Теплоаккумулятор в твердотопливном котле: формула расчета
В Украине газификацией могут похвастать далеко не все регионы. Во многих районах нет газопровода, электроэнергия подается с частыми перебоями. В таких условиях для комфортной обстановки дома оптимальным решением будет установка твердотопливного котла. Это металлическое отопительное устройство, вырабатывающее тепловую энергию за счет сжигания твердых видов топлива. Его эксплуатация отличается от электрических и газовых котлов:
- Все стандартные стальные и чугунные котлы с объемным горением топлива обеспечивают свой паспортный КПД в режиме максимального горения. Так как мощность котла выбирается согласно пиковых теплопотерь, а они припадают лишь на незначительный период отопительного сезона, то имеем ситуацию, когда котел большую часть отопительного сезона работает в режиме неполной мощности. Мощность не рекомендуется снижать меньше, чем на 50-60%, что приводит к перерасходу топлива, засорению топки и дымохода.
- Необходимость периодической дозагрузки топлива в котел. Большинство стандартных котлов имеют небольшие по объему камеры сгорания, потому закладка топлива (опять же, касается дров) перегорает за 2-3 часа. Каменный уголь перегорает гораздо дольше, однако стоит дороже, поэтому древесина лидирует по популярности.
- На сегодня большинство систем отопления проектируются закрытыми, с принудительной циркуляцией теплоносителя. Опасность эксплуатации повышается. При перебоях электричества может остановиться циркуляционный насос или закипеть теплоноситель.
То есть безопасная, комфортная и экономичная эксплуатация – вот для чего нужен теплоаккумулятор в системе отопления. Буфер или теплоаккумулятор для твердотопливного котла представляет собой не эмалированную металлическую теплоизолированную емкость с присоединительными патрубками контуров отопительной системы и котла.
Буферная емкость для твердотопливного котла при максимальной мощности работы аккумулирует тепло, а затем по мере необходимости выпускает его в отопительную систему.
1 и 2 отличия эксплуатации таким образом полностью сглаживаются, поскольку тепло не теряется, и топливо сгорает эффективно. Крайне важно правильно произвести расчет буферной емкости.
Сегодня можно увидеть множество методик расчета баков-аккумуляторов. Например, 25 или 50 литров обьема бака на 1 кВт мощности котла. Однако такие расчеты не учитывают ни температурный режим отопительной системы, ни используемое топливо в котлах, а, самое главное, нет определения функции бака — аккумулирование тепла или иные цели.
Итак, имеем небольшой жилой дом с отапливаемой площадью 150 кв.м. Расчетные теплопотери 10 кВт ( утепление согласно современным нормам ). Отопление радиаторное, температурный режим 70/50. Имеем стандартный твердотопливный котел — чугунный Demrad Solidmaster 5S с тепловой мощностью на дровах 23 кВт. Объем топки 70 литров, количество загружаемых дров с учетом плотности дубовых дров 600 кг на 1 куб.м. и коэффициента закладки топлива 0,5 составляет: 70 х 0,6 х 0,5 = 21 кг.
Теплотворная способность древесины (сухой дуб) с учетом КПД котла составляет 3 кВт на 1 кг. Таким образом разовая закладка топлива выдаст 21х3 = 63 кВт. Закладка топлива сгорит за 63/23 = 2,7 часа, округлим до 3-х часов.
При потребности в тепле 10 кВт (пиковые теплопотери) из 23 кВт номинальной мощности 10 кВт передается в систему, а 13 кВт необходимо запасти. За 3 часа работы закладки система потребит 10х3 = 30 кВт, а запасет 13х3 = 39 кВт, которые система будет потреблять после прогорания закладки еще в течении 39/10 = 3,9, то есть почти 4 часа. При использовании теплоаккумулятора закладки топлива хватит на 3+4 = 7 часов непрерывной работы.
Чтоб запасти 39 кВт тепла необходимо рассчитать объем бака с учетом температурного режима системы. Температура в теплоаккумуляторе не может превышать +95С, а температура подачи на систему +70С. Имеем запас по температуре 95-70 = 25С.
