Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0036

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0036
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Название доклада
Проведение исследований в обоснование технических решений для производства высокоэффективных солнечных водонагревательных установок из современных композиционных материалов
Докладчик
Фрид Семен Ефимович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта - подготовка к организации серийного производства солнечных водонагревательных установок (СВУ) минимальной стоимости, имеющих приемлемые теплотехнические параметры, и в конечном итоге расширение гелиотехнического рынка России.
Задачи проекта: разработка и оптимизация конструкции СВУ из полимерных композиционных материалов, изготовление и экспериментальное исследование экспериментальных образцов СВУ, выработка и обоснование технических решений и предварительного ТЭО для обеспечения подготовки организации серийного производства таких установок.
Актуальность и новизна исследования
Технологии использования ВИЭ достигли коммерческой зрелости и стали конкурентоспособными на рынке энергетических услуг. В первую очередь это относится к солнечным водонагревательным установкам (СВУ). В России рынок СВУ находится на начальном этапе развития. Суммарная площадь солнечных коллекторов установок солнечного теплоснабжения в стране не превышает 30 тыс. кв. м, промышленное производство практически отсутствует (не превышает 2000 кв. м в год), импортные системы и комплектующие неоправданно дороги.
Современные тенденции развития исследований по совершенствованию конструкции и оптимизации параметров СВУ состоят в поиске путей максимального удешевления установок при возможном сохранении их теплотехнических характеристик. Один из путей решения этой задачи – переход с металла и стекла на современные полимерные и композиционные материалы – рассматривается в рамках проекта. Исследования в этой области проводятся как в России, так и за рубежом, но композиционные материалы до настоящего времени не рассматривались.
Промышленное производство СВУ начиналось с установок аккумуляционного типа, в которых сбор и аккумулирование солнечного тепла выполняются единым устройством. Впоследствии такие установки были практически полностью вытеснены установками с раздельными солнечным коллектором и баком-аккумулятором. Переход на использование полимерных и композиционных материалов, из которых можно изготовить крупные детали сложной формы, позволяет снизить технологические издержки и стоимость установок аккумуляционного типа и вернуться к их производству.
В результате выполнения проекта планируется организация производства СВУ с себестоимостью в 2…2,5 раза ниже типичной стоимости таких установок.
Описание исследования

Проект включает в себя комплекс расчетных, технологических и экспериментальных исследований.

Исследованию стратификации в баках-аккумуляторах СВУ посвящено множество публикаций. Бурный рост вычислительных мощностей, развитие численных методов и появление специализированных программных средств для моделирования гидродинамических процессов стимулировали интерес к численному моделированию процессов тепломассопереноса при движении жидкостей в полостях различной формы, в том числе баках-аккумуляторах СВУ. Из-за значительного времени расчёта, как правило, рассматривается лишь короткое время работы установки, и обычно моделируется СВУ, работающая без нагрузки. Для исследования течения воды и теплообмена в баке СВУ и оптимизации её параметров разработана численная модель установки. Использовалась двумерная нестационарная система уравнений гидродинамики и уравнение энергии, в уравнениях движения учитывались источники, связанные с силой плавучести. Задача решалась в приближении Буссинеска. Дискретизация задачи с заданными начальными и граничными условиями выполнялась с использованием программного комплекса ANES, предназначенного для моделирования течений однофазной многокомпонентной сплошной среды в областях сложной геометрической формы. Модель верифицировалась путем сравнения результатов моделирования с трехмерными расчетами и экспериментом. Отличия максимальных расчетных температур от эксперимента не превышали 5°С. Расчет по оптимизации формы СВУ и толщины теплоизоляции корпуса установки показал, что при работе установки в ясные летние дни в средней полосе России оптимальное соотношение суточной нагрузки и площади приёмной поверхности СВУ составляет 130–150 л/м2. Ёмкость бака-аккумулятора, график нагрузки и форма бака-аккумулятора на производительность СВУ влияют слабо. Для обеспечения эффективной теплоизоляции тыльной и боковых стенок достаточно слоя теплоизоляционного материала толщиной 35–40 мм.

Изучение картины конвекции позволило подтвердить правомерность использования при моделировании течения жидкости в баке СВУ зонной модели и предложить упрощенную модель установки, результаты расчета по которой хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Упрощенная модель СВУ была положена в основу методики тепловых испытаний установки. Полученные в результате испытаний значения теплотехнических параметров СВУ согласуются с расчетными оценками.

