Отоплен Комментировать

Расчет коллектора для отопления: Коллекторы для отопления — монтаж, расчет и установка своими руками

Содержание

принцип работы, правила установки и подключения


Одним из действенных вариантов модернизации системы отопления, позволяющих сделать ее более производительной и надежной, является установка коллекторного блока. Устройство, пришедшее на смену традиционным конструкциям линейной структуры, призвано повышать удобство эксплуатирования и ремонтопригодность системы.

Как функционирует коллектор для отопления и какие особенности монтажа следует учитывать, рассмотрим подробнее.

Содержание статьи:

Принцип функционирования распределителя

Основное предназначение – равномерно раздавать тепловые потоки, поступающие из основной магистрали, по контурам системы и за счет циркуляционного оборота возвращать остывшую жидкость к котлу.

При этом отдельные ветки системы, подключенные к коллектору, становятся независимыми друг от друга.

Прибор являет собой промежуточный распределительный узел, ключевыми элементами которого выступают две взаимосвязанные части:

  • подающая гребенка – отвечает за подачу теплоносителя;
  • обратная – выполняет функцию отвода остывшего теплоносителя к генератору тепла.

Вместе они образуют коллекторную группу. От каждой гребенки отходит по несколько выводов для подключения контуров, ведущим к отопительным приборам.

Галерея изображений

Фото из

Коллектор в системе отопления

Коллектор заводского исполнения

Распределительная гребенка из ПП труб

Коллекторная разводка в доме

Составляющие коллекторного узла

Комбинация коллектора с двухтрубной схемой

Техническое оснащение лучевых схем

Дешламаторы и шаровые краны

Каждый вывод устройства может быть оснащен выпускными вентилями и отсекающим либо регулировочным краном.

Их наличие дает возможность регулировать давление внутри каждого контура и в случае надобности отсоединения ветки для ремонта, например, перекрывать поток теплоносителя.

Чтобы повысить производительность системы и получить возможность контролировать все отопительные процессы в каждой комнате обогреваемого дома, корпус задействуют также в качестве платформы под установку:

  • воздуховыпускных клапанов;
  • водосливных клапанов;
  • расходомеров;
  • счетчиков тепла.

Принцип работы коллекторной системы довольно прост. Разогретая теплогенератором жидкость поступает в подающую гребенку.

Внутри промежуточного сборного узла скорость движения жидкости замедляется благодаря увеличенному внутреннему диаметру устройства, она перераспределяется между всеми отводами.

Количество выводов на распределителе может быть любым, а в случае надобности конструкцию всегда можно нарастить дополнительными отводами

Зная расход теплоносителя, равный мощности теплогенератора, и скорость движения воды, несложно найти необходимую площадь сечения. Только предварительно следует перевести литры в удобную для расчетов единицу мм3.

Через соединительные патрубки, сечение которых меньше диаметра трубы коллекторного узла, теплоноситель поступает в отдельно проложенные контуры и двигается к радиаторам или к .

Благодаря такому распределению должным образом прогревается каждый элемент, снабжаемый теплоносителем равной температуры.

Внутренний диаметр коллектора определяется расчетным путем так, чтобы скорость передвижения теплоносителя внутри него была не больше 0,7 м/с

Достигнув батареи и отдав полученное при нагреве тепло, жидкость направляется по другой трубе в противоположном направлении к распределительному блоку. Там она поступает на обратную гребенку, откуда перенаправляется к теплогенератору.

Для загородного коттеджа  по праву считается самой эффективной и надежной.

Единственное, что может останавливать рачительного хозяина– стоимость. Ведь обустройство такой системы обойдется дороже, чем устройство обычной системы тройникового типа.

Такое конструктивное решение, предполагающее обустройство отдельных подающих труб, создает условия для равномерного разогрева радиаторов

Типы коллекторов в системах отопления

Коллекторные установки, применяемые при проектировании закрытых циркуляционных отопительных систем, бывают трех разновидностей.

В зависимости от назначения конструкции на рынке представлены: радиаторные и солнечные системы, а также устройства, оснащенные гидрострелкой.

Тип #1 — радиаторное коллекторное отопление

Какой бы тип отопления не был запроектирован в доме, радиаторы в нем присутствуют всегда. А потому коллекторы, распределяющие потоки теплоносителя непосредственно к установленным в комнатах батареям, являются самым востребованным типом.

Распределительный узел состоит из двух взаимосвязанных гребенок: первая направляет теплоноситель к установленным в комнатах приборам, вторая – отводит его обратно к котлу

Коллекторы, применяемые при радиаторном отоплении, в зависимости от архитектурных и интерьерных особенностей помещения можно подключать различными способами.

По способу подключения радиаторная система отопления может быть выполнена в любом из перечисленных ниже вариантах исполнения:

  • верхнее подключение;
  • нижнее присоединение;
  • установка сбоку;
  • ведение по диагонали.

Наибольшее распространение получил все же нижний способ соединения. При такой разводке контуры, скрытые под поверхностью плинтуса или пола, не так бросаются в глаза.

Да и расчеты подтверждают, что при нижнем присоединении все преимущества частного отопления проявляются в полной мере.

Коллектором для радиаторов оснащают каждый этаж дома. Устанавливают его в центре, маскируя устройство в нише или в устроенном специально для него шкафчике на стене.

Место для установки должно быть выбрано так, чтобы по возможности ко всем приборам подводились ветки равной длины.

Если невозможно достичь равенства подключенных к коллектору колец, то каждый отвод снабжается собственным циркуляционным насосом.

По сути, все подключенные к распределительному узлу ветки представляют собой самостоятельный контур с собственной запорной арматурой, а иногда и автоматикой.

Ярким примером коллекторной схемы отопления являются .

Коллекторная схема разводки обеспечивает равномерную поставку тепла во все кольца системы водяных “Теплых полов”

Трубопроводы теплых полов собирают из медных труб или их пластиковых аналогов, для соединений используют неразъемные фитинги.

В отопительные кольца монтируют вентили, с помощью которых регулируют подачу теплоносителя, а в случае необходимости отключают «теплые полы» от общедомовой отопительной сети.

Коллектор для «теплого пола» представляет собой конструкцию, включающую ряд трубных колец, которая прокладывается под напольным покрытием

Такие системы всегда оснащают . Его располагают в промежуточный коллекторный узел на входе в трубу обратного направления.

Число патрубков на распределительном узле зависит от количества помещений, зацикленных на одной гребенке.

Количество коллекторных групп определяют, ориентируясь на длину контуров. За основу расчетов берут соотношение, при котором на одну коллекторную группу отводится 120 метров трубопровода.

Тип #2 — гидравлическая стрелка

При обустройстве мощных и разветвленных систем отопления, которые проектируют в жилых постройках большой площадью, применяют распределительные коллекторы, оборудованные термогидравлическим распределителем или гидрострелкой.

При монтаже связующего звена с одной стороны к нему подключают контур отопительного котла, а с другой – радиаторное отопление или «теплые полы».

Гидравлическая стрелка представляет собой вертикальная полая труба, оснащенная по торцам эллиптическими заглушками, основное предназначение которой – выравнивать оказываемое на теплоноситель давление

Наличие распределительной гидравлической стрелки позволяет решить сразу несколько задач:

  • избежать резких перепадов температуры в трубах, губительно сказывающихся на эксплуатационном сроке системы;
  • за счет подмеса и вторичной циркуляции части теплоносителя сохранить постоянный объем котловой воды, а также сэкономить топливо и электроэнергию;
  • в случае необходимости компенсировать во второстепенном контуре дефицит расхода.

Поддержание температурного баланса достигается за счет того, что устройство позволяет отделить гидравлический контур котла от вторичной цепи.

Вариант изготовления самодельного коллекторного распределителя, оснащенного гидрострелкой, которая изготовлена из стальной квадратной трубы и оборудована штуцерами

Оптимальную работу системы, оснащенной гидрострелкой, можно обеспечить при условии, если каждый контур оборудован собственным циркуляционным насосом.

Тип #3 — солнечные коллекторные установки

Устройства этого типа выбирают при обустройстве автономного водопровода в негазифицированных областях, где уровень солнечного излучения достаточно высок.

Воздушные гребенки, функционирующие на солнечной энергии, работают за счет парникового эффекта, преобразовывая солнечный свет в тепловую энергию

Конструкция солнечных установок немного отличается от традиционных аналогов. По сути, они представляют собой своего рода теплицы, накапливающие солнечную энергии.

Естественная циркуляция теплоносителя в них осуществляется за счет конвекционных потоков и под действием присоединенных к поглощающей пластине вентиляторов.

Распределитель, поглощающий солнечные лучи, представляет собой небольшой плоский ящик, покрытый черной адсорбирующей пластиной. Эта тепловоспринимающая пластина и аккумулирует тепло.

Накопленное тепло передается теплоносителю, в роли которого может выступать циркулирующий по трубам воздух или жидкость.

Основное предназначение солнечного коллектора – направлять и перераспределять энергию Светила на бытовые потребности и нужды

В продаже можно встретить подвижные коллекторные системы, работающие на солнечной энергии. Их конструкция устроена так, что зеркала и нагревательные элементы «следят» за передвижением солнца, благодаря чему его энергию поглощают по максимуму.

Но из-за высокой стоимости оборудования в качестве основного источника обогрева в условиях климата даже южных регионов нашей страны невыгодно.

А потому их больше задействуют в качестве дополнительного источника тепла при обустройстве систем отопления с исполльзованием твердотопливных и газовых котлов.

Модификации распределительных гребенок

Сегодня на рынке оборудования представлено множество разновидностей коллекторов для отопительных систем.

Производители предлагают как связующие звенья самого простого исполнения, конструкция которых не предусматривает наличие вспомогательной арматуры для регулирования оборудования, так и коллекторные блоки с полным комплектом вмонтированных элементов.

Коллекторный блок, включающий все необходимые функциональные элементы для создания условий бесперебойной и высокопроизводительной работы отопительной системы

Простые в исполнении устройства являют собой латунные модели с дюймовым проходом ответвлений, оснащенных двумя соединительными отверстиями по бокам.

На обратном коллекторе такие устройства имеют заглушки, вместо которых в случае «наращивания» системы всегда можно установить дополнительные приборы.

Более сложные в конструктивном решении промежуточные сборные узлы оснащены шаровыми кранами. Под каждый отвод в них предусмотрена установка запорной регулировочной арматуры. Навороченные дорогостоящие модели могут быть оснащены:

  • расходомерами, основное предназначение которых – регулировать поток теплоносителя в каждой петле;
  • термодатчиками, призванными контролировать температуру каждого отопительного прибора;
  • воздуховыпускными клапанами автоматического типа для слива воды;
  • электронными клапанами и смесителями, направленными на поддержание запрограммированной температуры.

Количество контуров в зависимости от подсоединяемых потребителей может варьироваться в пределах от 2 до 10 штук.

Независимо от сложности и многофункциональности оборудования при изготовлении гребенок коллекторных блоков используют материалы, устойчивые к внешним факторам

Если за основу брать материал изготовления, то промежуточные сборные коллекторы бывают:

  1. Латунные – отличаются высокими эксплуатационными параметрами при доступной цене.
  2. Нержавеющие – стальные конструкции чрезвычайно долговечны. Они могут с легкостью выдерживать большое давление.
  3. Полипропиленовые – модели из полимерных материалов, хоть и отличаются невысокой ценой, но по всем характеристикам уступают металлическим «собратьям».

Модели, выполненные из металла, для продления срока службы и повышения эксплуатационных параметров обрабатывают антикоррозионными составами и покрывают теплоизоляцией.

Разделительные конструкции, выполненные из полимеров, применяют при обустройстве систем, отапливаемых котлами мощностью от 13 до 35 кВт

Детали устройства могут быть литого исполнения либо же оснащены цанговыми зажимами, позволяющих осуществлять соединение с металлопластиковыми трубами.

Но специалисты не советуют выбирать гребенки с цанговыми зажимами, поскольку те часто «грешат» подтеканием теплоносителя в местах соединения вентиля. Это возникает вследствие быстрого выхода из строя уплотнителя. И заменить его не всегда представляется возможным.

Коллекторы используются в схемах одно- и двухтрубного отопления. В однотрубных системах одна гребенка поставляет нагретый теплоноситель и принимает остывший

Рекомендации грамотного выбора

Основная сложность заключается не только в самом монтаже коллектора, но и в правильном выборе оборудования.

При выборе модели гребенки следует ориентироваться на такие параметры:

  1. Предельно допустимое давление для этой модели. Оно определяет тип материала, из которого может выполнен гидрораспределитель.
  2. Пропускная способность узла.
  3. Наличие вспомогательных устройств.
  4. Количество выходных патрубков гребенки. Оно должно соответствовать количеству контуров охлаждения.
  5. Возможность дополнительного присоединения элементов.

Все эксплуатационные параметры указываются в паспорте к изделию.

Для обустройства поэтажных независимых обогревательных контуров, оснащенных автономным управлением, гребенки необходимо монтировать на каждом этаже дома.

При выборе и установке поэтажных распределителей ориентируются на параметры «подсистемы», которую они призваны обслуживать.

Благодаря поэтажному размещению гребенок в случае надобности всегда можно отключать отопление как нескольких отдельных приборов, так и всего этажа

Это значительно упрощает обслуживание отопительной системы и ее ремонт.

Поскольку коллекторный блок – недешевое удовольствие, чтобы обезопасить себя от разочарований при быстром выходе системы из строе при выборе модели стоит ориентироваться на продукцию проверенных производителей.

Смело можно доверять таким производителям, как «GREENoneTEC», «Rehau», «Soletrol», «Oventrop» и «Meibes». В каждой серии ведущих европейских производителей можно подобрать полный комплект необходимого дополнительного оборудования.

Вспомогательные элементы и арматура к коллекторному блоку также должна соответствовать ГОСТу и ТУ.

В качестве дополнительных устройств для подключения коллектора могут понадобиться: 1 – автоматический воздухоотводчик, 2 – переходник, 3 – уголок, 4 – кран, 5 –сгон, 6 – еще уголок, 7 – выводы труб

Каждый из дополнительных элементов конструкции выполняет свою функцию:

  • автоматический воздухоотводчик – монтируется, если блок и радиаторы расположены на одном этаже;
  • переходник – потребуется при монтаже воздухоотводчика, диаметр которого равен ½ дюйма, при условии что резьба коллектора составляет ¾ дюйма.
  • уголок – позволит подсоединить трубы и направить воздухоотводчик вверх.
  • кран – необходим для подключения к устройству идущей от котла трубы;
  • сгон, оборудованный накидкой гайкой – позволит в случае необходимости перекрыть подачу теплоносителя и, открутив накидную гайку, отсоединить устройство.

Если предполагается подключать , дополнительно потребуется установить кран для подпитки.

Для фиксации коллектора к стене потребуются также хомуты, «посаженные» на пластиковые дюбеля. При монтаже конструкции допустимо также применять специальные кронштейны.

Такие конструкции удобны тем, что верхний коллектор в них выдвинут вперед, благодаря чему трубы узла не мешают подводу трубопровода к нижнему коллектору.

Правила установки и подключения

Выбирать и устанавливать коллектор лучше всего еще на этапе проектирования и монтажа отопительной системы.

Устанавливают такие промежуточные конструкции в помещениях, защищенных от избыточной влажности. Чаще всего для этих целей отводят место в коридоре, кладовой или гардеробной.

Коллекторный блок желательно размещать в специально предназначенном для этого металлическом шкафу, оснащенным в боковых стенках отверстиями под выведение труб

В продаже встречаются накладные и встраиваемые модели металлических шкафов. Каждая модель оснащена дверцей и выштамповкой по боковым сторонам.

За неимением возможности установить металлический шкафчик, поступают проще, фиксируя устройство прямо на стену. Нишу под обустройство коллекторного блока размещают на небольшой высоте относительно пола.

Общепринятой инструкции по монтажу коллекторных распределительных схем по сути нет. Но есть ряд основных моментов, относительно которых специалисты пришли к единому знаменателю:

  1. Наличие расширительного бака. Объем конструктивного элемента должен составлять не менее 10% от общего количества воды в системе.
  2. Наличие циркуляционного насоса для каждого проложенного контура. Относительно этого элемента не все специалисты едины во мнении. Но все же, если планируется задействовать несколько независимых контуров, для каждого из них стоит установить отдельный агрегат.

Перед циркуляционным насосом на магистрали обратной подачи размещают . Благодаря этому он становится менее уязвимым к турбулентности потоков воды, часто возникающих в этом месте.

Если же используется гидрострелка – бак монтируют перед основным насосом, основная задача которого состоит в том, чтобы обеспечивать циркуляцию на малом контуре.

Место расположения циркуляционного насоса не принципиально. Но, как показывает практика, ресурс устройства несколько выше именно на «обратке».

Главное при монтаже – расположить вал строго горизонтально. При несоблюдении этого условия первый же пузырь скопившегося воздуха оставит агрегат без охлаждения и смазки.

