Тепловая эффективность солнечного воздухонагревательного коллектора с металлическим стружечным абсорбером
Автор: Узбеков М.О., Тухтасинов А.Г.
Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии @technologies-sfu
Статья в выпуске: 6 т.13, 2020 года.
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.
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