Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа
Рассматривается применение электротепловой модели и методов электротехники для расчёта нестационарных тепловых режимов солнечного нагревателя воды ёмкостного типа. Показана возможность определения эквивалентных параметров электротепловой схемы замещения и решения нелинейной задачи расчёта нестациона...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Технічна електродинаміка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121874 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа / В. Ермуратский, В. Олещук // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 23-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-121874 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1218742017-06-22T03:02:34Z Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа Ермуратский, В. Олещук, В. Теоретична електротехніка та електрофізика Рассматривается применение электротепловой модели и методов электротехники для расчёта нестационарных тепловых режимов солнечного нагревателя воды ёмкостного типа. Показана возможность определения эквивалентных параметров электротепловой схемы замещения и решения нелинейной задачи расчёта нестационарного температурного поля в солнечных нагревателях воды. Розглянуто застосування електротеплової моделі та методів електротехніки для розрахунку нестаціонарних теплових режимів сонячного обігрівача води ємнісного типу. Показано можливість визначення еквівалентних параметрів електротеплової схеми заміщення та рішення нелінійної задачі розрахунку нестаціонарного температурного поля в сонячних нагрівачах води. Combined application of electro-thermal models and methods of electrotechniques for calculation of time-dependent thermal regimes of solar capacitive water heater has been analyzed. It has been shown possibility of rational determination of equivalent parameters of electro-thermal equivalent circuit for calculating of non-stationary temperature field in solar water heaters. 2014 Article Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа / В. Ермуратский, В. Олещук // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 23-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121874 662.997 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теоретична електротехніка та електрофізика Теоретична електротехніка та електрофізика |
| spellingShingle |
Теоретична електротехніка та електрофізика Теоретична електротехніка та електрофізика Ермуратский, В. Олещук, В. Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа Технічна електродинаміка |
| description |
Рассматривается применение электротепловой модели и методов электротехники для расчёта нестационарных тепловых режимов солнечного нагревателя воды ёмкостного типа. Показана возможность определения эквивалентных параметров электротепловой схемы замещения и решения нелинейной задачи расчёта нестационарного температурного поля в солнечных нагревателях воды. |
| format |
Article |
| author |
Ермуратский, В. Олещук, В. |
| author_facet |
Ермуратский, В. Олещук, В. |
| author_sort |
Ермуратский, В. |
| title |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| title_short |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| title_full |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| title_fullStr |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| title_full_unstemmed |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| title_sort |
применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Теоретична електротехніка та електрофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121874 |
| citation_txt |
Применение методов электротехники для расчёта тепловых режимов солнечных нагревателей воды ёмкостного типа / В. Ермуратский, В. Олещук // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 4. — С. 23-25. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT ermuratskijv primeneniemetodovélektrotehnikidlârasčëtateplovyhrežimovsolnečnyhnagrevatelejvodyëmkostnogotipa AT oleŝukv primeneniemetodovélektrotehnikidlârasčëtateplovyhrežimovsolnečnyhnagrevatelejvodyëmkostnogotipa |
| first_indexed |
2025-07-08T20:43:01Z |
| last_indexed |
2025-07-08T20:43:01Z |
| _version_ |
1837112897153531904 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 23
УДК 662.997
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ ДЛЯ РАСЧЁТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ
СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ВОДЫ ЁМКОСТНОГО ТИПА
В.Ермуратский, докт.техн.наук, В.Олещук, докт.техн.наук
Институт энергетики Академии наук Молдовы,
ул. Академическая, 5, Кишинев, МД-2028, Молдова.
e-mail: oleschuk@hotmail.com
Рассматривается применение электротепловой модели и методов электротехники для расчёта нестационар-
ных тепловых режимов солнечного нагревателя воды ёмкостного типа. Показана возможность определения
эквивалентных параметров электротепловой схемы замещения и решения нелинейной задачи расчёта неста-
ционарного температурного поля в солнечных нагревателях воды. Библ. 4, рис. 3.
