Тепловая эффективность солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером

Цитирование: Узбеков, М.О. Тепловая эффективность солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером / М.О. Узбеков, А.Г. Тухтасинов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2020. 13(6). С. 712-720. DOI: 10.17516/1999-494X-0260

естественным или принудительным способом. Обычный СВК состоит из остекления, поглотителя, нижней плиты и изоляционных материалов [8, 9]. Поток воздуха проходит над или под пластиной поглотителя для сбора тепла, иногда с обеих сторон. Основная задача при использовании воздуха в качестве теплоносителя – повышение коэффициента теплоотдачи. Поэтому необходимо улучшить тепловой КПД солнечного воздухонагревателя, применяя подходящий способ повышения теплопередачи. Пути повышения теплопередачи солнечных воздухонагревателей, рассмотренных авторами в [10], требуют значительного капиталовложения для создания эффективных абсорберов [11]. Из-за этого также остается актуальным вопрос снижения экономических затрат на изготовление эффективных абсорберов и солнечных воздухонагревателей.

Методы и материалы. На рис. 1 представлена конструкция солнечного воздухонагревательного коллектора (СВК) с металлическим стружечным абсорбером. СВК содержит легкий теплоизолированный корпус из трехстенной двухкамерной пластмассы 1, на которой установлен каркас 2 для уплотнения крышки 8 и корпуса 1, три перегородки установлены 3 поперек относительно потока воздуха на дне корпуса, абсорбер из V-образного волнистого металлического листа, состоящий из ряда V-образных форм 4, установлен поперек каналов относительно движения воздуха, укрепленный на перегородке каркас 5 из алюминиевого профиля, каркас металлической сетки установлен на металлическом листе V-образной формы, металлическая сетка 6, натянутая в каркасе, абсорбер из нержавеющих стальных сливных стружек 7, сливные стружки установлены поперек относительного движения воздуха, они равномерно распределе -ны на металлической сетке, крышка 8 солнечного воздухонагревателя оснащена прозрачным покрытием 9, выполнена из стекла, подводящий 10 и отводящий 11 воздух патрубки, вентилятор 12 для нагнетания воздуха через подводящий патрубок.

Геометрические размеры разработанной конструкции: длина коллектора 1,5 м, высота коллектора 0,072 м, ширина коллектора 0,5 м. Площадь абсорбера V-образной формы 0,7 м2, площадь абсорбера из металлической стружки 0,725 м2.

СВК работает следующим образом: воздух, нагнетаемый вентилятором 12, поступает в пространство через подводящий патрубок 10 в нижнюю часть абсорбера в канал, состоящий из V-образного волнистого металлического листа 4 и дна коллектора 1. Воздушный поток, омывая тыльную сторону абсорбера из V-образного волнистого металлического листа 4, обтекает перегородки 3. Далее воздух поступает через воздушный канал в пространство между верхней частью абсорбера из V-образного волнистого металлического листа и прозрачным покрытием 9, воздух омывает абсорбер из нержавеющих стальных сливных стружек 7 и верхнюю часть абсорбера из V-образного волнистого металлического листа. Далее воздух через отводящие патрубки 11 выходит из коллектора.

Воздух, обтекая перегородки 3, установленные в дне корпуса 1, многократно меняет свое направление, искусственно увеличивая свой путь прохождения через СВК.

Экспериментальные исследования СВК проводили в следующем порядке: при фиксированном значении угла наклона СВК 45°, при фиксированном расходе воздуха, расход воздуха варьировался за счет изменения напряжения вентилятора, при различных режимах массового расхода воздуха и солнечной радиации, с предварительным включением регистрирующих приборов.

Рис. 1. Принципиальная схема (а) и обший вид (б) экспериментального СВК

Fig. 1. Schematic diagram (a) and general view (б) of the experimental ICS

В табл. 1 приводится пример протокола испытания, разработанного СВК.

