Тепловая математическая модель солнечного коллектора

Винесено з теми:
Энергоэффективный дом своими руками – руководство к действию
----------------------------------------

Добрый день уважаемые форумчане.
Изложу некоторые соображения и идеи.
Мы рассматриваем конструкции и режимы работы отдельных
элементов СК. Такой подход не позволяет анализировать систему
в целом и режимы работы в динамике.
Например какой должна быть система ССНВ для лета и какой она
должна быть для работы весной и осенью.
Какой СК лучше с массивным абсорбером или минимальной массы.
Как масса влияет на время выхода на режим и оптимальные режимы
всей системы в целом. Какой оптимальный объем бойлера.
И так далее.
На все эти вопросы можно получить ответ только с помощью
тепловых моделей в динамике.
Чтобы сдвинуть этот вопрос с мертвой точки предлагаю следующий вариант.
У меня есть простая тепловая модель ССНВ состоящая из
СК, трубопроводов и бойлера.
Я расскажу как она работает, какие варианты и режимы можно просчитывать.
Несколько первых вариантов я просчитаю сам, обсудим их, а затем вы будете
предлагать свои варианты исходных данных и расчеты будем делать по ним.
После первоначального обсуждения возможно выделим это
в отдельную тему.
Если такой подход понравится параллельно приступим и к разработке
тепловой модели энергоэффективного дома.

 

04.08.14 г. Программ ДИН3. Эксперимент 1 (один).
Тепловая математическая модель ССНВ.
..................................................................................................
Краткое описание системы.
ССНВ состоит из 3-х частей. СК, Бойлер и трубопроводы.
В этом варианте расчета.
СК площадью 1 м2, 32000 грамм железа и 7000 грамм воды.
Абсорбер - 2 листа железа сварены с зазором 7 мм.
Бойлер емкостью 100 литров.
Трубопроводы суммарной длиной 4 метра, внутренний диаметр 15 мм,
теплоизолированы.
Перепад высот между СК и бойлером 1 метр.
Система циркуляции естественная.
Теплообменника в бойлере нет.
..................................................................................................................................
В данной тепловой модели предусмотрен расчет следующих 8 вариантов.
Четыре варианта бойлеров.
1-й вариант, 40 литров, 10.9 кг железа.
2-й вариант, 60 литров, 15.5 кг железа.
3-й вариант, 80 литров, 17.4 кг железа.
4-й вариант, 100 литров, 20.1 кг железа.
Два варианта СК.
1-й вариант, площадь 0.464 м2, 15 кг железа, 325о грамм воды.
2-й вариант, площадь 1.000 м2, 32 кг железа, 700о грамм воды.
..................................................................................................................
Исходные данные для расчета в динамике.
Задается суточный цикл - 24 часа.
Отсчет времени начинается с нулевого угла облучения.
С первого по шестой час угол облучения нарастает от 0 до 90 градусов.
Затем с 6 до 12 часов снижается от 90 до 0 градусов.
С 12 до 24 часов облучение нулевое.
...................................................................................................
Исходные данные для расчета ССНВ.
Бойлер - 100 литров.
СК - 1 м2.
r=0.85 - коэффициент прозрачности стекла.
c=0.9 - степень черноты абсорбера.
a=0 - начальный угол облучения.
ak=360 - конечный угол облучения.
p=1000 - солнечная постоянная.
pa=0.8 - прозрачность атмосферы.
t0=20 - температура окружающего воздуха.
tn=20 - начальная температура абсорбера.
tem=30 - начальная температура бойлера.
z=1 - элементарный промежуток времени для численного счета секунд.
z1=3600 - количество циклов для распечатки данных.
.........................................................................................................
Результаты расчета приведены на графике.
Некоторые пояснения к графику.
От 0 до 1 час 10 минут разогревается только СК, а бойлер остывает.
Дальше т-ра СК стала выше т-ры в бойлере, началась циркуляция
теплоносителя в трубах и разогрев бойлера.
Через 11 часов облучение СК снизилось и он стал остывать.
Как только температура в СК стала ниже т-ры в бойлере,
циркуляция теплоносителя в трубах прекратилась и СК
отключился от бойлера. Дальше СК и бойлер остывали отдельно
каждый только за счет своих тепловых потерь.
С 12 до 24 часов облучение СК отсутствует.

