гелиоустановки. Гелиоустановка-1 ДПО. 1 теплотехнический и электрический расчет установки
 Скачать 236.83 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Солнце – это чистый и неисчерпаемый источник энергии. От него исходят тепло, свет и прочие виды излучения, которые содержат колоссальные запасы энергии и отвечают почти за все естественные процессы на нашей планете. Но лишь недавно человек научился использовать эту энергию в своих целях – для нагрева воды и обогрева комнат, а также для охлаждения (благодаря технологии абсорбции холода). Современные системы отопления и горячего водоснабжения на солнечной энергии – это экономичные, комфортные и экологически чистые решения. Самое главное преимущество использования солнечных систем – это существенная экономия денежных средств. Кроме того, это полная независимость от теплосетей, электросетей, а также тарифов на тепло, инфляции и нестабильности в бизнесе, поскольку никакое топливо не требуется. Также необходимо отметить, что стоимость такой установки превышает стоимость традиционной системы отопления и горячего водоснабжения, но экономические преимущества системы очевидны, а при постоянном повышении стоимости энергоносителей они ощутимы уже с первого дня эксплуатации. 1 ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСТАНОВКИ 1.1 Определение мощности отопления Количество теплоты (тепловой поток Qот, кДж/ч), необходимое для отопления частного коттеджа, определяется по формуле Qот = Qогр + Qсп , (1) где Qогр – количество теплоты, уносимое через все наружные ограждения, кДж/ч; Qсп – количество теплоты, уносимое через щели, открываемые двери, кДж/ч; составляет 10 процентов от количества теплоты, уносимого через все наружные ограждения. Qсп = 0,1 ∙ Qогр ; (2) Потери теплоты через огражденияQогр, кДж/ч Qогр = g ∙ V ∙ (tвн – tр), (3) где g– удельная тепловая характеристика помещения, кДж/(м3∙ч∙°С); g = 2,4 кДж/(м3∙ч∙°С); V – объём помещения, м3; tвн – температура внутри помещения, рекомендуемая санитарно- гигиеническими нормами, °С; tр – самая низкая температура в данном районе, °С. Qогр = 2,4 ∙ 896 ∙ (20 + 34) = 116121,3 кДж/ч; Qсп = 0,1 ∙ 116121,3 = 11612,16 кДж/ч. Qот = 116121,3 + 11612,16 = 127733,46 кДж/ч. Мощность отопления Рот, кВт  , (4)где ηt – термический коэффициент полезного действия установки.  кВт.Мощность отопления рассчитана для всей системы отопления. Чтобы определить мощность, которую необходимо получить от солнечной установки, нужно определить мощность отопительного котла, а затем найти разницу между мощностью всей отопительной установки и мощностью, выработанной котлом. 1.2 Определение мощности котла Для установок непрерывного действия мощность определяется на основании уравнения теплового баланса в статическом режиме  , (5) где q – потребная теплопроизводительность, кДж/ч; qпол – полезное или теоретически необходимое количество теплоты, кДж/ч; Σqпот – мощность тепловых потерь, кДж/ч. Но в связи со значительной трудоемкостью расчётов тепловых потерь, потребная теплопроизводительность q, кДж/ч определяется через полезную теплопроизводительность qпол, используя ориентировочные значения КПД для проектируемой установки  , (6) где ηт– термический КПД ЭТУ; ηт = 0,98. Для установок непрерывного действия полезная теплопроизводительность  (7) где m’ – производительность установки по воде, кг/ч; производительность установки зависит от количества секций батарей. Для удобства сравнения секцию батареи выражают в квадратных метрах. На один квадратный метр секции батареи расход воды равен 17,4 кг/ч. Как правила батареи ставят под окнами, а на объекте 23 окна, значит, производительность установки по водеm’ = 400,2 кг/ч; С – удельная теплоемкость воды, кДж/(кгоС); tкон – конечная температура воды, оС; tнач– начальная температура воды, оС.  кДж/ч. Исходя из полученной теплопроизводительности qпол, кДж/ч определяется расчётная мощность Ррасч, кВт установки (8)где Ррасч – расчётная мощность установки, кВт; Кз – коэффициент запаса; Кз = 1,3. [ ]  кВт.Принимается  Мощность, требуемая для подогрева воды до 75ºС за счет гелиоустановки Ргу, определяется по формуле Ргу = Рот – Ррасч; (9) Ргу = 50,68 – 16 = 34,68 кВт. В последние годы отечественной промышленностью освоен выпуск проточных электроводонагревателей типа ПЭВН, предназначенных для быстрого нагрева воды в жилых и бытовых помещениях при отсутствии горячего водоснабжения. Так же выпускается широкий класс водонагревателей типа ЭВП цилиндрической формы, для обогрева жилых помещений. Выбираем один из водонагревателей этой марки, его технические данные приведены в таблице 3.1. Таблица 1 - Технические данные нагревателей типа ЭВП
