CC BY
79
УДК 621.472
О. П. Ковалёв, А. К. Ильин, Р. А. Ильин
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ В ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ
O. P. Kovalev, A. К. Ilyin, R. A. Ilyin RESEARCH OF HEAT-TRANSFER FEATURES IN FLAT SOLAR HEATERS
Экспериментальным путем получены данные, характеризующие плоские солнечные водонагреватели: коэффициент теплоотдачи, энергетический КПД, эксергетический КПД, температура тепловоспринимающей поверхности, удельный расход теплоносителя при естественной конвекции. Предлагаемые эксергетические характеристики нагревателей позволят сравнивать их эффективность с эффективностью других теплообменных аппаратов, котлов и др.
Ключевые слова: солнечные водонагреватели, теплоотдача, расход теплоносителя, коэффициент полезного действия, эксергия.
The paper shows the data, obtained by an experimental way, which characterise flat solar water heaters: heat-transfer factor, energy efficiency, exergy efficiency, temperature of heat-receiving surface, specific heat-carrier consumption at natural convection. The offered exergy characteristics of heaters will enable to compare their efficiency with the efficiency of other heat-exchange devices, boilers, etc.
Key words: solar water heaters, heat-transfer, heat-carrier consumption, efficiency, exergy.
При расчетах солнечных нагревателей необходимо знание коэффициентов теплоотдачи и других характерных параметров их рабочего процесса [1-12]. В литературе таких данных недостаточно, вследствие чего часто в расчетах используются эмпирические коэффициенты [1, 2, 8, 10 и др.].
Нами экспериментальным путем получены величины коэффициентов теплоотдачи от тепловоспринимающей поверхности к воде в плоских солнечных нагревателях (СН), которые сравниваются с расчетами по общим формулам теплоотдачи в вертикальных щелях, и другие теплогидравлические характеристики, влияющие на теплоотдачу. Представлены также базовые эксергетические характеристики нагревателей.
Эксперименты проведены на опытных и действующих плоских солнечных водонагревателях с различными размерами тепловоспринимающей поверхности: 0,6, 0,8, 1,0 и 1,4 м2 и др.
Конструкции модулей - типа «плоский лист» с однослойным остеклением. Основные общие характеристики нагревателей: максимальная тепловая мощность 0,6-0,8 кВт/м2 (летом),
0,4-0,5 (зимой); масса - 22-24 кг/м2; коэффициент общих тепловых потерь - до 4,5 Вт/(м2К) [3, 4].
Модули удовлетворяют требованиям действующего ГОСТ на солнечные нагреватели (коллекторы) по всем основным характеристикам, к которым относятся: произведение оптического КПД нагревателя и коэффициента эффективности поглощающей панели, произведение общего коэффициента тепловых потерь нагревателя и коэффициента эффективности панели, удельный объем жидкости в каналах панели, поглощательная способность прозрачной изоляции и поглощающей панели, удельная масса панели и др. Функциональные характеристики, в том числе тепловая мощность на 1 м2, соответствуют характеристикам более сложных зарубежных конструкций.
Условия проведения опытов приводятся ниже.
Коэффициент теплоотдачи от поверхности, воспринимающей солнечную радиацию, исследовался на непроточном нагревателе (5ст = 0,5 мм) площадью 0,6 х 0,4 м, емкостью 2 л.
Температура стенки тепловоспринимающей стороны (¿ст) измерялась в трех точках по вертикали: центр, 30 мм от верхней и 30 мм - от нижней кромок нагревателя. Температура воды (7ж) - в центре и в середине слоя. Изменение температуры воды в нагревателе при различных условиях показано на рис. 1.
Получены следующие теплотехнические характеристики теплоотдачи в нагревателе: разность значений температуры стенки тепловоспринимающей поверхности (рис. 2), величина коэффициентов теплоотдачи (рис. 3), температура тепловоспринимающей поверхности нагревателя (рис. 4).
Рис. 1. Изменение температуры воды в солнечном нагревателе: 1 - температура атмосферного воздуха 0 °С, плотность суммарной радиации в полдень на поверхность нагревателя - 1,09 кВт/м2;
2 - 5 °С, 1,06 кВт/м2; 3 - 1,5 °С, 0,87 кВт/м2; 4 - минус 3 °С, 1,04 кВт/м2; 5 - минус 5 °С, 0,89 кВт/м2
С помощью фотосъемки внутренней стороны тепловоспринимающей поверхности обнаружено наличие на ней пузырьков воздуха (рис. 5), выделяющихся при нагревании воды (вследствие известного процесса деаэрирования).