На основании полученных в опытах результатов рассчитана теплообменная эффективность теплопередачи СВК. Формулы теплообмена на отдельных абсорберах представляются в виде

Nu = A (Re) n.(1)

Представление формул теплообмена в таком виде соответствует положениям теории подобия, которая для жидкостей и газов записывается в общем виде:

Nu = A (Re Pr) n.(2)

Если считать, что для газов (воздуха) P r ~ 1, формула (2) преобразуется в формулу (1). Обработка полученных экспериментальных данных позволила получить для V-образного абсорбера формулу теплообмена:

Nuv = 0,014 Re0,83,(3)

для стружечного абсорбера

Nucm = 0,02 Re0,82.(4)

Таблица 1. Протокол испытания солнечного воздухонагревательного коллектора

Table 1. Solar Hot Air Collector Test Report

Протокол испытания от 15.09.2019 года
№	G, кг/c	t °C вх ,	t вых , °C	Солнечная радиация Вт/м2		t 2 , °C	t 3 , °C	t 4 , °C
				Прямая	Диффузная
1	0,0025	33,8	60,8	803	100	41,9	52,5	53,2
2	0,0033	33,8	60,3	805	100	41,75	51,5	52,8
3	0,0061	32,8	57,8	804	95	40,3	49,6	50,8
4	0,009	33,1	57,1	806	95	40,3	48,4	50,4
5	0,015	32,8	54,3	796	100	39,3	46,1	48,3
6	0,0233	33,1	53,1	796	103	39,1	44,9	47,5
7	0,0284	33,1	50,1	796	103	38,2	43,5	45,3
8	0,0323	33,2	48,2	800	100	37,7	42,1	44
9	0,0387	33,1	45,7	798	102	36,9	40,8	42,2
10	0,0438	33,4	44,6	798	102	36,8	39,9	41,5
11	0,0497	33,3	43,4	800	102	36,3	39,2	40,6

При расчетах теплообмена за определяющий размер для V-образного абсорбера эквивалентный диаметр канала воздухонагревателя принят равным 0,026 м.

Gc_p(t"-t>) 0,0493 ■ 2,4 ■ 10³ a = —----=--------

FAt ad 26,3 0,026

Nu — — — ——-—

л

0,027

0,9 ■ 5

= 25,3.

= 26,3

В табл. 2 приведены результаты расчета теплообмена V-образного абсорбера.

Gc_p(t"-t>) _ 0,0493 ■ 12,4 ■ 10³

68,5,

FAt              0,9 ■ 9,9

.. ad 68,5 ■ 0,015    __

Nu = — = ——-— = 38.

Л 0,027

В табл. 3 приведены результаты расчета теплообмена стружечного абсорбера.

Результаты расчета теплоотдачи по (3) и (4) V-образного и металлического стружечного абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора представлены на рис. 2.

Обобщенная формула эффективности теплоотдачи абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора получена путем применения метода суперпозиции. Смысл метода суперпозиции заключается в том, что каждая из поверхностей абсорбера вносит свой определенный вклад в общий процесс переноса теплоты в солнечном воздухонагревательном коллекторе. Так как поток воздуха последовательно проходит отдельные абсорберы, то принимаем, что скорость в участках постоянна, w1 = w2 = w3 = wгл, диаметры каналов солнечного воздухонагревательного коллектора, d1 = d2 = d3 = dгл, одинаковы, одинаковы и значения чисел Re1 = Re2 = Re3 = Reгл в каналах солнечного воздухонагревательного коллектора.

Таблица 2. Результаты расчетов теплообмена V-образного абсорбера

Table 2. Results of calculations of heat transfer of a V-shaped absorber

N	Re гл	Теплообмен V-образного абсорбера
		Экспериментальные данные	Nu V = 0,014 Re 0,83	Погрешность, %
1	9269	25,3	27,46	7,8
2	8222	23,2	24,86	6,7
3	7264	20,9	22,43	6,8
4	6066	18,4	20	8
5	5373	16,5	17,46	5,5
6	4333	14,1	14,61	3,5

При расчетах теплообмена для стружечного абсорбера за определяющий размер принят диаметр стружки 0,015 м.

