Уравнение теплового баланса воздушного гелиоколлектора с аккумулятором теплоты



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель работы заключается в нахождении математической зависимости температуры тепловоспринимающей поверхности аккумулятора теплоты воздушного гелиоколлектора от времени его работы в условиях переменных внешних факторов. В данном случае определяющим внешним фактором служит переменная солнечная активность в течение светового дня. Воздушный гелиоколлектор с аккумулятором теплоты - базовый элемент гелиоустановок, например для сушки зерна, нагрева воды, естественной вентиляции животноводческих помещений. На примере барабанной гелиосушилки зерна с водяным аккумулятором теплоты получено дифференциальное уравнение теплового баланса гелиоколлектора. Уравнение учитывает следующие составляющие теплового баланса: количество теплоты, поступившей в гелиоколлектор с атмосферным воздухом; количество теплоты, поступившей с солнечной энергией и поглощенной тепловоспринимающей поверхностью водяного аккумулятора; количество теплоты, отведенной сушильным агентом (подогретым атмосферным воздухом) после теплообмена с тепловоспринимающей поверхностью; количество теплоты, идущей на нагрев стенок аккумулятора; количество теплоты, затраченной на нагрев воды в аккумуляторе; потери теплоты в окружающую среду. На основании имеющихся экспериментальных данных приняты допущения, что температура воды в аккумуляторе прямо пропорциональна температуре его стенок, а энтальпия атмосферного воздуха пропорциональна плотности потока солнечной энергии. Искомая зависимость температуры тепловоспринимающей поверхности аккумулятора найдена путем решения задачи Коши для дифференциального уравнения теплового баланса гелиоколлектора. Полученное выражение экспоненциального вида связывает параметры переменных внешних факторов с конструкционно-технологическими параметрами гелиоколлектора. Это позволяет моделировать выходные теплотехнические характеристики гелиоустановок сельскохозяйственного назначения в зависимости от различных внешних условий.