Объем теплоаккумулятора = 39000 Вт/ (1,163х25) = 1334 литра. Данное значение является минимально необходимым.
Его можно округлить до 1500 литров.
При повышении наружной температуры и соответственно уменьшении потребности в тепле время работы от зарядки теплоаккумулятора увеличивается. Так как при температурах наружного воздуха -22С и 0С значение теплопотерь отличаются в 2 раза, то, соответственно, при околонулевой температуре запаса тепла хватит на 7х2 = 14 часов.
При нулевых температурах потребность в тепле составит около 5 м. Тогда бак будет запасать (23-5) х 3 = 54 кВт тепла, которого достаточно для обеспечения теплом в течении 54/5 = 10-11 часов. Увеличивается запасаемая мощность и увеличивается запас температур.
Система отопления с буферной емкостью для правильного функционирования требует:
- Расчет количества тепла для запаса мощности в зависимости от длительности работы.
- Определения температурного графика системы отопления.
- Определения уровня теплопотерь помещения.
Необходимо рассчитать объем буферной емкости, основываясь на этих трех пунктах.
Потому что мощность собственно котла подбирается именно под объем буфера, а не под теплопотери. Заряжаться до двукратного запаса мощности буфер при правильной схеме должен за одну-две протопки котла.
В нашем случае котел мощностью 23 кВт обеспечит первоначальный нагрев аккумулятора (при комнатной температуре теплоносителя) за (1500х(95-20)х1,163)/23000 = 5,5 часов, то есть почти за 2 протопки. В дальнейшем, во время эксплуатации нижняя температура теплоносителя вряд ли будет опускаться ниже 40С, и потому нагрев бака будет происходить за одну-полторы протопки, что полностью удовлетворяет указанные требования.
Таким образом наш котел работает с максимальным КПД на протяжении всего отопительного сезона и обеспечивает вполне комфортные условия эксплуатации со временем работы разовой загрузки котла от 7 до 14 часов. На лицо выполнение тепловым аккумулятором своих функций в полном объеме.
Накопительный бак с функцией «буферная емкость» подразумевает, как правило, защиту твердотопливного котла от аварий, связанных с закипанием теплоносителя.
Буферная емкость имеет различные варианты монтажа в отопительные системы.
Подходящий вариант установки подбирается индивидуально в зависимости от схемы дома и других факторов. Возможно вмонтировать буферную емкость последовательно котел-бак-система отопления как теплоаккумулятор. Также можно подключить котел напрямую к системе отопления, тогда тепло будет накапливаться в буфере через переключающиеся клапаны.
Буферы также служат для уменьшения частоты включения и выключения (тактования) горелочного устройства котла.
Что касается расчета объема буферных баков, то можно встретить 2 варианта:
- Так же, как и с аккумуляторами тепла, определенное количество теплоносителя на 1 кВт мощности котла.
- Формула расчета, которая приводится в документации на многие иностранные котлы:
Объем буфера = 15 х Н х Qк х (1-0,3 х (Qп/Qмин), где:
Н — время горения котла при номинальной мощности, ч.
Qк — номинальная тепловая мощность котла, кВт.
Qп — теплопотери отапливаемого помещения. кВт
Qмин — минимальная тепловая мощность котла. кВт
Пример. Тот же твердотопливный котел Demrad Solidmaster 5S с мощностью на дровах 23 кВт. Время горения закладки 3 часа. Минимальную мощность котла с учетом незначительного диапазона регулировки примем за 20 кВт. Теплопотери помещения 20 кВт, то есть котел подобран аккурат в номинал. Имеем следующий расчет:
Объем буфера = 15 х 3 х 23 х (1-0,3 х (20/20)) = 724 литра. Округлим до 750 литров.
Формула позволяет рассчитать защиту от закипания, поскольку учитывает мощность котла и длительность горения закладки в максимальном режиме.
Рассмотренные примеры дают определение основных параметров выбора необходимого объема бака и объясняют, по каким принципам его рассчитывают. Перед установкой данного типа теплового оборудования следует детально изучить все факторы и условия его эксплуатации.