Сам процесс сборки и подключения коллекторной системы наглядно представлен в видео-блоке.

Выводы и полезное видео по теме

Видео-руководство по последовательной сборке коллекторного блока:

Видео-обзор установки и работы модульного пластикового коллектора:

Распределительный узел для «теплого пола»:

Грамотно выбранная и смонтированная коллекторная разводка гарантирует эффективность и надежность системы отопления.

Благодаря малому количеству соединений и тройников вероятность протечек таких конструкций сводится к минимуму. Ну а возможность регулировать температуру нагрева каждого отопительного радиатора делает эксплуатацию отопительной системой особенно комфортной.

Если обладаете необходимыми знаниями или есть опыт подключения коллекторной системы отопления, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. Сделать это можно оставив комментарий внизу статьи.

Солнечный коллектор для отопления: особенности устройства

Содержание:

1. Принцип работы коллекторов
2. Виды коллекторов
3. Как выбрать солнечный коллектор для нагрева воды

Сегодня солнечные тепловые коллекторы являются лучшими среди подобных устройств. Они специально приспособлены для отопления и позволяют увеличить КПД в несколько раз. К примеру, используя солнечную батарею для отопления дома, задействуется лишь около 15-18% полученной энергии, тогда как коллектор позволяется повысить этот коэффициент до 95%.

В нашей статье мы рассмотрим, по какому принципу работают солнечные коллекторы для нагрева воды, какие существуют виды коллекторов и как из этого многообразия выбрать один самый подходящий.

Принцип работы коллекторов


Если обобщить принцип работы, то можно выделить следующую последовательность действий: солнечная энергия захватывается фотоэлементами, концентрируется в определённых местах коллектора, после чего используется для повседневных нужд.
В этом случае тепловой насос (детальнее: «Тепловой насос: принцип работы — особенности и виды») и солнечный коллектор имеют практически одинаковую схему поведения (прочитайте также: «Расчет насоса для отопления: основные правила»).

Если же подробно рассмотреть процесс, то можно заметить, что вся работа базируется на 5 основных действиях:

  1. Внутри панелей циркулирует жидкость-теплоноситель для солнечного коллектора, который аккумулирует в себе полученное тепло.
  2. Вмонтированный теплообменник забирает энергию из теплоносителя в аккумулирующий бак.
  3. Вода хранится в баке до тех пор, когда понадобится использование. Именно поэтому так важна качественная теплоизоляция окружающего пространства.
  4. Насос доставляет новую порцию холодной воды, которая затем опять нагревается и используется.
  5. Для страховки может использоваться вмонтированный электронагреватель для отопления, который при продолжительном отсутствии солнечной энергии самостоятельно нагревает воду за счёт электроэнергии.

Виды коллекторов


Расчёт солнечных коллекторов для отопления происходит исходя из конкретного их вида, поэтому очень важно правильно выбрать тип используемого устройства. Существует три основных типа коллекторов: плоские, вакуумные и воздушные. Подробно рассмотрев каждый из них, вы наверняка сможете произвести точный расчёт солнечного коллектора для отопления. Также это поможет подобрать солнечный нагреватель воды подходящего типа.

Именно принцип работы плоского коллектора больше всего похож на описанный нами выше. Этот коллектор состоит из плоской коробки, покрытой защитным стеклом, и внутри которой в медных трубках циркулирует пропилен-гликоль, передающий тепло в бак.

Вакуумный солнечный коллектор для отопления вместо плоского листа составлен из больших трубок с полостью и несколькими меньшими трубками внутри. В этих небольших трубках находится вещество, аккумулирующее тепловую энергию. Затем этот своеобразный аккумулятор передают энергию теплоносителю, после чего всё идёт по стандартному принципу работы.
В качестве теплоизолятора внутри больших трубок выступает вакуум, откуда и пошло название этого типа.

Воздушный солнечный коллектор для отопления используется реже остальных, так как его КПД значительно ниже. Причина этого кроется в том, что в роли теплоносителя выступает воздух, а он хуже переносит тепло, чем жидкости. С другой стороны, на его перенос тратится гораздо меньше энергии. В некоторых случаях этот процесс протекает естественным образом, что не только экономит электричество, но и уменьшает количество производимого шума.

Как сделать солнечный коллектор своими руками, смотрите на видео:


Как выбрать солнечный коллектор для нагрева воды


Как и в других случаях, нельзя дать однозначный ответ на все случаи жизни. Но вы сможете и сами определить подходящий вариант, ознакомившись с нашими советами. Будьте внимательны, чтобы не ошибиться на этом важном этапе.
Плоский солнечный тепловой коллектор считается самым надёжным и прочным. В основном это объясняется простотой конструкции. Вакуумные коллекторы более уязвимы к внешним воздействиям и случайным ударам.

Хотя воздушные солнечные коллекторы для горячей воды далеко не самые эффективные, именно они могут спасти ситуацию в холодное время года. Так как в них не содержится жидкостей, в трубках априори ничего не может замёрзнуть. Именно поэтому воздушный солнечный коллектор для отопления зимой подойдёт лучше любого другого.

В случае повреждения плоского коллектора, что случается довольно редко, будет необходимо заменить всю конструкцию, тогда как для восстановления работоспособности вакуумного достаточно заменить пострадавшие трубки на новые. Но делать это придётся немного чаще, так что запаситесь трубками и терпением.

Плоские коллекторы наиболее эффективны для нагревания воды на 25-30 градусов выше температуры окружающей среды, тогда как вакуумные могут повышать температуру на несколько десятков градусов по Цельсию независимо от времени года.

Вакуумные коллекторы эффективны в пасмурное время и зимой, так как их КПД в этот период выше, чем у других видов. С другой стороны, их срок службы меньше стандартного для всех коллекторов — при активном использовании вакуумные коллекторы навряд ли смогут прослужить дольше 15 лет. Интересно, что чем толще и длиннее у них трубки, тем больше тепла они смогут выделить, и наоборот. Нормальной считается длина 1-2 м и диаметр 5,8 см.

Малые трубки вакуумных коллекторов могут быть разными. Раньше часто применялись обычные медные, но сейчас наиболее популярны и эффективны U-образные. С одной стороны подаётся холодная жидкость, которая после прохождения через трубку становится теплее.

Стоит учесть, что в этой сфере, как и в любой другой, очень важна помощь квалифицированных специалистов. Но так как их наём стоит дорого, гораздо выгоднее собрать солнечный коллектор для отопления своими руками. Обычно в комплекте с техникой прилагается подробная инструкция по сборке, благодаря которой не останется ни одного непонятного момента в этом процессе. Если внимательно следовать указанному порядку действий, то вы поймёте, насколько легко самому собрать коллектор. Впоследствии вы будете приобретать опыт, и следующие элементы дадутся легче. Поэтому во многих случаях есть смысл в конце работы заново собрать первый элемент, применив полученные навыки.

Итак, мы смогли увидеть, что солнечные коллекторы могут стать огромной помощью в хозяйстве, экономя много электроэнергии и других ресурсов, используемых для отопления. Также их можно использовать не только для традиционного отопления дома, но и в других случаях. К примеру, на обогрев бассейна солнечные коллекторы могут тратить только часть основной энергии, но это будет огромной помощью, особенно в прохладное время года. Пробуйте, экспериментируйте, и у вас всё получится!

принцип работы, типы, модификации гребёнок, схема монтажа

Содержание статьи:

Эффективная система теплоснабжения – это производительная и надежная магистраль. Для ее модернизации применяется коллектор отопления в виде специального блока.

Гребенка обеспечивает распределение тепла по контуру, что способствует комфортной температуре в доме.

Специфика работы распределителя

Конструкция коллектора

Коллектор – устройство распределительного типа для системы отопления, который способствует равномерной раздаче тепла. Остывшая вода под воздействием циркуляционного оборота поступает обратно в котел. Ветки магистрали, подкинутые на распределитель, функционируют независимо.

Конструкция прибора

Промежуточный узел состоит из двух частей. Подающая гребенка подводит теплоноситель к коммуникациям, а обратная – выводит его на генератор тепла при остывании. Две гребенки являются коллекторной группой, причем на каждую из них можно подключить один контур или несколько разводок на отопительные устройства. Давление внутри каждого из контуров регулируется.

Особенности работы

Принцип действия коллекторного отопления заключается в разогревании воды тепловым генератором и поступлении ее на гребенку подачи.

За счет большого внутреннего диаметра узла жидкость, находящаяся в нем, замедляет скорость и распределяется по всем отводам.

Теплоноситель двигается к индивидуальному контуру через соединительные патрубки с меньшим диаметром, чем распределитель. Нагретую воду можно направить в радиаторы, систему теплый пол, обеспечивая равномерный прогрев каждого элемента.

После попадания в контур и отдачи тепла вода двигается по другому трубопроводу к распределителю. Направление при этом будет противоположным. Достигнув обратной гребенки, теплоноситель отправляется на тепловой генератор.

Коллекторный тип отопления подойдет, если у вас загородный дом или двухэтажный коттедж.

Разновидности коллекторов

Коллектор для радиаторного отопления

Коллектор предназначен для закрытой системы циркуляционного отопления. Устройство бывает нескольких модификаций.

Радиаторные коллекторы

Водяной прибор ставится на батарею и способствует равномерному распределению воды в каждой секции. Его можно подключать вверху, сбоку, внизу или ввести по диагонали. Если у вас квартира, оптимальным будет нижняя установка – контуры скрываются под плинтусом или напольным покрытием.

Частный дом оснащается радиаторными распределителями на каждом этаже. Они ставятся по центру разводки, скрываются в нишах или специальных шкафах. Если на коллекторные устройства не выводится одинаковое количество колец, для каждого отвода используется индивидуальный циркуляционный насос.

Радиаторный тип механизмов имеет несколько особенностей подсоединения:

  • ветки распредузла формируют отдельные контуры с запорной арматурой;
  • для теплых полов используется медный или полипропиленовый вид труб;
  • соединение осуществляется при помощи неразъемных фитингов;
  • для регулировки количества теплоносителя ставятся вентили;
  • циркуляционный нанос находится в промежуточном узле на входе в патрубок обратки;
  • количество труб зависит от числа комнат, подсоединенных к одной гребенке.

На одну коллекторную группу должно приходиться 120 м трубы.

Термогидравлический распределитель

Гидрострелка

Гидрострелка применяется в производительной или разветвленной системе теплоснабжения, к которой подключается многоэтажный тип зданий. На одну сторону звена-связки выводится контур под отопительный котел, на вторую – батареи отопления или теплые полы.

Распределительный гидроколлектор обеспечивает:

  • устранение резких скачков температуры воды;
  • повышение эксплуатационных ресурсов в системе;
  • экономию топлива и электричества;
  • сохранение постоянного объема воды в резервуаре посредством подмеса и вторичной циркуляции;
  • компенсацию затрат теплоносителя второстепенного контура;
  • отделение гидравлического контура котла от вторичной разводки;
  • поддержку температурного баланса отопительных коммуникаций.

Нормальную работу магистрали с гидрострелой в зимний сезон обеспечивает циркуляционный насос каждого контура.

Солнечные коллекторные устройства

Схема солнечного коллектора

В регионах без автономной водоподачи или негазифицированных местностях можно реализовать отопление при помощи солнечных коллекторов. Конструкционно приборы выполняются как теплицы, способные накапливать солнечную энергию. Теплоноситель циркулирует естественным образом – циркуляционные потоки создают вентиляторы поглощающей пластины.

Солнечные лучи принимает распределитель в виде плоского ящика. Черная тепловоспринимающая пластина аккумулирует тепловые потоки и передает их на носитель тепла, в качестве которого задействуется воздушный поток или вода. Инновационные системы работают по направлению движения солнца.

Солнечные установки отличаются дорогой ценой, и даже в южных областях задействуются как вспомогательный отопительный прибор.

Коллектор распределительный для отопления выпускается с 2-12 контурами. При установке дополнительных устройств количество контуров можно увеличивать.

Классификация по сложности конструкции, материалам, оснащению

Элементы модернизированного коллектора

При подборе гребенок необходимо учитывать несколько параметров. В зависимости от сложности конструкции приборы бывают простыми и модернизированными. Первая группа исполняется без регулировочных деталей и является железным патрубком с несколькими ответвлениями и боковыми отверстиями для подключения к системе.

Модернизированные варианты оснащаются:

  • контроллерами параметров давления и температуры;
  • датчиками, регулирующими подачу теплового носителя;
  • термостатами автоматического типа – отслеживают и автоматически понижают давление системы;
  • электронными смесителями и клапанами для поддержки выставленного температурного режима;
  • расходомерами для регулировки количества теплоносителя в петлях;
  • воздухоотводчиками автоматического типа и сливными автоматизированными клапанами.

Для изготовления промежуточных узлов используются следующие материалы:

  • латунь, рассчитанная на долгую эксплуатацию;
  • нержавейка, способная выдерживать большое давление и отличающаяся долговечностью;
  • полипропилен, являющийся бюджетным материалом.

Модернизированные коллекторы изготавливаются с шаровыми кранами, в которые вставляется регулировочная арматура. Металлические модели имеют антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие.

Рекомендации по выбору устройств

Циркуляционный насос для отопления

При покупке гребенок на отопление необходимо учитывать несколько нюансов:

  • Модели с цанговыми зажимами подвержены протечкам на участках подключения к вентилю. Их уплотнитель быстрее выходит из строя и не подвергается замене.
  • Система нормально функционирует только при наличии циркуляционного насоса.
  • Чтобы спрятать коллектор, понадобится специальный шкаф или ниша.
  • От материала блока зависит максимальный показатель давления.
  • Пропускная способность распределителя определяет количество теплоносителя, движущегося по трубам за определенное время.
  • Вспомогательные элементы улучшают функционал устройства.
  • Количество выходных патрубков должно равняться количеству охладительных контуров.

Технические параметры прописываются в паспорте изделия.

Вспомогательные элементы

Коллекторная система отопления организуется с использованием дополнительных элементов:

  • воздухоотводчик – ставится при расположении радиаторов и блока на одном этаже;
  • переходник – нужен при установке спускника воздуха с диаметром ½ дюйма на коллектор с резьбой ¾ дюйма;
  • уголки – обеспечивают подключение трубопровода и направление воздухоотводчика наверх;
  • краник – нужен для подсоединения трубы от котла на распределитель;
  • сгон с накидной гайкой – используется для перекрытия подачи воды или газа и отсоединения неисправного прибора;
  • хомуты с пластиковыми дюбелями или кронштейны – понадобятся для фиксации узла.

Коллектор, подключенный к теплым полам, оснащается краном подпитки.

Требования к подключению и установке

Схема коллектора для теплого пола

Монтаж и подсоединение коллекторов производятся во время установки системы отопления. Промежуточные приборы ставятся в коридорах, гардеробных или кладовых. Для этого подходят накладные или встроенные шкафы. Если их нет, обустраивается специальная ниша на высоте 20-30 см от пола.

Унифицированная схема подсоединения коллекторной системы не разработана, но специалисты приводят несколько рекомендаций:

  • Расширительный бак должен быть объемом от 10 % общего количества теплоносителя.
  • Установка индивидуального насоса на каждый контур.
  • Расширительный резервуар ставится перед насосом на линии обратной подачи.
  • При наличии гидрострелы бак ставят перед основным насосом, обеспечивающим циркуляцию малого контура.
  • Ресурс насоса повышается при расположении выше обратки.

Коллекторный вал ставится горизонтально, что предотвращает завоздушивание системы и проблемы с его охлаждением.

Выбор места монтажа

Для коллекторной системы характерен поэтажный монтаж труб с организацией независимого автономного контура. Распределитель допускается ставить в любом месте, скрыв в шкафу с отверстиями под трубы на торцевых стенках.

В помещении должна поддерживаться оптимальная влажность, поэтому идеально подойдет кладовая, гардеробная или коридор. Если коллектор устанавливается на даче, его крепят в открытом виде на хомуты или кронштейны.

Самостоятельная сборка коллекторной установки

Полипропиленовый коллекторный узел

Своими руками можно изготовить распределительный коллектор из нескольких материалов. Понадобится подобрать нужные инструменты, сделать расчеты, создать чертеж. Для расчета учитывается число контуров, наличие теплых полов, помещения с максимальной и минимальной температурой, типа отопления на каждом этаже.

Отвязка коллектора должна иметь расстояние 10-15 см, гребенки подачи и обратки удаляются друг от друга на 25-30 см. Диаметр устройства зависит от типа котла, но 25,4-38,1 мм будет достаточно.

Прибор из полипропилена

Изготовить полипропиленовый коллекторный механизм можно из трубы 32 мм в диаметре и тройников на 32/32/16 мм. На одну сторону прибора ставится тройник, которому вверху подключается спускник воздуха, а внизу – сливной кран. На другой стороне находится труба отвода/подачи и вентиль. Подачу направляют на котел.