2 РАСЧЕТ НАСОСА И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 2.1 Выбор оборудования Для подъема и раздачи воды применяют водонасосные установки, состоящие из водоприемников, очистительных сооружений, резервуаров чистой воды, электронасосов и станций управления. Наиболее распространены центробежные и осевые насосы. Широкое распространение получили так называемые объемно- инерционные насосы с электромагнитным вибрационным приводом. Их используют в быту сельского населения на малую подачу воды (до 1 м  /ч при напоре 20 м.)При разработке электропривода насосной установки можно поставить такие задачи: подбор привода с регулированием частоты вращения, обеспечение оптимальной нагрузки двигателя, разработка системы защиты и сигнализации. Так как коттедж одноэтажный с подвалом, а электрический котёл стоит в подвальном помещении, котёл не сможет подать горячую воду выше 3 метров. Для того чтобы обеспечить весь жилой коттедж отоплением, необходима установка насоса и электрического двигателя. Центробежный насос ставится на прокачку отопительной системы. Расчётный напор Нр, м  (10)где  - геодезический напор – высота подъёма воды от нижнего до верхнего уровня, м; = 4 м; - потери напора по длине трубопровода, м; - свободный напор, м; = 10 м. Потери напора по длине трубопровода Нп, м  (11)где  - скорость движения воды, м/с; = 1 м/с; - ускорение свободного падения, м/с2; = 9,81 м/с ; - коэффициент сопротивления; = 0,02;L - длина трубопровода, м; L = 151 м;  - диаметр трубопровода, м; = 0,03 м; - суммарные потери напора в местных сопротивлениях; = 4,05.  Для определения потребной мощности насоса определяется сам насос по напору  = 16,58 м и производительности  = 0,4  .Выбирается насос типа Гном 16-16 Ех. [ ] Таблица 2 - Технические характеристики насоса
Потребная мощность насоса  кВт определяется по формуле  (12)где  - коэффициент запаса; = 1,2; - максимальный расход воды, ; так как производительность установки по воде480 кг/ч, значит = 0,480 ; - расчётный напор, м; = 16,58 м; - удельный вес воды, Н/м3; = 9810 H/ ; - КПД передачи; = 1; - КПД насоса; = 0,4. кВт.Выбор мощности двигателя  насосной установки. Выбирается двигатель серии 4АА50В2У3.Таблица 3 - Характеристики двигателя Расчет систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения Основным параметром ССТ является годовая удельная теплопроизводительность q, кВт·ч/м2, определяемая из уравнения q = a + b (H – 1000), (13) где H – среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт·ч/м2; принимается Н = 1200 кВт·ч/м2; [ ] a, b – параметры. Q = 297,21+ 0,824 · (1200 – 1000) = 461,97 кВт·ч/м2; a = (1 + 2r + 3r2) + (4 + 5r + 6r2) f + (7 + 8r + 9r2) f2; (14) b = (1 + 2r + 3r2) + (4 + 5r + 6r2) f + (7 + 8r + 9r2) f2; (15) а = (607–80 · 2,11–3 · 2,112)+(–1340+437,5 · 2,11+22,5 · 2,112) · 0,3+ +(1900–1125 · 2,11+25 · 2,112) · 0,32 = 297,21; b = (1,177–0,496 · 2,11+0,14 · 2,112)+(–2,6+3,6 · 2,11–0,995 · 2,112) · 0,3+ +(3,35–5,05 · 2,11+1,4 · 2,112) · 0,32 = 0,824, где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r, тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле  , (16)где - удельные тепловые потери здания, Вт/(м3·°С); m - количество часов в сутках, ч; k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут; в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м3;  - теплоемкость воздуха при 0 °С и постоянном давлении, Вт·ч/(кг·°С);V - объем здания, 518 м3; tв - температура воздуха внутри здания, °С; l - суточная нагрузка ГВС, равная 517 Вт·ч/м2; S - жилая площадь здания, 140 м2; 1…9; 1…9 - коэффициенты, находятся из таблиц 3.5 и 3.6; f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.  .Таблица - Значения коэффициента для солнечных коллекторов II типа
Таблица - Значения коэффициента для солнечных коллекторов II типа
