Своїми руками Солнечный коллектор своими руками - подробная инструкция

Теперь поговорим о каскадных системах более подробно.
Производство, технологические процессы разбиваются на части.
Делается это в основном по одной причине.
Чрезвычайно сложно, а в подавляющем случае и невозможно, например
построить двигатель внутреннего сгорания, чтобы он работал на всех режимах,
на разных топливах с максимальным кпд. Это относится и к технологическим
процессам и во многих других областях.
Берем такой пример - многомоторный самолет.
Научились строить крупногабаритные и тяжелые самолеты, а двигателисты
отстали и мощности 2-х двигателей не хватает.
Поставили еще 2 двигателя и задача была решена.
Это ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ЧЕТЫРЕХ ДВИГАТЕЛЕЙ.
Есть один очень ВАЖНЫЙ МОМЕНТ и прошу на него обратить особое внимание.
Двигатели однотипные, режимы работы у всех одинаковые.
Их можно менять местами, условия работы не поменяются и летные
характеристики самолета тоже не поменяются.
То же самое относится и к цилиндрам поршневых двигателей и даже
гребцам на галерах. Поменяй местами гребцов, картина не изменится.
Во всех случаях это параллельная схема.
Возьмем железнодорожный состав, вагоны соединены последовательно.
А их перестановка не влияет на работу всего состава.
По принципу работы это параллельная схема.
.............................................................................
Теперь КАСКАДНАЯ СХЕМА.
В качестве примера берем тот же авиационный турбореактивный двигатель.
В нем есть многоступенчатый осевой компрессор.
Это классическая каскадная схема.
Как работает такой компрессор на расчетном режиме.
ПЕРВЯ ступень сжимает набегающий воздух с 1-й до 2-х атмосфер.
Повышаются и давление и температура.
ВТОРАЯ СТУПЕНЬ тоже сжимает воздух, но.
Она имеет другую конструкцию, другие лопатки, другие направляющие
лопатки, другой диапазон давлений и температур воздуха.
На входе уже 2 атм. а на выходе 3.
Вторая ступень спроектирована так, чтобы иметь максимальный кпд
в этом диапазоне давлений, температур и расхода воздуха.
Дальше 3-я ступень, 4-я и т.д.
.........................................................................................
Поменять местами ступени нельзя, сразу резко упадут кпд обеих
ступеней и даже всех остальных.
----------------------------------------------------------------------------------
То же самое относится и к каскадным системам из СК.
На каждый каскад должна быть своя конструкция с оптимальными
техническими характеристиками для заданных условий работы.
...................................................................................................
Грубая ошибка проектировать и строить каскадную систему из одинаковых СК
и без полного набора исходных данных.
Возможны только исключения.
Дальше будет.

 

Продолжаем тему.
Живу в поселке прилегающем к городской черте.
Насесления 2000 человек, 400 частных домов есть и несколько многоэтажных.
Интересуюсь покупал ли кто нибудь СК промышленного производства для себя.
Пока не нашел никого!
Все говорят, а зачем?- есть самодельный душ (плоский бак или бочка) и он полностью
обеспечивает теплой водой в летний период.
Констатирую, то что предлагает торговля спросом не пользуется, а о каскадных
системах для частников можно и не вспоминать. Народ по собственному опыту и
интуитивно не хочет тратить деньги на СК из торговли. Решают проблему самостоятельно.
..........................................................
Теперь посмотрим какая ситуация на форуме.
Народ собрался инициативный. Все видят, летом вода даже в тазике нагревается,
становится теплой и пригодна для купания. Лист железа разогревается так, что
можно обжечься. Предлагается масса идей как простыми и дешевыми способами
греть воду.
В любых емкостях, батареях, шлангах, каналах полистирола, пластиковых
бутылках, использование зеркальных концентраторов и т.д. Народ интуитивно
часто предлагает двухкаскадные системы - это максимально дешевый СК для
предварительного нагрева воды, а затем хранения ее в бойлере и ,если нужно,
дальнейшого нагрева электричеством.
Но вот проблема, как выбрать самый дешевый и эффективный вариант.
И каждый решает проблему самостоятельно методом проб и ошибок.
А это очень неэффективный и затратный метод.
...............................................................................
Небольшое отступление.
Я прошел этот путь, но имел уже хорошую теоретическую подготовку
в области теплофизики.
Эксплуатирую две системы для нагрева воды в теплый период года
уже 50 лет.
Одна система двухкаскадная-самая удачная.
Вторая трехкаскадная, из б/у батарей Аккордов- средняя, но характеристики
знал уже и до изготовления.
Суммарная площадь 5 м2.
Так что имею и большой практический опыт и в изготовлении СК и
их эксплуатации.
...........................................
Здесь нужен системный подход.
Первое разложить по группам подобные СК от тазика и ведра
до СК с плоским абсорбером и абсорбером с припаянными трубками.
Должны быть их тепловые характеристики и КПД в различных
режимах работы.
Для сябя я такую классификацию уже сделал.
..........................................................................
Дальше мы не сможем двигаться пока не разберемся
с КПД СК и как его можно считать и определять экспериментально
в домашних условиях.
Дальше будет по КПД СК.