Отвод 16 мм в диаметре оснащается вентилем. Вся конструкция крепится на стене кронтштейнами.

Узел из латуни

Самодельный распределитель можно сделать на основе латунных фитингов и тройников. Подкладочным материалом будет льняная пакля или греметик. После сборки устройство тестируют. При неправильном соединении он будет протекать.

Коллектор из профтрубы

При наличии сварочных навыков можно сделать модель для большого дома, где есть многотрубная разводка. Система с гидрострелой изготавливается из профтрубы 8х8 или 10х10 см и круглой трубы. Их сечение рассчитывается на основании тепловой мощности системы, скорости воды, разницы показателей температуры в момент подачи и возврата.

Разводки отдаляются на 15 см, коллекторы – на 20 см. Труба ставится согласно эскизу, а отверстия для разводки делаются газовым резаком. Небольшие части трубок заранее привариваются к блоку. После сборки к прибору сваркой крепятся установочные кронштейны.

Коллекторный тип отопления обеспечивает эффективный и равномерный прогрев жилища. Система затратна и сложна в монтаже, но окупается за первый сезон эксплуатации. При желании сэкономить мастера могут изготовить распределитель самостоятельно.

описание, что необходимо, сварка отопительного коллектора

Для создания коллектора отопления нужны базовые навыки мастера, свободное время и желание. В процессе сварки сохраняйте внимание, чтобы не испортить результат. Смастерить собственный коллектор вместо покупки заводского продукта – хорошее решение, когда сварщик ограничен в средствах и хочет испытать свои навыки.

Особенности коллектора

Содержание статьи

На качество изделия влияют три параметра:

  • размеры;
  • металл;
  • отделочные детали.

Перед началом работы нужно изучить теорию. Коллектор, сделанный самостоятельно, заметно отличается от собранного на заводе. Устройство выглядит как гребешок, выполненный методом сварки. По этой причине его называют «гребенка». Обычно это горизонтальная конструкция, имеющая отводы. Они бывают направлены в две стороны или одну, направление определяет место расположения котельной. Если котел стоит на цокольном этаже, патрубки располагаются вверху. Выше котла находятся вентиляционные установки, батареи, система теплых полов.

Патрубки снизу важны для систем, расположенных ниже котельного уровня. «Отопительные гребенки» бывают смешанного типа, поддерживающие оба варианта расположения патрубков.

Коллектор выполненный самостоятельно

Как подготовиться к сварке

Проще всего сварить устройство по готовому чертежу. В сети существует множество схем, сопровождаемых инструкциями. Чертеж выбирают индивидуально, универсального способа сварки не существует, каждый мастер снабжает свои схемы рекомендациями, которые считает идеальными. После выбора чертежа сварщик определяется с материалом профиля. Распространены следующие варианты:

  1. Нержавеющая сталь.
  2. Черная сталь – ее выбирают за надежность, доступность и устойчивость к коррозии.
  3. Полипропилен. Неоднозначный материал, подходящий для изготовления коллектора, но готовые изделия выходят не дешевыми и часто получаются дефективными.

Выбранный материал обязательно должен выдерживать высокие температуры, быть стойким к ржавчине. Назвать лучший материал среди доступных затруднительно, поскольку решающую роль играет качество сварки и конкретные условия, в которых работает изделие. Работа коллектора однозначно связана с экстремально высокими температурами, этот факт нужно держать в уме во время покупки профиля.

Место, где для расположения коллектора изучают до изготовления прибора. Чтобы смастерить качественный коллектор, понадобится учесть некоторые условия – место нахождения котла, удаленность стен от установки, мощность всей системы. Опираясь на эти переменные мастер понимает, какое в итоге получит готовое изделие. Если все параметры учтены верно, коллектор, сваренный собственноручно – выполнен без дефектов. Для улучшения результата работы предварительно получите консультацию мастера. Он произведет замеры и расскажет, какие технические нюансы имеют значение в данном конкретном случае.

Компоненты, составляющие коллектор

Отопительная гребенка – это конструкция из сварки, оснащенная отводами. Последние являются распределительными элементами, передающие тепло к батареям, бойлерам и т. д. Скорость движения жидкости по отопительным контурам определяет циркуляционный насос, а смешивание производится в самом коллекторе. Этот процесс держит температуру в балансе, что благоприятно влияет на сохранение целостности всей отопительной системы. Благодаря коллектору сохраняется оптимальный уровень давления. Без патрубков система не смогла бы функционировать правильно.

Вторым ключевым параметром является размер гребенки. Дальность расположения осей коллектора влияет на скорость монтирования, а для правильной работы важно сохранить равное расстояние между патрубками.

Не последнее значение имеет дюймовка коллектора и ее выходы. Все это зависит от арматуры, применяемой для создания коллектора. Правильная резьба не только приварена, но и отшлифована. Для нормального функционирования после шлифовки идет обработка.

Перед созданием изделия проводят точные расчеты и неукоснительно следовать схеме. Ошибка на 1-2 миллиметра значительно усложнит процесс установки арматуры запора или сделать ее невозможной. В этом случае лишние траты неизбежны, а чтобы исправить ошибку придется звать человека со стороны, обученного работе с такими установками. Всесторонняя подготовка к сварке позволит избежать неприятностей.

Пример чертежа коллектора отопления

Сварка отопительного коллектора

После выбора металла и всех расчетов приступают к работе. Сварка прибора зависит от схемы и проводится по следующему алгоритму:

  1. В зависимости от указанных в инструкции размеров, мастер производит закупку достаточного количества материалов.
  2. Трубы соединяют по указаниям из схемы при помощи сварочного инвентаря, подключают между собой.
  3. Области контакта труб зачищают, обрабатывают герметиком.
  4. Гребенку отопления проверяют на герметичность. Для этого оставляют открытым только один патрубок. Правильно собранный коллектор после подачи воды не имеет протечек в закрытых отводах.
  5. Готовую конструкцию окрашивают. После просушивания она готов к установке.

Надежность коллектора, при условии правильной реализации схемы мастером, определяет качество чертежа, на котором основана сборка. Выбирают неспешно, изучив все детали.

Предлагаем к просмотру видео по сварке коллектора:

Заводской или самодельный коллектор

Есть разница между коллектором с завода и изделием, выполненным своими руками. Но при хорошем исполнении грамотного чертежа разница бывает незначительной. Конечно, самодельная гребенка лишена гарантии, сертификата и т. д. Тем не менее, качественно собранный прибор способен работать без нареканий не менее 3 лет.

Серийный прибор сопровождается сертификатом и гарантией, продукт проходит многочисленные тестирования перед реализацией. Заводской прибор имеет хорошую отделку, полноценно защищен от коррозии, хорошо противостоит деформации.

Собирать коллектор самостоятельно стоит лишь будучи полностью уверенным в своих силах. Когда возникают сомнения, лучше потратить чуть больше средств, но быть уверенным в качестве гребенки и отсутствии дефектов. Любая конструкция, собранная своими руками – проигрывает серийному изделию. Реализовывать проект по стороннему чертежу можно лишь на свой страх и риск.

Сборка коллектора отопления своими руками – непростое дело, в котором есть свои нюансы и подводные камни. Качество исполнения проекта зависит не только от сварщика, но и от автора проекта. Плохой чертеж сведет на «нет» любые старания. Поэтому, когда было твердо решено делать гребенку самостоятельно, важно сначала запастись терпением и найти схему, которая подходит по всем параметрам.

Видео по теме: Коллектор отопления своими руками

Распределительный коллектор. Как подобрать для этажа и квартиры?

В. Поляков

Распределительный коллектор («гребенка») – устройство, которое объединяет потоки с разными гидравлическими характеристиками (расход и давление) и затем их распределяет, чтобы в динамике обеспечивать на выходе одинаковое давление. На что следует в первую очередь обращать внимание при выборе распределительного коллектора для этажа и квартиры?

Прежде всего, подводящий трубопровод к «гребенке» должен иметь достаточный диаметр (условный проход).

Потери давления в питающем трубопроводе коллектора определяется по формуле:

где λ – коэффициент трения; l – длина; G – массовый расход рабочей жидкости; ρ – плотность рабочей жидкости; d – внутренний диаметр трубопровода; v – скорость потока.

Это означает, что для одинакового расхода жидкости с постоянной плотностью потери давления по длине будут обратно пропорциональны внутреннему диаметру трубы в пятой степени. Чтобы уменьшить линейные потери давления в 100 раз (два порядка) нужно выбрать диаметр распределительного коллектора в 2,51 раза больше диаметра подводящего трубопровода, соответственно – для снижения на три порядка (в 1 000 раз) коллектор должен быть по диаметру больше в 3,98 раза. В таком случае разница в давлении между соседними выходными патрубками «гребенки» будет пренебрежимо мала.

Опираясь на формулу (1), можно рекомендовать следующие геометрические соотношения для «правильного» распределительного коллектора теплового пункта.

Диаметр коллектора Dк должен быть в три раза больше диаметра подводящего трубопровода Dп:

Dк ≥ 3Dп (2)

Поперечное сечение коллектора должно быть втрое больше суммы поперечного сечения выходных патрубков:

3nD02 ≤ Dк2 (3)

Расстояние между осями выходных патрубков распределительного коллектора должно быть больше или равно 3-кратному диаметру наибольшего из соседних отводов.

Диаграммы на рис. 1 иллюстрируют эти соотношения. В «гребенке», где соблюдены рекомендованные соотношения, даже в динамике давление на выходных патрубках будет практически одинаковым. При этом скорость потока в самом коллекторе по сравнению с подводящим трубопроводом будет ниже примерно в 9 раз. В таком случае на самом распределительном коллекторе можно установить воздухоотводчик.

Рис. 1. Зависимость распределения давления на отводах от соотношения Dк/Dп

При несоблюдении рекомендаций по соотношению диаметра и проходного сечения коллектора с условным проходом отводящих патрубков будет наблюдаться разность давлений на выходах «гребенки». То есть «гребенка» перестанет выполнять свою уравнительную (балансирующую) роль и превращается в последовательный «набор тройников».

Из-за стесненных условий, как правило, соотношение (2) для распределительной «гребенки» не выполняется. Без полноценного коллектора трудно выполнить равномерную балансировку ни для этажа, ни в квартире. Чтобы частично скомпенсировать «неправильность» соотношений диаметров и неспособность к полноценной гидравлической балансировке, для таких коллекторов важно правильно выбрать диаметр подводящего трубопровода согласно требованиям строительных норм и правил.

Согласно п. 6.6.15 ДБН В.2.5-67:2013 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» скорость рабочей среды в трубопроводах жилых домов не должна превышать 1,5 м/с. По этому параметру можно выбрать трубу из соответствующего материала, которая будет иметь нужный массовый расход, и рассчитать теплопропускание (таблица 1).

Таблица 1. Расходы и тепловые нагрузки для труб из различных материалов при скорости рабочей среды 1,5 м/с


При расчете расхода через распределительный коллектор для водоснабжения в квартире можно обратиться к данным таблицы 2. Здесь нужно опираться на количество и расходы в квартирных точках водоразбора.

Таблица 2. Расчетные расходы через коллектор водоснабжения

Подбор распределительного коллектора

Главное правило – диаметр коллектора ни в коем случае не должен быть меньше размера трубы подводящей линии. Чем больше диаметр распределительной «гребенки» – тем лучше для равномерности давления на точках разбора воды и/или теплоносителя.

Неправильный подбор «гребенки» (см. рекомендации выше), например, для водопровода, может вызвать скачки по расходу на разных приборах (см. рис. 2) и вызвать разбалансировку, например, на смесителе.

Рис. 2. Результат неправильного подбора коллекторов для холодного и горячего водоснабжения

Если на квартирном вводе горячей и холодной воды не установлены регулирующие клапаны, принудительно стабилизирующие давление в «гребенке», то для квартирных коллекторов особенно важно придерживаться правил последовательности подключения. Присоединять устройства, неравномерность расхода на которых слабо влияет на работоспособность или комфортность водоснабжения, нужно как можно «ниже» по течению воды в «гребенке». Первым следует подключать водонагреватель, затем – смесители, вслед за этим – стиральную и посудомоечные машины (убедившись, что отсечной клапан «нет воды» настроен на давление ниже, чем падение, вызванное изменением водоразбора), и в самом конце коллектора – патрубок сливного бачка (см. рис. 3).

Рис. 3 Пример подключения квартирного распределительного коллектора холодной воды

Пример подбора квартирного распределительного коллектора

Рассмотрим пример подбора квартирного коллектора по схеме подключения, показанной на рис. 3, то есть на четыре точки водоразбора. Таблица 2 регламентирует необходимый расход на уровне 0,28 л/с. Пусть подводящий водопровод к дому выполнен из стальной трубы 1/2″ (Ду = 15 мм), допускающей расход 0,29 л/с при скорости потока до 1,5 м/с. Подвод к «гребенке» осуществлен металлополимерной трубой 20×2,0 (3/4″). По данным производителя определяем, что допустимый расход через такую трубу 0,3 л/с, что превышает пропускную способность домового ввода (1/2″). Выбрав коллектор VTc.500NE с условным диаметром 1″ (Ду = 30 мм), проверяем общие рекомендации по выбору коллекторов (см. выше).

Площади поперечного сечения «гребенки» (см. табл. 3) и подвода (1/2″) различаются в 4 раза. При таком соотношении условных диаметров снижение потерь по длине «гребенки» (формула 1) составит 23 раза. Это неидеально (соотношение диаметров гребенки и подвода не [2,5…4]:1, а 2:1), но в данном случае это не критично: при соблюдении порядка подключения (см. рис. 3) распределительный коллектор для водоснабжения на 4 выхода сможет выполнять свою балансировочную роль в динамическом режиме работы.

Большой ассортимент распределительных коллекторов

В таблице 3 в качестве примера приведены коллекторы торговой марки VALTEC на разное число выходов, разработанные для подключения этажных и квартирных систем водоснабжения и отопления. Помимо водоснабжения, данные системы приспособлены как для радиаторного отопления, так и для низкотемпературных систем, например, «теплый пол» и обогрев открытых площадок.

Таблица 3. Коллекторы и коллекторные блоки VALTEC

Особую популярность приобретают распределительные коллекторы из нержавеющей стали, например, VTc.510.SS. Они успешно эксплуатируются в этажных распределительных узлах систем водяного отопления типовых многоквартирных зданий.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 9 889
Вас может заинтересовать:

Вам также может понравиться


Заказ был отправлен, с Вами свяжется наш менеджер.

Подбор этажных распределительных узлов для систем водяного отопления

Подключение к стоякам: СлеваСправа

Dy: 3/4″1″1 1/4″

Gmax = 1,13 м3/час        Qmax = 26,3 KВт

Вид балансировки узла: Без регулировкиБалансировочный клапанРегулятор перепада давлений

Крепление: РамаВстроенный шкафПристроенный шкаф

Коллекторы

Тип коллекторного блока: Без перепускного клапанаС перепускным клапаном

Число выходов: 345678

Dy коллектора: 1″1 1/2″

Воздухоотводчики: РучныеАвтоматические

Манометры: НетЕсть

Дренажные краны: НетЕсть

Теплосчетчики

Место установки: На прямойНа обратной

Тип выхода: НетM-BusИмпульсный + M-Bus

Выходы

Регулировка: НетБалансировочный клапанНастроечный клапанВентильСтабилизатор расхода со скрытой настройкойСтабилизатор расхода с открытой настройкой

Выход

Gном ТС м3/час:    Gрасч ТС м3/час:    ΔPрасч КПа  

 

Моделирование производительности двойного коллектора воздух / вода в системе солнечного водоснабжения и отопления. Приложение

В настоящей работе была разработана и экспериментально подтверждена подробная математическая модель двойного коллектора воздух / вода (DAWC). Чтобы продемонстрировать применение DAWC, в проанализированных тематических исследованиях были выбраны три здания с разными уровнями энергоэффективности и три местоположения зданий. Было проведено сравнение четырех систем солнечных коллекторов. Солнечная мощность описанных систем была определена путем моделирования с использованием детальной теоретической модели DAWC.Результаты показывают, что в случае комбинирования системы подготовки горячей воды для бытового потребления и системы отопления с рециркуляцией воздуха на основе DAWC, можно достичь увеличения выхода солнечной энергии до 30% по сравнению с традиционной системой подготовки горячей воды для бытового потребления в зависимости от климат и характеристики здания.

1. Введение

Плоские солнечные коллекторы, вероятно, являются наиболее фундаментальной и наиболее изученной технологией для солнечных систем горячего водоснабжения. Технология плоских коллекторов развивалась более 60 лет.Товары, которые продаются сегодня, оказались долговечными и надежными, и поэтому коллекторы считаются достаточно зрелой технологией. Однако, даже если это устройство достигло хорошего технологического уровня и позиции на рынке, научный и технологический мир проявляет постоянное внимание к улучшению энергетических характеристик коллектора. Способы повышения энергоэффективности в целом можно разделить на две категории: использование новых технологий, материалов и компонентов и сочетание уже существующих технологий использования солнечной энергии в одном объекте (гибридный коллектор).