Полный текст

Введение В последнее время проявляется значительный интерес к разработке технологий и технических средств механизации с.-х. производства с использованием альтернативных источников энергии [1-5]. Основой таких технических средств для сушки зерна и естественной вентиляции животноводческих помещений служит воздушный гелиоколлектор с аккумулятором теплоты, имеющим тепловоспринимающую поверхность [6-11]. У сушилок, работающих на традиционных источниках энергии, характеристика сушильного агента практически постоянна. Для прогнозирования теплотехнических характеристик гелиоустановок в зависимости от переменных внешних факторов необходимо знать зависимость температуры тепловоспринимающей поверхности аккумулятора теплоты воздушного гелиоколлектора от времени его работы. Такая зависимость связывает параметры переменных внешних факторов с конструкционно-технологическими параметрами гелиоколлектора, что позволяет провести моделирование его теплотехнических характеристик в зависимости от различных внешних условий. Методика такого расчета для гелиоустановок на данный момент отсутствует. Цель исследования Цель работы - нахождение математической зависимости температуры тепловоспринимающей поверхности аккумулятора теплоты воздушного гелиоколлектора от времени его работы в условиях переменных внешних факторов. В данном случае определяющим внешним фактором служит переменная солнечная активность в течение светового дня. Материалы и методы В качестве примера рассмотрим воздушный гелиоколлектор барабанной гелиосушилки зерна (см. рисунок) с водяным аккумулятором теплоты [12-14]. Уравнение теплового баланса гелиоколлектора за бесконечно малый промежуток времени dt: , (1) где dQав - количество теплоты, поступившей в гелиоколлектор с атмосферным воздухом, Дж; dQсэ - количество теплоты, поступившей с солнечной энергией и поглощенной тепловоспринимающей поверхностью водяного аккумулятора, Дж; dQса - количество теплоты, отведенной сушильным агентом (подогретым атмосферным воздухом) после теплообмена с тепловоспринимающей поверхностью, Дж; dQста - количество теплоты, идущей на нагрев стенок аккумулятора, Дж; dQв - количество теплоты, затраченной на нагрев воды в аккумуляторе, Дж; dQп - потери теплоты в окружающую среду, Дж. Определим выражения составляющих теплового баланса. Количество теплоты, поступившей в гелиоколлектор с атмосферным воздухом: , (2) где L0 - расход атмосферного воздуха, кг/с; i0(t) - энтальпия атмосферного воздуха в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг. Количество теплоты, поступившей с солнечной энергией и поглощенной тепловоспринимающей поверхностью: , (3) где qсэ(t) - плотность потока солнечной энергии в зависимости от времени в период сушки, Вт/м2; Fтп - площадь тепловоспринимающей поверхности, м2; ε - степень черноты поверхности. Количество теплоты, отведенной сушильным агентом после теплообмена с тепловоспринимающей поверхностью: , (4) где i1(t) - энтальпия сушильного агента в зависимости от времени в период сушки, Дж/кг. Количество теплоты, идущей на нагрев стенок аккумулятора: , (5) где Mста - масса стенок аккумулятора, кг; Сста - теплоемкость материала стенок аккумулятора, Дж/(кг×К); dTста - приращение температуры стенок аккумулятора, К. Количество теплоты, затраченной на нагрев воды в аккумуляторе: , (6) где Mв - масса воды в аккумуляторе, кг; Св - теплоемкость воды, Дж/(кг×К); dTв - приращение температуры воды, К. Потери теплоты в окружающую среду: , (7) где k - коэффициент теплопередачи через ограждения гелиоколлектора, Вт/(м2×К); F - площадь ограждений гелиоколлектора, м2; T1(t) - температура сушильного агента в зависимости от времени в период сушки, К; Tос(t) - температура окружающей среды в зависимости от времени в период сушки, К. Подставив выражения (2)-(7) в уравнение (1), после преобразований получим: . (8) Температура воды в аккумуляторе находится в прямой зависимости от температуры его стенок: , где aв, bв - коэффициенты пропорциональности. С учетом того, что , уравнение (8) будет иметь вид: . (9) Требуется найти зависимость Tстa = f(t). Для функций i0(t), i1(t), qcэ(t), T1(t) и Tос(t) известно, что: , (10) где a0, b0 - эмпирические коэффициенты; энтальпия атмосферного воздуха пропорциональна плотности потока солнечной энергии; , (11) где Ссв - теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг×К); x - влагосодержание воздуха, г/кг; r0 - удельная теплота парообразования при температуре 0 °С, Дж/кг; Cп - теплоемкость пара, Дж/(кг×К); , (12) где acэ ,bсэ , ссэ - эмпирические коэффициенты; , (13) где a1 , b1 - эмпирические коэффициенты. По аналогии с выражением (11) с учетом зависимостей (10) и (12) получим: . (14) Тогда с учетом выражений (10)-(14) уравнение (9) после преобразований будет иметь вид: ; (15) ; . Итак, для определения температуры стенок аккумулятора Тста(t) = T(t) требуется решить задачу Коши: (16) где - дифференциальное уравнение первого порядка; - начальное условие; Т0 - начальная температура аккумулятора, К. Общее решение дифференциального уравнения (16) имеет вид: . (17) Константу C, входящую в это решение, найдем из начального условия Т(0) = Т0: (18) Подставив значение константы C из (18) в (17), окончательно получим: ; (19) Результаты и их обсуждение Искомая зависимость температуры тепловоспринимающей поверхности аккумулятора теплоты найдена путем решения задачи Коши для дифференциального уравнения теплового баланса гелиоколлектора. Проверка полученной зависимости показывает ее математическую корректность, так как при t = 0 выражение (19) обращается в начальное условие задачи Коши для рассматриваемого дифференциального уравнения. Заключение Полученное выражение (19) экспоненциального вида связывает параметры переменных внешних факторов с конструкционно-технологическими параметрами гелиоколлектора. Это позволяет моделировать выходные теплотехнические характеристики гелиоустановок с.-х. назначения в зависимости от различных внешних условий.
×

