Тепловая эффективность солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером

Бесплатный доступ

Известно, что одним из основных вопросов теплообмена в сложных конструкциях солнечного воздухонагревательного коллектора считается проблема определения коэффициента конвективного теплообмена на отдельных участках абсорбера. В статье исследованы процессы теплообмена, протекающие в солнечном воздухонагревательном коллекторе с абсорбером, представляющем собой систему металлических сливных стружек и V-образную поверхность. Приводится описание конструкции солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером, позволяющей увеличить контактную поверхность между теплоносителем и абсорбером, методика и результаты эксперимента. Эксперименты показали, что в диапазоне плотности прямой падающей радиации солнечного излучения 850-950 Вт/м2 средний нагрев теплоносителя составляет 17,5 °C, в диапазоне 650-750 Вт/м2 - 14,1 °C, в диапазоне 450-550 Вт/м2 - 10,1 °C. Максимальный нагрев теплоносителя 27 °C, равный выходной температуре с коллектора 60 °C, средний нагрев теплоносителя 14 °C, что соответствует выходной средней температуре 45 °C. На основании полученных данных в экспериментальных исследованиях получены эмпирические формулы в виде зависимости Nu =f(Re) для определения величины коэффициента теплоотдачи сливных металлических стружек и V-образных абсорберов солнечного воздухонагревательного коллектора. Показаны зависимости теплоотдачи абсорберов из металлической сливной стружки и V-образной поверхности солнечного воздухонагревательного коллектора от чисел Re в диапазоне 103÷104. Выведена формула, позволяющая сравнить эффективность абсорберов различного типа с плоским абсорбером солнечного воздухонагревательного коллектора.

Еще

Возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, солнечные воздухонагревательные коллекторы, абсорбер, эффективность, теплоотдача, тепловая эффективность

Короткий адрес: https://sciup.org/146281655

IDR: 146281655   |   DOI: 10.17516/1999-494X-0260

Текст научной статьи 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.

Gcp(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.

Gcp(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 nV = 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 , Fст, F - площади абсорберов, м2; NuV, 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.

Список литературы Тепловая эффективность солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером

  • Renewables 2007 Global Status Report. www.ren21.net.
  • Попель О.С. Возобновляемые источники энергии: роль и место в современной и перспективной энергетике. Рос. хим. журнал, 2008, LII(6).
  • Kuchkarov, A.A., Khaitmukhamedov, A.E., Shukurov, A.O. et al. Calculation of Thermal and Exergy Efficiency of Solar Power Units with Linear Radiation Concentrators. Appl. Sol. Energy 2020, 56, 42-46. DOI: 10.3103/S0003701X20010089
  • Виссарионов В.И., Золотов Л.А. Экологические аспекты возобновляемых источников энергии. М.: Изд-во МЭИ, 2008. 156 с.
  • Avezov R.R., Avezova N.R., Matchanov N.A., Suleimanov Sh.I., Abdukadirova R.D. History and State of Solar Engineering in Uzbekistan. Applied Solar Energy, 2012, 48(1), 14-19.
  • Uzbekov M.O. Thermal balance of the solar air heater with a heat sink of metal shavings. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2019, 6(5), 9246-9254
  • Oussama Touaba, Mohamed Salah Ait Cheikh, Mohamed El-Amine Slimani et al. Experimental investigation of solar water heater equipped with a solar collector using waste oil as absorber and working fluid. Solar Energy, 2020, 199(15), 630-644.
  • Узбеков М.О. и др. Исследование термического сопротивления солнечного воздухонагревателя с металлической стружкой. Энергосбережение и водоподготовка, 2019, 4, 29-33.
  • Avezov R.R. and Lutpullaev S.L., The State of Art, Trends and Problems for Applying the Renewable Energy Sources in Uzbekistan, "Fizika v Uzbekistane". Materialy konf., posvyashchennoi "Godu fiziki-2005" (Proc. Conf. "Physics in Uzbekistan" Dedicated to "Solar Year-2005"), Tashkent: AN RUz, Sept. 27-28, 2005, pp. 119-123.
  • Uzbekov M.O. Possibilities of increasing the efficiency of the heat receiver of ics from metal shavings. Computational nanotechnology, 2019, 2, 138-140.
  • Узбеков М.О., Тухтасинов А.Г. Измерения температуры нагрева абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора. Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2020, 6(75). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/9604
Еще
Статья научная