Таблица 3. Результаты расчета теплообмена стружечного абсорбера

---линия аппроксимации для V - образного абсорбера;

* экспериментальные данные V - образного абсорбера;

---- линия аппроксимации для стружечного абсорбера;

♦ экспериментальные данные стружечного абсорбера.

Table 3. Results of calculating the heat transfer of the metalline fillings absorber

N	Re гл	Теплообмен стружечного абсорбера
		Экспериментальные данные	Nu ст = 0,02 Re 0,82	Погрешность, %
1	9269	38	35,8	6,14
2	8222	33,7	32,46	3,8
3	7264	27,9	29,32	4,8
4	6066	23,7	25,9	8,5
5	5373	21,5	22,89	6,1
6	4333	18,1	19,19	5,7

Рис. 2. Зависимость теплоотдачи абсорберов из металлической сливной поверхности солнечного воздухонагревательного коллектора от чисел Re стружки и V-образной

Fig. 2. The dependence of the heat transfer of absorbers from metal drainage chips and the V-shaped surface of the solar air heater collector on the numbers Re

В общем случае формула теплообмена имеет вид (1), а для V-образного абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора формула эффективности теплоотдачи имеет вид

Nuv = Av Re"1' = Лг рNu. CRe: С 6

Для стружечного абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора

Nucm _ Аст Re"™ _ Аст Re„

Nu

CRe:

Общая формула эффективности теплообмена солнечного воздухонагревательного коллектора на основании вышеуказанного имеет вид

где n V , n _ст, m-tg угла наклона прямой линии, находятся из экспериментальных данных по оси абсцисс для каждого абсорбера lg Re (для гладкого абсорбера m = 0,80, для V-образного абсорбера n_V = 0,83, для металлического стружечного абсорбера n _ст = 0,82); A V , A _ст, C - постоянные числовые коэффициенты, находятся из экспериментальных данных (для гладкого абсорбера C = 0,018, для V-образного абсорбера A V = 0,014, для металлического стружечного абсорбера A _ст = 0,02); F V , F_ст, F - площади абсорберов, м²; Nu_V, Nu _ст, Nu _гл - числа Нуссельта для каждого абсорбера.

В табл. 4 приведена эффективность абсорберов относительно гладкой поверхности.

Анализ результатов. Из данных табл. 4 следует что теплопередающая эффективность 1-го абсорбера практически не меняется, однако за счет повышения теплопередающей эффективности 2-го абсорбера при числах Re от 9269 до 4333 увеличивается эффективность СВК с металлической стружкой. Данная закономерность, полученная в результате экспериментов, объясняет тот факт, что при снижении чисел и, как следствие, скорости воздушного потока происходит повышение колебаний температуры.

Эффективность достигается за счет увеличения времени прохождения потока через 2 абсорбер, а также вследствие высокой эффективности теплообмена на поверхности металлической стружки.

Таблица 4. Эффективность абсорберов относительно плоской поверхности

Table 4. Efficiency of absorbers relatively flat surface

Re	9269	8222	7264	6066	5373	4333
Ми	1,17	1,17	1,17	1,16	1,16	1,16
1Уигл
Миг	1,02	1,02	1,01	1,0	1,0	1,0
1Уигл
Nu2 NurjI	1,33	1,33	1,33	1,32	1,32	1,32

Невысокая тепловая эффективность теплопередачи первого абсорбера относительно второго объясняется тем, что первый абсорбер играет роль подогрева наружного воздуха в первой ступени. Кроме того, низкая тепловая эффективность первого абсорбера связана с недостаточным поглощением солнечной энергии профилированным листом по сравнению с высокопогло-щающей эту энергию поверхностью металлической стружки.

Вывод

Использование стружечного теплоприемника СВК повышает тепловую эффективность на 15 % относительно V-образного теплоприемника.