ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Полезная модель относится к области гелиотехники, в частности к конструкции теплогидравлических испытательных стендов, предназначенных для экспериментального определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов. Предлагаемый лабораторно-исследовательский стенд может быть использован для исследования процессов преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию для нагрева теплоносителя - воздуха или воды.
Известен теплогидравлический испытательный стенд, предназначенный для экспериментального определения теплотехнических характеристик солнечных коллекторов: их оптического кпд и обобщенного коэффициента тепловых потерь. Стенд содержит испытуемый солнечный коллектор, бак постоянного уровня с переливной трубой, сливной бак, циркуляционный насос, вентиль для регулировки гидравлического сопротивления и расхода теплоносителя, проточный термостат и теплоизолированную трубу, соединяющую бак с входом солнечного коллектора (RU 53416 U1, F24J 2/24, F24J 2/28, заявл. 16.11.2005. опубл. 10.05.2006). Стенд решает задачу стабилизации температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор.
Недостатком стенда является то, что на нем затруднено проводить исследования по определению теплотехнических характеристик жидкостных солнечных коллекторов в зависимости от условий окружающей среды (влажность, наличие капель или пленки из воды, задымленность). Также отсутствует возможность испытаний солнечных коллекторов на предельный нагрев и внешний тепловой удар.
Известен лабораторно-исследовательский стенд для изучения батареи солнечных элементов (RU 107377 U1, G02B 27/20 заявл. 05.03.2011, опубл. 10.08.2011), содержащий источник света, закрепленный на подвижном штативе Г-образной формы, измерительный прибор мультиметр и основание стенда. Стенд снабжен солнечным воздушным коллектором, вентилятором и панелью управления. Стенд позволяет изучать характеристики солнечного воздушного коллектора, решает задачу по исследованию процессов преобразования электромагнитной энергии солнечного излучения в тепловую энергию для нагрева воздуха. Стенд позволяет также изучить конструктивные особенности солнечных коллекторов, исследовать температурные характеристики, изменение температуры в различных точках коллектора и распределение температур в зависимости от расстояния приемного элемента от источника излучения.
Недостаток указанного стенда заключается в ограничении объема исследований, так как он не обеспечивает проведение исследований по определению теплотехнических характеристик жидкостных солнечных коллекторов.
Технической задачей предлагаемого решения является создание стенда, обеспечивающего расширение функциональных возможностей, а именно, проведение комплексных испытаний жидкостных солнечных коллекторов в зависимости от температурно-влажностного режима окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что в лабораторно-исследовательском стенде для изучения солнечного коллектора, содержащем источник света, расположенный над солнечным коллектором, блок питания, датчики температуры, измерительный прибор, вентилятор, панель управления и основание стенда, согласно предложению, солнечный коллектор выполнен в виде жидкостного солнечного коллектора и размещен в нижней части испытательного бокса, установленного на основании стенда, при этом жидкостный солнечный коллектор включен в гидравлический контур, содержащий источник жидкого теплоносителя в виде расширительного бака с насосом, расходомер, вентили, воздушные клапаны, гидроаккумулятор тепла и датчики температуры и давления, кроме того стенд снабжен дополнительным источником воды, магистраль которого введена в крышку испытательного бокса, причем в магистраль встроены форсунки для распыления воды в полость бокса между крышкой и коллектором.
Установка на стенд жидкостного солнечного коллектора и размещение его в нижней части испытательного бокса, установленного на основании стенда, позволит проводить испытания коллектора в зависимости от условий освещенности при создании искусственного тумана, задымления, испытания на предельный нагрев посредством нагрева панели солнечного коллектора источником излучения, моделирующим солнечное излучение, без циркуляции теплоносителя, а также испытания на внешний тепловой удар посредством распыления холодной воды на разогретую лицевую поверхность коллектора и испытания на герметичность панели солнечного коллектора.