Рис. 2. Разность температуры стенки тепловоспринимающей поверхности нагревателя и температуры воды в период нагрева при различных режимах. Цифры соответствуют режимам на рис. 1
Рис. 3. Сравнение экспериментальных и расчетных величин коэффициента теплоотдачи от греющей поверхности СН к воде: 1 - формула (1);
2 - формула (4); 3 - формула (3); 4 - формула (2). Точками обозначены экспериментальные величины коэффициента теплоотдачи для режимов 1-5, указанных на рис. 1, 2
' «о.* .
■т-Л а
і
Ж?«**
к
//7/7
Рис. 4. Изменение температуры стенки тепловоспринимающей стороны СН при его работе:
1 - в нижней части нагревателя; 2 - в средней;
Рис. 5. Фотография пузырьков воздуха, выделяющихся на тепловоспринимающей поверхности СН со стороны воды при температуре воды
3 - в верхней части; температура атмосферного воздуха 63 °С. Площадь, занимаемая пузырьками, - 19 % °С, плотность суммарной радиации в полдень 1,1 кВт/м2
Экспериментальные величины коэффициента теплоотдачи сравнивались с расчетными на рис. 3 по следующим формулам (в общепринятых обозначениях):
- работа [5] -
Шд = 0,05 • Яа°,33 • Р^074, (1)
- работа [4] -
N8= 0,18 • Огд0,25 • (і / 5)_1/9 , (2)
= 0,065 • Стд ,33 • (і / 5)_1/9, (3)
Nд= 0,28 • Яа°,25 • (і / д)-1/4. (4)
Различие экспериментальных и расчетных величин на рис. 3 частично объясняется уменьшением площади за счет образования пузырьков воздуха на греющей поверхности со стороны воды при повышении ее температуры, что отмечалось и ранее [3]. Кроме того, возможны дополнительные особенности в рабочем процессе теплообмена в тонких щелях, о чем свидетельствует малый градиент температуры в слое по вертикали (рис. 4).
На рис. 6-7 приведены данные по теплогидравлическим режимам работы проточных нагревателей с площадью тепловоспринимающей поверхности 0,6 и 0,8 м2 при проточных (вследствие естественной конвекции в циркуляционном контуре высотой до 3 м) режимах работы.
Рис. 6. Величина повышения температуры воды в проточных СН с площадью модуля 0,6 м2 (разность значений температуры воды на выходе и входе в нагреватель). Начальная температура воды 8-10 °С, температура атмосферного воздуха +3...-3 °С
Рис. 7. Изменение расхода воды в проточной солнечной водонагревательной установке с поверхностью 5,4 м2 (9 шт х 0,8 м2): х - время с момента начала циркуляции; 1 - плотность суммарной радиации 0,85 кВт/м2, жидкостная нагрузка 18 л/м2, температура воздуха 12 °С;
2 - 0,72 кВт/м2, 10 °С, 18 л/м2
Рис. 8. Коэффициент эффективности проточных солнечных нагревателей (летние режимы): 1 - стандартный уровень по ГОСТ РФ и средний стандартный уровень коллекторов Австралии [12]; 2 - область коллекторов: «Радуга-М»; «Сокол»; коллектор Ковровского механического завода; плоский коллектор, г. Реутов; плоские, с однослойным остеклением коллекторы авторов статьи; I - (Гвых - ^1)^^
1. В нагревателях с естественной конвекцией жидкости имеется вполне определенная связь расхода жидкости с текущей температурой жидкости.
2. Для всех режимов характерна стабилизация разности значений температуры воды на выходе и входе солнечного нагревателя в течение всего периода эффективной работы нагревателя (рис. 6): & » 10 °С и расход воды до 18 кг/м2 в нагревателе (рис. 7).
3. Формулы (1)-(4) для расчета коэффициента теплоотдачи в узких щелях должны быть уточнены с учетом особенностей работы плоских солнечных нагревателей.
По экспериментальным данным получена также формула для расчета энергетического КПД плоских солнечных нагревателей (режимы с положительной температурой воздуха):
Лсн _ 0,77 — 51,
(5)
где I = (Гцых - Го)/дсум; Твых - абсолютная температура воды на выходе из нагревателя в данный момент, К; Т0 - абсолютная температура окружающей среды, К; дсум - плотность суммарной радиации, Вт/м2.
Из рис. 8 и формулы (5) видно, что энергетические КПД проточных нагревателей достаточно высоки до определенных значений температуры жидкости на выходе и связанной с ней температурой тепловоспринимающей поверхности нагревателя в связи с тем, что с увеличением температуры последней до 65-75 °С и выше существенно возрастают потери вследствие собственного теплового излучения тепловоспринимающей поверхности.