Расчет и устройство теплоаккумулятора солнечного коллектора.
Солнечный обогрев дома.Теплоаккумулятор призван накопить излишнее тепло, выработанное солнечным коллектором, и равномерно распределить его в течении суток или даже нескольких дней. Делать солнечный коллектор без какого либо теплового аккумулятора нет большого смысла (разве что в расчете на тепловую инерционность дома). Но по логике, следует делать такой комплекс из теплового аккумулятора и солнечного коллектора, который бы обеспечивал бы дом теплом хотя бы одну ночь (после солнечного дня или хотя бы нескольких солнечных часов). А лучше — в течении нескольких дней после хотя бы одного солнечного дня.
Вместе с тем, не стоит наивно надеяться только на солнечный обогрев в условиях средней полосы России. Достаточно продолжительный пасмурный период с октября по февраль , короткий световой день и маленький угол наклона Солнца делают солнечный обогрев в этот период весьма проблематичным.
Теплоаккумулятор должен представлять из себя достаточно теплоемкое устройство, способное быстро аккумулировать тепловую энергию, достаточно долго его хранить и отдавать по требованию. Его теплоемкость должна соответствовать как мощности солнечного коллектора, так задачам, стоящим перед теплоаккумулятором. Вообще говоря, на Руси пользовались теплоаккумулятором издревле. Все известна т.н. «русская печь». Это несколько тонн кирпича и достаточно большая камера для горения дров. Будучи интенсивно протоплена в течении нескольких часов, такая печь хранила тепло несколько суток! Чем вам не теплоаккумулятор?
Конструкция теплоаккумулятора определяется физикой процесса. Из солнечного коллектора поступает воздух с температурой 40-60 градусов.
Давайте рассчитаем, сколько тепла сможет выработать солнечный коллектор (его условный квадратный метр) и какой теплоаккумулятор должен ему соответствовать. Допустим, солнечный коллектор эффективно освещается солнцем 6 часов. За это время на него падает примерно 5 Квт тепловой энергии. Это эквивалентно 18 Мдж. Посмотрим, как нам лучше запасти эту энергию (КПД мы пока не учитываем).
В подавляющем большинстве случаев авторы всевозможных проектов рекомендуют использовать каменно-гравийные теплоаккумуляторы. Это достаточно разумно. Материал вечный, никаким воздействиям не подвержен. Ничего не боится. Но теплоемкость камня = 0,8 Кдж/кг*град. Что бы запасти всю энергию солнечного коллектора, нам потребуется примерно 750 кг.
750 кг. это не много, где-то 0,3-0,4 кубометра. Но запасенного тепла нам хватит на отопление всего 2-х квадратных метров площади (из расчета 100 ватт/метр) .
5000 Ватт / 24 часа / 100 ватт = 2,08 метра. (и это без учета КПД и всевозможных потерь).
А что бы запасти тепла на сутки для дома в 100 кв. метров, нам потребуется соответственно в 50 раз больший солнечный коллектор и в 50 раз больший теплоаккумулятор. Т.е. солнечный коллектор в 50 кв. метров и аккумулятор на 37,5 тонн ! (Реально — тонн 50). Такой теплоаккумулятор будет занимать объем уже в 20-25 кубометров. И это всего лишь ради отопления на 1 сутки!
Если солнечная погода стоит несколько дней подряд, можно было бы запасти тепла по больше, но второй закон термодинамики гласит, тепло не передается от более холодного тела к более теплому в обычных условиях.
Т.е. как только теплоаккумулятор нагреется до температуры обдувающего его воздуха, он перестанет поглощать и накапливать тепло. Сделать теплоаккумулятор более теплоемким можно либо дальнейшим его наращиванием по объему, либо применением более теплоемких материалов.
Самым теплоемким (и бесплатным) материалом является вода. Ее теплоемкость ~ 4.2 Кж/кг*град. Это в 5,25 раз больше, чем у камня. Т.е. для того условного метра солнечного коллектора нам потребуется не 750 кг камня, а примерно 150 литров воды. (для суточного аккумулятора и 50 метрового солнечного коллектора соответственно ок. 7,5 тонн воды. ).