 

Теперь приступаем к простым практическим расчетам по КПД СК.
_________________________________________________



...........................................................................................................................
Для сравнения технических характеристик СК одним из основных параметров
является его КПД.
Предлагаю простенькую формулу для расчета КПД солнечного коллектора.
Расчетная схема прилагается.
По вертикали откладывается КПД СК.
По горизонтали температуры .
То = 20 - температура окружающего воздуха.
Тп = 120 - предельная температура абсорбера, это когда тепловые потери
сравниваются с притоком энергии от солнца.
Тр = 70 - расчетная (рабочая) температура абсорбера.
По многим расчетам КПД СК линейно зависит от рабочей температуры
абсорбера. Это в диапазоне температур 0 - 130 градусов.
КПД СК довольно точно можно посчитать по следующей формуле.
________________________________________________
КПД = (Тп-Тр)/(Тп-Т0) и для примера на схеме
КПД = (120-70)/(120-20) = 50/100=0.5
________________________________________________
Формула простая и довольно точная.
Зная предельную температуру абсорбера всегда можно
довольно точно рассчитать КПД при заданных То и Тр.
Прошу всех, кто интересуется техническими характеристиками СК
запомнить ее и главное хорошо понимать физический смысл.
Мы будем все время пользоваться нею для сравнения технических
характеристик разных конструкций СК.

 

А в случае с "селективным" покрытием, тоже?

 

Эксперименты и расчеты проводились для определения общего энергетического баланса
СК и составляющих.
Вот перечень тепловых потоков СК составлющих суммарные потери.
1- Тепловые потери через изоляцию.
2- Тепловые потери по креплениям абсорбера (тепловые мосты).
3- Тепловые потери по трубкам входа и выхода теплоносителя.
4- Тепловые потери теплопроводностью через воздух от абсорбера к стеклу.
5- Тепловые потери излучением от абсорбера к стеклу (ИК излучение).
6- Тепловые потери излучением от от абсорбера в воздух проходящее через
стекло без поглощения (ИК излучение).
................................
7- Тепловые потери от стекла в воздух теплопроводностью и конвекцией.
8- Тепловые потери от стекла в воздух излучением.
-----------------------------------------------------------
В тепловой расчет входит много составляющих.
Суммарные потери хорошо укладываются в линейную зависимость.
Селективные покрытия не применялись и точного ответа у меня нет.
Если бы оно было, то оно входило бы и повлияло на тепловые потоки
пункты 5 и 6.
Повторяю, что точного ответа у меня нет, но по результатам мат. моделирования
влиянием селективного покрытия на линейную зависимость можно пренебречь.
Стекло сильно влияет на процесс теплопередачи от абсорбера к стеклу, а затем от стекла
в воздух нивелируя влияние лучистой составляющей.

