Тепловая математическая модель солнечного коллектора

Продолжаем численные эксперименты.
Эксперимент номер два - вторые сутки.
Исходные данные те же, что и в первом эксперименте.
Поменяли только начальную т-ру бойлера 52С и т-ру абсорбера 22С.
Это т-ры ССНВ к утру вторых суток.
Картина сильно поменялась. Удлинилось время разогрева абсорбера до 4-х часов.
Повысилась максимально достигнутая температура бойлера с 58 до 70С.
1-е сутки бойлер разогрелся от 30С до максимальной 58С и за ночь остыл до 52С.
.......... Разогрев составил 58-30=28С.
2-е сутки бойлер разогрелся от 52С до максимальной 70С и за ночь остыл до 62С.
.......... Разогрев составил 70-52=18С.
---------------------------------------------------------------
Сам расчет комп. производит за секунды (хоть это и миллионы операций).
Основные затраты времени переписать данные с экрана и сделать графики.
Не составило труда просчитать дальше тепловые процессы в системе на 7 суток.
Результаты численных экспериментов привожу уже без графиков только в цифрах.
3-е сутки разогрев составил 75.9-61.5=14.4
4-е сутки разогрев составил 79.8-66.7=13.1
5-е сутки разогрев составил 81.4-69.3=12.1
6-е сутки разогрев составил 82.3-70.6=11.7
7-е сутки разогрев составил 82.6-71.2=11.4
Результаты этих "численных экспериментов" привел чтобы продемонстрировать
возможности мат. моделей и для понимания тепловых процессов в комплексе
протекающих в ССНВ. Должен заметить это хороший материал для курсовых
и дипломных работ студентов.
Дальше будем искать оптимальные режимы отбора горячей воды для бытовых нужд
и варианты модернизации ССНВ для этой цели.
На этом этапе уже надо учитывать требования реальных потребителей.
Пора переходить от теории к практике.

 

Продолжаем численные эксперименты.
Будем искать оптимальные варианты отбора воды с нужной температурой из ССНВ.
Ориентироваться будем на вариант:
20% воды с температурой 50 градусов и выше
80% с температурой 40-45 и ниже.
Просчитаем серию из 4-х вариантов слива воды при разной температуре окружающего
воздуха ОДИН раз в сутки в конце дня при максимальной т-ре в бойлере, когда т-ра
воды еще не начала снижаться. Вода сливается полностью все 100 литров и бойлер
заполняется холодной водой.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ВАРИАНТОВ СЛИВА ВОДЫ.
---------------------------------------------------------------------------------
№... эксперимента..........1..........2...........3...........4
T0...................................0..........10.........20.........30.....температура окр. воздуха
Tn...................................0..........10.........20.........30.....начальная температура абсорбера
T-бойлера.......................20........20.........20.........20.....начальная температура бойлера
--------------------------------------------------------------------------------------------------
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.
------------------------------------------------------------------------------------------------
V.............................100 .......100........100........100........количество слитой воды литров.
Т............................43.9.......47.8.......51.8.......55.7........температура слитой воды.
Е............................2.78.......3.23.......3.70.......4.15........к-во энергии в слитой воде кВт.часов.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Количество єнергии в слитой воде считалось след. образом.
Е=(Т-Тбойлера}*V/860=(пример) (55.7-20)*100/860=4.15 квт.часов.
Недостатки такого отбора - горячая вода имеется только в конце дня, а
необходимо, чтобы она была круглые сутки.

 

Продолжаем численные эксперименты.
Просчитаем серию из 4-х вариантов слива воды при разной начальной температуре
воды в бойлере. Меняем только один этот параметр. Слив воды производится ОДИН раз в сутки,
когда т-ра воды еще не начала снижаться.
Затем бойлер заполняется водой с нужной температурой.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ВАРИАНТОВ.
---------------------------------------------------------------------------------
№... эксперимента......1..........2...........3...........4
T0...............................20........20.........20.........20.....температура окр. воздуха
Tn...............................20........20.........20.........20.....начальная температура абсорбера
T-бойлера...................10........20.........30.........40.....начальная температура бойлера
--------------------------------------------------------------------------------------------------
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.
------------------------------------------------------------------------------------------------
V...............................100 .......100........100........100........количество слитой воды литров.
Т...............................45.8.......52.0.......57.5.......63.3.......температура слитой воды.
Е...............................4.16.......3.72.......3.70.......3.20........к-во эн-гии в слитой воде кВт.часов.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Количество энергии в слитой воде считалось след. образом.
Е=(Т-Тбойлера}*V/860=(пример) (63.3-40)*100/860=4.15 квт.часов.
Вывод из этих численных экспериментов.
Повышение начальной температуры воды в бойлере позволяет получить более высокие
температуры в конце дня.
Летом вода из скважины имеет температуру 10С. Неправильно закачивать ее непосредственно
в бойлер. Подогреть воду предварительно можно в очень простых и дешевых СК до 30-40С.
Теперь можно проработать оптимальный вариант ССНВ с целью ее совершенствования и
улучшения технических характеристик.
Дальше мы это и сделаем.