Включение жидкостного солнечного коллектора в гидравлический контур, представляющий собой замкнутую систему, в которой циркулирует жидкий теплоноситель (вода или низкотемпературный теплоноситель типа антифриза) позволит определить теплотехнические характеристики жидкостного солнечного коллектора (в режиме циркуляционного нагрева, в режиме порционного нагрева теплоносителя), такие как: - экспериментальная зависимость КПД от мощности светового излучения, от расхода теплоносителя через коллектор, экспериментальная зависимость КПД при наличии капель или пленки воды на лицевой поверхности солнечного коллектора, а также определять гидравлические потери через коллектор, скорость нагрева теплоносителя в зависимости от мощности светового излучения и скорость нагрева теплоносителя в зависимости от скорости протекания теплоносителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая гидравлическая схема стенда; на фиг.2 изображен испытательный бокс (вид спереди), фиг.3 - испытательный бокс (вид сверху), на фиг.4 - изометрический вид испытательного бокса в разрезе с установленным в нем жидкостным солнечным коллектором. На фиг.1 направление движение теплоносителя по замкнутому контуру изображено сплошной линией с закрашенным треугольником, направление светового излучения изображено штриховой линией, направление движения воздуха изображено штрихпунктирной линией.
Лабораторно-исследовательский стенд для изучения солнечного коллектора (фиг.1) содержит источник светового излучения 1, расположенный над жидкостным солнечным коллектором 2 с подводящим 3 и отводящим 4 патрубками для теплоносителя, размещенным в нижней части испытательного бокса 5, в стенках которого, на противоположных сторонах, встроены магистрали подвода воздуха от системы климат-контроля 6 и отвода воздуха с помощью вентилятора 7 соответственно. Источник светового излучения 1 и жидкостный солнечный коллектор 2 отделены теплоизоляцией 9 от верхней крышки 10 и основания бокса 8 соответственно (фиг.2). Жидкостный солнечный коллектор 2 включен в гидравлический замкнутый контур Q, содержащий источник жидкого теплоносителя в виде расширительного бака 11 с насосом 12, расходомер 13, запорно-регулирующий вентиль 14, вентили 15, 16, 17, 18, 19, 20, заправочную горловину 21, воздушные клапаны 22, 23, 24, предохранительный клапан 25, обратный клапан 26, гидроаккумулятор тепла 27 и датчики температуры 28, 29, 30, 31 и датчики давления 32, 33.
Стенд снабжен дополнительным источником воды 34 с заправочной горловиной, вентилем 35, магистралью R, которая введена в крышку 10 испытательного бокса 5, причем в магистраль R встроено n форсунок 36 для распыления воды в полость 37 бокса 5 между крышкой 10 и коллектором 2.
Испытания на стенде осуществляют следующим образом.
Работа стенда начинается с заправки замкнутого контура теплоносителем через заправочную горловину 21 и вентиль 15. Во время заправки включен циркуляционный насос 12 и открыты все вентили 16, 17, 18, 19, 20 по замкнутому контуру таким образом, чтобы жидкость заполняла весь контур. Заполнение замкнутого контура производится до полного наполнения бака-гидроаккумулятора 27, узлов и трубопроводов системы и до полного вытеснения воздуха из системы через воздухоотделительные поплавковые клапаны 22, 23, 24; после этого вентиль 15 закрывается. Конечное давление теплоносителя в системе равно 200…250 кПа (изб.).
Далее замкнутый контур проверяется на предмет утечек теплоносителя. Если утечек нет, то определяется требуемый для экспериментов и испытаний диапазон объемных расходов теплоносителя через солнечный коллектор 2 с помощью расходомера 13, регулируемого вентиля 14 и регулируемого насоса 12. Диапазон расходов должен быть не менее 50…540 л/ч.
С помощью системы климат контроля воздуха 6, через магистраль в испытательный бокс 5 подается требуемый для экспериментов и испытаний воздух с нужной температурой и влажностью, датчики температуры 30, 31 обеспечивают контроль температуры воздуха, датчики 28, 29 обеспечивают контроль температуры теплоносителя. С помощью вносимого гигрометра определяется уровень влажности внутри полости 37 испытательного бокса 5, с помощью вносимого пиранометра определяется мощность светового потока на лицевой поверхности солнечного коллектора 2 от источника излучения 1.
Испытательный бокс 5, установленный на основании 38 стенда представляет собой теплоизолированный корпус с отражающими свет и тепловое излучение стенками, в котором установлены жидкостный солнечный коллектор 2 и источник светового излучения 1, моделирующий различную мощность светового излучения, в зависимости от требований испытаний.