Но если организовать теплообмен между воздухом и камнями проще простого (проложил воздуховод и завалил его камнями, воздух будет проходить в щели между камнями и обмениваться с ним теплом). То сделать теплообменник вода / воздух гораздо сложнее. Однако тут есть весьма интересное и остроумное решение — создать искусственные камни с теплоемкостью воды! Как? Да разлить воду по пластиковым ПЭТ бутылкам и канистрам! Многочисленные зазоры между ними будут тем самым теплообменником вода/воздух.
Конечно, бутылок и канистр потребуется весьма много для нескольких десятков тонн воды, но зато не потребуется делать никакого теплообменника.
Разумеется, человек, задумавший устроить у себя солнечное отопление из коллектора и теплоаккумулятора, скорее всего будет исходить не из того, что надо или хочется, а из того, что он может себе позволить сделать. Если есть крыша определенного размера, из которой можно сделать солнечный коллектор, то вряд ли он будет делать солнечный коллектор специально (большего размера или в стороне от дома). То же и с теплоаккумулятором. Это ведь не бочка с водой для садового душа. Тут счет идет на кубометры. И устроить теплоаккумулятор с бухты – барахты вряд ли удастся. Место для него надо заранее резервировать на стадии проектирования дома. Чем я собственно и занимаюсь…
Итак, в моем случае , согласно проекта под теплоаккумулятор выделяется примерно 60-65 кубометров подвала.
Таким образом максимальная теплоемкость моего теплоаккумулятора (для перепада температур в 40 градусов составит 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 Мдж (10 ГДж). Это эквивалентно сжиганию примерно 600-1000 кг отборных дров (1,5-2 кубометра). Больше этого количества тепла я не смогу запасти даже теоретически. Если учесть что отопления потребуется порядка 100 ватт/час/кв.м , (0,36 Мдж), то я смогу этим теплом обогреть 27000 кв.м/час. (т.е. либо 100 кв.метров в течении 270 часов, либо 200 кв. метров в течении 135 часов, либо 25 метров в течении 1000 часов и т.
Теперь давайте рассчитаем, за какое время мой солнечный коллектор сможет нагреть этот теплоаккумулятор. Солнечный коллектор теоретически может иметь площадь до 100 кв. метров. Допустим, с каждого метра я смогу снимать по 500 Ватт энергии в час. (это примерно 1,8 МДж/час. Соответственно со всего коллектора 180 Мдж/час. Что бы зарядить весь теплоаккумулятор «по самую крышку» соответственно потребуется 10000 / 180 = 55-60 солнечных часов. В реальности — гораздо больше, т.к. у теплоаккумулятора есть и теплопотери. Возможно, в реальности он никогда и не зарядится на полную силу.
Получить 60 солнечных часов подряд , как понимаете, совершенно невозможно. Максимальное время, в течении которого солнечный коллектор – крыша будет работать – это 5-6 часов в лучшем случае.
Напрашивается вывод: Необходимо разделить теплоаккумулятор на несколько «банок» — отделов. Тогда можно будет управлять им по значительно более гибкому алгоритму. Если солнечный день — случайность, и их всего 1-2, то в течении его и зарядить 1-2 «банки» (например 20%) аккумулятора. Зато практически полностью. Если же установилась хорошая погода надолго, то последовательно заряжать все остальные банки теплоаккумулятора. Так же следует и расходовать тепловую энергию, по очереди «разряжая» отделы аккумулятора.
Для такой организации «банки» должны быть серьезно теплоизолированы друг от друга, но иметь возможность объединятся. Гибкая система управления позволит наиболее полно использовать потенциал солнечного отопления.