Целью объединения двух различных технологий использования солнечной энергии является расширение области применения данного коллектора и увеличение потенциального выигрыша энергии от площади, занимаемой коллектором. Известным примером такого многоцелевого коллектора является фотоэлектрический-тепловой солнечный коллектор, сочетающий фотоэлектрическую технологию и солнечный тепловой коллектор.

Настоящее исследование посвящено двухжидкостному солнечному коллектору, объединяющему воздушный и жидкостный солнечные коллекторы. Идея объединения обоих типов технологий в двойном солнечном коллекторе воздух / вода (DAWC) не нова.Это возникло из типичной ситуации в умеренных и холодных климатических зонах, где солнечного излучения достаточно для приготовления горячей воды для бытовых нужд (50-60 ° C) летом, в то время как температура на выходе из солнечных коллекторов зимой обычно не поддерживается. достичь значений выше 30 ° C; однако этого может быть достаточно, например, для подогрева свежего воздуха. Такая интегрированная конструкция позволяет увеличить годовой выход энергии солнечной системы и максимально увеличить время работы, что делает ее более рентабельной, чем обычные солнечные водные или воздушные системы.

Ряд исследователей изучали тепловые характеристики солнечных коллекторов, работающих одновременно с двумя разными типами жидкостей. Assari et al. [1] представили математическую модель двойного солнечного коллектора воздух / вода методом эффективности. Модель была экспериментально проверена и впоследствии использована для анализа производительности двойного солнечного коллектора воздух / вода с тремя различными типами воздушных каналов, такими как прямоугольное ребро, треугольное ребро и без ребра. Результаты моделирования показали, что прямоугольный плавник имеет лучшие характеристики по сравнению с другими.Джафари и др. [2] представили анализ энергии и эксергии двойного солнечного коллектора воздух / вода с треугольными воздушными каналами. Исследование показало, что двойной воздушный / водяной солнечный коллектор имеет лучшую энерго- и эксергетическую эффективность, чем традиционный жидкостный или воздушный коллектор. Ma et al. [3] представили экспериментальный и теоретический анализ эффективности двойного солнечного коллектора воздух / вода с L-образными ребрами и подтвердили, что скорость воздушного потока является ключевым фактором теплового КПД. Позже Mohajer et al. [4] провели экспериментальное исследование двойного солнечного коллектора воздух / вода, разработанного Assari et al.[1]. Эксперименты показали, что систему на основе солнечных коллекторов двойного назначения можно использовать как бытовую сушку, а также для горячего водоснабжения. Арун и Арун [5] сконцентрировали свои исследования на использовании пористой среды в конструкции солнечного коллектора двойного назначения, и они указали, что использование пористой среды приводит к увеличению теплового КПД коллектора. Nematollahi et al. [6] представили экспериментальное сравнение одножидкостной солнечной системы на основе жидкостного коллектора и двойной воздушно-водяной солнечной системы на основе двойного воздушно-водяного солнечного коллектора.Результаты показали, что двойная система воздух / вода имеет более высокую эффективность, чем одножидкостная система. Венкатеш и Кристрадж [7] представили экспериментальное исследование многоцелевой системы солнечных коллекторов, основанной на комбинации водяных и воздушных коллекторов, и подтвердили более высокую эффективность системы по сравнению с традиционной системой. В отличие от предыдущих исследований, Ji et al. [8] представили анализ раздельного использования воздушной и водной частей двойного солнечного коллектора воздух / вода.В предлагаемой системе встроенный в здание двойной солнечный коллектор будет использоваться для обогрева помещений зимой и нагрева воды летом. Результаты показали снижение тепловой нагрузки зимой и надежно работающую систему подготовки горячей воды в летний сезон.

В настоящем исследовании детальная теоретическая модель DAWC была разработана и экспериментально подтверждена. Впоследствии модель использовалась для моделирования годовой производительности четырех различных солнечных систем.Чтобы продемонстрировать применение DAWC, в качестве тематических исследований были выбраны три здания из разных мест, каждое с разным энергопотреблением. Отличительной особенностью представленного исследования является сравнение различных потенциальных применений двойных солнечных коллекторов воздух / вода для зданий с разными уровнями энергоэффективности и различными климатическими условиями.

2. Подробная теоретическая модель DAWC

Для оценки энергетических характеристик различных солнечных систем на основе DAWC использовалась среда моделирования TRNSYS.TRNSYS (программа моделирования переходных систем) широко используется для моделирования как солнечной, так и несолнечной системы [9]. Модель системы состоит из отдельных моделей компонентов, которые связаны между собой путем связывания выходов одного компонента с входами другого. Каждая модель представлена ​​параметрами и входами для вычисления выходных данных как функции времени. Поскольку доступные библиотеки моделей компонентов TRNSYS не содержат математической модели коллектора DAWC, подробная теоретическая модель двойного солнечного коллектора воздух / вода (тип 207) была создана для использования в среде TRNSYS на основе предыдущих моделей жидкости. солнечный коллектор (тип 205) и воздушный солнечный коллектор (тип 206).Более подробную информацию об этих моделях можно найти у Shemelin и Matuska [10, 11] и Shemelin et al. [12].

Представленная модель не предполагает одновременной работы жидкой и воздушной частей. Это означает, что модель DAWC работает либо как коллектор жидкости, либо как коллектор воздуха, в зависимости от рабочего режима. Если Рабочий режим равен 0, модель работает как сборщик жидкости; если он равен 1, он работает как коллектор воздуха.

2.1. Описание модели

Представленная модель представляет собой подробную математическую модель, разработанную для моделирования тепловых характеристик двух различных конструкций солнечных коллекторов.Рассмотренные конструкции DAWC показаны на рисунке 1. Конструкция 1 представляет собой конфигурацию верхнего соединения трубы абсорбера с одинарным воздушным потоком между абсорбером и изоляцией нижней части корпуса. Конструкция 2 представляет собой конфигурацию верхнего соединения трубы абсорбера с одинарным воздушным потоком между абсорбером и прозрачной крышкой.


DAWC может быть задан множеством детальных параметров, таких как оптические свойства прозрачной крышки и поглотителя, а также теплофизические свойства основных компонентов солнечного коллектора.Кроме того, прозрачная крышка (одинарное остекление с прозрачной изоляцией) и задняя теплоизоляция определяются температурно-зависимой теплопроводностью.

Представленная модель DAWC решает одномерный энергетический баланс солнечного коллектора в установившихся условиях в соответствии с принципом уравнения Хоттеля-Уиллиер для полезной тепловой мощности:

В этом уравнении — площадь поглотителя (м 2 ), — коэффициент теплоотвода коллектора (-), — коэффициент пропускания солнечного света крышкой коллектора (-), — коэффициент поглощения солнечного излучения поглотителем (-), — общая солнечная энергия (Вт / м); — общий коэффициент теплопотерь коллектора (Вт / м 2 · K); — температура жидкости на входе (K) и — температура окружающей среды (K).

Предлагаемая модель в целом состоит из двух частей, решаемых в итерационных циклах: баланс внешней энергии поглотителя (передача тепла от поверхности поглотителя в окружающую среду, см. Рисунки 2 и 3) и баланс внутренней энергии поглотителя ( перенос тепла с поверхности поглотителя в теплоноситель). И внешний, и внутренний энергетический баланс взаимозависимы. Общий коэффициент теплопотерь коллектора (в зависимости от температуры), являющийся основным выходом внешнего баланса, является одним из входов внутреннего баланса.С другой стороны, средняя температура поглотителя (K), выходящая из внутреннего баланса, используется как вход для внешнего баланса. Поскольку коэффициенты теплопередачи зависят от температуры, температуры поверхностей для основных плоскостей коллектора вычисляются в итерационном цикле до тех пор, пока последовательные результаты средних температур не будут отличаться менее чем на 0,01 К.



Был введен еще один итерационный цикл. переносить результаты из внешнего баланса во внутренний баланс и результаты из внутреннего баланса во внешний баланс.Основная электрическая аналогия предлагаемой модели представлена ​​на рисунках 2 и 3. Более подробное описание предлагаемой модели можно найти в Shemelin et al. [12].

Модель была реализована в среде TRNSYS, так как тип 207 предлагает параметрический анализ различных вариантов конструкции для годовой производительности солнечного коллектора в данном приложении солнечной системы. Также есть возможность изменять математические соотношения, описывающие фундаментальные явления теплообмена (естественная конвекция, ветровая конвекция, вынужденная конвекция и т. Д.) и выполнить анализ чувствительности для выбранных корреляций.

2.2. Проверка модели

Модель была экспериментально проверена на прототипе DAWC (см. Рис. 4) в рамках испытаний солнечного коллектора в соответствии с европейским стандартом EN ISO 9806 в аккредитованной лаборатории солнечной энергии Чешского технического университета в Праге. Испытания жидкостной и воздушной частей проводились отдельно (см. Рисунок 5). Прототип DAWC был построен из экспериментального солнечного водосборника путем регулировки внутреннего воздушного зазора.Подробные параметры изготовленного прототипа приведены в таблице 1. Если режим работы — жидкостный нагрев, вода течет по медным трубкам, а воздушные каналы закрываются на входе и выходе. С другой стороны, вход и выход водопроводных труб в режиме воздушного отопления закрыты.



Параметр коллектора Значение Параметр коллектора Значение
Размеры (Ш / Д / В) Поглотитель излучательная способность 0.05
Площадь (брутто, апертура, поглотитель) 1,6 м 2 , 1,52 м 2 , 1,49 м 2 Коллекторная труба Cu
Материал покрытия Солнечное стекло 4 мм Количество стояков 10
Толщина переднего воздушного зазора 30 мм Расстояние между стояками 100 мм
Материал абсорбера Алюминий 0.4 мм Канал для воздушного потока 10 мм
Коэффициент пропускания покрытия 0,92 Толщина задней изоляции 40 мм
Поглощающая способность абсорбера 0,95 Изоляционный материал Rockwool

На рисунках 6 и 7 показаны экспериментально оцененные точки КПД и теоретически смоделированные характеристики КПД как в жидкостном, так и в воздушном рабочих режимах.Точки экспериментальных данных об эффективности солнечного коллектора связаны с комбинированными столбцами стандартной неопределенности на графиках. Анализ неопределенности был предоставлен на основе методологии, опубликованной в Mathioulakis et al. [13] и Мюллер-Шёлль и Фрей [14]. Теоретический расчет характеристики эффективности с помощью модели подвержен неопределенности реальных параметров коллектора, которые используются в качестве входных данных для модели. Таким образом, результаты теоретических расчетов могут быть представлены в виде двух ограничивающих кривых, на которых значения КПД коллектора могут быть найдены в действительности.Из результатов видно, что смоделированные характеристики эффективности относительно хорошо соответствуют измерениям, что дает уверенность в разработанной модели. Более подробную информацию о проверке модели и анализе неопределенности можно найти в Shemelin et al. [12].



3. Примеры из практики

Чтобы оценить энергетические характеристики солнечной системы DAWC, годовая выработка солнечной энергии была проанализирована для конкретного участка и при определенных условиях. Три односемейных дома (здания A, B и C) (см. Рисунок 8) из разных мест (Стокгольм, Прага и Милан), каждый с разным уровнем энергоэффективности, были рассмотрены в качестве тематических исследований для сравнительного анализа.Подробные параметры здания перечислены в таблице 2. Для обеспечения расчетов общего

Проектирование, разработка и оценка потенциала

Настоящее исследование представляет численный анализ производительности системы параболического желоба (PTC), предназначенной для солнечные системы кондиционирования воздуха. Первоначально термодинамическая модель PTC разрабатывается с использованием решателя инженерных уравнений (EES) мощностью около 3 кВт. Затем устанавливается экспериментальная установка системы PTC с коэффициентом концентрации 9.93 с использованием вакуумных трубчатых приемников. Экспериментальное исследование проводится в климатических условиях Таксилы, Пакистан, в соответствии со стандартом ASHRAE 93-1986. Кроме того, система PTC интегрирована с осушителем с твердым адсорбентом (SDD) для изучения влияния различных рабочих параметров, таких как прямое солнечное излучение и температура жидкости на входе, а также их влияние на долю осушения. Максимальный экспериментальный прирост температуры составляет около 5,2 ° C с максимальной эффективностью 62% в солнечный день. Точно так же максимальный прирост тепловой энергии в солнечные и пасмурные дни равен 3.07 кВт и 2,33 кВт соответственно. Впоследствии такая же комплексная модель PTC EES с некоторыми модификациями используется для ежегодного анализа переходных процессов в TRNSYS для пяти различных климатических условий Пакистана. Кветта показал пиковую солнечную инсоляцию 656 Вт / м 2 и пиковую тепловую энергию 1139 МДж с эффективностью 46%. Сравнение показывает хорошее согласие между результатами моделирования и эксперимента со среднеквадратичной ошибкой около 9%.

1. Введение

Глобальные тенденции потребления энергии в последние несколько десятилетий постепенно увеличиваются, и ископаемое топливо лидирует с долей 80% [1].Солнечная энергия — один из лучших экологически чистых возобновляемых источников энергии, доступных в мире. PTC — одна из передовых термических технологий концентрирования. Однако применение PTC ограничено диапазоном средних и повышенных температур, то есть от 150–300 ° C и 300–400 ° C соответственно [2]. В связи с этим были проведены различные численные и экспериментальные исследования по проектированию и разработке ПТК. В ходе исследования была предложена термоматематическая модель с использованием дифференциальных и нелинейных алгебраических корреляций с коэффициентом концентрации 9.37 [3]. Результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными Sandia National Laboratory (SNL). В другом исследовании разработка модели PTC с коэффициентом концентраций 12,7 и ее моделирование в твердых конструкциях проводились с использованием метода конечных элементов. Явление теплопередачи и эффективность системы были предсказаны и сравнены с моделью [4]. Аналогичным образом была разработана подробная численная модель, основанная на методе конечного объема, для анализа характеристик теплопередачи откачанной приемной трубы [5].Используя метод дискретизации, приемник был разделен на небольшие сегменты, и для каждого контрольного объема был применен баланс энергии. Модель была протестирована по результатам испытаний Национальной лаборатории Сандии. Более того, сложная динамическая модель PTC и ее динамическое моделирование для проверки были представлены со среднеквадратичной ошибкой 1,2% [6]. Аналогичным образом, результаты новой модели солнечного коллектора с параболическим желобом были подтверждены опубликованными данными Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NERL) и Сандийской национальной лаборатории (SNL) [7].Было отмечено, что разработанная модель снизила неопределенность с 1,11% до 0,64% по сравнению с кодом EES от NREL. Аналогичным образом, в другом исследовании была разработана численная модель для изучения теплового поведения одно- и двухходовой приемной трубы PTC [8]. Численный анализ показал, что двухпроходная трубка дает более высокий тепловой КПД по сравнению с однопроходной.

Климатические условия с точки зрения интенсивности солнечного излучения и доступности сильно влияют на производительность систем PTC.Таким образом, было проведено исследование, чтобы оценить потенциал PTC для промышленного применения тепла на Кипре с использованием TRNSYS [9]. Система была способна выдерживать 50% годовой нагрузки и доказала жизнеспособность системы для энергоемких производств. Кроме того, для средиземноморского климата предпочтение было отдано слежению с востока на запад с точки зрения получения энергии по сравнению с северным и южным. Аналогичное исследование было проведено для оценки солнечного теплового потенциала и характеристик PTC для Алжира [10]. Было проведено сравнение теплопередачи и изменения температуры для разных климатов.Жаркий климат пустыни был признан наиболее подходящим для PTC.

Кроме того, было проведено экспериментальное исследование в соответствии со стандартом ASHRAE 93-1986 с использованием армированного стекловолокном PTC для горячего водоснабжения [11]. Была разработана методика испытаний для изучения влияния различных рабочих параметров на тепловой КПД.

Принимая во внимание непостоянный характер ресурса солнечной энергии, было проведено исследование, чтобы получить доступ к годовой производительности mini PTC [12].В модели для анализа переходных процессов использовалась неавакуумированная трубка со стеклянной крышкой и покрытием черной краской. Коллектор достиг максимального мгновенного КПД 66,78%. Аналогичным образом квазидинамическая имитационная модель в TRNSYS была разработана для анализа производительности PTC для прямого производства пара [13]. В исследовании обсуждались базовый подход к моделированию и сравнение результатов.