 

04.08.14 г. Программ ДИН3. Эксперимент 2 (второй).
Тепловая математическая модель ССНВ.
Исходные данные для расчета ССНВ.
Поменяли только объем бойлера.
Бойлер - 40 литров.

 

06.08.14 г. Програма ДИН3. Эксперимент 3 (три).
Тепловая математическая модель ССНВ.
...................................................................................................
Исходные данные для расчета ССНВ.
РАССЧИТЫВАЕТСЯ ЗИМНИЙ ВАРИАНТ.
Бойлер - 40 литров.
СК - 1 м2.
r=0.85 - коэффициент прозрачности стекла.
c=0.9 - степень черноты абсорбера.
a=0 - начальный угол облучения.
ak=360 - конечный угол облучения.
p=1000 - солнечная постоянная.
pa=0.8 - прозрачность атмосферы.
t0=-10 - температура окружающего воздуха.
tn=-10 - начальная температура абсорбера.
tem=20 - начальная температура бойлера.
z=1 - элементарный промежуток времени для численного счета секунд.
z1=3600 - количество циклов для распечатки данных.
.........................................................................................................
Результаты расчета приведены на графике.
Некоторые пояснения к графику.
Зимой световой день длится 8 часов.
На графике отмечено 2-мя вертикальными линиями.
В остальном все так же как и на предыдущих 2-х графиках.



Таких численных экспериментов с тепловой моделью можно провести множество.
Например добавить графики отбора воды и выбрать оптимальный.
Можно вычислять кпд ССНВ в целом и отдельных ее элементов
с учетом графиков отбора воды и т.д.
Эти три численных эксперимента просто демонстрируют возможности
численного моделирования тепловых моделей различных объектов
с переменным температурным полем и временем.
Добавлю, что тепловая модель энергоэффективного дома в принципе
аналогична этой.
Бойлер - это дом.
СК - это котел газовый или любой другой.
Трубопроводы - система раздачи тепла по дому.
.................................................................................................
Всех желающих прошу принять участие в обсуждении.
Постараюсь ответить на возникающие вопросы.
Необходимо принять коллективное решение как с максимальной
пользой для ФОРУМА использовать открывающиеся возможности.

 

Уточню постановку задачи.
Рассматривается в качестве примера простая ССНВ.
Вариантов анализа различных режимов работы системы в целом
или отдельных элементов можно рассматривать очень много.
Например легко проанализировать различные режимы разогрева ССНВ
с разной массой абсорбера СК, при разных начальных углах облучения и
при различной прозрачности атмосферы.
Это несложная научно-исследовательская работа.
Сначала надо сформулировать цель работы.
На все три вопроса можно найти ответы только расчетным путем.
Здесь проблемы нет.
............................................................................
Основная цель немного другая.
Создать небольшой коллектив по разработке
тепловых математических моделей и адаптировать их к интернету,
а конкретно к НАШЕМУ ФОРУМУ.
Тогда каждый немного разбирающийся в существе вопроса
сможет самостоятельно решать свои задачи на хорошем техническом уровне.
Достаточно будет только ввести исходные данные.
К этой работе можно привлечь студентов старших курсов.
Здесь будет очень много материала для курсовых и дипломных работ.
Да и практических прикладных задач можно решать массу.

 