Ключевые слова: схема замещения, расчет температурного поля, солнечный нагреватель.
Введение. Солнечные нагреватели воды (СНВ) проточ-
ного и ёмкостного типа являются одними из наиболее простых
устройств такого типа [3,4]. Одной из самых простых тополо-
гий СНВ является вариант «чёрной бочки» [1]. В работе анали-
зируется вариант «чёрной бочки» с концентраторами солнечно-
го излучения, расположенными как снаружи, так и внутри кор-
пуса СНВ. На рис. 1, представляющем вид установки в разрезе,
а также внешний вид экспериментального образца СНВ, пока-
заны: 1 − прозрачное ограждение; 2 − бак; 3 − поплавок; 4 –
регулятор уровня воды; 5 − внутренний концентратор; 6 – теп-
лоизолированный корпус; 7 − верхний вертикальный концентратор; 8 − нижний горизонтальный концентратор
солнечного излучения.
Для рассматриваемого устройства характерны два основных режима: 1 − поглощение солнечной энер-
гии, в процессе которого вода в баке нагревается, и 2 − режим хранения горячей воды. С позиций электротех-
ники первый режим интерпретируется как вынужденный, а второй – как свободный. Для определения опти-
мальных моментов времени начала и конца этих режимов и расчёта полезной энергии необходимо решить не-
стационарную задачу преобразования солнечного излучения в тепло и его хранения. Плотность солнечного из-
лучения является переменной во времени векторной величиной. Кроме того, коэффициент пропускания про-
зрачного ограждения и коэффициенты поглощения поверхности бака СНВ являются функцией угла падения
[4]. Возможен вариант конструкции СНВ с подвижным горизонтальным рефлектором, который закрывает на
ночь прозрачное ограждение и тем самым уменьшаются потери тепла в ночное время.
В этом варианте конструкции СНВ подвижный рефлектор может иметь дополнительный слой тепло-
изоляции, что в ещё большей степени уменьшит потери тепла в ночное время суток.
Методика исследования. Для расчёта нестационарного температурного поля используем численное
моделирование, применяя электротепловую схему замещения СНВ [4]. Эта схема с дискретными элементами
является моделью системы с распределёнными параметрами. Для такой схемы применим законы и все методы
расчёта, применяемые в электротехнике. Электротепловая схема замещения формируется на основе анализа
физических процессов в СНВ [4]. Особенностью электрической аналогии тепловых процессов является то, что
на базе закона Ома определяются тепловые потоки (тепловые мощности). Они являются аналогами токов для
электрических процессов. При этом происходит снижение потенциалов (температур) без рассеивания энергии
на этих резисторах. Это обусловлено тем,
что при передаче тепла, в отличие от элек-
трических цепей, в тепловых сопротивле-
ниях не происходит преобразование одного
вида энергии в другой.
Наиболее удобным методом расчё-
тов тепловых режимов с использованием
электротепловых аналогов является метод
узловых потенциалов [1]. На рис. 2 показана
такая схема для СНВ с концентраторами
© Ермуратский В., Олещук В., 2014
Рис. 1
Рис. 2
24 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4
солнечного излучения, конструкция которого и внешний вид представлены на рис. 1.
