Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2013, №88
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Кубанский государственный аграрный университет
Наименование: Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 1120
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 641131.0001.99
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 1 УДК 631.252: 658.531 ЭЛЕКТРОГЕЛИОВОДОНАГРЕВ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ Абеленцев Евгений Юрьевич аспирант ГНУ Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии), Россия Описана система электрогелиоводонагрева для сельскохозяйственных потребителей. Приведены результаты компьютерного моделирования в среде Программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» Ключевые слова: СИСТЕМА ЭЛЕКТРОГЕЛИОВОДОНАГРЕВА, ФАЗОПЕРЕХОДНОЕ ВЕЩЕСТВО, МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ UDC 631.252.:658.531 ELECTRO SOLAR WATER HEATING FOR AGRICULTURAL CONSUMERS Abelentsev Evgeniy Yurevich postgraduate student State Scientific Institution North-Caucasus Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture (SSI NCRIMEA Russagroacademy), Russia In the article, we have described an electro solar water heating system for agricultural consumers. The results of computer modeling in the “Modeling in technical devices” software package have been given Keywords: ELECTRO SOLAR WATER HEATING SYSTEM, PHASE TRANSMITTING SUBSTANCE, MODELING OF HEATING PROCESSES Солнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в ми ровой энергетике. К преимуществам солнечной энергетики относится то, что солнечная энергия – это экологически чистый источник энергии, поз воляющий использовать его в возрастающем масштабе без негативного влияния на окружающую среду. Солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, солнечная энергия доступна в каждой точке нашей планеты. В настоящее время для целей теплоснабжения огромными темпами расходуются органические виды топлива. Однако в современном мире их использование связано с возникновением ряда проблем: постоянным ро стом цен, зависимостью от поставок, высокими эксплуатационными затра тами на оборудование, загрязнением окружающей среды. Благодаря использованию современной гелиотехники с апреля по октябрь можно отказаться от потребления газа и электроэнергии для при готовления горячей воды, а в зимние месяцы сэкономить на энергоносите лях.
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 2 Сотрудниками отдела электроэнергетики ГНУ СКНИИМЭСХ Рос сельхозакадемии разработана система электрогелиоводонагрева на базе се рийно выпускаемых изделий для сельскохозяйственных потребителей (рис. 1). Система электрогелиоводонагрева для сельскохозяйственных потре бителей включает: электрические водонагреватели, электронные устрой ства, трубопроводы подачи холодной и горячей воды, водопроводные кра ны, насос, солнечный коллектор. Одним из технических решений, направленных на предотвращение замерзания воды в солнечном коллекторе системы электрогелиоводонагре ва при сильных морозах зимой и уменьшение энергозатрат на догрев воды для часов утреннего водоразбора, является оснащение солнечного коллек тора устройством с фазопереходным веществом (парафином) [1]. Рисунок 1. Общий вид системы электрогелиоводонагрева для сельскохозяйственных потребителей
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 3 Парафин – это смесь твёрдых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, нормального и изостроения, с незначительной примесью циклических углеводородов, получаемая главным образом из нефти. Парафин получают в основном (~ 90 %) из парафинистых нефтей (парафинистый дистиллят, фракция, кипящая при 300–5000С). Наиболее выгодны для переработки так называемые высокопарафинистые нефти с температурой застывания парафинистой фракции 210С и выше и с содер жанием парафина выше 2 %. Выпускаемые промышленностью нефтяные парафины подразделя ются на: технические высокоочищенные, марок А и Б, медицинский, тех нические очищенные, марок Г и Д и неочищенный (спичечный). Важней шими характеристиками парафина являются: температура плавления – не ниже 50–540С (спичечный – не ниже 420С) и содержание масла – не более 0,6–2,3 % (спичечный – 5 %). Результаты многочисленных опытов с нагревом трубок с парафином П-2 показали, что нагрев твердого парафина характеризуется установив шейся температурой, соответствующей температуре плавления доминиру ющей фракции 450С. Установлено, что, начиная с температуры 210С, происходят фазовые превращения различных фракций парафина. Теплоаккумулирующее устройство в виде трубки с парафином накапливает как внутреннюю энер гию, так и энергию в виде энергии фазового перехода. Теоретическая зави симость энергии фазового перехода при температурах от 21оС до 45оС от температуры парафина Qфп = 0,00025203Т6 – 0,04630727Т5 + 3,52704682Т4 – 142,13092088Т3 + 3 195,54069183Т2 – 37844,79054821Т + 183357,02522004 с высокой степенью достоверности описывает экспери ментальную при температурах от 45оС до 65оС Qфп = 112,4Т + 5633 (рис. 2).
