CC BY
54
К ВЫБОРУ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ПЛОСКОГО ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА
ВИ. ЧАЩИНОВ, АИ. КУПРЕЕНКО, Х.М. ИСАЕВ, Е.М. БАЙДАКОВ, О.В. ДЬЯЧЕНКО
ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»
Предложена математическая модель обоснования выбора теплоизоляции плоского гелиоколлектора.
Плоские гелиоколлекторы являются наиболее распространенными устройствами для получения низкопотенциальной теплоты на базе солнечной энергии. Эффективность коллектора солнечной энергии (КСЭ) при прочих равных условиях в существенной степени зависит от свойств ограждения и тепловоспринимающей поверхности. При этом задача выбора параметров ограждения, в том числе теплоизоляции корпуса может быть сформулирована как оптимизационная.
При оценке возможных вариантов теплоизоляции корпуса КСЭ (коллектора солнечной энергии) целесообразно использовать экономические критерии. При выборе целевой функции для оптимизации параметров теплоизоляции КСЭ следует учитывать условия работы гелиоустановки. Как правило, гелиоустановки для получения низкопотенциальной теплоты используются в сравнительно теплое время года - с апреля по октябрь. Необходимо также принимать во внимание стоимость единицы тепловой энергии, получаемой от традиционных источников на месте использования гелиоустановки.
С учетом выше изложенного, целевая функция может быть представлена в виде:
(1)
где цтэ - стоимость единицы замещаемой тепловой энергии на месте установки гелиоколлектора, руб./кДж; 0пост - количество поступившей через светопрозрачное покрытие и
уловленной КСЭ солнечной радиации, кДж; 0пот - потери теплоты через теплоизоляцию корпуса, кДж; Ер - расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений; Цти - стоимость теплоизоляции корпуса КСЭ, руб.
Расчет величин, входящих в первое слагаемое формулы (1), целесообразно производить за сезон работы КСЭ по среднемесячной облученности, приходящейся на 1 м площади коллектора. В качестве расчетного коэффициента эффективности капиталовложений можно принять нормативное его значение Ер = Ен. Стоимость теплоизоляции также следует привести к 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности.
Если абстрагироваться от задачи выбора свегопрозрачного ограждения и самой тепловоспринимающей поверхности, то целевую функцию для решения задачи оптимизации теплоизоляции корпуса КСЭ можно представить в виде:
(2)
Наибольшую трудность в определении составляющих целевой функции (2) представляет расчет потерь теплоты через теплоизолированный корпус коллектора. При расчете этих потерь принимаем следующие допущения:
• расчет ведём в предположении стационарного режима теплопередачи;
в качестве расчетных режимов установки принимаем среднесуточный среднемесячный режим облучённости;
• при расчете считаем, что в замкнутом объеме коллектора температура внутренней стенки корпуса равна средней температуре тепловоспринимающей поверхности;
• расчет ведем помесячно за весь сезон работы установки.
При расчете потерь теплоты используем основное уравнение теплопередачи, в соответствии с которым
(3)
где Рпотг - потери теплоты в течение ¡-го месяца, кДж;
^р - расчетная площадь поверхности теплопередачи, приведенная к 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности, м2;
К[ -расчетный коэффициент теплопередачи в ¡-ом месяце, Вт/м2*К; Д■tpi -расчетный температурный напор в ¡-ом месяце, К;
Т/ - среднесуточное число часов активной работы гелиоколлектора в /-ом
месяце, ч/сутки; т - число дней в /-ом месяце;
п - количество месяцев работы гелиоустановки за год.
При определении расчетной площади поверхности теплопередачи, приведенной к 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности, будем исходить из предположения, что коллектор имеет квадратную форму, и расчетной поверхностью будет поверхность на уровне половины толщины теплоизоляции (рис. 1). При принятых допущениях получим
Таким образом, расчетная площадь поверхности теплопередачи, приведенная к 1 м площади тепловоспринимающей поверхности может быть выражена как функция
толщины изоляции корпуса коллектора 5
(4.4)
Рис. 1. Определение расчетной площади теплопередачи
Условные обозначения: 1 - светопрозрачное покрытие; 2 - теплоизоляция; 3 - корпус; 4 - тепловоспринимающая поверхность; 5 - каналы для теплоносителя.
Если считать, что внутренняя поверхность корпуса имеет температуру равную температуре тепловоспринимающей поверхности, то коэффициент теплопередачи может быть найден по формуле
(4.5)
где и - толщина слоя изоляции, м;
А
и - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м •К;
к - толщина корпуса, м;
А
- коэффициент теплопроводности материала корпуса, Вт/м •К; аН1 - коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности в условиях г -го месяца, Вт/м •К.
Значение коэффициента теплоотдачи зависит от многих факторов и в расчетах его можно принять в соответствие со СНИП для ограждений зданий. Термическим сопротивлением самого корпуса можно пренебречь, ввиду его малости по сравнению с термическим сопротивлением теплоизоляции. Тогда коэффициент теплопередачи можно считать одинаковым для любого месяца и находить его по формуле
(4.6)
При этом аг =23 Вт/м2 •К (СНиП- II -3 - 79).
Расчетная величина температурного напора при принятых допущениях находится как разность температуры тепловоспринимающей поверхности и температуры наружного воздуха.
В свою очередь, температура тепловоспринимающей поверхности зависит от интенсивности солнечного излучения в плоскости коллектора, расхода теплоносителя и значения его температуры на входе в коллектор. При расчетах по среднесуточной месячной облученности расчетную температуру тепловоспринимающей поверхности можно представить как функцию количества поступившей через светопрозрачное покрытие и уловленной КСЭ солнечной радиации Рпост , то есть
(8)
Значение расчетной температуры наружного воздуха необходимо принимать по ее среднему значению за период активной работы гелиоколлектора и можно представить как функцию среднемесячной температуры и среднемесячного поступления солнечной радиации в плоскость коллектора, то есть
(9)
Количество часов активной работы гелиоколлектора в течение суток можно принять в зависимости от средней продолжительности дня для соответствующего месяца
где а = 0,7.. .0,8.
Стоимость единицы тепловой энергии следует определять с учетом места расположения установки, и вида замещаемых традиционных источников энергии.
Расчеты следует проводить для различных видов теплоизоляции, удельную стоимость которых принимается по прейскуранту. Объем теплоизоляции, приходящийся на 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности, как следует из рис. 1, составляет
Стоимость теплоизоляции корпуса КСЭ - Цти, приведенная к 1 м2 площади тепловоспринимающей поверхности может быть найдена по формуле
Ци = Си Ри Уи, (10)
где Си - стоимость 1 кг теплоизоляции, руб./кг; ри - плотность теплоизоляции, кг/м .
В ходе расчетов для каждого вида теплоизоляции варьируется толщина изоляции и ее оптимальное значение принимается по минимуму целевой функции (2).
Для практических расчетов необходимо установить конкретный вид функций (8) и (9), что требует дополнительных исследований.
CONSIDERING OF THERMAL INSULATION CHOICE OF FLAT HELIO
COLLECTOR
V I. CHASCHINOV, A.I. KUPREENKO, H.M. ISAEV, E.M. BAIDAKOV, O.V.
DYACHENKO
The Bryansk State Agricultural Academy SUMMARY
The mathematical model proving the choice the thermal insulation of flat helio collector was submitted.