Технологические исследования содержали в себе прочностной расчет установки, выполненный методом конечных элементов и показавший, что оптимальным по форме является сужающийся книзу близкий к плоскому клиновидный бак, разделенный на 7 секций. Использование плоской поглощающей панели не возможно. Низкая прочность СВУ подтверждена экспериментально.

В процессе исследований производился подбор материалов поглощающей панели и корпуса СВУ. Предполагавшийся на начальном этапе в качестве материала корпуса SMS-композит из-за недостаточной гидролитической стойкости был заменен на стекломатериал Unifilo/Uniconform, а технология горячего прессования – на технологию Wet Molding. Разработан и изготовлен анизотропный высокотеплопроводный композит на базе комбинированной углестеклоткани. Материал предназначен для изготовления поглощающей панели СВУ, коэффициент теплопроводности в направлении углеродных волокон измерялся методом лазерной вспышки и составил 1,9 Вт/мК. Разработаны и изготовлены пресс-форма для изготовления корпуса СВУ и штамп для изготовления поглощающей панели, приспособления для приклеивания поглощающей панели и остекления, а также для заполнения корпуса СВУ теплоизоляцией. Изготовленные экспериментальные образцы СВУ были подвергнуты испытаниям на механическую и термическую прочность, а также ускоренным климатическим ресурсным испытаниям (в климатической камере) и испытаниям на градостойкость. Испытания показали, что разработанные технические решения создать работоспособную в условиях эксплуатации СВУ позволяют.

Результаты исследования

Основным результатом проекта является разработка, изготовление и испытания экспериментальных образцов солнечных водонагревательных установок аккумуляционного типа из полимерных и композиционных материалов с использованием новых технических решений, что обеспечивает их конкурентоспособность на российском рынке по отношению к активно продвигаемым на него образцам зарубежного оборудования. Использование при изготовлении пригодных для серийного производства технических решений делает возможным создание современного производства СВУ для применения в жилищно-коммунальном хозяйстве страны с объемом выпуска до 10000 установок в год. Конкурентные преимущества разработанных СВУ – сниженная сухая масса и меньшая стоимость (в 2…2,5 раза по сравнению со средней стоимостью традиционных СВУ) при сохранении высоких показателей теплотехнического совершенства.

В результате выполнения проекта также:

– разработаны математические модели (численные и упрощенные) СВУ аккумуляционного типа, методика имитационного моделирования их работы и оптимизации их параметров;
– выполнена оптимизация конструкции, изучены характеристики, проведен прочностной расчет, определены рациональные режимы эксплуатации СВУ аккумуляционного типа;
– проведен сравнительный расчётный и экспериментальный анализ эффективности селективных покрытий в аккумуляционной СВУ;
– создан высокотеплопроводный композиционный материал с коэффициентом теплопроводности не ниже 1 Вт/мК.

Практическая значимость исследования
Конечным продуктом являются экспериментальные образцы СВУ, изготовленные на основе пригодных для серийного производства технических решений. Созданная СВУ должна вырабатывать в климатических условиях средней полосы России в теплый период года 50…150 л воды в сутки с температурой не ниже 40°С, обеспечивая при этом существенный выигрыш по стоимости и материалоёмкости по сравнению с установками из традиционных материалов.
В отличие от наиболее распространённых в настоящее время, установка выполняется по аккумуляционной схеме, в которой функции солнечного коллектора и бака-аккумулятора совмещены в едином устройстве. Использование полимерных и композиционных материалов позволяет упростить конструкцию установки и снизить её стоимость путём замены сварки, пайки, механообработки и сборки сложной конструкции формованием крупных деталей из полимерного композита и их склейкой. В результате установка состоит всего из трёх деталей (остекления, поглощающей панели и совмещённого с тыльной стенкой бака СВУ несущего корпуса, которые склеиваются при сборке, и тыльной теплоизоляции из вспениваемого материала. Отказ в конструкции от отдельного несущего корпуса СВУ и изготовление установки всего из трёх основных деталей позволяет снизить себестоимость продукции благодаря повышению технологичности производства и сокращению числа операций. В мировой практике такие конструкции не встречаются, применение полимерных материалов ограничивается в основном термопластичными материалами.
В проекте решаются задачи обеспечения высокой эффективности СВУ, её прочности и гидролитической стойкости. Себестоимость разрабатываемой установки составит 100…140 евро за кв. м приёмной поверхности при объёме производства не менее 5 тыс. шт. в год.
Постер

Poster_EE.ppt