CC BY
22УДК 662.997 (045)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОЗДУШНЫХ ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРОВ
Калафатов Н., Асанов М. М., Бекиров Э. А.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
В работе приведены результаты экспериментальных исследований по определению теплопроизводительности воздушных гелиоколлекторов на основе сравнительного метода оценки тепловой мощности, получаемой из гелиоколлектора. На основании этого метода оценки температур нагрева гелиоколлектора от солнечной и электрической энергий получены осциллограммы температур нагрева гелиоколлектора от известной электрической мощности и расхода теплоносителя, что позволяет определить мощность и энергию гелиоколлектора, а также его КПД с учетом теплопотерь через корпус гелиоколлектора. Гелиоколлектор, теплопроизводительность, теплоэффективность
Введение
Основу тепловой гелиоэнергетики составляют устройства и оборудование, которые превращают солнечную радиацию в тепловую энергию. Теплоту солнечного излучения используют для горячего водоснабжения, отопления и охлаждения воздуха в зданиях, сушки разнообразных продуктов и материалов, поддержания температурных режимов технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве [1 - 4].
Применение в системах теплоснабжения оборудования солнечной, тепловой энергетики является приоритетной и с точки зрения экологии - количество вредных выбросов в атмосферу уменьшается на величину, которая образовалась бы при сгорании сэкономленного органического топлива. Системы солнечного теплоснабжения используют различные теплоносители. Воздушные гелиоколлекторы выгодно отличаются от жидкостных простотой конструкции, морозостойкостью и сравнительно небольшой стоимостью. Они используются для сушки сельскохозяйственной продукции и дополнительного обогрева помещения в солнечные дни (воздушное отопление).
Анализ публикаций
Известно много работ по исследованию производительности воздушных гелиоколлекторов [5 - 8]. В работе [5] описаны общие требования по увеличению мощности воздушного гелиоколлектора: использование качественной теплоизоляции для уменьшения потерь тепла, материал светопропускающей поверхности должен иметь высокий коэффициент пропускания и низкие коэффициенты поглощения и теплопроводности, использование недорогого абсорбера с высоким коэффициентом поглощения и теплопроводности, изготовление воздухопровода с малыми потерями давления и использование вентилятора с оптимальными скоростными характеристиками.
В работе [5] выполнено моделирование плоского воздушного солнечного коллектора с различными материалами поглощающей пластины (абсорбера) и светопропускающей поверхности. Среди проанализированных материалов абсорбера окрашенный пластик позволяет получить наибольшую мощность коллектора. Полиэтилен, в качестве светопропускающей поверхности, оказался эффективнее, чем стекло. Авторы предполагают, что это является следствием более низкого значения коэффициента отражения или более эффективного отношения коэффициента пропускания -коэффициента поглощения полиэтилена. Также установлено, что мощность коллектора увеличивается с увеличением массового расхода воздуха без точки экстремума.
В работе [8] представлены результаты экспериментального исследования одноканального воздушного гелиоколлектора с пятью ребрами, помещенными за абсорбером. Авторы отмечают, что благодаря установленным ребрам удалось увеличить
производительность коллектора, а именно достигнута теплоэффективность в 50,56 % при массовом расходе воздуха 0,016 кг/с.
Цель и постановка задачи Коэффициент излучения тепла из коллектора существенно зависит от массовой затраты теплоносителя и условий эксплуатации. В реальных условиях эксплуатации величина коэффициента излучения тепла из коллектора может отличатся от значения, полученного при испытаниях с фиксированным значением затрат теплоносителя по паспортным данным коллектора.
Задачей исследования является сравнительный метод оценки тепловой мощности, получаемого из гелиоколлектора.
Методика исследования
В работе проведены исследования по влиянию на теплотехнические характеристики сушилки дополнительных солнечных воздухонагревателей.
Полезная энергия получаемая от воздухонагревателей может быть определена по формуле [2]:
б = Лс - ^[1(а-т)-иь(Т -71)], (1)
где - б - удельная производительность коллектора, ГДж/м2год;
Ас - площадь одного модуля солнечного коллектора, м2;
I - интенсивность солнечной радиации, падающей на плоскость коллектора, Вт/м ;
2 0
Ц, - коэффициент тепловых потерь коллектора,
Вт/м2 °С;
а,т - коэффициенты поглощения и пропускания солнечного излучения соответственно;
Т1, Т2 - температура входящего и выходящего из гелиоколлектора воздуха, 0С; Коэффициент излучения тепла из коллектора может быть выражен в виде:
т - Ср
р
=
к Лс - иь
Г Лс - иг -
' ь
т -С
р
1 - ехр ителя,
Е - эффективность оребрения коллектора; т - масса проходящего воздуха через гелиоколлектор, м2
(2)
где - Ср - теплоемкость теплоносителя, Дж/кг0С;
Выражение (1) положено в основу практически всех действующих ныне стандартов по испытанию солнечных коллекторов. В результате исследования определяются стандартные параметры Е(ат) и Еяиь Как видно из формулы (1) коэффициент
излучения тепла из коллектора кроме других факторов, существенно зависит от массовой затраты теплоносителя т, а также условий эксплуатации.