Поглощённое поверхностью бака с водой солнечное излучение представлено источником тока Is, а ок-
ружающая среда − источником ЭДС (температура То). Потенциалы в узлах схемы – это температуры характер-
ных точек конструкции СНВ. Теплоёмкость воды моделируется в виде электрической ёмкости C, а её значение
определяется произведением массы воды на её удельную теплоёмкость. Величины Q1 и Q2 – это тепловые по-
токи или мощности передачи тепла в окружающую среду через прозрачное и непрозрачное ограждение СНВ, а
Q3 – полезный тепловой поток. Резисторы на рис. 2 являются сопротивлениями конвективной, радиационной и
кондуктивной (передача тепла молекулярной теплопроводностью) теплопередачи между характерными точка-
ми конструкции, в которых рассчитываются также температуры в процессе нагрева воды. Для расчёта эквива-
лентных параметров электротепловой схемы замещения СНВ используются методы, изложенные в работах [3,
4]. В схеме замещения учтены также наружные тепловые сопротивления конвективной и радиационной переда-
чи тепла в окружающую среду от прозрачного ограждения (R5 и R6) и наружной поверхности корпуса (R10 и
R11). Резистор R13 представляет теплопередачу излучением между прозрачным ограждением и светоотражаю-
щим слоем теплоизоляции стенки корпуса СНВ. Сопротивления конвективной теплопередачи внутри СНВ (R2,
R4, R10) рассчитываются по формулам теплообмена в ограниченном пространстве [4]. Тепловые сопротивле-
ния конвективной теплопередачи от прозрачного ограждения и тыльной стороны корпуса в окружающую среду
(R6 и R11) рассчитываются по формулам естественного (при отсутствии ветра) или принудительного теплооб-
мена для поверхностей [3, 4]. Сопротивления теплопередачи излучением определялись, учитывая геометриче-
ские и оптические характеристики взаимодействующих поверхностей, используя алгебру потоков и законы ра-
диационного теплообмена [2]. Сопротивления теплопередачи излучением и конвекцией зависят от температуры
в узлах схемы замещения, поэтому их значения уточняются в итерационном процессе [1].
Выполнены расчёты энергетических показателей СНВ с размерами фронтального прозрачного ограж-
дения 1,2х1 м, диаметром верхнего прозрачного ограждения 1,2 м, прямоугольным основанием 1,25х1,5 м; ци-
линдрического бака с водой из металла и полиэтилена с 2 мм толщиной стенок, диаметром 0,4 м и объёмом 0,08
м3, наружная поверхность которого окрашена обычной или селективной чёрной краской. Оптические и тепло-
физические характеристики прозрачного ограждения брались для ячеистого поликарбоната толщиной 6 мм.
Расчёты были выполнены для двух вариантов конструкций наружного рефлектора – неподвижного и подвиж-
ного с слоем фольгированного пенополиэтилена толщиной 8 мм. Второй вариант может обеспечить защиту
СНВ от перегрева и лучшее хранение тепла в ночное время. Для расчётов тепловых режимов СНВ с концентра-
торами солнечного излучения была разработана специальная программа. В программе предусмотрены блоки
расчёта параметров солнечного излучения, эквивалентной электротепловой схемы замещения, решения систе-
мы уравнений расчёта узловых потенциалов и тепловых потоков.
Моделирование осуществлялось для промежутков времени, кратных суткам. Для упрощения временная
зависимость мощности солнечного излучения представлялась в виде кусочно-постоянной функции. Временной
интервал для расчётов был выбран равным одному часу, а данные получены для середины каждого часа суток.
Температура окружающей среды полагалась постоянной и принималась равной среднему за сутки значению.
На рис. 3 показан переходный процесс установления теплового режима СНВ в середине мая для усло-
вий г. Кишинёва. Процесс моделировался для интервала времени продолжительностью в 72 часа. Для расчётов
использовались экспериментальные данные по плотности солнечного излучения. Расчётные значения темпера-
туры воды на рис. 3 показаны сплошной линией, а экспериментальные – пунктирной. Расчёты и эксперименты
выполнены для СНВ с фиксированным горизонтальным рефлектором. Из полученных данных видно, что экс-
периментальные значения температуры воды в баке ниже расчётных. Это сильнее заметно в ночное время су-
ток. Возможная причина этого расхождения – это упрощённый учёт радиационного теплообмена бака с окру-
жающей средой.
Из данных, приведенных на рис.
