Вопросы разработки солнечных коллекторов с высоким коэффициентом полезного действия

Цитирование: Узбеков, М. О. Вопросы разработки солнечных коллекторов с высоким коэффициентом полезного действия / М. О. Узбеков, Б. Б. Бойназаров // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2021, 14(8). С. 942–949. DOI: 10.17516/1999-494X-0364

Изучение способов интенсификации теплообмена, применяемых в промышленной теплотехнике и теплоэнергетике, показало, что большинство методов повышения теплоотдачи разработано для высоких скоростей теплоносителей, т. е. для турбулентной области течения. Учитывая, что теплообмен в СВК происходит в низкоскоростной области течения, наиболее приемлемыми можно считать следующие способы интенсификации теплоотдачи:

• -    закрутка потока;

• -    применение искусственной шероховатости;

• -    обновление гидродинамического пограничного слоя за счет создания в потоке знакопеременного градиента давления [1–5].

Также очевидно, что для организации интенсификации теплообмена в каналах СВК необходимо переходить в область смешанной конвекции, т. е. в область совместного действия свободной и вынужденной конвекций.

Первый способ интенсификации может быть организован путем тангенциального подвода теплоносителя либо с помощью шнеков или завихрителей потока. Данный метод заключается в использовании гидродинамических возможностей закрученного потока с целью интенсификации теплообмена.

Закрутка потока служит одним из эффективных способов гидродинамического воздействия на поток, при этом в трубе коллектора образуется движение теплоносителя сложной траектории. Так как движение воды в коллекторе имеет ламинарный характер, то в канале возникает закрученный поток, который при небольших числах Re является малоизученным в гелиотехнике. Закрученный поток может быть организован двумя путями. Первый закрученный поток с постоянным шагом, второй – с переменным шагом закрутки [6, 7].

Первый тип закрученного потока создается с помощью шнека, который размещен внутри трубы, второй тип закрутки может быть создан путем начальной закрутки и ее постепенным затуханием вдоль трубы коллектора. Этот тип потока создается при помощи внешнего завихрителя. Следует отметить, что применение шнеков приводит к удорожанию конструкции СВК и, соответственно, к увеличению массы коллектора.

Исследования показывают [8,10], что наибольшие эффекты увеличения теплоотдачи возникают в области чисел Re от 2000 до 8000, т. е. в ламинарной области течений и области слабо развитой турбулентности. Также отмечено, что применение любого из методов сопровождается ростом гидравлического сопротивления, для полной оценки эффективности способа интенсификации теплообмена наиболее целесообразным считается применение соотношения

( Nu / Nuгл ) / (^ / ^ гл ) = f (Re).                                                    (2)

К сожалению, отсутствие у ряда авторов опытных данных по гидравлическому сопротивлению не позволяет оценить эффективность всех типов поверхностей.

Следующий способ интенсификации теплообмена, который может быть приемлемым в каналах и трубах СВК, это искусственная шероховатость. Исследования теплообмена, проведенные при числах Re-104-105, показали, что в трубах с дискретной шероховатостью, которые располагаются на внутренней поверхности, и отстоящих друг от друга на определенном расстоянии наблюдается значительное повышение теплообмена при одновременно существенном повышении гидравлического сопротивления. Такие трубы широко применяются в теплотехни-– 944 – ке и теплоэнергетике, а именно в конденсаторах паровых труб, подогревателях и других теплообменниках. Указанные выступы на трубах изготовляют накаткой роликами труб с помощью приспособления к токарному станку. При небольших значениях относительной шероховатости Nu /Nu^ > £ / £гл т. е. рост теплообмена превышает рост гидравлического сопротивления. Основными геометрическими характеристиками шероховатости труб являются d/Д, t/h, t/Д, где t – шаг, h – высота выступа шероховатости, Д – диаметр трубы, d = Д-2h.