Значения , k, V, tв, S закладываются при проектировании ССТ. Уравнение применимо при значениях 1050 H 1900; 1 r 3; 0,2 f 0,4. Общая площадь поверхности солнечных коллекторов F, м2 находится по формуле F = Q f / q, (16) где Q– полная годовая нагрузка теплоснабжения, кВт·ч; определяется по графику тепловых нагрузок (рис. 3.2).  Рис. 3.2. График тепловых нагрузок Q = 90 · 20 · Рmax + 30 · 20 ·  Рmax + 60 · 20 ·  Рmax + 60 · 20 ·  Рmax ;Q = 90 · 20 · 12,5 + 30 · 20 · 9,375 + 60 · 20 · 6,25 + 60 · 20 ·3,125 = 39125 кВт·ч;  м2.Для проектируемого объекта по расчетным значениям принимается коллектор, - глубина – 110 мм; - ширина – 1610 мм; - высота – 1980 мм; - масса – 71 кг; - тепловоспринимающая поверхность – 1,87 м2; - рабочее давление – 0,6 МПа. Количество коллекторов  принимается равным 17 шт.Выбор теплоносителя в теплопринимающем контуре Теплоноситель - движущая жидкая или газообразная среда, используемая для осуществления теплообмена. Наиболее распространенными видами теплоносителей в системах отопления являются: вода и водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля с модифицирующими присадками. [ ] Выбор бака-аккумулятора и теплообменника Объем бака-аккумулятора зависит от площади установленных на доме коллекторов. Стандартное соотношение – 75 литров воды в баке-аккумуляторе на каждый квадратный метр коллектора.[ ] Таким образом, получаем емкость бака-аккумулятора, она равна 1905 литров, емкость бака-аккумулятора принимается равной 2000 литров. Для производства баков-аккумуляторов применяют листовую сталь толщиной 2…10 мм. Выпускают баки-аккумуляторы, имеющие в сечении форму круга или прямоугольника. Нарезку в размер заготовок для баков выполняют на гильотинных ножницах. Входные и выходные патрубки изготовляют из труб диаметром 15…100 мм. После, сварочных работ и зачистки швов баки-аккумуляторы проверяют на герметичность и передают на окрасочный участок для грунтования наружных поверхностей. Затем баки теплоизолируют пенопластовыми плитами толщиной 50 мм и обшивают по наружной поверхности листовой оцинкованной сталью. Вода к баку-аккумулятору, установленному на чердаке, подводится из водопровода в нижнюю часть бака, горячая вода поступает из верхней части. Наличие в баке двух змеевиковых теплообменников позволяет осуществлять работу установки в двух режимах. В летнее время оба змеевика используют для нагрева воды от установки солнечного горячего водоснабжения, а в переходный период верхний змеевик служит для догрева воды от отопительного котла. Размеры змеевиковых теплообменников принимаются: [3] - диаметр трубы –58 мм; - площадь сечения трубы – 2 640,74 мм2; - поверхность нагрева – 1,75 м2; - суммарная длина труб – 20,9 м; - масса секции – 35 кг; - рабочая вместимость – 1 м3. Выбор циркуляционных насосов Циркуляционные насосы гелиоустановки нужно подобрать по производительности G1, которая рассчитывается по формуле  , (1)где q = 1000 Вт/м2; K = 0,7; с1 = 3,61 кДж/(кг.ч.°С); 1 = 1055 кг/м3 (для 43%-ого раствора этиленгликоля); t1 = 95 °С; t2 = 80 °С. G1 = 3,6 . 1000 . 8 . 0,7/(3,61 . 1055 . (95 - 80)) = 0,354 м3/ч. Полагая, что гидравлическое сопротивление теплообменника по контуру греющей воды будет около 50 кПа, общая потеря давления в этом контуре предварительно оценивается величиной 80 кПа. Для этой цели принимается насос ВЗ – ОРА – 2 [ ] (табл. 2.7). таблица 2.7 - Технические характеристики циркуляционного насоса
Принцип работы насоса В3-ОРА-2 заключается в следующем. Продукт через всасывающий патрубок насоса ВЗ ОРА-2 заполняет свободные промежутки между лепестками роторов и при вращении порциями подается в трубопровод. При перекачке насосом роторным В3-ОРА2 (кулачковым) структурный состав продукта не меняется. В роторном пищевом насосе В3 ОРА-2 возможно вращение роторов в обе стороны, в зависимости от направления движения продукта. 3. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ Гелиосистема представляет собой устройство, которое используется с целью преобразования энергии солнца в иной вид, к примеру, в электрическую или тепловую. Главная особенность такой системы в том, что для ее получения не нужно что-то добывать или сжигать природные ископаемые, ведь это экологически чистая установка. Для возможности ее работы достаточно только солнечной погоды. Именно данный фактор ограничивает применение данного оборудования и ставит его эффективность в прямую зависимость от климатической зоны и времени года. Зимой такая установка поможет только подогревать воду, а летом ее энергии с лихвой хватит на удовлетворение всех нужд. Сегодня гелиоустановки производятся серийно, ведь доказана их эффективность и имеется спрос на них. К тому же в ряде стран предусмотрены различные льготы и поощрения за их использование. Вызвано это тем, что затраты на эксплуатацию