Однако из обзора литературы видно, что большинство вышеупомянутых систем представляют собой ПТК с высоким коэффициентом концентрации, которые создают высокие температуры, связанные с высокой стоимостью.Кроме того, эти PTC несовместимы с системами горячего водоснабжения, такими как кондиционирование воздуха, из-за нехватки места в коммерческих и промышленных зданиях [14]. Более того, географически Пакистан расположен так, что более 95% его территории получает среднюю глобальную освещенность 5–7 кВтч / м 2 / день при среднем дневном периоде солнечного сияния 7,6 часов [15–17]. Несмотря на то, что в Пакистане имеется в изобилии солнечная энергия, такого исследования, чтобы выделить солнечный тепловой потенциал с использованием технологии PTC, не существует.Поэтому в данной исследовательской работе предлагается небольшой параболический желобный коллектор (PTC) для систем осушения с помощью солнечной энергии, в которых требуется температура горячей воды в диапазоне 70–90 ° C. Следовательно, компактный и эффективный PTC делает его подходящим для установки на крышах горячего водоснабжения. Принимая во внимание конкретное применение осушения с помощью солнечной энергии, группа из четырех небольших систем PTC разработана с коэффициентом концентрации всего 9,93 для производства около 3 кВт тепловой энергии. Кроме того, разработанная система PTC из полированной нержавеющей стали проанализирована численно и экспериментально в широком диапазоне рабочих условий для осушения.

2. Тепловая модель

Тепловой расчет предлагаемой системы основан на расчетах фокальной точки желоба, угла обода и коэффициента концентрации. Кроме того, тепловые характеристики вакуумного трубчатого приемника также рассчитываются с точки зрения коэффициента теплопотерь, коэффициента излучения, общего коэффициента теплопередачи и полезного притока тепла.

Оптическая эффективность приемника рассчитывается как [18]

2.1. Приемник

В данном исследовании используется откачанная трубка, так что потери на конвекцию пренебрежимо малы.Модель теплового сопротивления PTC приведена на рисунке 1. Коэффициент тепловых потерь приемника определяется по [18]


Коэффициент излучения от поглотителя до стеклянной крышки получен из [18]

Общий коэффициент теплопередачи рассчитывается с учетом внешнего и внутреннего диаметра труб как [9]

Число Нуссельта рассчитывается по уравнению стандартного расхода в трубе как [19]

Коэффициент полезного действия коллектора определяется как [18]

Коэффициент теплоотвода коллектора — это отношение фактического выигрыша полезной энергии к максимальному выигрышу энергии как [18]

2.2. Полезное тепловыделение

Полезная энергия, передаваемая от PTC, получается через коэффициент полезного действия приемника вместе с модификатором угла падения, определяемым путем применения баланса энергии к приемнику [20]:

Здесь для определения зависимости модификатора угла падения (IAM) от угла падения разработана корреляция. Корреляция получена путем аппроксимации полиномиальной кривой экспериментальных данных, как показано на рисунке 2 (b). тогда как мгновенный тепловой КПД PTC находится по [21]

Наконец, температура на выходе PTC определяется по [18]

Вышеупомянутые проектные расчеты системы выполняются посредством разработки математической модели в программе решения инженерных уравнений (EES) [22] из-за ее совместимости с TRNSYS [23].Блок-схема термодинамической модели представлена ​​на рисунке 3.


2.3. Сокращение данных

Используя различные уравнения и корреляции, данные сокращаются для анализа и графического представления.

Прирост тепловой энергии PTC определяется как

Следовательно, мгновенный КПД PTC в каждом случае можно рассчитать по [20]

Однако термический КПД, связанный с параметрами из точек данных, определяется выражением [18] где

Кроме того, модификатор угла падения (IAM) определяется как отношение мгновенного теплового КПД при угле падения к пиковому тепловому КПД как [24, 25]

Постоянная времени коллектора — это время, необходимое PTC для изменения температуры рабочей жидкости, 63.2% от его стационарного значения, когда происходит скачкообразное изменение падающего излучения [26].

Испытание на постоянную времени для тепловых коллекторов показывает тепловую инерцию ресивера или его теплоемкость.

Постоянная времени для нагрева и охлаждения определяется выражением [27]

Как рассчитать потребляемую мощность в кВт для типовых применений нагревателя

Расчет отопления резервуара

При выборе нагревателя для обогрева резервуара вы должны сначала определить, требует ли приложение поддержания температуры или ее необходимо повысить.Ниже приведены расчеты для каждого приложения. Вы также можете посетить наш веб-сайт и воспользоваться нашим онлайн-калькулятором; найдите ссылку на бесплатный калькулятор в верхней части страницы.

Поддерживаемая температура

Для расчета мощности, необходимой для поддержания температуры резервуара, вам необходимо определить площадь поверхности резервуара, температуру процесса, которую необходимо поддерживать, минимальную температуру окружающей среды и коэффициент сопротивления изоляции.

Площадь:

Цистерна круглая —

A (фут²) = (2 x p x r x в) + (2 x p x r²)

р = 3.14

r = радиус (фут)

h = высота (фут)

Бак прямоугольный —

A (фут²) = 2 x [(длина x ширина) + (длина x высота) + высота x ширина)]

l = длина (фут)

w = ширина (фут)

h = высота (фут)

После определения площади резервуаров поддерживаемая мощность KW может быть рассчитана следующим образом:

кВт = (A x (1 / R) x ΔT (° F) x SF) / 3412

A = площадь поверхности

R = R-значение изоляции

  • Используйте 0.5 как значение R неизолированного стального резервуара
  • Типичные примеры см. В таблице ниже
  • Значение R = толщина (дюймы) / коэффициент k

ΔT = разница между заданной температурой процесса и самой низкой температурой окружающей среды

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

Таблица 1

Тип изоляции R-Value / дюйм толщины
Стекловолокно R-3
Минеральное волокно Р-3.7
Силикат кальция Р-2
Пенополиуретан с открытыми ячейками Р-3,6
Пенополиуретан с закрытыми ячейками R-6
Пена для распыления полиизоцианурата R-6

Пример:

Резервуар для высоковязкой сырой нефти диаметром 42 ‘и 40’ с изоляцией из R-6 должен поддерживаться при температуре 75 ° F при минимальной температуре окружающей среды 10 ° F.

A = (2 x 3,14 x 21 x 40) + (2 x 3,14 x 21²)

A = 8044,68 фут²

кВт = (8044,68 x 1/6 x 65 x 1,2) / 3412

кВт = 30,65

Повышение температуры

Расчет кВт для повышения температуры материала в баке (нагрев) начинается с той же информации, которая требуется в приложении для обслуживания. Кроме того, нам потребуется вес нагреваемого материала, удельная теплоемкость материала и время, необходимое для нагрева материала от начальной до конечной температуры.Расчет кВт для повышения температуры выглядит следующим образом:

кВт всего = кВт выработка + техническое обслуживание

кВт

кВтПогрева = [(M x Cp x ΔT x SF) / 3412] / т

M = вес материала в фунтах

Cp = удельная теплоемкость, см. Примеры в таблице

ΔT = разница между заданной (конечной) температурой процесса и начальной температурой

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

t = время в часах

KWmaintain = (A x (1 / R) x ΔT (° F) x SF) / 3412

A = площадь поверхности

R = R-значение изоляции

  • Используйте 0.5 как значение R неизолированного стального резервуара

ΔT = разница между заданной температурой процесса и самой низкой температурой окружающей среды

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

Пример:

Резервуар размером 4 ‘x 6’ x 12 ‘с 1800 галлонами воды необходимо нагреть с 60 ° F до 95 ° F за 3 часа. Резервуар имеет изоляцию R-4, а минимальная температура окружающей среды составляет 0 ° F.

Для начала нам нужно преобразовать галлоны воды в фунты:

фунтов = G x D1

G =

галлонов

D1 = фунты на галлон из таблицы ниже

фунтов = 1800 x 8.34

фунтов = 15 012

Если объем резервуара указан в кубических футах (фут3), формула будет выглядеть так:

фунтов = C x D2

C = кубические футы материала

D2 = фунты на фут³ из таблицы ниже

Таблица 2

Материал Д 1

фунтов / галлон

Д 2

фунтов / фут³

Удельная теплоемкость
вода 8.34 62,4 1
№1 мазут 6,8 50,5 0,47
№ 2 мазут 7,2 53,9 0,44
№ 3,4 мазут 7,5 55,7 0,425
№ 5,6 мазут 7,9 58,9 0,41
Бункер С 8,15 61 0.5
Масло SAE 10-50 вес 7,4 55,4 0,43
этиленгликоль 9,4 70 0,55
50% этиленгликоль / вода 8,8 65,8 0,76
воздух– 0,073 0,24
азот– 0,073 0,25

кВт Разогрев = [(15 012 x 1 x 35 x 1.2) / 3412] / 3

КВт = 61,6

плюс

KWmaintain = (288 x 1/4 x 95 x 1,2) / 3412

KWmaintain = 2,4

кВт всего = 64

Расчет нагрева воздуха в воздуховоде

Когда объем воздуха в стандартных кубических футах в минуту (SCFM) и требуемое повышение температуры в ° F (ΔT) известны, требуемая мощность обогревателя в киловаттах (кВт) может быть определена по следующей формуле:

кВт = (SCFM x ΔT) / 3193

Обратите внимание, что CFM дан при стандартных условиях (SCFM): 80 ° F и нормальном атмосферном давлении 15 psi.CFM при более высоком давлении (P) и температуре воздуха на входе (T) можно рассчитать следующим образом:

SCFM = ACFM x (P / 15) x [540 / (T + 460)]

Пример:

Сушильная печь, работающая при избыточном давлении 25 фунтов на кв. Дюйм (10 фунтов на кв. Дюйм), рециркулирует 3000 кубических футов в минуту воздуха в минуту через нагреватель, который повышает его температуру с 350 до 400 ° F.

Чтобы выбрать подходящий обогреватель:

Шаг 1: Преобразуйте 3000 куб. Футов в минуту при 25 фунтах на кв. Дюйм и 350 ° F в куб. Фут в минуту при стандартных условиях, используя приведенную выше формулу:

3000 x (25/15) x [540 / (350 ° F + 460)] = 3333 SCFM

Шаг 2: Рассчитайте требуемую кВт:

[3333 SCFM x (400 ° F-350 ° F)] / 3193 = 52 кВт

Расчеты для систем циркуляционного нагревателя

При расчете мощности, необходимой для нагрева материала, протекающего через циркуляционный нагреватель, можно применить приведенное ниже уравнение KW.Это уравнение основано на критерии отсутствия испарения в нагревателе. Уравнение KW включает 20% -ный коэффициент безопасности, учитывающий тепловые потери в оболочке и трубопроводах, изменение напряжения и допустимую мощность элементов.

кВт = (M x ΔT x x Cp x S.F.) / 3412

Где:

кВт = мощность в киловаттах

M = расход в фунтах / час

ΔT = повышение температуры в ° F (разница между минимальной температурой на входе и максимальной температурой на выходе.)

Cp = удельная теплоемкость в БТЕ / фунт ° F

С.Ф. = коэффициент безопасности 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт / ч

Пример водяного отопления:

У нас 8 галлонов в минуту воды с температурой на входе 65 ° F и температурой на выходе 95 ° F. Сначала преобразуйте скорость потока в фунты / час.

8 галлонов х 1 фут³ х 60 мин = 64,17 фут3 / ч
мин. 7.48 галлонов 1 час

Переведите в фунты / час, получите плотность и удельную теплоемкость из таблицы 2 выше.

64,17 фут³ / час x 62,4 фунта / фут³ = 4004 фунта / час

Теперь вычислите KW:

кВт = 4004 фунта / час x (95-65) ° F x 1 БТЕ / фунт ° F x 1,2
3412
кВт = 42

Пример газового отопления:

Воздух течет с давлением 187 кубических футов в минуту и ​​давлением 5 фунтов на квадратный дюйм.Его необходимо нагреть от температуры на входе 90 ° F до температуры на выходе 250 ° F. Сначала преобразуйте расход в SCFM, используя формулу, приведенную ранее.

187 x (20/15) x [540 / (90 ° F + 460)] = 243,7 SCFM

Перевести в фунты / час, снова обращаясь к таблице 2 для плотности и удельной теплоемкости.

243,7 SFCM х 60 мин х 0,073 фунта = 1067,4 фунтов / час
1 час фут³

Теперь вычислите KW:

кВт = 1067.4 фунта / час x (250-90) ° F x 0,24 БТЕ / фунт ° F x 1,2
3412
кВт = 14,4

Если вам понравился этот пост, оставьте комментарий или подпишитесь на канал RSS , чтобы в будущем статьи доставлялись вашему читателю каналов.

Технический справочник — EnergyPlus 8.0

Солнечные коллекторы — это устройства, которые преобразуют солнечную энергию в тепловую за счет повышения температуры циркулирующего теплоносителя.Затем жидкость можно использовать для нагрева воды для бытового горячего водоснабжения или отопления помещений. Плоские солнечные коллекторы, использующие воду в качестве теплоносителя, солнечные коллекторы Integral-Collector Storage, использующие воду, и неглазурованные солнечные коллекторы, использующие воздух, в настоящее время являются единственными типами коллекторов, доступных в EnergyPlus.

Плоские солнечные коллекторы

[ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: FlatPlate: Water предоставляет модель плоских солнечных коллекторов, которые являются наиболее распространенным типом коллекторов.Стандарты были установлены ASHRAE для тестирования производительности этих коллекторов (ASHRAE 1989; 1991), а Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) издает каталог коммерчески доступных коллекторов в Северной Америке (SRCC 2003).

Модель EnergyPlus основана на уравнениях, содержащихся в стандартах ASHRAE и Duffie and Beckman (1991). Данная модель применяется к остекленным и неглазурованным плоским коллекторам, а также к рядам трубчатых, т.е. вакуумных трубчатых коллекторов.

Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения. Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, такими как близлежащие здания или деревья. Точно так же поверхность коллектора может затенять другие поверхности, например, уменьшая падающее излучение на крышу под ней.

Thermal Performance [ССЫЛКА]

Тепловой КПД коллектора определяется как отношение полезного тепловыделения жидкости коллектора к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

где

q = полезный приток тепла

A = общая площадь коллектора

I солнечная = общее падающее солнечное излучение

Обратите внимание, что КПД определен только для I solar > 0.

Энергетический баланс солнечного коллектора с двойным остеклением показывает взаимосвязь между свойствами остекления, свойствами поглощающей пластины и условиями окружающей среды.

где

g1 = коэффициент пропускания первого слоя остекления

g2 = коэффициент пропускания второго слоя остекления

абс = поглощающая способность пластины абсорбера

R рад = сопротивление излучению от поглотителя до внутреннего остекления

R conv = конвективное сопротивление от абсорбера до внутреннего остекления

R cond = сопротивление проводимости от абсорбера к наружному воздуху через изоляцию

T абс = температура пластины абсорбера

T g2 = температура внутреннего остекления

T воздух = температура наружного воздуха

Приведенное выше уравнение можно аппроксимировать более простой формулировкой как:

где

F R = эмпирически определенный поправочный коэффициент

() = произведение всех коэффициентов пропускания и поглощения

U L = общий коэффициент тепловых потерь, объединяющий параметры излучения, конвекции и теплопроводности

T дюйм = температура рабочей жидкости на входе

Подставляя это в уравнение,

Линейную корреляцию можно построить, рассматривая F R () и -F R U L как характеристические константы солнечного коллектора:

Аналогичным образом можно построить квадратичную корреляцию, используя форму:

Коэффициенты уравнения эффективности первого и второго порядка перечислены в Справочнике сертификатов SRCC для солнечных коллекторов .

Модификаторы угла падения [ССЫЛКА]

Как и в случае с обычными окнами, коэффициент пропускания остекления коллектора зависит от угла падения излучения. Обычно коэффициент пропускания максимален, когда падающее излучение перпендикулярно поверхности остекления. Условия испытаний определяют коэффициенты эффективности для нормального падения. Для углов, отклоняющихся от нормы, коэффициент пропускания остекления изменяется с помощью коэффициента модификатора угла падения.

Дополнительное тестирование определяет модификатор угла падения как функцию угла падения.Эта связь может соответствовать линейной корреляции первого порядка:

или квадратичная корреляция второго порядка:

Коэффициенты модификатора угла падения b 0 и b 1 обычно отрицательны, хотя некоторые коллекторы имеют положительное значение для b 0 . Коэффициенты уравнения модификатора угла падения как первого, так и второго порядка перечислены в Справочнике сертификатов SRCC для солнечных коллекторов .

Коэффициенты уравнения модификатора угла падения SRCC действительны только для углов падения 60 градусов или меньше. Поскольку эти кривые могут быть действительными, но плохо себя вести для углов более 60 градусов, модель EnergyPlus отключает усиление коллектора для углов падения более 60 градусов.

Для плоских коллекторов модификатор угла падения обычно симметричен. Однако для трубчатых коллекторов модификатор угла падения различается в зависимости от того, параллелен ли угол падения трубкам или перпендикулярен им.Они называются двухосными модификаторами. Некоторые специальные плоские коллекторы также могут демонстрировать эту асимметрию. Текущая модель еще не может обрабатывать два набора модификаторов угла падения. В то же время рекомендуется осторожно аппроксимировать трубчатые коллекторы, используя параллельную или перпендикулярную корреляцию.