Опытами установлено, что интенсификация теплообмена наблюдается при числах Re = 104 и выше. При t/h = 7–8 оторвавшийся поток присоединяется к поверхности и далее развивается турбилизированный пограничный слой, за каждым последующим элементом шероховатости процесс периодически повторяется. В пристенной области турбулентности Tu = 15 %, что характерно для струйных течений.

К способу интенсификации теплообмена в трубах каналах может быть отнесен метод создания в потоке знакопеременного градиента давления. Применение последовательно чередующихся диффузорных и конфузорных участков с углами расширения 12⁰ в интервале Re = (10-80)10 3 позволяет путем создания в потоке поперечных градиентов давления непрерывно замещать пограничный слой внешним потоком. Применение таких турбулизаторов для решения проблемы интенсивности обменных процессов за счет периодического механического отрыва пограничного слоя особенно эффективно в области относительно малых значений Re = (3 -20)10 3 .

Известно, что энергетически выгодным считается режим турбулентного течения. Следовательно, не возмущая ядро потока, более эффективным гидродинамическим режимом считается режим, в котором в узкой пристенной области течения, состоящей из коротких псевдоламинарных пограничных слоев, осуществляется перенос тепла по законам турбулентного обмена.

Для получения такой структуры течения необходимым считается выполнение двух условий:

Первое – размещение турбулизаторов на поверхности теплообмена, или закручивателей потока.

Второе – обеспечение необходимой скорости ядра потока.

Оценки показывают, что при скорости потока ω = 0,5 м/с при диаметрах трубы СВК d = 15 мм и более число Рейнольдса потока достигает 104. В этих случаях переход к турбулизиро-ванному пристенному потоку осуществляется достаточно легко.

В чередующемся диффузорно-конфузорном канале (диффузор имеет малый угол расширения) энергия турбулентности, накопленная в диффузоре, полезным образом используется в конфузоре. Так как течение жидкости или газа по диффузору сопровождается существенным увеличением коэффициента турбулентного обмена, следует ожидать заметной интенсификации теплообмена.

Протяженность диффузорных частей канала даже при малых углах расширения должна быть ограничена не только с целью уменьшения объема аппарата, но и для предотвращения крупномасштабных отрывов – эффекта, приводящего к увеличению энергетических потерь.

Визуальные исследования пристенных течений каналов диффузор-конфузор в области чисел Re 6103 ^ 7104 показали, что направление потока вблизи стенок сужающегося и рас-– 945 – ширяющегося каналов может быть переменным в зависимости от угла раскрытия диффузора Y; отмечено, что при у = 3,40 жидкость вблизи стенок двигалась в том же направлении, что и основной поток. Однако при у = 6,30 обнаруживались небольшие области обратного течения непосредственно после начала расширяющегося участка, что указывает на существование отрыва потока. С увеличением угла γ область обратного течения увеличивается и наиболее четкая картина обратного течения была получена при у = 14,80. Таким образом, микроотрывы потока от поверхности канала диффузор – конфузор способствуют непрерывному сокращению гидродинамического пограничного слоя и, как следствие, его уменьшению, тем самым интенсифицируя теплообмен.

Исходя из теории интенсификации теплообменных процессов, турбулизаторы потока должны обеспечивать существование первенства Nu / Nuгл > ξ / ξ гл , где Nuгл и ξ гл – теплообмен и гидравлическое сопротивление гладких труб. В этом случае интенсификация теплообмена энергетически более выгодна.

Для турбулизаторов, выполненных в виде дискретной шероховатости или конфузорнодиффузорного профиля, важным считается их плавное обтекание, снижающее профильную составляющую гидродинамического сопротивления, которая увеличивает общее гидродинамическое сопротивление канала.