При испытаниях солнечного коллектора 2 на предельный нагрев и внешний тепловой удар последнее испытание требует распыление холодной воды на разогретую лицевую поверхность жидкостного солнечного коллектора, что осуществляется за счет подведенной магистрали R с водой, распыление происходит из форсунок 36, расположенных в верхней крышке 10 над солнечным коллектором 2. Расход подачи воды регулируется за счет вентиля 35 при подключенной магистрали к источнику воды 34.
В вытяжной трубе испытательного бокса 5 установлен электрический вытяжной канальный вентилятор 7 и датчик температуры 30, с противоположной стороны подается воздух от системы климат контроля воздуха 6. Данная система необходима для моделирования требуемой температуры и влажности воздуха внутри камеры.
Цифровые индикаторы и элементы управления отражают величины температуры, давления и перепада давления в различных точках стенда и подключены к электрическому информационному щиту (на черт. не указан). От щита разведены силовые и измерительные кабели. Питание щита - 220 В 50 Гц.
Работа на стенде производится в следующем порядке и осуществляется в зависимости от вида испытаний и исследований.
1. Подготовка испытательного стенда к работе: монтаж коллектора, заправка контура Q стенда жидким теплоносителем, подсоединение магистрали R к источнику воды;
2. Установление необходимого расхода теплоносителя и режима работы насоса;
3. Установка требуемой мощности светового потока от источника излучения 1 (регулируется количеством включенных ламп, контролируется с помощью вносимого пиранометра);
4. Установление стабильной температуры в испытательном боксе 5 при помощи регулирования расхода теплоносителя регулировочным вентилем 14, температуры и влажности входящего воздуха, температура теплоносителя в замкнутом контуре отслеживается датчиками 28, 29, температура воздуха в испытательном боксе отслеживается датчиками 30, 31, влажность - с помощью вносимого гигрометра;
5. Установление стабильного перепада температур теплоносителя на входе и на выходе солнечного коллектора (выход на режим);
6. Периодическое проведение замеров температур и давлений в системе по датчикам 28, 29, 30, 31 и 32, 33 соответственно;
7. Распыление воды над солнечным коллектором до образования капель или пленки из воды на лицевой поверхности солнечного коллектора, осуществляется с помощью открытия вентиля 35 (операция выполняется при испытании жидкостного солнечного коллектора на внешний тепловой удар и требуется для вычисления КПД в зависимости от наличия капель или пленки воды на лицевой поверхности жидкостного солнечного коллектора);
исп
исп
исп
8. Установление повышенного давления теплоносителя равного Р=0,25 МПа и выдерживание при Р в течении Т=10 мин. (операция выполняется при испытании жидкостного солнечного коллектора на внутреннее давление при проверке);
2
исп
9. Подготовка жидкостного солнечного коллектора к испытаниям на предельный нагрев. Установление плотности светового излучения на лицевой поверхности жидкостного солнечного коллектора не менее 900 Вт/м в стационарных условиях, при температуре окружающей среды не менее 5°C, в течение Т=60 мин. (операция выполняется при испытании жидкостного солнечного коллектора на предельный нагрев).
Полезная модель применяется как испытательный и учебный лабораторный стенд. С помощью данного лабораторно-исследовательского стенда для изучения характеристик солнечного коллектора решена поставленная задача по комплексным испытаниям жидкостного солнечного коллектора в зависимости от температурно-влажностного режима окружающей среды и исследованию процессов преобразования электромагнитной энергии светового излучения в тепловую энергию для нагрева жидкого теплоносителя.
Технический результат заключается в том, что стенд позволит осуществить испытания жидкостных солнечных коллекторов на внешний тепловой удар, на герметичность панели жидкостного солнечного коллектора, на предельный нагрев жидкостного солнечного коллектора), изучить конструктивные особенности жидкостных солнечных коллекторов, исследовать зависимость КПД от мощности светового излучения, от расхода теплоносителя через жидкостный солнечный коллектор, зависимость КПД при наличии капель или пленки воды на лицевой поверхности жидкостного солнечного коллектора, скорость нагрева в зависимости от мощности светового излучения и скорости протекания теплоносителя.