Модификаторы угла падения рассчитываются отдельно для излучения солнца, неба и земли. Модификатор чистого угла падения для всего падающего излучения рассчитывается путем взвешивания каждого компонента с помощью соответствующего модификатора.

Для излучения неба и земли угол падения приблизительно определяется с помощью уравнений Брандемюля и Бекмана:

где — наклон поверхности в градусах.

Модификатор чистого угла падения затем вставляется в уравнение полезного тепловыделения:

Уравнение также изменяется соответствующим образом.

Температура на выходе [ССЫЛКА]

Температура на выходе рассчитывается с использованием полезного притока тепла q, определяемого уравнением, температуры жидкости на входе T в и массового расхода, доступного из моделирования установки:

где

= массовый расход жидкости через коллектор

c p = удельная теплоемкость рабочего тела

Решетка для Т из ,

Если нет потока через коллектор, T out — это температура застоя жидкости.Это вычисляется установкой левой части уравнения на ноль и решением для T в (что также равно T из для случая отсутствия потока).

Источники [ССЫЛКА]

ASHRAE. 1989. Стандарт ASHRAE 96-1980 (RA 89): Методы испытаний для определения тепловых характеристик неглазурованных плоских солнечных коллекторов жидкостного типа. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

ASHRAE.1991. Стандарт ASHRAE 93-1986 (RA 91): Методы испытаний для определения тепловых характеристик солнечных коллекторов. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

Даффи, Дж. А. и Бекман, В. А. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, второе издание. Нью-Йорк: Wiley-Interscience.

Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии. 2004. Справочник сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов, OG 100. Какао, Флорида: Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии.

Солнечный коллектор с интегральным накопителем (ICS) [ССЫЛКА]

Солнечные коллекторы со встроенными моделями накопителей используют объект SolarCollector: IntegralCollectorStorage, а входные параметры характеристик этого коллектора предоставляются объектом SolarCollectorPerformance: IntegralCollectorStorage. Эта модель основана на подробных уравнениях энергетического баланса солнечных коллекторов, которые объединяют в себе накопитель. В этой модели есть два варианта представления нижней части коллектора за пределами граничных условий: AmbientAir и OtherSideConditionsModel.AmbientAir просто применяет температуру наружного воздуха с использованием комбинированной конвекции и радиационной проводимости, а OtherSideConditionsModel применяет комбинированные модели излучения и конвекции, которые возникают в естественно вентилируемой полости, чтобы представить нижнюю часть коллектора за пределами граничных условий. Более позднее граничное условие учитывает затенение коллектора на подстилающей поверхности, поэтому коллектор ICS можно считать неотъемлемой частью ограждающей конструкции здания. Принципиальная схема прямоугольного солнечного коллектора ICS показана на Рисунке 273 ниже:

Принципиальная схема прямоугольного интегрированного коллекторного накопителя

Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения.Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, такими как близлежащие здания или деревья. Точно так же поверхность коллектора затемняет поверхность крыши под ней, поэтому прямая солнечная радиация не падает на поверхность крыши. Коллектор и крыша за пределами граничных условий должны быть указаны как OtherSideConditionModel, чтобы учесть влияние затенения солнечного коллектора на поверхность крыши.

Математическая модель

[ССЫЛКА]

Солнечный коллектор со встроенным коллектором-накопителем (ICS) представлен с использованием двух уравнений баланса энергии переходных процессов, показанных ниже. Эти уравнения представляют собой уравнение баланса энергии для пластины поглотителя и воды в коллекторе.

Где,

м p C p = теплоемкость поверхности поглотителя, Дж / ° C

A = общая площадь коллектора, м 2

() e = произведение коэффициента пропускания-поглощения абсорбционной пластины и системы покрытия

I t = общее солнечное излучение, (Вт / м 2 )

ч pw = коэффициент конвективной теплопередачи от пластины абсорбера к воде, (Вт / м2 ° K)

U t = общий коэффициент теплопотери от поглотителя в окружающий воздух, (Вт / м2 ° K)

T p = средняя температура пластины абсорбера, (° C)

T w = средняя температура воды коллектора, (° C)

T a = температура окружающего воздуха, (° C)

м w C pw = теплоемкость водной массы в коллекторе, (Дж / ° C)

U s = удельная проводимость изоляции со стороны коллектора, (Вт / м 2 ° K)

U b = проводимость изоляции дна коллектора, (Вт / м 2 ° K)

T osc = наружная температура нижней изоляции, определенная на основе модели условий другой стороны, (° C)

T wi = Температура на входе подпиточной или водопроводной воды, (° C)

= расход воды через коллектор, (Вт / ° C)

Граничное условие модели с другой стороной, представленное T osc , позволяет нам применить реалистичное внешнее граничное условие для коллектора, установленного на крыше здания.Этим также учитывается затенение коллектора на подстилочную поверхность (крышу). С другой стороны, если заданы граничные условия для окружающего воздуха, то коллектор не затеняет нижнюю поверхность, на которой он установлен.

Два уравнения баланса энергии можно записать как неоднородную ДУ первого порядка с постоянными коэффициентами. Начальными условиями для этих уравнений являются средняя температура пластины поглотителя и средняя температура воды в коллекторе на предыдущих временных шагах.

Два связанных дифференциальных уравнения первого порядка решаются аналитически. Вспомогательное уравнение связанного однородного дифференциального уравнения имеет вид:

Это вспомогательное квадратное уравнение всегда имеет два различных действительных корня ( 1 и 2 ), следовательно, решение однородного уравнения является экспоненциальным, а общие решения дифференциальных уравнений даются как:

Постоянные члены A и B являются частным решением неоднородных дифференциальных уравнений, коэффициенты экспоненциальных членов ( c 1 , c 2 , r 1 , и r 2 ) определяются из начальных условий температуры воды в абсорбере и коллекторе ( T p0 , T w0 ) и даются по формуле:

Модель тепловой сети

: [ССЫЛКА]

Модель тепловой сети также требует энергетического баланса для каждой крышки коллектора.Предполагается, что уравнение теплового баланса крышек коллектора подчиняется установившейся формулировке за счет игнорирования их тепловой массы. Представление тепловой сети коллектора ICS показано на рисунке 274. Кроме того, тепловой баланс на каждой покрывающей поверхности требует знания количества поглощенной солнечной фракции, которое определяется на основе анализа трассировки лучей. Для модели тепловой сети, показанной выше, общий верхний коэффициент тепловых потерь определяется из комбинации последовательно включенных сопротивлений следующим образом:

или

Коэффициенты конвективной и радиационной теплопередачи в уравнении выше вычисляются на основе температур на предыдущем временном шаге и определяются, как описано в разделе Коэффициенты теплопередачи .

Схема тепловой сети солнечного коллектора ICS

Тепловой баланс крышки коллектора

Игнорируя тепловую массу крышки коллектора, для каждой крышки формулируются уравнения стационарного теплового баланса, которые позволяют нам определять температуру покрытия. Представление теплового баланса поверхности крышки показано на Рисунке 275 ниже.

Тепловой баланс поверхности крышки коллектора

Уравнение устойчивого теплового баланса покровного слоя:

Линеаризуя обмен длинноволновым излучением и представляя условия конвекции с использованием классического уравнения для закона охлаждения Ньютона, уравнения для температур крышек 1 и 2 имеют следующий вид:

Где,

c = средневзвешенное поглощение солнечной энергии покрытий 1 и 2 , (-)

ч r, c1-a = скорректированный коэффициент радиационной теплопередачи между крышкой 1 и окружающим воздухом, (Вт / м 2 K)

ч c, c1-a = коэффициент конвективной теплопередачи между крышкой 1 и окружающей средой, (Вт / м 2 K)

ч r, c2-c1 = коэффициент теплоотдачи излучения между крышками 1 и 2 , (Вт / м 2 K)

ч c, c2-c1 = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 1 и 2 , (Вт / м 2 K)

h r, p-c2 = коэффициент теплопередачи излучения между крышками 2 и пластиной поглотителя, (Вт / м 2 K)

h c, p-c2 = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 2 и пластиной абсорбера, (Вт / м 2 K)

q LWR, 1 = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

q CONV, 1 = конвекционный тепловой поток на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

q LWR, 2 = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

q CONV, 2 = конвекционный тепловой поток на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

q солнечная энергия, абс. = чистое солнечное излучение, поглощаемое крышкой коллектора, (Вт / м 2 )

R = тепловое сопротивление для каждой секции вдоль пути теплового потока, (м 2 K / Вт)

Модель

с другой стороны [ССЫЛКА]

Солнечные коллекторы

ICS обычно устанавливаются на поверхности теплопередачи зданий, поэтому коллекторы затеняют нижележащую поверхность теплопередачи и требуют уникального граничного условия, которое отражает среду воздушной полости, созданной между нижней частью поверхности коллектора и подстилающей поверхностью.Модель условий на другой стороне, которая позволяет нам оценить температуру на другой стороне, T osc , может быть определена на основе установившегося теплового баланса с использованием известной температуры воды коллектора на предыдущем временном шаге.

Иллюстрация для модели

в состоянии другой стороны

Игнорируя тепловую массу нижней изоляции коллектора, установившийся поверхностный тепловой баланс может быть сформулирован на внешней плоскости нижней поверхности коллектора, обращенной к полости, как показано на рисунке 4.Уравнение теплового баланса на внешней плоскости нижней поверхности коллектора имеет вид:

****

Подставляя уравнения для каждого члена в уравнение выше, получаем:

****

Упрощение дает нижнюю изоляцию, температура на другой стороне:

Температура воздуха в полости определяется из теплового баланса воздуха в полости следующим образом:

Где

ч ~ r, cav ~ = линеаризованный коэффициент излучения для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м 2 K)

h ~ c, cav ~ = коэффициент конвекции для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м 2 K)

T , поэтому = температура наружной поверхности подлежащей теплопередающей поверхности, (ºC)

= массовый расход воздуха за счет естественной вентиляции, (кг / с)

q cond = теплопроводный поток через дно изоляции и, (Вт / м 2 )

q conv, cav = конвекционный тепловой поток между нижней внешней поверхностью коллектора и воздухом полости, (Вт / м 2 )

q рад, cav = обменный поток длинноволнового излучения между нижней внешней поверхностью коллектора и внешней поверхностью подстилающей поверхности, (Вт / м 2 )

Температура воздуха в полости определяется из баланса энергии воздуха в полости.Баланс тепла воздуха требует норм естественной вентиляции воздуха в вентилируемой полости. Расчет скорости вентиляции описан в другом месте этого документа. Объект SurfaceProperty: ExteriorNaturalVentedCavity требуется для описания свойств поверхности, характеристик полости и отверстия для естественной вентиляции.

Коэффициенты теплопередачи [ССЫЛКА]

Уравнения, используемые для определения различных коэффициентов теплопередачи в уравнениях абсорбера и теплового баланса воды, приведены ниже.Поглощенная солнечная энергия передается воде путем конвекции. Предполагая, что естественная конвекция преобладает над теплопередачей для горячей поверхности, обращенной вниз, и поверхности комка, обращенной вниз, следующая корреляция для числа Нуссельта, проведенная Фуджи и Имура (1972). Число Нуссельта для горячей поверхности, обращенной вниз, определяется по формуле:

Число Нуссельта для горячей поверхности вверх и холодной поверхности вниз определяется по формуле:

****

****

****

Где,

= угол наклона коллектора к вертикали, радианы

г = постоянная силы гравитации, 9.806 (м / с 2 )

T r = эталонные свойства, в которых рассчитываются теплофизические свойства, (° C)

L c = характерная длина пластины амортизатора, (м)

k = теплопроводность воды при нормальной температуре, (Вт / мК)

= кинематическая вязкость воды при нормальной температуре, (м 2 / с)

= коэффициент температуропроводности воды при стандартной температуре, (м 2 / с)

β v = коэффициент объемного расширения, рассчитанный при Tv, Tv = Tw + 0.25 (Тп-Тв), (К-1)

Nu = число Нуссельта, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Gr = число Грасгофа, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Pr = число Прандтеля, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

Различные коэффициенты радиационной и конвективной теплопередачи задаются следующими уравнениями.Коэффициенты конвективной теплопередачи между крышками и пластиной поглотителя оцениваются на основе эмпирической корреляции для числа Нуссельта для воздушного зазора между двумя параллельными пластинами, разработанной Hollands et al. (1976) это:

Для математического упрощения приведены коэффициенты обмена длинноволновым излучением между внешней крышкой коллектора и небом и землей с привязкой к температуре окружающего воздуха.

Коэффициент конвективной теплопередачи от внешней крышки к окружающему воздуху определяется по формуле:

Когда граничным условием нижней поверхности является AmbientAir, комбинированная проводимость от внешнего покрытия к окружающей среде рассчитывается по приведенному ниже уравнению (Duffie and Beckman, 1991).

Общий коэффициент потерь через дно и боковые стороны коллектора-накопителя оценивается следующим образом:

Где,

c1 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 1 , (-)

c2 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 2 , (-)

F s = коэффициент обзора от коллектора до неба, (-)

F г = коэффициент обзора от коллектора до земли, (-)

T c1 = температура крышки коллектора 1 , (K)

T c2 = температура крышки коллектора 2 , (K)

T с = температура неба, (K)

T г = температура грунта, (K)

k = теплопроводность воздуха, (Вт / м · K)

L = воздушный зазор между крышками, (м)

β = наклон пластин или крышек к горизонтали, (радиан)

V w = скорость ветра, (м / с)

U Lb = определяемая пользователем теплопроводность снизу, Вт / м 2 K

U Ls = боковая теплопроводность, определяемая пользователем, Вт / м 2 K

A b = площадь теплопередачи днища коллектора, м 2

A s = площадь со стороны коллектора, м 2

ч гребешок = комбинированная проводимость от внешней крышки к окружающему воздуху, Вт / м 2 K

Продукт коэффициента пропускания-поглощения

Произведение коэффициента пропускания-поглощения солнечного коллектора определяется с использованием метода трассировки лучей для любого угла падения (Даффи и Бекман, 1991).Для этого требуются оптические свойства материалов покрытия и поглотителя, а произведение коэффициента пропускания-поглощения для любого угла падения определяется по формуле:

Коэффициент пропускания системы перекрытий для одинарных и двух крышек определяется по формуле:

Эффективные коэффициент пропускания, отражения и поглощения одиночного покрытия определяются по формуле:

Коэффициент пропускания системы покрытия с учетом только поглощения a , определяется как:

Коэффициент отражения неполяризованного излучения при переходе от среды 1 с показателем отражения n 1 к среде 2 с показателем отражения n 2 определяется по формуле:

Средние эквивалентные углы падения рассеянного излучения, отраженного от неба и земли, аппроксимируются корреляцией Брандемуэля и Бекмана (Duffie and Beckman, 1991) следующим образом:

где,

** = коэффициент пропускания системы покрытия, (-)

1 = коэффициент пропускания крышки 1, (-)

2 = коэффициент пропускания крышки 2, (-)

** = абсорбционная способность пластины абсорбера, (-)

d = коэффициент диффузного отражения внутренней крышки, (-)

L = толщина материала покрытия, (м)

K = коэффициент экстинкции материала покрытия, (м -1 )

1 = угол падения, градус

2 = угол преломления, градусы

= параллельная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

= перпендикулярная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

** = наклон коллектора, градус

sd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения неба, градусы

gd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения на землю, градус

Тепловые параметры интегрального коллектора-накопителя рассчитываются следующим образом:

Даффи, Дж.А. и В.А.Бекман. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, 2 изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.

Кумар Р. и М.А. Розен. Тепловые характеристики встроенного коллектора накопительного солнечного водонагревателя с гофрированной абсорбирующей поверхностью. Прикладная теплотехника: 30 (2010) 1764–1768.

Fujii, T. и H. Imura. Естественная конвекция теплопередачи от пластины с произвольным наклоном. Международный журнал тепломассообмена: 15 (4), (1972), 755-764.

Фотоэлектрические тепловые плоские солнечные коллекторы [ССЫЛКА]

Фотоэлектрические-тепловые солнечные коллекторы (PVT) объединяют солнечные электрические элементы и тепловую рабочую жидкость для сбора как электричества, так и тепла. Хотя в настоящее время существует сравнительно мало коммерческих продуктов, PVT-исследования проводились в течение последних 30 лет, и было изучено множество различных типов коллекторов. Zondag (2008) и Charalambous et. al (2007) предоставляют обзоры литературы по PVT.Поскольку PVT является гораздо менее зрелым с коммерческой точки зрения, не существует стандартов или рейтинговых систем, например, для тепловых коллекторов горячей воды. В настоящее время EnergyPlus имеет одну простую модель, основанную на эффективности, определяемой пользователем, но более подробная модель, основанная на первых принципах, и подробное поэтапное описание находятся в стадии разработки.

Модели PVT повторно используют модели PV для производства электроэнергии. Они описаны в другом месте этого документа в разделе Фотоэлектрические массивы — Простая модель

.