В настоящее время в теплотехнике и теплоэнергетике разработаны различные критерии энергетической оценки интенсифицированных поверхностей. Для закрученных потоков более правильным считается применение сравнительного анализа различных случаев закрученного потока по количеству тепла, переданному через рассматриваемую поверхность нагрева, при одинаковой затрате мощности на преодоление сопротивления движению жидкости в трубе. Для сравнения используется зависимость

„ аМ

Е =--

^1

F )

где а - средний коэффициент теплоотдачи Вт/м2 0С; N1 - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления движению, включая сопротивление входа, и отнесенная к поверхности нагрева Вт/м2. Сравнение проводится при N1 = idem и A t= idem. Другим способом оценки теплообменных поверхностей является сопоставление их по количеству теплоты, передаваемой в единицу времени Q; затрачиваемой мощности N, площади поверхности теплообмена F:

Решение задачи сводится, таким образом, к определению K Q при K N = 1; K N при K Q = 1 и K_F = 1; K_F при K Q = 1; K_N = 1.

Следующим способом оценки эффективности теплообменной поверхности, заключающейся в сравнении площади поверхности теплообмена, является метод, предложенный в [2, 9]. Получим в соответствии с этим методом формулу сопоставления трубчатой поверхности СВК, т. е. определим уменьшение поверхности нагрева вследствие применения интенсифицированных труб вместо гладких. Расчет произведем для условий, когда теплопроизводительность, расход, мощность на прокачку теплоносителя и диаметр труб коллектора с гладкими трубами равны – 946 – производительности, расходу, мощности на прокачку теплоносителя и диаметру труб с интенсифицированными трубами. Поставленные условия приводят к следующим уравнениям:

„ р(О .,    „ рСО гл „    , С ——£nd = c —---£ ла                                     (5) g              гл    g      гл гл                                                                   ' / nd-      nd-гл 4          4   0)^1 гл                                                             (6) and(Atn = аг^глГглАгглпгл.                                              (7) Получим из И     СО (8) 11     югл из (7), считая ∆t = ∆tгл, получим из (5) получим из (8) с учетом (9) получим

или

Формула (12) является критерием эффективности, определяющим отношение числа труб с интенсификаторами к числу гладких труб.

Анализ результатов. Кроме полученной формулы эффективности СВК (12) наиболее конкретным способом определения эффективности СВК является метод сравнения уровня теплообмена в предложенных интенсифицированных [4] гладких трубах. Рассмотрим более подробно его. При выводе формулы эффективности считаются одинаковыми затраты мощности на прокачивание теплоносителя и площадь поверхности теплообмена гладких труб и труб с интенсификацией теплообмена. В этом случае сравниваются коэффициенты теплообмена при полностью развитом течении для трубы с интенсификаторами теплообмена и гладкой трубы.

Запишем эти условия:

N = Nгл ; F = F_гл ; d = dr, ,

.      „ I par гаГ ю = £ — рю

N = Apv = £ — --- d 2   4

учитывая (13), получим

з F з

^P® = ^гл^Р®гл или

откуда

£ 3 к 3 ^Ю =^гл®гл ^,

^Re’=^Re,;

Задаваясь значениями Re, вычисляя Reгл, можно рассчитать Nu и Nuгл. Если выполняется соотношение

то поверхность с турбулизаторами считается эффективной.

Выводы

Вихри, генерируемые выступом, попадают во внешнюю часть внутреннего пограничного слоя и в качестве турбулентности внешнего потока заметно влияют на теплообмен и незначительно на трение стенки.

Интенсификация теплообмена за выступом обеспечивается обновлением пограничного слоя и турбулентностью, создаваемой выступом. Как показывают современные опытные исследования [6], сильное влияние на ранний переход ламинарного пристенного течения в турбулентные оказывает внешняя турбулентность. Шероховатость стенки значительно ускоряет этот переход. Однако учитывая недостаточность сведений о структуре течений и теплообмене за одиночно расположенными выступами шероховатости при малых числах Re, считаем необходимым проведение исследований, подтверждающих интенсификацию теплообмена.