ния принципа максимума Понтрягина часто выступают не только как необходимое, но и как достаточное условие оптимальности [98]. Принцип максимума Понтрягина по­лучил многочисленные обобщения в различных сложных задачах.

Теория Гамильтона-Якоби относится к вариационному исчислению, в котором нахождение экстремума функций сводится к интегрированию уравнения с частными произ­водными первого порядка [99].

Один из путей повышения эффективности солнечных установок заключается в использовании электрогелиона­гревателей (ЭГН), концепцию которых разработал акаде­мик Л. С. Герасимович [87].

Пленочные низкотемпературные нагреватели имеют ряд преимуществ. Их совмещение с технологическим обо­рудованием снижает общую стоимость и тепловую инер­ционность электронагревательного прибора, равномер­ность температурного поля на контактной поверхности теплообмена с термо лабильными элементами. Они могут использоваться качестве электронагревателей жидко­стей на фермах молодняка животных и в птицеводческих помещениях.

Технология изготовления пленочных электронагрева­телей (ПЭН) следующая: формирование корпуса; подготов­ка его к эмалированию; многослойное эмалирование; при­готовление в требуемом виде и дозирование ингредиентов, тщательное перемешивание, нанесение, сушка и термооб­работка; промежуточный контроль качества изоляции и сопротивления ПЭН; металлизация контактных элемен­тов; нанесение, сушка и обработка герметизирующего по­крытия; сборка и монтаж; испытание в рабочем режиме и технический контроль.

Для химически осажденного покрытия коэффициент термического расширения в интервале 20…2000 С равняет­ся 1,3*10-3 град-1, а для шликерного резистивного покры­тия 0,71*10-3град-1.

На основе указанной концепции была разработана кон­струкция солнечного коллектора, в котором теплоносите­лями являются стеклянные трубы с пленочным электро­проводящим покрытием [88].

Электрогелионагреватель может работать в трех режимах.

1. Солнечный режим работы ЭГН: солнечные лучи по­глощаются верхней частью резистивного покрытия и пере­даются теплоносителю.

2. Электрический режим: электрический ток, про­текая по поверхностно распределенному резистивному элементу, нагревает его. Полученная теплота передается теплоносителю.

3. Комбинированный режим: одновременно происходят процессы, описанные в первых двух режимах работы ЭГН.

Уравнение баланса энергии запишем для комбиниро­ванного режима работы электрогелионагревателей, по­скольку он учитывает и солнечный, и электрический ре­жимы. Один из них может быть получен «выключением» другого.

Для верхней части теплоприемной трубы

Чр+Чщ = Чщ +?Пі* (1.204)

Запишем выражения для определения каждого члена уравнения [88].

Линейный тепловой поток солнечных лучей, Вт/м, на теплопроводную трубу

др = тап£П1, (1.205)

где т — коэффициент пропускания прозрачной оболочки; ап — коэффициент поглощения резистивного покрытия;

Е — интенсивность солнечной радиации, Вт/м2; П1 — шири­на верхней части теплоприемной трубы, м.

ТТ ос» о о

Линеиныи тепловой поток от верхней части теплопри­емника при подключении к источнику напряжения

qHl =lR, fL, (1.206)

где 1г — сила тока на верхней части теплоприемника, А; іїх — электрическое сопротивление верхней части покры­тия, Ом:

Ri =1ї0(1 + (хТтіДі), (1.207)

где Rq — электрическое сопротивление покрытия при t = 0 °С:

Д0 = PoL/nv (1.208)

где р0 — удельное поверхностное сопротивление; ат — термический коэффициент сопротивления, град-1; tHi — температура покрытия на верхней части теплоприемника, °С’, L — длина теплоприемной трубы с резистивным покры­тием, м; П1 — ширина верхней части покрытия, м. Учитывая, что

где 12 — сила тока на нижней части теплоприемника, А; П2 — ширина нижней части покрытия, м; tHi — температура ниж­ней части покрытия, °С.

Линейные тепловые потери от верхней части теплопри­емника в окружающую среду

?пх =^і, Пі(іСря1 — ^о)» (1.212)

где UL — полный коэффициент потерь от верхней части теплоприемника в окружающую среду, Вт/(м2-К); fcpJ? i — среднее интегральное значение температуры покрытия на верхней части теплоприемника, °С; tQ — температура окру­жающей среды, °С.

Линеиныи тепловой поток, передаваемый от верхней части теплоприемника к теплоносителю через стенки сте­клянной трубы:

<7 ^ — О’ t1’213*

где k — коэффициент теплопередачи от резистивного по­крытия к нагреваемой среде, Вт/(м2 К); іж — температура нагреваемой среды (жидкости), °С.

Аналогично определяется теплота, передаваемая от нижней части теплоприемника к нагреваемой среде:

4v2 =&П2(ін2 — іж)ш (1.214)

Линейные тепловые потоки от Солнца и электронагре­вателя, передаваемые теплоносителю в трубе,

4v = 4v1 + ?г2 • (1.215)

Определим тепловой КПД электронагревателя при раз­личных режимах:

— комбинированный нагрев

л=———- ^———— ; (1-216)

?пад + Я. Щ + Чн2

— нагрев только от Солнца

л=дг/?пад; (1.217)

— нагрев только от электричества

(1.218)

На базе ЭГН была изготовлена водонагревательная уста­новка, которая включала в себя: ЭГН, бак-аккумулятор, циркуляционный насос, трубопроводы и измерительную аппаратуру. Установка была смонтирована в Крыму. Про­изводственные испытания свидетельствуют о технологиче­ской пригодности и удобстве эксплуатации предлагаемой системы горячего водоснабжения за счет энергии солнеч­ного излучения.

Совмещение в одном элементе солнечного коллектора и резервного источника теплоты целесообразно также в ва — куумированных гелиоколлекторах, что уменьшает габа­ритные размеры системы и делает ее удобной в управлении. Следует подчеркнуть, что электрогелиоколлекторы могут быть использованы в дни, когда из-за сильной облачности или дождя эффективность работы солнечных систем ото­пления существенно уменьшается.

В обычных (неселективных) коллекторах трудно обе­спечить температуру воды, превышающую 60° С. Кроме того, при температурах свыше 60° С значительны тепловые потери вследствие излучения с тепловоспринимающей по­верхности. Существенно снизить эту составляющую потерь и повысить тем самым эффективность коллектора можно нанесением на его тепловоспринимающую поверхность по­глощающих покрытий, обладающих селективными опти­ческими свойствами.

Важной характеристикой селективного покрытия яв­ляется отношение поглощательной способности погло­щающей панели относительно солнечного излучения ая к степени черноты є в области длин волн собственного те­плового излучения. Наибольшее значение ая/є удается получить с помощью многослойных интерференционных покрытий, создаваемых нанесением на предварительно от­полированную поверхность коллектора тонких диэлектри­ческих и металлических пленок в высоком вакууме. Один из самых подходящих методов получения селективных по­крытий заключается в создании покрытий «черный хром» и «черный никель», обладающих хорошими оптическими характеристиками.

Эффективность работы коллекторов можно повысить с помощью так называемых сотовых структур. Они состоят из ячеек, которые в плане имеют форму квадрата, прямоу­гольника или шестиугольника.

Результаты экспериментальных исследований показа­ли, что применение сотовых структур дает эффект при тол­щине стенок ячеек 0,5 мм и менее [9]. При толщине 5 = 0,11 мм КПД коллектора повышается на 31 %.

Для того, чтобы снизить конвективные потери из кол­лектора в окружающую среду, авторы [86] предложили заполнить пространство между поглощающей поверхно­стью и прозрачным покрытием инертным газом — ксеноном или аргоном. При этом КПД повышается на 4…8%, однако сложно обеспечить длительное сохранение в коллекторе инертного газа, поэтому этот способ не нашел практическо­го применения.

В основу работы солнечного коллектора с черным те­плоносителем положено объемное поглощение солнечной радиации черной жидкостью. Тщательно выполненные исследования [84] показали, что абсолютный КПД си­стемы со стеклянной трубкой и черным теплоносителем в среднем на 5% выше, чем КПД системы с зачерненной медной трубкой, а общее количество поглощенной энер­гии для системы с черным теплоносителем выше на 14%. Оптимальная концентрация красителя — 4,0 мл на 1 л воды.

Для полного исключения взаимного затенения опоры коллекторов следует размещать в шахматном порядке с меридиональными осями. Для систем сезонного действия расстояние между опорами по оси рекомендуется устанав­ливать 1,2 высоты Н опоры, а расстояние между осями
2,5Н. Для круглогодичных режимов работы коллекторов эти расстояние такие: по оси 2,14Н, между осями 2,5Н.

Количество поглощенной коллектором солнечной ра­диации может быть повышено на 30-35% его поворотом в азимутальном направлении. Для средней полосы России достаточно производить поворот коллекторов 3-5 раз в сутки.