подобных установок минимальны и нет вреда экологии. Такие устройства можно использовать в любых сферах жизни. При помощи них можно нагревать или охлаждать воду, воздух в помещении, вырабатывать электрическую энергию. Гелиосистема по способу применения может быть: Которые используются для теплоснабжения. Их также называют солнечными. Используемые для выработки электрического тока. Данное оборудование работает на фотоэлектрическом принципе. Используемые для охлаждения, то есть для абсорбции и адсорбции. Больше всего на данный момент используются системы теплоснабжения, так как они больше всего востребованы. На текущий момент времени подобное оборудование применяется с целью снабжения горячей водой и поддержания необходимой температуры в помещениях.  Рисунок 1. Основные элементы гелиосистемы Гелиосистема в большинстве случаев включает следующие основные элементы: Солнечный коллектор или так называемый гелиоколлектор. Данный элемент является основополагающим, ведь именно он улавливает солнечные лучи и преобразует световую энергию в тепловую или электрическую. Так инфракрасная составляющая излучения, попадая на коллектор превращается в тепловую энергию. Это приводит к разогреванию панелей. В результате этого жидкий теплоноситель в виде воды или незамерзающей жидкости нагревается. Система трубопроводов, по которым перемещается жидкость от коллектора в бак и наоборот. Бак-аккумулятор, в котором накапливается теплоноситель. Контур нагрева воздушных масс или воды. Это могут быть трубы отопления. Насос, который гоняет теплоноситель по системе. Устройства регуляции температуры и контроля. Дублирующий источник энергии. Он необходим, если на улице непогода или ночь. 4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ. НЕГАТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УСТАНОВКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Стоит отметить, что из главных достоинств гелиосистем является отсутствие негативного воздействия на окружающую среду. 6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Ежегодно в России увеличиваются расходы на эксплуатацию тепловых сетей и котельных установок. Известные проблемы эксплуатации централизованного теплоснабжения настоятельно требуют ускоренного внедрения нетрадиционных методов энергообеспечения. Анализ работы действующих на территории России гелиоустановок показывает, что использование гелиотехники для целей отопления требует решения ряда проблем. Практически значимым и перспективным является применение солнечных водонагревательных установок в целях горячего водоснабжения. Это определяется, прежде всего, климатическими условиями РФ, причем к системам горячего водоснабжения не предъявляются жесткие требования по надежности, как к системам отопления []. Применение традиционных типов солнечных водонагревательных установок позволяет покрыть до 60 % потребностей потребителей в теплоте, используемой в системе ГВС. В то же время при разработке комбинированных СВНУ доля ГВС от гелиосистем может достигать 100 %, а эффективное использование тепловых насосов и систем аккумуляции теплоты позволяет покрыть за счет возобновляемых источников энергии 30–50 % отопительной нагрузки, поэтому использование СВНУ в Дальневосточном регионе является актуальной проблемой. При оценке технико-экономических показателей гелиоустановок для данного региона обычно устанавливается, что применение гелиотехники экономически целесообразно при заданном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги и т.д. Чтобы определить срок окупаемости установки для нагрева воды с помощью солнечного коллектора, необходимо рассчитать издержки и капитальные вложения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена типовая функциональная схема солнечной гелиосистемы. Представленные теоретические сведения и проделанные необходимые расчеты. С учётом изложенного, можно сделать следующие выводы: Современные российские научные разработки, технические и проектные решения обеспечивают возможность производства солнечных коллекторов мирового уровня теплотехнического совершенства и гелиоустановок на их основе. Для современного этапа сооружения гелиоустановок в России характерно их применение в основном для горячего водоснабжения с насосной циркуляцией со сроком окупаемости от 4,5 года, что делает их конкурентоспособными для дальнейшего тиражирования. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||