 

Приступаем к решению практических задач по сравнительному анализу
простейших самодельных СК, определению их технических характеристик
и сравнени с СК предлагаемыми торговлей в Украине.
Посмотрел рекламу.
1 м2 СК с припаянными трубками - цена 10000 гривен.
Берем его за прототип для сравнения с самоделками.
Если будет предлагаться другая цена, возражать не буду.
Вариант с вакуумными трубками не предлагать, там предлагаемая
формула с линейной зависимостью может не подходить.
Перепад температур для прототипа задаем равным
Тп-Т0=100 градусов, так же как и на графике.
Прошу согласовать исходные данные для дальнейших расчетов.

 

Приступаем к освоению методики сравнительного теплового расчета
различных конструкций самодельных СК.
Начнем с простейшего варианта - открытая плоская емкость с водой.
Нашим СК будет обыкновенный тазик с водой. Дальше "Тазик" и СК
будут синонимами.
Технические характеристики Тазика.
Диаметр 0.4 метра и облучаемая поверхность соответственно 0.13 м2.
Емкость 8 литр0в.
Стоимость 40 гривен.
Начальная т-ра воды в Тазике и Прототипе 10 С.
Температура окружающего воздуха 20 С.
.................................................................
Пояснения по Тазику.
Экспериментально проверял до какой т-ры греется вода в ведре.
На освещаемом месте вода в ведре нагрелась до т-ры окр. воздуха.
Дальше нагрев ограничивается испарением с зеркала воды.
Поэтому КПД Тазика на графике будет
0 - при т-ре воды в нем 20 С.
1 - при т-ре воды в нем 10 С.
.............................................
Сравнительный расчет будем вести по разогреву воды
от 10 до 11 градусов. Практически в одной точке так как КПД Тазика
очень быстро падает от 1 до 0.
...............................................
Сам расчет.
Средний КПД Тазика при т-ре 10.5 С равен 0.95.
У Прототипа в том же диапазоне температур КПД=1.
Тепловой поток идущий на нагрев воды в Тазике с учетом поверхности и КПД.
1[квт]*0.13[м2]*0.95=0.1235 квт.
Энергии для нагрева 8 литров воды на 1 градус необходимо
8*4.2*1=33.6 кДж.
Время разогрева воды в Тазике на 1 градус будет
33.6/0.1235=272 секунды
СТОИМОСТЬ 1-ГО КДЖ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ТАЗИКА СОСТАВЛЯЕТ
40/33.6=1.2 ГРИВНЫ.
...................................
Проделываем аналогичный расчет для Прототипа.
1[квт]*1[м2]*272[сек]*1[кпд]=272 кДж.
СТОИМОСТЬ 1-ГО КДЖ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ПРОТОТИПА СОСТАВЛЯЕТ
10000/272=36.8 ГРИВНЫ.
Или в 36.8/1.2=30.7 раза дороже.
.....................................................
На этом примере видно, что в области температур 10 - 19 градусов
стоимость тепловой энергии получаемой от Тазика намного ниже
стоимости тепловой энергии получаемой от Прототипа.
---------------------------------------------------------------------------
Дальше аналогично проделаем расчеты с СК в виде плоского бака.

 

120 градусов - это температура абсорбера вообще без теплоносителя.
Облучение под углом 90 градусов.
В таком режиме тепловые потери сравниваются с притоком энергии от солнца.
В этой точке разогрева нам становится известным суммарные тепловые потери
без полезной составляющей.
При другой т-ре окр. воздуха Тп-То сдвигается на те же 100 градусов.
При 0 она будет 0+100= 100.
При 30 соответственно 30+100=130.
..............................................................
Перепад температур Тп-То сразу характеризует конструкцию и качество исполнения СК.
По этому параметру легко сравнивать разные конструкции СК.
Чем выше перепад Тп-То тем СК лучше.
Таким методом не рекомендую пользоваться для СК с вакуумными трубками
и зеркальными концентраторами.