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года
http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf
4
а) б)
Рисунок 2. Энергия фазового перехода трубки с парафином
при температурах от 21°С до 450С (а) и от 450С до 650С (б)
Проверка адекватности моделирования процесса нагрева трубки с
парафином выполнена корреляционным анализом. В качестве показателя
измерения тесноты зависимости было принято теоретическое корреляци
онное отношение.
Теоретическое корреляционное отношение η представляет собой от
носительную величину, получающуюся в результате сравнения среднего
квадратического отклонения выравненных значений результативного при
знака (температуры) δ, то есть рассчитанных по уравнению регрессии, со
средним квадратическим отклонением эмпирических (фактических) значе
ний результативности признака σ.
2
2
2
σ
δ
η
=
.
Вычислим общую дисперсию:
.
)
у
(у
2
2
n
∑
=
σ
Общая дисперсия отражает суммарное влияние всех возможных фак
торов на общую вариацию температуры парафина в опытах.
Исчислим:
Qфп,
Дж
Qфп,
Дж
Т, град
Т, град
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 5 . ) у у ( 2 ^ 2 n ∑ = δ Тогда . ) у (у ) у у ( 2 2 ^ ∑ ∑ = η Изменение значения теоретического корреляционного отношения η объясняется влиянием факторного признака. В основе расчета корреляционного отношения лежит правило сло жения дисперсий 2 i 2 2 σ δ σ + = . 2 i σ – отражает вариацию у за счет всех остальных факторов, то есть явля ется остаточной дисперсией: n ост i ∑ = = 2 ^ 2 2 ) у (у σ σ . Тогда формула теоретического корреляционного отношения примет вид: 2 2 2 2 2 2 2 1 σ σ σ σ σ σ δ η ост ост − = − = = , (1) или ∑ ∑ − = 2 2 ^ ) у (у ) у (у 1 η . (2) Подкоренное выражение корреляционного отношения представляет собой коэффициент детерминации (меры определенности, причинности).
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 6 Коэффициент детерминации показывает долю вариации результа тивного признака под влиянием вариации признака-фактора. При криволинейных связях теоретическое корреляционное отноше ние, исчисляемое по формулам (1) и (2), часто называют индексом корре ляции R. Как видно из формул (1–2), корреляционное отношение может находиться в пределах от 0 до 1. Чем ближе корреляционное отношение к 1, тем связь между признаками теснее. Для качественной оценки тесноты связи на основе показателя теоре тического корреляционного отношения воспользуемся соотношениями Чэддока (см. табл.). Таблица – Соотношения Чэддока η 0,1–0,3 0,3–0,5 0,5–0,7 0,7–0,9 0,9–0,99 Сила связи Слабая Умеренная Заметная Тесная Весьма тесная Опыты характеризуются η=0,995, что свидетельствует о весьма тес ной связи между теоретическими (моделированными) и эксперименталь ными данными. В связи с этим с высокой степенью достоверности предоставляется возможность определить параметры и режимы всесезонного электроге лиоводонагревателя. Полученные теоретические зависимости энергии фазового перехода позволили провести моделирование тепловых процессов электрогелиово донагрева на базе применения фазопереходного материала в среде Про граммного комплекса «Моделирование в технических устройствах». Мо дель связывает такие параметры электрогелиоводонагрева, как площадь стеклопакета и материалы изготовления солнечного коллектора, емкость электроводонагревателя, параметры устройства антизамерзания, парамет
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 7 ры устройства аккумулирования энергии, с такими режимами, как време нем нагрева и охлаждения, температурой окружающей среды, световым режимом суток, температурой воды в баке, режимом включения насоса и нагревательных элементов. Структурная схема моделирования тепловых процессов при нагреве и охлаждении всесезонного электрогелиоводонагревателя приведена на рисунке 3. Рисунок 3. Структурная схема моделирования тепловых процессов при нагреве и охлаждении всесезонного электрогелиоводонагревателя на базе применения фазопереходного материала в среде Программного комплекса «Моделирование в технических устройствах» Для температуры окружающей среды – 20оС моделирование тепло вых процессов электрогелиоводонагрева на базе применения фазопереход ного материала в среде Программного комплекса «Моделирование в тех нических устройствах» позволило определить такие параметры, как пло щадь стеклопакета солнечного коллектора – 1,2 м2, стеклопакет с сопро