Простая тепловая модель PVT [ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: FlatPlate: PhotovoltaicThermal предоставляет простую модель PVT, которая предоставляется для быстрого использования во время разработки или изучения политики.Пользователь просто задает значения теплового КПД, и падающая солнечная энергия нагревает рабочее топливо. Модель также включает режим охлаждения для систем на основе воздуха, в котором указанная пользователем поверхностная излучательная способность используется для моделирования охлаждения рабочей жидкости в ночное небо (охлаждение на водной основе будет доступно, когда станет доступен резервуар для хранения охлажденной воды) . Никаких других деталей конструкции PVT коллектора в качестве исходных данных не требуется.

Простая модель может нагревать воздух или жидкость.Если он нагревает воздух, то PVT является частью контура воздушной системы HVAC с воздушными узлами, подключенными к воздушной системе. Если он нагревает жидкость, то PVT является частью контура установки с узлами, подключенными к контуру установки, и схема работы установки определяет потоки.

PVT-моделирование на основе воздушной системы включает в себя регулирующую байпасную заслонку. Логика управления определяет, должен ли воздух обходить коллектор, чтобы лучше соответствовать уставке. Модель требует, чтобы уставка температуры сухого термостата была размещена на выходном узле.Модель предполагает, что коллектор предназначен и доступен для обогрева, когда падающая солнечная энергия превышает 0,3 Вт / м 2 , а в противном случае он предназначен для охлаждения. Температура на входе сравнивается с уставкой на выпускном узле, чтобы определить, является ли охлаждение или нагрев полезным. Если да, то для кондиционирования воздушного потока применяются тепловые модели PVT. Если они не приносят пользы, тогда PVT полностью обходится, и входной узел передается непосредственно в выходной узел, чтобы смоделировать полностью обходное устройство заслонки.Переменная отчета доступна для состояния заслонки байпаса.

PVT на заводе не включает байпас (хотя он может использоваться в заводском контуре). Коллектор запрашивает расчетный расход, но в остальном для управления он полагается на более крупный контур установки.

Когда PVT-тематический коллектор находится в состоянии «включен» в режиме нагрева и рабочая жидкость течет, модель рассчитывает температуру на выходе на основе температуры на входе и собранной теплоты с использованием следующих уравнений.

где,

— собранная тепловая энергия [Вт]

— чистая площадь поверхности [м 2 ]

— доля поверхностного воздуха с активным PV / T коллектором, а

— коэффициент теплового преобразования.

где,

— температура рабочей жидкости на выходе из PV / T

.

— температура рабочей жидкости на входе в PV / T

.

— это полный массовый расход рабочего тела через PV / T

— удельная теплоемкость рабочего тела.

Для воздушных систем значение затем сравнивается с уставкой температуры на выходном узле. Если температура на выходе превышает желаемую, то доля байпаса рассчитывается для моделирования регулирующего байпасного клапана с использованием:

Когда PVT-тематический коллектор находится в состоянии «включен» в режиме охлаждения и рабочая жидкость течет, модель вычисляет температуру на выходе на основе температуры на входе и тепла, излучаемого и конвектируемого в окружающую среду, с использованием теплового баланса на внешняя грань коллектора:

Где,

— это чистая скорость обмена длинноволновым (тепловым) излучением с воздухом, ночным небом и землей.См. Раздел «Внешнее длинноволновое излучение» в Тепловом балансе внешней поверхности, где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus с использованием линеаризованных коэффициентов излучения.

— чистая скорость конвективного обмена потоком с наружным воздухом. См. Раздел «Внешняя / внешняя конвекция» в разделе «Тепловой баланс внешней поверхности», где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus. Шероховатость поверхности считается «очень гладкой».

Простая модель предполагает, что эффективная температура коллектора является средним значением температуры рабочей жидкости на входе и выходе, поэтому мы можем сделать следующую замену:

Подставляя и решая для, получаем следующую модель для температур коллектора во время (возможного) процесса охлаждения:

Затем можно рассчитать температуру на выходе и определить тепловые потери.Однако модель допускает только ощутимое охлаждение воздушного потока и ограничивает температуру на выходе, чтобы она не опускалась ниже температуры точки росы на входе.

Коллекторы

PVT имеют расчетный объемный расход рабочей жидкости с возможностью автоматического изменения размеров. Для воздушных систем, используемых в качестве кондиционеров, объемный расход рассчитывается таким образом, чтобы соответствовать максимальному расходу наружного воздуха. Для систем на водной основе на стороне подачи контура установки каждый из коллекторов PVT рассчитан на общую скорость потока контура.который был разработан путем анализа набора данных SRCC для обычных солнечных коллекторов (см. набор данных SolarCollectors.idf) и усреднения отношения для всех 171 различных коллекторов.

Источники [ССЫЛКА]

Хараламбус П.Г., Мэйдмент Г.Г., Калагироу С.А., Якуметти К. Фотоэлектрические тепловые (PV / T) коллекторы: обзор. Прикладная теплотехника 27 (2007) 275-286.

Зондаг, Х.А. 2008. Плоские фотоэлектрические коллекторы и системы: обзор.Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 12 (2008) 891-959.

Неглазурованные солнечные коллекторы с прозрачным стеклом [ССЫЛКА]

Входной объект SolarCollector: UnglazedTranspired предоставляет модель просвечиваемых коллекторов, которые, возможно, являются одним из наиболее эффективных способов сбора солнечной энергии с продемонстрированной мгновенной эффективностью более 90% и средней эффективностью более 70%. Они используются для предварительного нагрева наружного воздуха, необходимого для вентиляции и таких процессов, как сушка сельскохозяйственных культур.

В EnergyPlus неглазурованный прозрачный солнечный коллектор (UTSC) смоделирован как специальный компонент, прикрепленный к внешней стороне поверхности теплопередачи, которая также связана с каналом наружного воздуха. UTSC влияет как на тепловую оболочку, так и на воздушную систему HVAC. С точки зрения воздушной системы, UTSC — это теплообменник, и при моделировании необходимо определить, насколько устройство повышает температуру наружного воздуха. С точки зрения тепловой оболочки, наличие коллектора на внешней стороне поверхности изменяет условия, в которых находятся нижележащие поверхности теплопередачи.EnergyPlus моделирует работу здания в течение года, и UTSC часто будет отключаться с точки зрения принудительного воздушного потока, но коллектор все еще присутствует. Когда UTSC включен, всасываемый воздушный поток считается равномерным по всей поверхности. Когда UTSC выключен, коллектор действует как радиационно-конвекционная перегородка, расположенная между внешней средой и внешней стороной лежащей ниже поверхности теплопередачи. Мы различаем эти два режима работы как активный или пассивный и моделируем компонент UTSC по-разному в зависимости от того, в каком из этих режимов он находится.

Эффективность теплообменника [ССЫЛКА]

Перфорированная пластина абсорбера рассматривается как теплообменник и моделируется с использованием традиционной формулы эффективности. Эффективность теплообменника определяется из корреляций, полученных в результате небольших экспериментов. В EnergyPlus реализованы две корреляции, доступные в литературе. Первый основан на исследовании Кучера из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Второй основан на исследовании Ван Декера, Холландса и Брюнгера из Университета Ватерлоо.Поскольку обе корреляции считаются действительными, выбор того, какую корреляцию использовать, остается за пользователем.

Корреляция Кутчера [ССЫЛКА]

Корреляция Кучера (1994) охватывает поверхностную конвекцию между коллектором и входящим потоком наружного воздуха, которая возникает на передней поверхности, в отверстиях и вдоль задней поверхности коллектора. Корреляция использует число Рейнольдса на основе диаметра отверстия в качестве шкалы длины и средней скорости воздуха, проходящего через отверстия, в качестве шкалы скорости:

где,

— скорость через отверстия [м / с]

— диаметр отверстия [м]

— кинематическая вязкость воздуха [м 2 / с]

Корреляция является функцией числа Рейнольдса, геометрии отверстия, скорости набегающего потока воздуха и скорости, проходящей через отверстия:

где,

— шаг или расстояние между отверстиями, [м],

— диаметр отверстия, [м],

— пористость или доля площади отверстий, [безразмерная],

— средняя скорость воздуха, проходящего через отверстия, [м / с],

— скорость набегающего потока (скорость местного ветра) [м / с].

Число Нуссельта формулируется как:

где,

— это общий коэффициент теплопередачи, основанный на средней логарифмической разнице температур, [Вт / м 2 · K] и

— теплопроводность воздуха [Вт / м · К].

КПД теплообменника:

Соотношение Кучера было сформулировано для треугольного расположения отверстий, но основано на Van Decker et al.(2001) мы допускаем использование корреляции для расположения и масштаба квадратных отверстий в 1,6 раза.

Корреляция Ван Декера, Холландса и Брюнгера [ССЫЛКА]

Van Decker et. al. расширил измерения Кучера, включив в него более широкий диапазон параметров коллектора, включая толщину пластины, шаг, скорость всасывания и структуру квадратных отверстий. Их формулировка модели отличается от формулировки Кучера тем, что модель была построена из отдельных моделей эффективности для передней, задней и отверстий коллектора.Их опубликованное соотношение:

где,

— средняя скорость всасывания через переднюю поверхность коллектора [м / с]

— толщина пластины коллектора

Температура на выходе теплообменника [ССЫЛКА]

Использование любого из приведенных выше соотношений позволяет определить эффективность теплообменника по известным значениям.По определению эффективность теплообменника также составляет:

где,

— температура воздуха, выходящего из коллектора и поступающего в камеру [ºC]

— это температура пластины поглотителя коллектора, [ºC], а

— температура окружающего наружного воздуха [ºC].

Переписав уравнение для решения для, мы видим, что температуру нагретого наружного воздуха, поступающего в камеру статического давления, можно определить, если известна температура поверхности коллектора,

Тепловой баланс коллектора [ССЫЛКА]

Предполагается, что коллектор достаточно тонкий и обладает высокой проводимостью, чтобы его можно было смоделировать с использованием одной температуры (для обеих сторон и вдоль его площади).Эта температура определяется путем определения теплового баланса в контрольном объеме, который просто покрывает поверхность коллектора. Тепловые балансы сформулированы отдельно для активного и пассивного режимов и показаны на следующем рисунке.

Обратите внимание, что для пассивного случая мы не используем отношения теплообменника для прямого моделирования взаимодействия вентилируемого воздуха с коллектором. Это потому, что эти отношения считаются неприменимыми, когда UTSC находится в пассивном режиме.Они были разработаны для однонаправленного потока (а не для уравновешенного потока на входе и выходе, ожидаемого от естественных сил) и для определенных диапазонов скорости на всасывающей стороне. Таким образом, этот механизм теплопередачи обрабатывается с использованием классических моделей поверхностной конвекции (как если бы коллектор не был перфорирован). (Воздухообмен моделируется как вентиляция в тепловом балансе приточного воздуха, но не взаимодействует с краями отверстий на поверхности коллектора.)

Тепловой баланс коллектора Transpired

Когда UTSC активен, тепловой баланс на контрольном объеме поверхности коллектора составляет:

где:

~~ поглощается прямым и рассеянным солнечным (коротковолновым) тепловым потоком излучения.

— это чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с воздухом и окружающей средой.

— это поверхностный конвективный обмен потоками с наружным воздухом в условиях сильного ветра и дождя. Обратите внимание, что этот член обычно принимается равным нулю при разработке модели UTSC, но мы добавляем этот термин, чтобы учесть ухудшение производительности UTSC в плохих условиях.

~~ — поток теплообменника от коллектора к входящему наружному воздуху.

~~ — чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с внешней поверхностью подстилающей поверхности (поверхностей).

— это термин «источник / сток», который учитывает энергию, экспортируемую из контрольного объема, когда пластина поглотителя коллектора представляет собой гибридное устройство, такое как фотоэлектрическая панель.

При тепловом балансе на контрольном объеме пассивной поверхности коллектора:

где:

~~ = теплообмен поверхностной конвекции с наружным воздухом.

~~ = теплообмен поверхностной конвекции с приточным воздухом.

Все члены положительны для чистого потока к коллектору, за исключением члена теплообменника, который считается положительным в направлении от коллектора к входящему воздушному потоку. Каждый из этих компонентов теплового баланса кратко представлен ниже.

Внешнее излучение ПО [ССЫЛКА]

~~ рассчитывается с использованием процедур, представленных в другом месте в этом руководстве, и включает как прямое, так и диффузное падающее солнечное излучение, поглощаемое поверхностью поверхности.Это зависит от местоположения, угла и наклона поверхности, затенения поверхностей, свойств материала поверхности, погодных условий и т. Д.

Внешнее LW-излучение [ССЫЛКА]

— это стандартная формулировка радиационного обмена между поверхностью, небом, землей и атмосферой. Радиационный тепловой поток рассчитывается на основе коэффициента поглощения поверхности, температуры поверхности, температуры неба, воздуха и земли, а также факторов обзора неба и земли. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

Внешняя конвекция [ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h co (T воздух — T o ), где h co , — коэффициент конвекции. Этот коэффициент будет отличаться в зависимости от того, является ли UTSC активным или пассивным. Когда UTSC пассивен, h co обрабатывается так же, как и внешняя поверхность с условиями ExteriorEnvironment. Когда UTSC активен, особая ситуация с потоком всасываемого воздуха в открытом коллекторе во время работы означает, что h co часто равно нулю, поскольку ситуация всасывания может исключить массовый перенос от коллектора.Однако при сильном ветре сильная турбулентность и сильно меняющееся давление могут привести к нарушению всасывающего потока. Поэтому мы включаем этот член в тепловой баланс и используем специальный коэффициент для моделирования этой потерянной теплопередачи. Кроме того, когда на улице идет дождь, мы предполагаем, что коллектор намокает, и моделируем улучшенную поверхностную теплопередачу, используя большое значение для.

Теплообменник [ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки ~~, где определяется с использованием корреляций, описанных выше.Когда UTSC активен, массовый расход воздуха определяется по работе компонента смесителя наружного воздуха. Когда UTSC выключен, этот член равен нулю.

Plenum LW Radation [ССЫЛКА]

представляет собой стандартную формулировку радиационного обмена между поверхностью коллектора и лежащей под ним поверхностью теплопередачи, расположенной поперек камеры повышенного давления. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

Plenum Convection [ССЫЛКА]

~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h cp (T air — T o ), где h cp , — коэффициент конвекции.Этот коэффициент принимается равным нулю, когда UTSC работает из-за ситуации с потоком всасываемого воздуха. Когда UTSC выключен, значение h cp получается из корреляций, используемых для оконных промежутков из стандарта ISO (2003) 15099.

Подстановка моделей и решение для дает следующее уравнение, когда UTSC активен («включен»):

и замена в дает следующее уравнение, когда UTSC пассивен («выключен»):

где,

— падающее солнечное излучение всех типов [Вт / м 2 ],

— коэффициент поглощения солнечной энергии коллектора [безразмерный],

— линеаризованный коэффициент излучения для окружающей атмосферы [Вт / м 2 · K],

— это сухая луковица на открытом воздухе из погодных данных, также принятая для поверхности земли [ºC],

— линеаризованный коэффициент излучения неба [Вт / м 2 · K],

— эффективная температура неба [ºC],

— линеаризованный коэффициент излучения для земли [Вт / м 2 · K],

— линеаризованный коэффициент излучения для подстилающей поверхности [Вт / м 2 · K],

— коэффициент конвекции для наружной среды, когда UTSC активен, а ветер сильный или идет дождь [Вт / м 2 · K],

— температура наружной поверхности лежащей ниже поверхности теплопередачи [ºC],

— массовый расход воздуха в активном режиме [кг / с],

— удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении [Дж / кг · К],

— площадь коллектора [м 2 ],

— коэффициент конвекции для внешней среды [Вт / м 2 · K],

— коэффициент конвекции для поверхностей, обращенных к камере статического давления [Вт / м 2 · K], а

— это сухая камера для воздуха в камере статического давления и поступающего в систему наружного воздуха [ºC].

Plenum Heat Balance [ССЫЛКА]

Камера статического давления — это объем воздуха, расположенный между коллектором и лежащей под ним поверхностью теплопередачи. Приточный воздух моделируется как хорошо перемешанный. Равномерная температура приточного воздуха определяется путем расчета теплового баланса контрольного объема воздуха, как показано на диаграмме ниже.

Обратите внимание, что мы сформулировали контрольные объемы с небольшими различиями для активного и пассивного случаев.Для активного корпуса формулировки условий всасываемого воздуха и эффективности теплообменника требуют, чтобы контрольный объем поверхности коллектора охватывал часть воздуха, прилегающую как к передней, так и к задней поверхностям коллектора. Однако для пассивного случая в контрольном объеме поверхности коллектора нет воздуха, а контрольный объем приточного воздуха простирается до поверхности коллектора.