3, следует также, что вода начинает ос-
тывать ещё в светлое время суток за не-
которое время до захода Солнца. Это
определяет момент времени, когда нужно
закрывать прозрачное ограждение СНВ
тепловым экраном-рефлектором, что по-
зволит увеличить его тепловую постоян-
ную времени. Эта величина, как следует
из расчётов, составляет для СНВ с фик-
сированным рефлектором около 11часов.
Рис. 3
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 4 25
Заключение. Рассмотренная методика решения нелинейной задачи расчёта нестационарных тепловых ре-
жимов солнечного нагревателя воды, основанная на методах электротехники, позволяет сравнительно просто моде-
лировать различные режимы работы и конструкции СНВ. В частности, в работе в качестве примера были выполнены
численные эксперименты для СНВ с подвижными и неподвижными рефлекторами и определены их энергетические
показатели, а также тепловая постоянная времени, характеризующая скорость снижения температуры воды в баке
при отсутствии источника излучения.
1 Ермуратский В.В., Грицай М.А., Шаповалов В.И. Метод расчёта нестационарных температурных по-
лей в неоднородных средах // IV Международная научно-практическая конференции "Математическое модели-
рование в образовании, науке и производстве". − Тирасполь, 2005. − С. 72−74.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. − М.: Энергоиздат. 1981. − 417 с.
3. Харченко Н. В. Индивидуальные солнечные установки. − М.: Энергоатомиздат, 1991. − 208 с.
4. Duffie J. and Beckman W. Solar Engeneering of Solar Processes. − J.Wiley and Sons. 2006. − 908 р.
УДК 662.997
ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ ДЛЯ РОЗРАХУНКІВ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ СОНЯЧНИХ
ОБІГРІВАЧІВ ВОДИ ЄМНІСНОГО ТИПУ
В.Єрмуратський, докт.техн.наук, В.Олещук, докт.техн.наук
Інститут енергетики Академії наук Молдови,
вул. Академічна, 5, Кишинев, МД-2028, Молдова.
e-mail: oleschuk@hotmail.com
Розглянуто застосування електротеплової моделі та методів електротехніки для розрахунку нестаціонарних
теплових режимів сонячного обігрівача води ємнісного типу. Показано можливість визначення еквівалентних
параметрів електротеплової схеми заміщення та рішення нелінійної задачі розрахунку нестаціонарного тем-
пературного поля в сонячних нагрівачах води. Бібл. 4, рис. 3.
Ключові слова: схема заміщення, розрахунок температурного поля, сонячний обігрівач.
APPLICATION OF METHODS OF ELECTROTECHNIQUES FOR CALCULATION OF HEATING REGIMES
OF CAPACITIVE SOLAR HEATER
V. Ermuratskii, V. Oleschuk
Institute of Power Engineering of the Academy of Science of Moldova,
5, Academy str., Kishinev, MD-2028, Moldova.
e-mail: oleschuk@hotmail.com
Combined application of electro-thermal models and methods of electrotechniques for calculation of time-dependent
thermal regimes of solar capacitive water heater has been analyzed. It has been shown possibility of rational
determination of equivalent parameters of electro-thermal equivalent circuit for calculating of non-stationary
temperature field in solar water heaters. References 4, figures 3.
Key words: replacement scheme, calculation of temperature field, solar heater.
1. Ermuratskii V.V., Gritsai M.A., Shapovalov V.I. Method of calculating the non-stationary temperature fields
in heterogeneous environments // IV Mezhdunarodnaia Konferentsiia "Matematicheskoe modelirovanie v obrazovanii,
nauke i proizvodstve". − Tiraspol, 2005. – Pp. 72−74. (Rus)
2. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer. – Moskva: Energoizdat, 1981. − 417 p. (Rus)
3. Kharchenko N.V. Individual solar installation. – Moskva: Energoatomizdat, 1991. − 208 p. (Rus)
4. Duffie J. and Beckman W. Solar Engeneering of Solar Processes. – J.Wiley and Sons, 2006. – 908 p.
Надійшла 20.02.2014
|