Эффективного уменьшения тепловых потерь можно до­стичь при совместном применении селективного покрытия поверхности приемника и глубокого вакуума в замкнутом пространстве, где помещен приемник тепла. При вакууми­ровании внутреннего пространства оболочки до давления р < 10-1 Па перенос теплоты конвекцией становится пре­небрежимо малым и может не учитываться. Вакуумиро — ванные коллекторы имеют высокую стоимость, они не пер­спективны для эксплуатации в сельском хозяйстве.

Для отвода теплоты от коллекторов используют также тепловые трубы. Благодаря высокой передаче теплоты те­пловыми трубами вопрос совмещения последних с солнеч­ными коллекторами становится актуальным.

На практике применяются также коллекторы, в кото­рых для увеличения интенсивности поступающей солнеч­ной энергии между источником и приемником изучения установлено оптическое устройство — концентратор. Бла­годаря концентраторам (рефракторным и рефлекторным) увеличивается плотность лучистого потока, падающего на приемник, по сравнению с плоским коллектором такой же площади.

Характеристики концентраторов, применяемых в си­стемах солнечного теплоснабжения, подробно анализиру­ются в [9, 85], поэтому в настоящей монографии этот во­прос не рассматривается.

В солнечном коллекторе вместо однофазного теплоно­сителя или воздуха может использоваться низкокипящий теплоноситель. Циркулировать кипящий теплоноситель может либо при помощи насоса, либо за счет термосифон­ного эффекта. В последнем случае конденсатор должен рас­полагаться выше коллектора.

Коллекторы с кипящим теплоносителем имеют ряд преимуществ: более высокие коэффициенты теплоотдачи, улучшение характеристик переходных процессов при из­менении метеорологических параметров.

Солнечным коллекторам с кипящим теплоносителем присущи и недостатки. Чтобы предотвратить замерзание, конденсатор термосифонной системы должен быть рас­положен внутри отапливаемого помещения. Стоимость теплоносителя достаточно велика. Нежелательна утеч­ка органической многофазной жидкости в окружающее пространство.

В качестве теплоносителя используется антифризы, хладагенты R-ll (CFC13), R-114 (C2F4C1).

Экспериментальные исследования при использова­нии хладагента R-11 показали, что КПД коллектора с кипящим теплоносителем на 6% выше КПД коллектора с однофазным жидким теплоносителем. Аналогичные ре­зультаты получены в системах горячего водоснабжения, использующих коллекторы кипящего типа с хладагента­ми R-11 и R-114 в качестве теплоносителя [82]. Исследо­вания коллектора с хладагентом R-11 показали также, что КПД этого коллектора сильно зависит от интенсивности

солнечной радиации и параметра (Гкон — Гкол)/5, где Гкон и г0л _ температура на входе в конденсатор и коллектор, К; S — интенсивность солнечной радиации, Вт/м2.

Схема установки с коллектором с кипящим теплоно­сителем показана на рис. 1.47. В установке используются плоский коллектор и конденсатор со змеевиковым теплооб­менником. В первом контуре циркулирует хладагент R-11, во втором между конденсатором и баком-аккумулятором циркулирует вода. Вспомогательный бак служит дублером и предназначен для обеспечения подачи воды потребителю при установленном значении температуры. Термосифон­ный процесс будет продолжаться, пока температура в кон­денсаторе ниже температуры насыщения поступающего в него пара теплоносителя первого контура.

1 — коллектор; 2 — конденсатор; 3 — насос; 4 — бак-подогреватель; 5 — вспомо­гательный бак; 6 — смешивающий вентиль; 7 — вода для восполнения бака

Математическая модель для расчета коллекторов кипя­щего типа приведена в работе [83]. В основу моделирования процессов теплопередачи в плоском коллекторе с кипящим теплоносителем положен метод, разработанный для расче­та коллектора с однофазным жидким теплоносителем. При этом предполагается, что хладагент кипит при постоянном давлении и, следовательно, при постоянной температуре.

Температура в конденсаторе определяется следующим выражением:

где Ткон, Ткип — температура конденсации и кипения тепло­носителя; R — газовая постоянная; аж — коэффициент те­плоотдачи жидкости; ркоз, ркип ~ давление соответственно в конденсаторе и на выходе из коллектора.

Исследования зависимости месячного значения исполь­зованной доли солнечной радиации от площади солнечного коллектора показали, что коллектор с кипящим теплоно­сителем имеет более высокие показатели [82].