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 8 тивлением теплопередаче – 1,43 м2∙град/Вт, емкость электроводонагрева теля – 30л, температура включения циркуляционного насоса – 7оС, темпе ратура включения ТЭНов – 5оС, температура отключения ТЭНов – 15оС. Для 100 % экономии запасенной в дневное время тепловой энергии требу ется: 50 трубок с парафином П-2, каждая трубка с парафином при темпера туре окружающей среды –20оС экономит 2 % тепловой энергии, а также такие режимы, как время нагрева воды в баке до 55оС – 30 минут, время охлаждения трубок с парафином П-2 при температуре окружающей среды от 20оС до 5оС – 16 часов при естественном снижении температуры воды в баке от 550С, согласно техническим условиям для термоизолированного бака. Режим работы циркуляционного насоса от датчиков температуры коллектора и во времени: отключение в 16 часов, включение в 8 часов при продолжительности темного времени суток 16 часов. Режим включения нагревательных элементов – от датчиков температуры и во времени: от ключение в 16 часов, включение в 8 часов при продолжительности темного времени суток 16 часов. Разработана электрическая схема, эффективно реализующая требо вания режима водоразбора сельскохозяйственных потребителей и функ цию антизамерзания (рис. 4).
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 9 Рисунок 4. Электрическая схема соединений Электрическая схема работает следующим образом. Включение и отключение нагревательных элементов ЕК1 электроводонагревателя про изводится с помощью программного реле КТ2 в зависимости от графика водоразбора сельскохозяйственного потребителя. Включение нагреватель ных элементов производится за 40 минут до начала водоразбора. Включение циркуляционного насоса М1 производится с помощью программного реле КТ1 по режиму – 10 минут работа и 10 минут пауза в светлое время суток, в ночное время насос отключается. Функция антиза мерзания реализуется следующим образом. При снижении температуры в коллекторе до 7оС замыкается контакт датчика температуры SQ1, напря жение подается на катушку реле напряжения KV1, которое своим замыка ющим контактом подает напряжение на двигатель циркуляционного насо са М1. При снижении температуры в коллекторе до 5оС замыкается кон L1 L1 N N M1 KV1 KV2 EK1 KT1 KT2 KT2 KT1 KV1 KV2 KV2 KV1 SQ1 SQ2 SQ3
Научный журнал КубГАУ, №88(04), 2013 года http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/01.pdf 10 такт датчика температуры SQ2, напряжение подается на катушку реле напряжения KV2, которое своим замыкающим контактом подает напряже ние на нагревательный элемент ЕК1. При повышении температуры свыше 15оС размыкается контакт реле датчика температуры SQ3, обесточиваются катушки KV1 и KV2, отключаются циркуляционный насос и нагреватель ные элементы. Схема опять готова к реализации функции антизамерзания. Список литературы 1. Газалов В.С. Всесезонный электрогелиоводонагреватель для сельскохозяйственных потребителей / В.С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев // Механизация и электрификация сельского хозяйства (г. Москва, 2011). – М., 2011. – № 8. С. 28–29. References 1. Gazalov V.S. Four seasons electric solar water heater for agricultural-based consumer / V.S. Gazalov, E.Y. Abelentsev // Mechanization and electrification of agriculture (d. Moscow, 2011). - M., 2011. - # 8. PP. 28-29.