 

--- добавлено: 4 янв 2015 в 21:41 ---
Принципиальная схема базовой трехкаскадной
Системы солнечного нагрева воды

Она состоит из следующих основных элементов:
1 - напорная емкость с холодной водой;
2 - трубопровод подачи холодной воды в СК 1-го каскада;
3 – теплоизолированная емкость с горячей водой – бойлер объем 100 литров;
4 – теплоизоляция бойлера;
5 - плоский абсорбер СК 3-го каскада;
6 - теплоизоляция СК 3-го каскада;
7 - наружный корпус СК 3-го каскада;
8 - трубопровод подачи холодной воды в СК 3-го каскада из бойлера;
9 - трубопровод отвода горячей воды из СК 3-го каскада в бойлер;
10 - забор горячей воды из бойлера для бытовых нужд.
11 – СК первого каскада объем 100 литров;
12 – СК второго каскада объем 100 литров;
13 - трубопровод подачи воды из СК 1-го каскада в СК 2-го каскада;
14 - слив подогретой воды из СК 1-го каскада;
15 - трубопровод подачи воды из СК 2-го каскада в бойлер;
16 - слив подогретой воды из СК 2-го каскада.

 

По результатам проведенных тепловых расчетов эксплуатационных режимов ССНВ
была составлена базовая трехкаскадная ССНВ. Ее принципиальная схема и состав
показаны на приведенном выше рисунке.
Принцип работы понятен из схемы и будет объясняться еще при расчете суточного
режима эксплуатации. Поясню коротко только, что из себя представляют
СК 1-го и 2-го каскадов. Это стальная емкость 1000*1000*100 мм емкостью 100 литров.
Совмещенный абсорбер и емкость в одном корпусе. Максимально простой СК.
Подробно конструкцию, принцип работы и режимы эксплуатации этих СК рассмотрим позже.
Дальше более подробно рассмотрим режимы эксплуатации ССНВ.

 

Приступаем к анализу эксплуатационных режимов ССНВ.
Исходные данные следующие.
T0 =20..............температура окр. воздуха
Tn =20..............начальная температура абсорбера
T-бойлера =40..начальная температура бойлера
-------------------------------------------------------------------
В конце дня начинаем слив воды из системы.
1-й шаг, сливаем и смешиваем воду из
- бойлера 50 л с температурой 63 С и
- СК2 ...... 50 л с температурой 40 С.
Получаем среднюю т-ру слитой и смешанной воды в количестве
100 литров 50 С.
В бойлере осталось 50 л с т-рой 63 С.
В СК2 ...... осталось 50 л с т-рой 40 С.
............................................................
2-й шаг, переливаем из СК2 оставшиеся 50 л с температурой 40 С в бойлер.
Там вода смешивается и в результате получается.
в бойлере 100 л с т-рой 50 С.
СК2 остается пустой.
.........................................................
3-й шаг, из СК1 сливаем 100 л воды с температурой 40 С.
СК1 тоже пустой.
..................................................................
4-й шаг, заливаем в СК1 и СК2 воду с т-рой 10 С из скважины.
----------------------------------------------------------------------------
В итоге вечером имеем следующую картину.
Из системы слили 100 л воды с температурой 50 С
и еще 100 л с температурой 40 С.
В бойлере осталось 100 л с т-рой 50 С, которая к утру следующего
дня остынет до 45 С. Утром можно использовать например 20 литров.
В бойлере останется 80 литров, которые смешаются с 20 литрами
холодной воды с т-рой 10 С. Температура воды в бойлере станет равной 38 С.
-------------------------------------------------
Дальше суточный цикл повторяется.
Продолжение будет.

 

Теперь есть материал для сравнения двух вариантов ССНВ.
.........................................................................................................
1-й Вариант однокаскадный без 1-го и 2-го СК.
2-й Вариант трехкаскадный с 1-м и 2-м дополнительными СК.
..............................................................................
1-й Вариант.
При начальной т-ре бойлера 10 С 100 литров воды нагрелось к концу дня
от 10 до 46 С. На следующее утро исходные данные те же.
............................................................................................
2-й Вариант.
Вечером слито 100 литров воды с т-рой 50 С
и еще слито .... 100 литров воды с т-рой 40 С.
В бойлере осталось 100 литров воды с т-рой 50 С на утро следующего дня,
часть которой можно использовать уже утром.
................................................................................
Во втором варианте производительность возросла практически
в два раза, но стоимость системы не в два раза, а гораздо меньше.
---------------------------------------------------------------------------------------
Был рассмотрен абстрактный вариант залпового отбора воды. Это было сделано
для наглядности и простоты расчетов.
Реально вода будет отбираться несколько или много раз в сутки меньшими порциями.
Здесь необходимо добавить, что для удобства пользования надо установить датчики
температуры на СК1, СК2 и бойлер. Тогда будет очень удобно ориентироваться
с какого каскада брать воду с нужной температурой. Это важный момент для
оптимизации процесса отбора воды.
Когда отбор ведется из бойлера, то подпитка ведется бойлера, 2-го и 1-го СК.
Когда отбор ведется из 2-го СК, то подпитка ведется 2-го и 1-го СК.
Когда отбор ведется из 1-го СК, то подпитка ведется только 1-го СК и всегда
холодной водой.
........................................
Если потребуется, можно учитывать облачность, переменную прозрачность
атмосферы у горизонта и выше, разные т-ры окр. воздуха днем и ночью и т.д.
С помощью мат. моделей это не составляет большой сложности. Значительно
возрастает объем расчетов, но зато повышается точность и они становятся
ближе к реальности. Поэтому для лучшего понимания тепловых процессов
протекающих в системе в целом, рассматриваем пока упрощенные варианты.
Дальше рассмотрим конструкцию СК1 и СК2.