В стандартных испытаниях Ек(ат) и Екиь определяются лишь при некоторых фиксированных значениях затрат теплоносителя, полученные при этом параметры фигурируют в паспортных данных коллектора. В реальных же условиях эксплуатации величина может отличаться от значения, полученного при испытаниях, что в определенных условиях может привести к завышению расчетной теплопроизводительности по сравнению с реальной.
С целью исключения всех вышеуказанных параметров входящих в формулу (1), нами предлагается сравнительный метод оценки тепловой мощности получаемого из гелиоколлектора. Опытная установка для регистрации параметров гелиоколлектора представлена на рис 1. Суть этого метода заключается в следующем. В гелиоколлекторе монтируется воздушный электрический нагреватель известной мощности. Сам гелиоколлектор устанавливается в помещении или в тени так, чтобы исключить влияние попадания солнечных лучей на абсорбер. В корпусе гелиоколлектора на пути воздушного потока, на входе и выходе устанавливаются термодатчики или приборы для записи температуры (рис. 2). Включается вентилятор и воздушный электрический нагреватель, при этом ведется измерение и запись температуры. Предварительно на входе и выходе
воздушного коллектора проводятся измерения скорости воздушного потока и определяется затрата воздуха в них. Далее электрический нагреватель отключается, гелиоколлектор охлаждается до начальной температуры и переносится на солнце, где воздушный коллектор нагревается от энергии солнечного излучения при включенном вентиляторе и продолжается фиксация температурного режима.
Рис. 1. Опытная установка для Рис. 2. Регистрация температуры воздуха,
регистрации параметров отсасываемого из гелиоколлектора
гелиоколлектора
Условия проведения эксперимента:
- площадь гелиоколлектора-2 м2;
- корпус воздушного гелиоколлектора - дерево, пропитанное влагостойким лаком;
- абсорбер выполнен из металлического листа окрашенный в черный цвет;
- светопропускающая поверхность - стекло 4 мм, поликарбонат ячеистой структуры 4
2
мм ;
- интенсивность солнечного излучения колебалась от 700-1000 Вт м (прибор для измерения интенсивности солнечного излучения ДАУ 81);
- средняя температура окружающей среды - 30 0С;
- расход воздуха - 110 л/с.
Методика сравнительной оценки теплопроизводительности гелиоколлектора предусматривает следующие условия для его соблюдения:
- затраты воздуха или жидкости для сравниваемых источников тепла должна быть одинаковая;
- при оценке тепловой производительности жидкостных коллекторов электрический нагреватель подключается непосредственно к входному патрубку гелиоколлектора и соединяется с ним последовательно;
- интенсивность солнечного излучения за время испытания должно быть неизменной;
- постоянной должна быть температура окружающей среды и масса пропускаемого воздуха через гелиоколлектор.
На рис. 3 приводятся сравнительные данные записи температуры воздуха нагревателя при его нагреве как от теплоэлектронагревателя (ТЕНа) мощностью 4 кВт так и от солнечного излучения по вышеописанной методике.
Рис.3 Сравнительные данные записи изменения температуры в гелиовоздухонагревателе: участок 1 - запись температуры окружающей среды;
участок 2 - светопропускающая поверхность коллектора, которая покрыта полигалем; участок 3 - режим охлаждения гелиоколлектора; участок 4 - нагрев гелиоколлектора ТЭНом мощностью 4 кВт при работающем вентиляторе; участок 5 - светопропускающая поверхность коллектора покрыта стеклом
Запись температур проводилась двумя метрологическими термографами с биметаллическим чувствительным элементом типа М 16 А. Перед установкой термографов в гелиоколлектор их записывающие элементы устанавливались на нулевую отметку, и запись начальной температуры проводилась в тени. При этом начальная температура (температура окружающей среды) достигала 25 °С и проверялась ртутным термометром. Таким образом, начало записи температуры термографов отвечают 25 °С (участок 1 на рис. 3).
Далее термопара одного из термографа устанавливалась на выходе воздуха из камеры гелиоколлектора, который находился в разогретом от солнца состоянии. При этом наблюдается резкий скачек от 25 до 35 оС записывающего элемента термографа при работающем вентиляторе (участок 2 на рис. 3). По истечении определенного времени все приборы приводились в первоначальное состояние, гелиоколлектор заносился в помещение. Схема подачи воздуха в гелиоколлектор восстанавливалась, приборы устанавливались в первоначальное положение, включался ТЭН и гелиоколлектор нагревался. Записи от нагрева ТЭНа приводятся на рис.3 участок 4.
С целью определения влияния материала светопропускающей поверхности на температурный режим гелиоколлектора поликарбонат заменялся стеклом такой же толщины. На рис. 3 (участок 5) представлена полученная характеристика нагрева гелиоколлектора со стеклянным покрытием.
Результаты и их анализ
Сравнение двух характеристик нагрева гелиоколлектора с поликарбонатной (рис. 3 участок 2) и со стеклянной (рис. 3 участок 5) светопропускающей поверхностью показало, что тепловая характеристика гелиоколлектора со стеклом на 5 °С ниже, чем с полигалем. Это объясняется исключительно повышенной теплоотдачей через поверхность стекла. Из сравнения температуры кривых на участках 2 и 4 рис. 3 можно заключить, что средняя температура нагрева гелиоколлектора от ТЭНа в 4 кВт выше чем от солнца на 40/60 = 0,66. Исходя из этого можно заключить что КПД воздушного гелиоколлектора с поликарбонатным покрытием составляет 66 %.
Выводы
На основании предложенного сравнительного метода оценки температур нагрева гелиоколлектора от солнечной и электрической энергий получены осциллограммы температур нагрева гелиоколлектора от известной электрической мощности и расхода теплоносителя, что позволяет определить мощность и энергию гелиоколлектора, а также его КПД с учетом теплопотерь через корпус гелиоколлектора.
Предложенный метод может быть распространен не только для оценки тепловой эффективности воздушных, но и для жидкостных гелиоколлекторов.
Список литературы
1. Мхитарян Н. М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников / Н. М. Мхитарян. - К.: Наукова думка, 1999. - 319 с.
2. Даффи У. Дж. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / У. Дж. Даффи, У. А. Бекман; пер. с англ. под ред. Ю.Н. Малевского. - М.: Мир, 1977. - 413 с.
3. Думанский А.И. Использование нетрадиционных источников энергии в сельском хозяйстве / А. И. Думанский, В. Д. Касьяненко, В. М. Головко. - К.: УкрНИИНТИ, 1987. - 36 с.
4. Бекман У. Расчет системы солнечного теплоснабжения / У. Бекман, С. Клайн, Дж. Даффи; пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - 76 с.
5. Ion I. V. Design, developing and testing of a solar air collector / I. V. Ion, J. G. Martins // The Annals Of "Dunarea De Jos" University Of Galati, Fascicle IV Refrigerating Technique, Internal Combustion Engines,Boilers And Turbines. - 2006. - P.
6. Yeh H. Collector Efficiency in Downward-Type Double-Pass Solar Air Heaters with Attached Fins and Operated by External Recycle / H. Yeh, C. Ho // Energies. - 2012. - V. 5. - P. 2692 - 2707.
7. Abhishek S. Design and performance of a solar air heater with long term heat storage / S. Abhishek, A. Nitin, S. Ghansyham // International Journal of Heat and Mass Transfer. -2013. - V. 60. - P. 8 - 16.
8. Chabane F. Design, developing and testing of a solar air collector experimental and review the system with longitudinal fins / F. Chabane, N. Moummi, S. Benramache // International Journal of Environmental Engineering Research. - 2013. - V. 2. - Issue 1. - P 18 - 26.
УДК 662.612-428.4
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗА В ГОРЕЛКАХ
С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ СМЕШЕНИЕМ
Богатикова Н.В., Зайцев О.Н.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
В статье приведены результаты исследования процесса прецессии вихревого ядра в закрученном потоке при наличии зоны обратных токов, получены теоретические зависимости скорости движения прецессирующего вихревого ядра, позволившие выявить область устойчивого положения вихревого ядра - равновесия центробежных и центростремительных сил в закрученном потоке при наличии зоны обратных токов. Выполнена визуализация процесса сжигания газа в инжекционных горелках при различной степени крутки потока. Сжигание газа, закрученные потоки, вихревое ядро.