При эксергетическом анализе процесса нагревания воды в СН использованы, как базовые, подходы, изложенные в [6], с данными [5, 7, 11]. Рассчитаны:
- текущие величины энергетического КПД, по (5);
- удельная эксергия солнечной радиации, Вт/м2:
гх„
= Яз (! - Т0 / Та.усл ) ;
- текущие величины полезной удельной эксергии СН, Вт/м2:
ехСН = Яэ ' ЛСН (1 - Т0 / Твых ) ;
- эксергетический КПД солнечного нагревателя:
Лех =ЛеН ' Та.усл (Твых - Т0 ) / {[Та.усл - Твых ]Твых } ;
- коэффициент использования эксергии солнечной радиации:
Нх = еХСН / .
(6)
(7)
(8)
(9)
Здесь дополнительно: д; - плотность потока солнечной радиации после ее прохождения через атмосферу [5], Вт/м2; Твых - абсолютная температура воды на выходе из нагревателя, К; Та.усл -условная абсолютная температура излучения, соответствующая потоку д.; [5], 421 К; 'Цен - по формуле (5). Результаты расчетов текущих величин по зависимостям (5)-(8) представлены на рис. 9.
Рис. 9. Зависимости параметров ЛСН, Цех, §ЛеХ для плоских проточных солнечных нагревателей от температуры воды на выходе из нагревателей при условиях: Т0 = 283 К; плотность потока прямой
солнечной радиации = 1 000 Вт/м2
Выводы
В целом в работе получены определенные новые данные о тепловом и гидравлическом режимах работы плоских солнечных водонагревателей, которые могут учитываться при их создании.
Предлагаемые эксергетические характеристики нагревателей позволят сравнивать их
эффективность с эффективностью других типов теплообменных аппаратов, котлов и др.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Байрамов Р. Б., Ушакова А. Д. Системы солнечного теплохладоснабжения в энергетическом балансе южных районов страны. - Ашхабад: Ылым, 1987. - 220 с.
2. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. - М.: Стройиздат, 1979. - 208 с.
3. Ильин А. К., Ковалев О. П. О режимах работы солнечных нагревателей зимой в условиях жесткого климата // Материалы 3 Всесоюз. конф. по энергетике океана. Ч. 1. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1991. - С. 21-23.
4. Ильин А. К. Характеристики действующих солнечных водонагревательных установок // Материалы Междунар. конф. «Нетрадиционная энергетика и технология». Ч. 2. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1996. - С. 41-49.
5. Ильин А. К. Оценка эксергии солнечной радиации // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 2. - С. 69-73.
6. Ильин Р. А. Сравнительная термодинамическая эффективность использования возобновляемых источников энергии // Технические проблемы освоения Мирового океана: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Владивосток: ДВО РАН, 2005. - С. 317-318.
7. Ковалев О. П., Ильин Р. А., Ильин А. К. Сравнительные характеристики плоских и вакуумных солнечных коллекторов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2010. -С. 286-289.
8. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. - М.: Мир, 1983. - 512 с.
9. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.
10. Назарова Г. Р. Конкурентоспособность гелиосистем: методы, конструкции, решения. - Ашхабад: НПО «Солнце» АН ТССР, 1990. - Ч. 1. - 218 с.; Ч. 2. - 152 с.
11. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. - М.: Энергия, 1968. - 280 с.
12. Solar water heating systems resourse boox. - Edition 1A. Brisbane: Institute of TAFE, Australia, 2000. - 230 p.
Статья поступила в редакцию 18.10.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ковалёв Олег Петрович - Астраханский государственный технический университет (Дмитровский филиал); д-р техн. наук; профессор; зав. кафедрой «Товароведение, холодильные машины и технологии»; akilyin@newmail.ru.
Kovalev Oleg Petrovich - Astrakhan State Technical University (Dmitrovsky Branch); Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Merchandising, Technology and Examination of Goods"; akilyin@newmail.ru.
Ильин Альберт Константинович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Теплоэнергетика»; зав. Лабораторией нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра Российской академии наук (при Астраханском государственном техническом университете); akilyin@newmail.ru.
Ilyin Albert Konstantinovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Heat-and-Power Engineering"; Head of the Laboratory of Alternative Power Engineering, Power Engineering Department of Saratov Research Center of the Russian Academy of Science (attached to Astrakhan State Technical University); akilyin@newmail.ru.
Ильин Роман Альбертович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; научный сотрудник Лаборатории нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем Саратовского научного центра Российской академии наук (при Астраханском государственном техническом университете); akilyin@newmail.ru.
Ilyin Roman Albertovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Research Worker of the Laboratory of Alternative Power Engineering, Power Engineering Department of Saratov Research Center of the Russian Academy of Science (attached to Astrakhan State Technical University); akilyin@newmail.ru.