Воздушно-тепловой баланс пленочной камеры коллектора

Когда UTSC активен, тепловой баланс в регулирующем объеме приточного воздуха составляет:

где,

— это чистая величина энергии, добавляемой за счет конвекции всасываемого воздуха через контрольный объем.

~~ — чистая скорость, добавляемая за счет поверхностной конвективной теплопередачи с подстилающей поверхностью.

Когда UTSC пассивен, тепловой баланс в регулирующем объеме приточного воздуха составляет:

где,

— это чистая норма энергии, добавляемая за счет инфильтрации, когда наружный окружающий воздух обменивается с приточным воздухом.

— чистый коэффициент энергии, добавленной за счет поверхностной конвективной теплопередачи с коллектором.

Подстановка и решение для дает следующее уравнение, когда UTSC активен:

И замена в дает следующее уравнение, когда UTSC пассивен:

где,

— массовый расход воздуха от естественных сил [кг / с]

В литературе по UTSC, по-видимому, не рассматривается пассивный режим работы, и модели для него не определены.Тем не менее ожидается, что естественная плавучесть и силы ветра будут стимулировать воздухообмен между камерой статического давления и окружающей средой, и необходим некоторый метод моделирования. Поскольку конфигурация аналогична односторонней естественной вентиляции, мы решили использовать корреляции для естественной вентиляции, представленные в главе 26 ASHRAE HOF (2001).

где,

— плотность воздуха [кг / м 3 ], а

— это общий объемный расход воздуха, поступающего в камеру статического давления и выходящего из нее.

(если)

(если и UTSC вертикальный)

— это эффективность проемов, которая зависит от геометрии проема и ориентации по отношению к ветру. ASHRAE HoF (2001) указывает значения в диапазоне от 0,25 до 0,6. В модели UTSC это значение доступно для ввода пользователем и по умолчанию равно 0,25.

— коэффициент расхода для отверстия и зависит от геометрии отверстия.В модели UTSC это значение доступно для ввода пользователем и по умолчанию равно 0,65.

Аргументы о непрерывности массы приводят к моделированию площади отверстий как половину общей площади отверстий, поэтому мы имеем:

— гравитационная постоянная, принятая равной 9,81 [м / с 2 ].

— высота от середины нижнего отверстия до уровня нейтрального давления. Это принимается равным одной четвертой общей высоты UTSC, если он установлен вертикально.Для наклонных коллекторов номинальная высота изменяется на синус наклона. Если UTSC устанавливается горизонтально (например, на крыше), то принимается толщина зазора камеры статического давления.

Если UTSC горизонтальный, то потому, что это стабильная ситуация.

Нижняя поверхность теплопередачи [ССЫЛКА]

UTSC наносится снаружи на поверхность теплопередачи. Эта поверхность моделируется с использованием обычных методов EnergyPlus для обработки теплоемкости и переходных процессов — обычно метод CTF.Эти встроенные программы EnergyPlus Heat Balance используются для расчета. Модель UTSC соединяется с нижней поверхностью с помощью механизма OtherSideConditionsModel. Модель UTSC предоставляет значения для,, и для использования с расчетами модели теплового баланса для внешней стороны подстилающей поверхности (описанной в другом месте в этом руководстве).

Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

Просвечиваемый объект-коллектор использует стандартную поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения.Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, такими как близлежащие здания или деревья.

Расчет локальной скорости ветра [LINK]

Скорость наружного ветра влияет на термины, используемые при моделировании компонентов UTSC. Предполагается, что скорость ветра в файле погоды измеряется на метеостанции, расположенной в открытом поле на высоте 10 м.Чтобы приспособиться к разному рельефу на строительной площадке и разнице в высоте поверхностей зданий, для каждой поверхности рассчитывается местная скорость ветра.

Скорость ветра модифицируется на основе измеренной метеорологической скорости ветра по формуле (ASHRAE 2001):

, где z — высота центроида UTSC, z соответствует — высота стандартного метереологического измерения скорости ветра, а a и  — коэффициенты, зависящие от местности. — толщина пограничного слоя для данного типа местности. Значения a и  показаны в следующих таблицах:

Коэффициенты зависимости от местности (ASHRAE 2001).
1 Плоский, местность 0,14 270
2 Грубая, лесистая местность 0,22 370
3 Города и города 0.33 460
4 Океан 0,10 210
5 Городской, промышленный, лесной 0,22 370

UTSC можно определить так, чтобы он имел несколько лежащих под ним поверхностей теплопередачи. Высоты центроида для каждой поверхности взвешиваются по площади, чтобы определить среднюю высоту для использования в расчетах местного ветра.

Коэффициенты конвекции [ССЫЛКА]

UTSC-моделирование требует вычисления до трех различных коэффициентов теплопередачи поверхностной конвекции. Эти коэффициенты определяются классическим способом:

Во-первых, это коэффициент конвекции для поверхности коллектора, обращенной наружу, когда UTSC пассивен. Он моделируется точно так же, как и где-либо еще в EnergyPlus, и будет зависеть от настроек пользователя для алгоритма внешней конвекции — тепловой баланс внешней поверхности в другом месте в этом документе.

Во-вторых, это коэффициент конвекции для поверхностей, обращенных к камере статического давления. Этот коэффициент применяется только к конвекции подстилающей поверхности, когда UTSC активен, и как к коллектору, так и к подстилающей поверхности, когда UTSC пассивен. Когда UTSC активен, мы используем корреляцию конвекции для нагнетаемого воздуха, разработанную McAdams (1954), как опубликовано ASHRAE HoF (2001):

где,

— средняя скорость в камере статического давления, определяемая исходя из того, где — эффективная площадь поперечного сечения камеры, перпендикулярная направлению первичного потока.Когда UTSC пассивен, мы моделируем конвекцию так же, как в EnergyPlus для моделирования воздушных зазоров в окнах. Эти корреляции зависят от числа Рэлея и наклона поверхности и основаны на работе различных исследований, включая Hollands et. др., Эльшербины и др. др., Райт и Арнольд. Формулировки задокументированы в стандарте 15099 ISO (2003). Для реализации UTSC подпрограммы были адаптированы из подпрограммы NusseltNumber в WindowManager.f90 (Ф. Винкельманн), которая сама была получена из подпрограммы Window5 «nusselt».

В-третьих, коэффициент конвекции, используемый для ухудшения характеристик UTSC в условиях окружающей среды с сильным ветром или дождем. Если в файле погоды указано, что идет дождь, то мы устанавливаем = 1000.0, в результате чего температура коллектора будет равна температуре окружающего воздуха. Описанные выше корреляции эффективности теплообменника учитывают умеренное количество ветра, но корреляции, по-видимому, ограничены диапазоном от 0 до 5,0 м / с. Поэтому мы устанавливаем равным нулю, если <= 5.0 м / с. Если> 5,0 м / с, мы используем корреляцию МакАдамса, но с уменьшенной величиной скорости:

Коэффициенты излучения [ССЫЛКА]

UTSC-моделирование требует вычисления до четырех различных линеаризованных коэффициентов радиационной теплопередачи. В то время как при расчетах излучения обычно используется температура, возведенная в четвертую степень, это значительно усложняет решение уравнений теплового баланса для одной температуры. Коэффициенты линеаризованного излучения имеют те же единицы измерения и используются таким же образом, что и коэффициенты поверхностной конвекции, и вносят очень небольшую ошибку для соответствующих уровней температуры.

Коэффициент излучения, используется для моделирования теплового излучения между поверхностью коллектора и внешней поверхностью подстилающей поверхности теплопередачи. Мы исходим из единства мнений. Рассчитывается с использованием:

где,

все температуры переведены в градусы Кельвина,

— постоянная Стефана-Больцмана,

— длинноволновая термоэмиттанс коллектора, а

— длинноволновая тепловая излучательная способность подстилающей поверхности теплопередачи.

Три других коэффициента,, и используются в другом месте EnergyPlus для теплового баланса внешней поверхности и рассчитываются таким же образом, как уравнение для коллекторов UTSC. [Это достигается путем вызова подпрограммы InitExteriorConvectionCoeffs в файле HeatBalanceConvectionCoeffs.f90. ]

Bypass Control [ССЫЛКА]

Предполагается, что UTSC устроен так, что байпасная заслонка контролирует, забирается ли воздух непосредственно снаружи или через UTSC.Решение о регулировании основывается на том, будет ли полезно нагревать наружный воздух. Существует несколько уровней управления, включая график доступности, независимо от того, холоднее ли наружный воздух, чем уставка смешанного воздуха, или ниже ли температура воздуха в зоне, чем так называемая уставка свободного нагрева.

Предупреждения об изменении размеров [LINK]

Хотя конструкция извлекаемого коллектора оставлена ​​на усмотрение пользователя, программа выдает предупреждения, когда скорость всасываемого воздушного потока выходит за пределы диапазона 0.003 до 0,08 м / с.

Общая эффективность [ССЫЛКА]

Общий тепловой КПД UTSC представляет собой полезный выходной отчет и определяется как отношение полезного тепловыделения всей системы к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

где

— полезный приток тепла

— суммарное падающее солнечное излучение

Обратите внимание, что КПД определен только для.Этот КПД включает тепло, рекуперированное от подстилающей стены, и может превышать 1,0.

Эффективность коллектора [ССЫЛКА]

Тепловой КПД коллектора представляет собой полезный выходной отчет и определяется как отношение полезного притока тепла жидкостью коллектора к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

Обратите внимание, что КПД определен только для

Источники [ССЫЛКА]

Кучер, К.F. 1994. Эффективность теплообмена и падение давления для воздушного потока через перфорированные пластины с боковым ветром и без него. Журнал теплопередачи . Май 1994, т. 116, стр. 391. Американское общество инженеров-механиков.

Ван Деккер, G.W.E., K.G.T. Холландс и А.П.Брюнгер. 2001. Теплообменные соотношения для неостекленных прозрачных солнечных коллекторов с круглыми отверстиями на квадрате с треугольным шагом. Солнечная энергия . Vol. 71, No. 1. С. 33-45, 2001.

ISO.2003. ISO 15099: 2003. Тепловые характеристики окон, дверей и затеняющих устройств — Детальные расчеты. Международная организация по стандартизации.

eCalc — надежное моделирование электропривода

новости — 2 декабря

02.12.20 — База данных двигателей: Dualsky XM22xxEG, Esprit Elite E105 / 20-135 3D HD, T-Motor F1303 добавлено

26.11.20 — 10-миллионный посетитель — вау!

23.11.20 — заряд Индекс V1.3: новый подробный вид и эффективность ядра

18.11.20 — База данных ESC: HobbyWing обновлено

12.11.20 — База двигателей: RCinPower GTS V2 и SmooX добавили

11/3/20 — ev Расчет: Audi e-tron GT / RS добавил

11/3/20 — ev Расчет: BYD Хан и Тан добавили

31.10.20 — ev Расчет: JAC e-S2 добавил

25.10.20 — База аккумуляторов: Sony US18650VTC6, Molicel INR21700-P42A добавлены

29.09.20 — База данных двигателей: Tmotor F90, Peggy Pepper 2524, Surpass C5065, Hacker B50-S обновлено, MAD M30-100, BrotherHobby VY, Max

25.09.20 — 150 миллионов проезд Расчет — спасибо за использование eCalc!

15.09.20 — База данных двигателей: Добавлен бренд Surpass

15.09.20 — База данных двигателей: DYS SF, SHU, WEI & WU серия обновлена ​​

9/15/20 — ev Расчет: Opel Zafira-e добавил

9/12/20 — ev Расчет: Lucid Air — Dream Edition, Grand Touring & Touring добавлены

28.08.20 — ev Расчет: Обновлен Lucid Air, Mercedes EQC 350 и Hyundai 45 добавлены

24.08.20 — заряд Индекс V1.0: начисление на основе первого потребления сравнение — единственное объективное межбрендовое сравнение тарифов

21.08.20 — База данных двигателей: Скорпион HK-4525-370, Leomotion L8013-205, Flywoo 1404, Kontronik Кира обновил

25.06.20 — База данных двигателей: Dualsky Product Alignment, Cobra 2204/40, новые бренды Flywoo, Apex, Шпиц

24.06.20 — ev Расчет V 5.20: первыми учитывают реальный ветер по маршруту

13.05.20 — e Calc Версия 7.20 — Что нового?

  • новый плагин Quick Gauge
  • xcopter Расчет : Оценка диапазона в столбце результатов
  • heli Расчет: Расчет Motot @ Maximum для постоянной скорости вращения (iso max. скорость)
Если у вас возникли проблемы с запуском новой версии, продолжайте согласно Общему Порядку здесь …

13.05.20 — ev Calc Версия 5.10 — Какие новости?

  • Время перезарядки на графике улучшено учитывая низкий / высокий SoC
  • новый плагин Quick Gauge
  • Служба маршрутизации изменена на MapBox, TomTom & GrasHopper

13.05.20 — charge Calc Версия 2,03 — Какие новости?

1/21/20 — Мы рады приветствовать 9-миллионный визит с момента обратного отсчета февраль 2010.

Расчет падения давления на кожухе теплообменника

Расчет перепада давления на межтрубном пространстве теплообменника

Рассчитайте падение давления на стороне кожуха для следующей спецификации теплообменника:

Технологическая жидкость = вода
Давление на входе = 4 бар изб.
Температура на входе = 50 0 C
Температура на выходе = 30 0 C
Расход на стороне трубы = 50000 кг / ч
Диаметр корпуса = 22 дюйма
Количество перегородок = 32
Расстояние между перегородками = 6 дюймов (справочное руководство по оптимизации расстояния между перегородками)
Диаметр трубы = 1 дюйм
Количество трубок = 10
Шаг = 1.25 дюймов, шаг треугольника
Шероховатость поверхности = 0,06 мм

Решение

Расчет потери давления на стороне корпуса не такой простой, как расчет падения давления на стороне трубы. Наличие перегородок в кожухе затрудняет расчет падения давления со стороны кожуха. Сторона кожуха должна быть аппроксимирована как серия рядов трубок, соединенных оконными зонами, для оценки падения давления на кожухе теплообменника. Падение давления в теплообменнике должно быть суммой падения давления, оцененного для поперечного потока через ряды труб, и падения давления, оцененного для оконных зон.Эти расчетные значения перепада давления необходимо скорректировать, учитывая утечку через перегородки и обход трубных пучков.

Пример задачи, представленной здесь, основан на упрощенном приближении, которое достаточно точно для больших пучков труб. Уравнения, используемые в представленном здесь решении, также управляют расчетами, выполняемыми калькулятором падения давления на стороне корпуса теплообменника EnggCyclopedia. Решение проблемы выполняется в следующие 4 основных шага.

Шаг 1.

Первый шаг решения проблемы требует определения важных физических свойств данной жидкости (воды) при заданных условиях температуры и давления. Поскольку плотность воды будет самой низкой при температуре на входе (50 0 C), что соответствует максимальному объемному расходу. Следовательно, для консервативной оценки падения давления, физические свойства воды рассчитываются на входе. Использование калькулятора плотности жидкости EnggCyclopedia,

плотность воды при 50 0 C = 988.0 кг / м 3 Используя калькулятор вязкости жидкости EnggCyclopedia,

Вязкость воды при 50 0 C = 0,53 сП

Шаг 2.

Затем рассчитывается эффективная площадь поперечного потока через трубы между перегородками по следующему уравнению:

Эффективная площадь = Ae = Ds × Bs × (P-Dt) ⁄ P

где, Ds = диаметр оболочки
Bs = расстояние между перегородками
P = шаг (расстояние между центральными осями двух соседних труб)
Dt = диаметр трубы

В нашем случае Ae = 0.0341 м 2

Скорость перетока становится равной,

В = массовый расход / (ρ × Ae × 3600)
V = 50000 / (988 × 0,0341 × 3600) м / с
V = 0,4127 м / с

Шаг 3

Затем определяется эффективный диаметр пути прохождения жидкости с использованием следующего приближения:

De = 4 × (P 2 — (π Dt 2 /4)) / π Dt
De = 0,0484 м

Затем вычисляется коэффициент f k как функция числа Рейнольдса,
f k = 1.79 × (ρ × V × D / μ) -1,9
f k = 0,2424 3,7 × 10 -9

Шаг 4

Окончательный расчет падения давления на стороне кожуха производится по следующей формуле:

.

ΔP = ((N + 1) × f k × Ds × ρV 2 ) / (2 × De)
где, N = количество перегородок

ΔP = 0,0777 бар

Альтернативное решение

Другой альтернативой является непосредственное использование калькулятора падения давления на стороне корпуса теплообменника EnggCyclopedia.Все входные данные, приведенные в примерах постановок задачи, передаются на вычислитель, и падение давления на стороне кожуха теплообменника рассчитывается как выход. В этом калькуляторе используются те же основные шаги, которые обсуждались выше, поэтому ответ также совпадает с приведенным выше значением (0,0778 бара). Следующее изображение представляет собой снимок этого прямого расчета падения давления на стороне трубы.

Связанные ресурсы и ссылки

.

No related posts.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *