Экспериментальное исследование термосифонной солнечной водонагревательной системы с принудительной циркуляцией
Термосифоны без фитили с гравитационным контуром (LT) широко используются для сбора тепла на расстояниях до нескольких метров. Это двухфазное закрытое устройство, работающее при пониженном давлении, полезно в системах солнечного нагрева воды (SWH), поскольку оно может решить проблему замерзания зимой. По сравнению с обычным типом, НТ с принудительной циркуляцией без фитиля имеют значительные преимущества в передаче тепла на большие расстояния и свободы установки секции конденсации. В этом исследовании была предложена бесфитильная система LT-SWH с принудительным насосом и переформованным плоским солнечным коллектором. Солнечный коллектор действовал как испарительная секция бесфитильного НТ, а спиральный теплообменник в водяном баке действовал как секция конденсации. В качестве рабочей жидкости использовался R600a, проводились длительные эксперименты на открытом воздухе. Результаты показывают, что мгновенная и среднесуточная фототермическая эффективность предлагаемой системы может достигать 69.54% и 58.22% соответственно. Разница температур между верхом и низом, а также серединой и низом испарительной секции бесфитильного НТ была небольшой и обычно составляла от 1.1 до 3.9°С. Линейная арматура коллектора и общая производительность системы без фитильной системы LT-SWH с принудительной подачей насоса демонстрируют многообещающее потенциальное применение системы.
1. Введение
Солнечные системы нагрева воды (SWH) широко применяются как на бытовом, так и на промышленном уровне, и было доказано, что SWH являются легкодоступными технологиями, которые могут напрямую заменить возобновляемые источники энергии для обычного нагрева воды. По типу вовлеченной циркуляции СВН можно разделить на две группы: с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Ожидается, что различные типы циркуляции систем SWH будут доступны и подходят для различных применений [1, 2]. ПТН с принудительной циркуляцией обычно используются в коммерческом и промышленном производстве тепла [3]. Солнечный коллектор имеет большое значение и работает как сердце системы SWH. Наиболее распространенными солнечными технологиями являются вакуумные трубчатые коллекторы в Китае и плоские солнечные коллекторы в остальном мире [4]. Однако для обычного плоского солнечного коллектора возникают проблемы с замерзанием при температуре окружающей среды ниже нуля, а также проблемы с коррозией при высокой температуре воды и отклонении рН от нейтрального уровня [5].
Альтернативными решениями указанных проблем являются петлевые термосифоны (ЛТ) [6], пародинамические термосифоны (ВДТ) [7, 8] и пульсирующие тепловые трубы (ПТТ) [9]. Среди этих устройств теплопередачи LT наиболее ценятся при интеграции с солнечным коллектором из-за простого производственного процесса. LT представляет собой двухфазное закрытое устройство, обеспечивающее альтернативное решение вышеупомянутых проблем. Испарительная и конденсационная секции НТ разделены; таким образом, он может осуществлять эффективную и дистанционную передачу тепла с помощью капиллярной откачки или силы тяжести [10, 11]. Обладает отличными характеристиками теплопередачи благодаря вакуумному уплотнению и теплопередаче с фазовым переходом. Он также имеет отличные изотермические характеристики на основе внутренней двухфазной теплопередачи. LT-SWH интенсивно исследуются в последние десятилетия. В экспериментах Соина и др. [12, 13] изучались фототермические характеристики низкотемпературного солнечного испарителя, заправленного ацетоном и петролейным эфиром. Фототермическая эффективность двухфазного солнечного коллектора составляла всего около 6–11%, что ниже, чем у системы SWH на водной основе. М. Эсен и Х. Эсен [14] исследовали тепловые характеристики низкотемпературного солнечного коллектора при использовании различных рабочих жидкостей. Результаты показали, что все они имели одинаковую максимальную эффективность сбора около 50%. Чиен и др. [15] разработали теоретическую модель, подтвержденную экспериментальными данными; результат показал, что наилучший мгновенный тепловой КПД составил 82%, что выше, чем у обычных систем SWH. Джуди и Аль-таббах [16] также обнаружили, что фототермическая эффективность системы LT-SWH примерно на 20% выше, чем у коллектора на водной основе. Араб и др. [17] использовали пульсирующие тепловые трубы (ПТТ) в системе SWH. Был разработан сверхдлинный PHP, и результаты показали, что конфигурация обеспечивает удовлетворительную производительность. Матиулакис и Белессиотис [18] теоретически и экспериментально представили свои исследования энергетического поведения нового типа солнечного коллектора, в котором используется бесфитильный НТ, заполненный этанолом. Наблюдался мгновенный КПД до 60%. Hussein [19, 20] представил теоретический и экспериментальный анализ плоского солнечного водонагревателя LT. Были исследованы различные метеорологические условия, начальная температура бака с водой, характер нагрузки на забор горячей воды, соотношение объема бака-аккумулятора к площади коллектора, соотношение размеров бака-аккумулятора, высота бака-аккумулятора нагревателя и коллектора. Ордаз-Флорес и др. [21] представили непрямые характеристики системы LT-SWH с использованием ацетона и метанола в качестве рабочих жидкостей. Результаты показали, что средняя экспериментальная фототермическая эффективность в течение дня испытаний составила 48% и 50% соответственно. Чжан и др.. [22] использовали сверхкритический CO2 как рабочая жидкость; была представлена средняя эффективность сбора 58% во время круглогодичных испытаний. Пей и др. [23] сравнили коллектор LT-PV/T и обычный коллектор PV/T с использованием R600a в качестве рабочей жидкости. Результаты показали, что коллектор LT-PV/T имел более высокую эффективность фотоэлектрического преобразования, но более низкую фототермическую эффективность и меньшую разницу температур между элементами коллектора, чем обычный коллектор PV/T. Однако обе системы показали практически одинаковую энергоэффективность. Альбанезе и др. [24] представили солнечную стену с использованием тепловых трубок, и были разработаны экспериментальные и компьютерные модели для оценки производительности системы. Также представлены некоторые исследования с использованием LT в системе BIPV/T. Чжао и др. [25] теоретически исследовали производительность LT-SWH для типичного многоквартирного дома в Пекине. Связь между эффективностью системы и рабочими параметрами была установлена, проанализирована и подробно обсуждена. Ван и др. [26] исследовали новую фасадную систему солнечного низкотемпературного нагрева воды, используя как теоретические, так и экспериментальные методы. Обсуждались различные рабочие параметры и два типа стеклянного покрытия. Экспериментальные и смоделированные результаты хорошо согласовывались.
Двухфазный циркуляционный поток в НТ создается за счет разницы температур с помощью силы тяжести или капиллярной силы. Фитиль, расположенный в испарителе, обычно имеет пористую структуру, что требует сложного и дорогостоящего производственного процесса. Он создает капиллярную силу, возвращающую жидкость обратно в испаритель, и обеспечивает равномерное распределение рабочей жидкости по поверхности теплообмена в испарителе. Однако установка фитилей в медных трубках за плоским солнечным коллектором обходится дорого.
Учитывая, что солнечные коллекторы, как правило, наклонные и устанавливаются, более предпочтительным является безфитильный ТТ с гравитационным приводом из-за его низкой стоимости и простой конструкции. Тем не менее, бесфитильная система LT-SWH не может использоваться, когда резервуар для воды ниже солнечного коллектора, что означает, что ее трудно интегрировать в здания и она не подходит для домашнего использования. Извлекая уроки из SWH на водной основе с активным циклом, насос хладагента можно ввести в систему LT-SWH без фитиля. Хотя система требует дополнительного энергопотребления, резервуар для воды не имеет ограничений по положению, трубы не имеют ограничений по длине, и систему можно легко интегрировать в здания. Однако было проведено несколько экспериментов или испытаний системы LT-SWH без фитиля с принудительной циркуляцией. Бесштифтовой LT-SWH с принудительной циркуляцией является новым, и о поведении системы еще не сообщалось. Поэтому в этом исследовании изначально предлагается прототип новой системы LT-SWH без фитиля с принудительной циркуляцией. Он состоит из насоса хладагента, испарительного солнечного коллектора, резервуара для конденсата, резервуара для хранения испаряющейся жидкости и резервуара для хранения конденсата. Было проведено долгосрочное испытание на открытом воздухе; была изучена производительность системы.
2. Дизайн системы и установка эксперимента
Схема предлагаемой системы показана на рис. 1. Она состоит из солнечного коллектора, выполняющего функцию испарительной секции НТ, резервуара для хранения испаряемой жидкости, резервуара для хранения конденсата, резервуара для воды со спиральным змеевиком, выполняющего функции конденсационной секции. LT, четыре смотровых стекла и насос хладагента. Информация об используемых устройствах и медных трубах подробно представлена в таблице 1. В качестве рабочей жидкости использовался R600a.
Проектирование систем водяного отопления
Расчет самотечных и принудительно-циркуляционных систем водяного отопления.
Гравитационная циркуляционная система отопления
В самотечной системе отопления циркуляция воды происходит за счет разности плотностей горячей воды в подающем трубопроводе и холодной воды в обратном трубопроводе.
Горячая вода имеет тенденцию течь вверх, а холодная вода стремится течь вниз. Поэтому высота линий подачи и возврата важна для правильной работы.
Низкий перепад давления в самотечной системе требует увеличенных размеров труб и клапанов. Самотечная система имеет относительно низкую теплопроизводительность из-за низкой температуры среды в нагревательных элементах.
Самотечная система проста и ограничена для использования в небольших системах водяного отопления.
При перевернутом обратном трубопроводе длина подающего и обратного трубопроводов для всех нагревательных элементов более или менее одинакова. Это облегчает выбор правильного размера трубопровода для сбалансированного потока.
Расширение воды (4.7% от 0 o C до 100 o C) может собираться в открытом расширительном баке над остальной частью системы или внутри закрытого напорного бака рядом с котлом и предохранительными клапанами. В современных системах предпочтение отдается закрытым резервуарам.
Система отопления с принудительной циркуляцией
В принудительных системах циркуляция осуществляется насосами.
Вода циркулирует насосом независимо от температурных сил между горячей и холодной водой. Нет необходимости быть осторожным с высотой трубопровода. Трубы, клапаны и нагревательные элементы, радиаторы и воздухонагреватели могут быть уменьшены в размерах из-за более высокого расхода и более высоких средних температур.
Системы с принудительной циркуляцией, как правило, являются единственной практической альтернативой более крупным системам.
См. также
- Отопление — Системы отопления — мощность и конструкция котлов, трубопроводов, теплообменников, расширительных систем и другое.
Связанные документы
- Централизованное теплоснабжение – температура в сравнении с тепловой мощностью – Температура воды и теплопроизводительность.
- Гравитационная система отопления – Разность плотностей между горячей и холодной водой является циркуляционной силой в само циркулирующей самотечной системе отопления.
- Система циркуляции горячей воды – возвратные трубы – Горячая вода может циркулировать через возвратную трубу, если она немедленно требуется в приборах.
- Температура системы водяного отопления в зависимости от температуры наружного воздуха – Температура нагрева горячей воды адаптируется к температуре наружного воздуха.
- Системы водяного отопления – температура подачи в зависимости от температуры наружного воздуха – Сезонные воздействия на температуру подачи систем водяного отопления.
- Системы водяного отопления – онлайн-заявка на проектирование – Бесплатный онлайн-инструмент для проектирования систем водяного отопления – метрические единицы.
- Системы водяного отопления — онлайн-приложение для проектирования, британские единицы измерения – Онлайн-инструмент для проектирования систем водяного отопления.
- Системы водяного отопления – потери давления в стальных трубах – Номограмма потерь давления для стальных труб горячего водоснабжения.
- Системы водоснабжения — онлайн-заявка на проектирование – Бесплатный онлайн-инструмент для проектирования систем водоснабжения зданий.
Engineering ToolBox — Расширение SketchUp — 3D-моделирование онлайн!
Добавляйте стандартные и настраиваемые параметрические компоненты, такие как балки с полками, пиломатериалы, трубопроводы, лестницы и многое другое, в свою модель Sketchup с помощью Engineering ToolBox — расширения SketchUp, которое можно использовать с потрясающими, веселыми и бесплатными SketchUp Make и SketchUp Pro. Расширение ToolBox для SketchUp из хранилища расширений SketchUp Pro Sketchup!
Конфиденциальность
Мы не собираем информацию от наших пользователей. В нашем архиве сохраняются только электронные письма и ответы. Файлы cookie используются только в браузере для улучшения взаимодействия с пользователем.
Некоторые из наших калькуляторов и приложений позволяют сохранять данные приложений на локальном компьютере. Эти приложения будут — из-за ограничений браузера — отправлять данные между вашим браузером и нашим сервером. Мы не сохраняем эти данные.
Google использует файлы cookie для показа нашей рекламы и обработки статистики посетителей. Пожалуйста, прочитайте Конфиденциальность и условия Google для получения дополнительной информации о том, как вы можете контролировать показ рекламы и собираемую информацию.
AddThis использует файлы cookie для обработки ссылок на социальные сети. Пожалуйста, прочитайте AddThis Privacy для получения дополнительной информации.
Реклама в панели инструментов
Если вы хотите продвигать свои продукты или услуги в Engineering ToolBox — используйте Google Adwords. Вы можете настроить таргетинг на Engineering ToolBox с помощью управляемых мест размещения AdWords.
