坡屋顶建筑太阳热水器的安装设计计算

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-9 17:21:14 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:坡屋顶建筑太阳热水器的安装设计计算

摘 要 主要通过太阳热水工程实例,介绍了普通太阳热水器在坡屋顶屋面上的安装方案、材料选择及设计计算。
   关键词 太阳热水工程 坡屋顶 安装方案 设计校核


Installatio?Design & Calculation of Solar
   Water Heaters in Slope-roof Buildings
                   by Wei Sisheng*    Yuan Jiapu   Liu Guiyong

  
Abstract Through some project examples of solar water heaters, introduces installation program, material selection and design calculation of common solar water heaters in slope roof buildings.
Keywords solar hot water project      slope roof
                 installation program       design calculation


0 引言
   太阳热水器,在坡屋顶上安装是比较困难的,特别是集体安装,需进行细致的设计及详细论证,在此以锡林浩特某工程为例,详细介绍此方案的设计计算过程。
   由于内蒙古锡林浩特市位于我国北方,纬度较高,环境气候条件比较恶劣,而且用户屋面为坡屋面(见图1侧视图),并要求热水器前腿铁鞋对支撑面的压强不能超过0.1 Mpa;所采用角钢在承载后向下最大弯曲变形量不超过5mm。针对这一情况,我们选用的是皇明HYJ-18D18-13高寒型太阳热水器,制定了相应的安装方案,并对方案进行了详细的论证。

1 安装方案
   1)将太阳热水器大部分安装在屋脊处,由于屋脊处长度不够,考虑在南屋面坡上再放置一排,如图1主视图所示。
 


   2)每台太阳热水器的两条后支腿放置在角钢架上,而前支腿可放置在屋面上,下面垫橡胶板。具体角钢架做法如图2所示。其中屋脊处与下排横角钢规格均为50×50×3,连接两横排的角钢规格为30×30×3,角钢的作用是将系统联成一个整体,增加其稳固性。横排角钢均放置在预先在承重墙上做好的水泥墩上,水泥墩做法及角钢在水泥墩上的固定,如图3所示。
 


   3)放置于屋脊处的太阳热水器的上下管路可直接沿北面斜坡进入烟道,放置于南面斜坡上的太阳热水器的上下管路需先进入阁楼然后再进入烟道,如图1所示。
   4)为增加太阳热水器的稳固性,每台太阳热水器均由四条φ6涂塑钢丝绳将其拉紧固定。

2 方案论证
2.1 热水器各部件自重
   1)该热水器上满水后,水箱内水为105kg,重量为:105kg×9.8N/kg=1 029N;
   2)水箱质量20kg,重量:20kg×9.8N/kg=196N;
   3)18支真空管的重量:1.35kg×18×9.8N/kg=238.14N;
   4)上水后真空管内水的重量:π(0.037/2)2m2×1.3m×1×1 000kg/m3×9.8N/kg×18=246N;
   5)支架重量:(33-20)kg×9.8N/kg=127.4N。
2.2 受力分析
2.2.1 水箱部分重力分析
   1) 后支腿压力,以O为支点,如图4所示:已知水箱外径为0.48m,两支点OO'的距离为0.38m。
  L=0.38/2=0.19(m)
L'=0.38sin83°=0.377(m)
由N·L'=G·L
则N=(G·L)/L'=(1 029+196)×0.19/0.377=617.37(N)
N正=N·cos7°=612.77(N )                
   2) 前支腿压力,以O'为支点,如图5。
L1=0.38sin45°=0.2687(m)
N1·L1=G·L1'
则N1=(1 029+196)×0.19/0.2687=866.2(N)    
N1正=N1cos70°=296.26(N)    
2.2.2 真空管及支架部分的重力分析
   考虑左右框与真空管平行,且长度相当,而下前框与后框及后横拉杆重量相当,故暂取真空管重心G'为总重心。
   1)后支腿压力,如图6所示,以O1为支点
由0.65G' cos45°=1.205N' sin83°
则N'=[(246.44+238.14+127.4)×0.65cos45°]/(1.205sin83°)=235.19(N)
N正'= N'cos7°=234.44(N)
   2)前支腿压力,如图7,以O1'为支点
 


由O1O1'/sin83°=1.205/sin72°
得O1O1'=1.205sin83°/sin72°=1.2576(m)
由O1A/sin45°=0.65/sin115°
得O1A =0.65sin45°/sin115°=0.507(m)
AO1'= O1O1'- O1A=1.2576-0.507=0.7506(m)
L2= AO1'cos25°=0.68(m)
G'·L2= O1O1'N正'
       则N正'=(246.44+238.14+127.4)×0.68/1.2576=330.91(N)
2.2.3 前后腿垂直作用在支撑面上的压力
  N后总= N正+N正'=612.77+233.44=846.21(N)
  N前总=N1正+N1正'=296.26+330.91=627.17(N)
2.2.4 前腿对支撑面的压强
太阳热水器每支前腿对支撑面的压力为:
N前总/2=627.17/2=313.585(N)
太阳能铁鞋面积:S=0.1×0.09=0.009(m2)
则热水器前腿铁鞋对支撑面的压强为
  P=313.585N/0.009m2=34842.78Pa
  即0.035MPa,远远小于0.1Mpa,且此压强经过橡胶垫块作用在承受力较大的屋面上,满足客户要求。
2.3 角钢的选择
我们可以把所选用五号角钢的受力情况简化为图
 


查表可知:d=4mm时,I=4.6×10-16m4
由Ix=Z2dA可知d=2mm时,
Ix=1/4× I=1.15×10-16 (m4)
由于角钢处于弹性变形阶段,分析可知最大挠度出现在中点A上,弹性模量E取200GPa,只有P1作用时在A处产生的挠度为:
fA1=-Pb/6EIx[L/b(x-a)2+(L2-b2)x-x3]=0.00011m
同理,只有P2作用时fA2=0.0011m
只有P3作用时fA3=0.0011m
只有P4作用时fA4=0.00011m
由叠加原理可知:fA =fA1 +fA2+fA3 +fA4=0.00244(m)
也就是说长为3.09m的角钢在承载后向下最大弯曲2.44mm,小于5mm是可靠的,满足客户要求。
2.4 钢丝绳的选择
我们所选用的φ6涂塑钢丝绳张力为1 770N。太阳热水器最大受风面积:1.394×1.420=1.979(m2),12级风载荷为0.3kN/m2即300N/m2,则 太阳热水器所承受最大风力为300N/m2×1.979m2=593.7N。
  此力由太阳热水器后面的两根钢丝绳承担,每根钢丝绳承载593.7N/2=296.85N,如图9所示,一般钢丝绳与太阳热水器正向夹角为45°,每根绳所受拉力为F=296.5N/cos45°=419.81N<1 770N,所选用φ6涂塑钢丝绳是适用的。
 


   注:最大受风面积是太阳热水器前后向正投影的面积,由于该型热水器中间间隙颇多;且如图10水箱及真空管外形为圆形,风阻小于最大截面风阻。故现场钢丝绳实际拉伸力比F值还要小。
 



3 结论
   经过上述的分析论证,可以判定此设计方案是可行的,实际安装之后,也取得了很好的效果,得到了用户的认可与好评。



上一页:典型工程运行原理示意
下一页:全纬度太阳热水器

评论

发表评论
[ 字号大小: ] [ 加入收藏 ] [ 打印 ] [ 关闭 ]

地址:哈尔滨市南岗区哈军工院内 电话:0451-83027338 传真:0451-82552085 厂长:黄峰 手机:13946031568