Другой вывод, который можно сделать из вышеприведенных расчетов: При правильной организации солнечного коллектора и теплоаккумуляторы 1 условный квадратный метр солнечного коллектора за один свой «рабочий час» (когда он освещен солнцем) вырабатывает тепловую энергию в количестве достаточном для отопления с коэффициентом 5-8 . (Для условной величины расходов на отопление 100 Ватт/кв.метр). Чем лучше утеплен дом, более качественно устроен тепловой коллектор, теплоаккумулятор и коммуникации, тем выше будет этот коэффициент.
Можно даже вывести простую формулу некоего теплового баланса.
Кк * Sск * Тсолн. = Sот * Тоб, где
Кк — коэффициент конверсии тепла, 5…8 (не более 8 принципиально при КПД 100%)
Sск — площадь солнечного коллектора (кв.
м)
Тсолн — время эффективного освещения коллектора солнцем. (часы)
Soт — обогреваемая площадь помещения. КВ м.
Тоб — время обогрева помещения (час.)
Исходя из своих возможностей или потребностей и располагая определенными исходными данными, можно рассчитать все остальные параметры солнечного обогрева.
Например, у вас есть возможность сделать солнечный коллектор площадью 10 кв. м, который будет освещен в течении 5 часов. Получим 5..6 * 10 * 5 = 250…300. Соответственно, мы сможем отапливать 25 кв.м. в течении 10-12 часов. Или 10 кв. м в течении суток.
Очевидно, что имея небольшой солнечный коллектор, нет смысла закладывается на отопление всего дома. Лучше качественно обогревать 1 помещение . Это уже даст существенное экономию топлива или электроэнергии. Но приведенные расчеты доказывают, что организовывать солнечный обогрев в средней полосе ЕЧ России как основной — достаточно проблематично.
А вот использовать его как вспомогательный — весьма перспективно.
Посудите сами. В конце ранней осени, после бабьего лета, после теплых ясных дней, теплоаккумулятор большой емкости будет заряжен практически полностью. Это обеспечит очень существенную экономию топлива в период практически до конца ноября. В декабре и январе солнечный обогрев работать не будет, а начиная примерно с середины февраля солнечные дни уже не редкость и солнечный обогрев вновь начнет набирать обороты. C середины марта солнечный обогрев может сделать уже ненужным использование традиционного топлива. Таким образом, мы сокращаем отопительный сезон всего до 2-3 месяцев, вместо 6-7! Экономия топлива минимум 50% . Учитывая практически вертикальный рост цен на энергоносители окупаемость затрат на создание солнечного обогрева составит максимум несколько лет.
Константин Тимошенко
Journal of Physical Oceanography Volume 14 Issue 11 (1984)
- Предыдущая статья
- Следующая статья
Abstract
В иерархии простых формулировок океана, доступных для связи с атмосферными МОЦ, схема, согласно которой глубины поверхностного слоя океана изменяются географически и сезонно, считается лучшей, чем фиксированный слой глубины во всех местах и сезонах, но все же менее сложной чем динамические модели океана.
Тем не менее, такие простые формулировки океана полезны для базовых исследований чувствительности. Здесь расчет различной глубины поверхностного слоя выполняется путем сначала выполнения расчета накопления тепла океана с использованием нанесенных на сетку долгосрочных средних значений глубины смешанного слоя и температуры поверхности моря с параметризованной структурой температуры под смешанным слоем, полученной из метеорологических судовых данных. Значения запасов тепла в средних широтах больше в Атлантике, чем в Тихом океане, что качественно согласуется с данными метеорологических судов. Варианты базового расчета показывают, что ни данных смешанного слоя, ни данных SST по отдельности недостаточно для адекватного расчета аккумулирования тепла. Используя результаты расчетов параметризованного накопления тепла, рассчитываются эффективные глубины поверхностного слоя океана. Обнаружено, что они находятся глубже в Атлантике, чем в Тихом океане, с сильным полугодовым муссонным сигналом, проявляющимся в Индийском океане.
Поскольку эти расчеты исключают влияние вертикального и горизонтального движения, дальнейший анализ жизнеспособности этих расчетов может быть выполнен с указанными глубинами, связанными с атмосферной МОЦ.
Abstract
В иерархии простых формулировок океана, доступных для связи с атмосферными МОЦ, схема, согласно которой глубина поверхностного слоя океана изменяется географически и сезонно, считается лучшей, чем фиксированный слой глубины во всех местах и сезонах, но все же менее сложной. чем динамические модели океана. Тем не менее, такие простые формулировки океана полезны для базовых исследований чувствительности. Здесь расчет различной глубины поверхностного слоя выполняется путем сначала выполнения расчета накопления тепла океана с использованием нанесенных на сетку долгосрочных средних значений глубины смешанного слоя и температуры поверхности моря с параметризованной структурой температуры под смешанным слоем, полученной из метеорологических судовых данных. Значения запасов тепла в средних широтах больше в Атлантике, чем в Тихом океане, что качественно согласуется с данными метеорологических судов.
Варианты базового расчета показывают, что ни данных смешанного слоя, ни данных SST по отдельности недостаточно для адекватного расчета аккумулирования тепла. Используя результаты расчетов параметризованного накопления тепла, рассчитываются эффективные глубины поверхностного слоя океана. Обнаружено, что они находятся глубже в Атлантике, чем в Тихом океане, с сильным полугодовым муссонным сигналом, проявляющимся в Индийском океане. Поскольку эти расчеты исключают влияние вертикального и горизонтального движения, дальнейший анализ жизнеспособности этих расчетов может быть выполнен с указанными глубинами, связанными с атмосферной МОЦ.
Сохранять Отправить этот контент по электронной почте
Поделиться ссылкой
Скопируйте эту ссылку или нажмите ниже, чтобы отправить ее другу по электронной почте
Отправить этот контент по электронной почте
или скопируйте ссылку напрямую:
https://journals.
ametsoc.org/view/journals/phoc/14/11/1520-0485_1984_014_1747_acoohs_2_0_co_2.xml
Ссылка не скопирована. Ваш текущий браузер может не поддерживать копирование с помощью этой кнопки.
Ссылка успешно скопирована
Солнечная биогазовая установка с использованием теплоаккумуляторов и методика расчета параметров основных агрегатов
Солнечная биогазовая установка с использованием тепловых аккумуляторов и методика расчета параметров основных узлов
- Алхасов А.Б. ;
- Дибиров Я. А. ;
- Дибиров, К.Я.
Аннотация
Энергоэффективность существующих биогазовых установок (БГП) можно повысить с помощью солнечной энергии.
В настоящее время более половины тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами на солнечных биогазовых установках, остается невостребованной для непосредственного покрытия технологических нужд биогазовых установок. Разработана принципиальная схема биореакторной установки с двумя биореакторами, позволяющая вне зависимости от сезонных и суточных перебоев в подаче солнечной энергии максимально использовать весь потенциал тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, для обеспечения всего энергопотребления. технологической схемы ферментации сырья. Один биореактор работает на полную мощность круглый год, а второй в период, когда количество тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, превышает общий уровень тепловой энергии, необходимый для компенсации всех энергетических затрат на производство биогаза в первом биореакторе. Подключение (или отключение) второго биореактора осуществляется терморегулятором с сервоприводами, установленными на трубопроводах циркуляции теплоносителя, подачи суточной дозы сырьевого субстрата в биореактор, сливного люка в бак для жидких удобрений.
Круглосуточное поддержание оптимального теплового режима брожения биомассы в каждом биореакторе в периоды отсутствия солнечной энергии обеспечивается за счет подвода тепловой энергии разряда фазово-переходного теплоаккумулятора, установленного в резервуаре с жидкостью вокруг каждого биореактора. На примере сырья — навоза крупного рогатого скота (КРС) с термофильным режимом ферментации — предложена методика расчета оптимальных значений параметров каждого биореактора биореактора, площади солнечных коллекторов и количества теплоаккумулирующего материала. обдуманный. Внедрение предлагаемой биогазовой установки позволяет уменьшить площадь солнечных коллекторов более чем в два раза и на 25 % общую стоимость основных биогазовых установок.
- Публикация:
Теплотехника
- Дата публикации:
- март 2022
- DOI:
- 10.