07.08.14 г. Программа ДИН3. Эксперимент 4 (четыре).
Тепловая математическая модель ССНВ.
...................................................................................................
Исходные данные для расчета ССНВ.
РАССЧИТЫВАЕТСЯ ВАРИАНТЫ ВЫХОДА НА РЕЖИМ
СК С АБСОРБЕРАМИ РАЗНОЙ МАССЫ.
Утренний режим, угол облучения СК начинается с нуля градусов
с последующим возрастанием до 30 градусов.
Абсорбер СК разогревается от 20 С до температуры бойлера 30 С.
Исходные данные для расчета.
Рассчитывается 3 варианта различных масс абсорберов.
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ
Железо 32000 грамм, вода 7000 грамм.
ВТОРОЙ ВАРИАНТ
Железо 16000 грамм, вода 3500 грамм.
ТРЕТИЙ ВАРИАНТ
Железо 8000 грамм, вода 1750 грамм.
Бойлер - 100 литров.
СК - 1 м2.
r=0.85 - коэффициент прозрачности стекла.
c=0.9 - степень черноты абсорбера.
a=0 - начальный угол облучения.
ak=30 - конечный угол облучения.
p=1000 - солнечная постоянная.
pa=0.8 - прозрачность атмосферы.
t0=20 - температура окружающего воздуха.
tn=20 - начальная температура абсорбера.
tem=30 - начальная температура бойлера.
z=1 - элементарный промежуток времени для численного счета секунд.
z1=600 - количество циклов для распечатки данных.
.........................................................................................................
Результаты расчетов приведены на графике.
Синяя кривая - первый вариант.
Красная кривая - второй вариант.
Зеленая кривая - третий вариант.



Еще раз подчеркиваю.
Без четкой постановки задачи таких расчетов с тепловой моделью
можно делать много.
Вопрос - куда будем двигаться дальше.
Народ включайтесь в дискуссию.

 

Обсуждение по математическому моделированию тепловых процессов
проходит вяло. Беру на себя смелость подвести первоначальные итоги
по этой теме.
ПЕРВЫЙ ВЫВОД.
Тепловые расчеты с постоянным температурным полем могут применяться
только для прикидочных расчетов и одного минимального набора исходных данных.
Но даже такой упрощенный вариант не может выполнять основная масса самодельщиков.
Есть только один выход - ИМЕТЬ ХОРОШИЙ КАТАЛОГ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И
И СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО НАГРЕВА ВОДЫ,
рекомендуемых в качестве прототипов для самостоятельного изготовления и модернизации.
Но здесь есть 0дин существенный недостаток.
Чрезвычайно редко кто предоставляет результаты практических испытаний
своих систем. Поэтому очень сложно выбрать лучшие варианты.
Не хочу навязывать свою точку зрения всем участникам форума.
Прошу в создании каталога принять участие всех желающих.
Я лично считаю, что создание каталога - одна из самых важных и первоочередных задач.

 

Добавлю немного о точности тепловых расчетов с переменным температурным полем.
Ждал вопроса, а почему высокая точность, если исходные данные те же, что и при
постоянном температурном поле.
Вариант, когда тепловая модель калибруется по эксперименту уже был рассмотрен.
Теперь рассмотрим сравнительный анализ без дополнительных
калибровочных экспериментов.
Разделим результат теплового расчета СК на две составляющих.
.....................................................................................................................
Первый вариант.
A1=B1+C1
A1 - суммарные тепловые потери.
B1 - точная часть теплового расчета.
С1 - константа, суммарная погрешность из за неточных исходных данных.
.....................................................................................................................................
Второй вариант.
Во втором варианте поменяем в исходных данных например
степень черноты абсорбера с 0.90 на 0.91.
Тогда
А2=В2+С2
А2 - суммарные тепловые потери изменится.
В2 - точная часть теплового расчета изменится.
С2 - константа, суммарная погрешность из за неточных исходных данных не изменится.
Значит С1=С2
Константы С1 и С2 сокращаются и мы сравниваем только точные значения
В1 и В2 за счет незначительного изменения степени черноты абсорбера.

 

Уважаемые ФОРУМЧАНЕ.
Времени на размышления было достаточно.
Так как основная тема ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ ДОМ, то
пришло время принять решение по созданию математической
тепловой модели энергоэффективного дома. Без нее двигаться
дальше очень сложно, а часто и невозможно.
Требуется решить ряд организационных вопросов.
Кто хочет принять участие в этой работе.
Вся задача разбивается на отдельные блоки.
Тепловые расчеты.
Програмирование.
Математическая часть.
На какую категорию потребителей рассчитана.
Какая информация выводится и в каком виде.
Прошу высказываться и вносить свои предложения.