Об авторах

А. И Купреенко

Брянский государственный аграрный университет

Email: kupreenkoai@mail.ru
д-р техн. наук с. Кокино, Брянская обл., Россия

В. Ф Комогорцев

Брянский государственный аграрный университет

канд. физ.-мат. наук с. Кокино, Брянская обл., Россия

Х. М Исаев

Брянский государственный аграрный университет

канд. экон. наук с. Кокино, Брянская обл., Россия

А. Н Ченин

Брянский государственный аграрный университет

инж. с. Кокино, Брянская обл., Россия

Г. В Шкуратов

Брянский государственный аграрный университет

инж. с. Кокино, Брянская обл., Россия

Список литературы

  1. Купреенко А.И., Байдаков Е.М., Исаев Х.М. Конструкция зернохранилища со встроенной гелиосушильной системой // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: Сб. науч. работ междунар. науч.-техн. конф. Брянск: Изд-во БГСХА, 2010. С. 3-8.
  2. Купреенко А.И., Байдаков Е.М., Исаев Х.М. Экономическая эффективность барабанной гелиосушилки зерна // Вестник ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. 2012, №5. C. 41-44.
  3. Купреенко А.И., Байдаков Е.М., Исаев Х.М. и др. Зерносушильный комплекс на основе альтернативного источника энергии // Труды ГОСНИТИ. 2015, т. 120. С. 49-53.
  4. Купреенко А.И., Дьяченко О.В. Направления совершенствования гелиоводонагревателей для горячего водоснабжения пастбищных доильных установок // Научно-технический прогресс в животноводстве - ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники: Сб. науч. трудов ВНИИМЖ. 2008, т. 18, ч. 4. С. 209-211.
  5. Купреенко А.И., Чащинов В.И., Байдаков Е.М. Возобновляемые источники энергии как основа энергосберегающих технологий // Инновационные технологии и технические средства для АПК: Мат-лы межрег. науч.-практ. конф. молодых ученых. Ч. II. Воронеж: ВГАУ, 2009. С. 181-186.
  6. Байдаков Е.М., Купреенко А.И., Исаев Х.М. и др. Разработка барабанной гелиосушилки зерна и обоснование ее конструктивно-технологических параметров // Технология колесных и гусеничных машин. 2014, №6. С. 10-16.
  7. Купреенко А.И., Байдаков Е.М., Исаев Х.М. Эффективность использования барабанной гелиосушилки зерна // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2012, №3. C. 33-35.
  8. Купреенко А.И., Байдаков Е.М., Исаев Х.М. К обоснованию параметров барабанной гелиосушилки зерна // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2012, №1. C. 48-51.
  9. Купреенко А.И., Василенко Н.И. Применение гелиоактивных стен в животноводстве // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: Сб. науч. работ междунар. науч.-техн. конф. Брянск: Изд-во БГСХА, 2009. С. 13-17.
  10. Купреенко А.И., Шкуратов Г.В. Результаты испытания вентиляционно-отопительной панели для животноводческих помещений // Вестник ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. 2014, №3. С. 12-16.
  11. Купреенко А.И., Шкуратов Г.В. Вентиляционно-отопительная панель в системе естественной вентиляции животноводческих помещений // Вестник ВНИИМЖ. 2014, №4(16). С. 126-129.
  12. Купреенко А.И., Ченин А.Н. К обоснованию вместимости водяного аккумулятора теплоты барабанной гелиосушилки // Вестник ФГОУ ВПО Брянская ГСХА. 2015, №4. С. 46-48.
  13. Купреенко А.И., Ченин А.Н. К обоснованию режима работы резервных систем подогрева и вентиляции барабанной гелиосушилки // Тракторы и сельхозмашины. 2015, №2. С. 30-31.
  14. Ченин А.Н., Купреенко А.И. Результаты испытания резервных систем подогрева и вентиляции барабанной гелиосушилки // Агротехника и энергообеспечение. 2014, т. 1, №1. С. 227-230.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Купреенко А.И., Комогорцев В.Ф., Исаев Х.М., Ченин А.Н., Шкуратов Г.В., 2016

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС 77 - 81900 выдано 05.10.2021.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах