CC BY
148
7/)П11 ВЕСТНИК
_7/201j_мгсу
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТРИЧНОГО СОЛНЕЧНОГО ВОЗДУШНОГО КОЛЛЕКТОРА
DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL STUDY OF A MATRIX SOLAR AIR COLLECTOR
M.C. Плешка, П.М. Вырлан
M. Plesca, P. Varlan
Технический Университет Молдовы
Описана конструкция и приведены результаты испытаний солнечного воздушного коллектора (СВК) матричного типа, содержащий теплоизолированный корпус, прозрачное покрытие, абсорбер, а также патрубки подачи холодного и отвода нагретого воздуха.
This paper describes the design and testing of a matrix flat solar air collector. The results of its experimental studies are presented. The matrix-tubular solar air collector (SAC) consists of a glazed insulated case, an absorber, and ducting for cold air delivery and hot air discharge.
Введение
Солнечные коллекторы, применяемые для воздушного отопления зданий и сушки сельскохозяйственной продукции, по способу движения воздуха относительно абсорбера делятся на два типа: контактные и матричные. В результате анализа конструкций солнечных воздушных коллекторов, используемых в настоящее время в практике [2, 3, 7] можно констатировать, что наиболее эффективными являются коллекторы матричного типа, ввиду большей площади контакта воздуха с абсорбером и большего значения конвективного коэффициента теплоотдачи от абсорбера к воздуху.
Для повышения КПД СВК теплота должна быть эффективно передано от абсорбера к омывающему его воздуху. Несколько конфигураций абсорберов были разработаны с целью улучшения процесса передачи теплоты от абсорбера к воздушному потоку в каналах коллектора. Таким образом, Колб и др. [3] предложили матричный абсорбер коллектора, который состоит из двух паралельных листов-экранов из медной сетки. Гарг и др. [5] использовали плоский абсорбер с прикрепленными ребрами. Су-лейман [8] исследовал четыре типа солнечных воздушных коллекторов: оребренный абсорбер с ребрами установленными под углом 75°, оребренный абсорбер с ребрами установленными под углом 70°, трубчатый абсорбер и обычный коллектор контактного типа. Все предложенные абсорберы предусматривают использование новых экологически чистых материалов, подразумевающие высокие стоимости их производства.
В данной работе, эффективность и аэродинамическое сопротивление солнечного воздушного коллектора были исследованы, используя в качестве абсорбера стальной лист с расположеными перпендикулярно к его плоскости медные трубки. Такая кон-
струкция СВК отличается от тех аналогичных исследований одноходовых солнечных вохдушных коллекторов, встречающихся в литературе.
Экспериментальные исследования солнечного коллектора проводились в натурных условиях г. Кишинэу, Молдова. Годовое количество суммарной солнечной радиации на горизонтальной поверхности в условиях средней облачности составляет в Молдове 4190 - 5028 МДж/м2 [4, 9]. Анализ климатических данных показывает, что радиационный и тепловлажностный режимы наружного климата Молдовы благоприятствуют эффективному использованию солнечной энергии для отопления зданий и сушки сельскохозяйственной продукции.
Конструкция солнечного воздушного коллектора
Разработан солнечный воздушный коллектор матрично-трубчатого типа (рис. 1), содержащий теплоизолированный корпус 1, прозрачное покрытие 7, абсорбер 3, а также патрубки подачи холодного 5 и отвода нагретого воздуха 6. Солнечный абсорбер (СА) представляет собой стальной лист толщиной 1 мм, общей площадью 1 м2, со всаженными в него медными трубками длиной 40 мм и внутренным диаметром 6 мм. Медные трубки расположены в шахматном порядке и выступают на 19,5 мм над фронтальной и тыльной поверхностями абсорбера. СА окрашен в черный матовый цвет и устанавливается в корпусе СВК таким образом, что разделяет его объем на каналы -нижний и верхний. Поверхность дна канала покрыта алюминиевой фольгой 8 с целью отражения проникающей сквозь трубок солнечной радиации и уменьшения тепловых потерь СК. В качестве прозрачного покрытия используется стекло толщиной 4 мм. С целью уменшения тепловых потерь боковые стенки и дно СВК были изолированы пенополиуретаном толщиной 35 мм и коэффициентом теплопроводности Л = 0,033 Вт/(мК).
Солнечная радиация, проходя через прозрачное покрытие в основном поглощается абсорбером, который в результате нагревается, а незначительная ее часть проходит сквозь медные трубки и попадает на алюминиевую фольгу, от которой отражается и поглощается тыльным сторонной СА. Медные трубки также поглощают часть солнечной радиации, нагреваясь при этом. Воздух подается через входной патрубок в верхний воздушный канал и омывая абсорбер нагревается. Медные трубки при этом тур-булизируют поток воздуха и интенсифицируют таким образом теплообмен. Нагретый воздух проходит сквозь медные трубки в нижний канал, где также происходит теплообмен с абсорбером и затем отводится через выходной патрубок. Такая конструкция позволяет увеличивать теплообменную поверхность нагрева на 30 %.
Экспериментальные исследования солнечного воздушного коллектора
Экспериментальные исследования солнечного коллектора проводились в натурных условиях на экспериментальном стенде (рис. 2), который включает: солнечный коллектор 1, вентилятор 7, электровоздухонагреватель 10, контрольно-измерительная аппаратура и запорно-регулирующая арматура.
Солнечный коллектор размещался на специальном опоре, оборудованной механизмом, позволяющий изменять угол наклона коллектора по отношению к горизонту от 0° до 90°. Для выравнивания скоростей воздушного потока использовалась камера статического давления с турбулизатором. С целью изменения температуры воздуха на входе в СК был предусмотрен электровоздухонагреватель 10.
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Рис. 1. Солнечный воздушный коллектор матрично-трубчатого типа: 1 - корпус; 2 - тепловая изоляция; 3 - абсорбер; 4 - медные трубки; 5 - входной патрубок холодного воздуха; 6 - выходной патрубок горячего воздуха; 7 - прозрачное покрытие (стекло); 8 - алюминиевая фольга
Во время экспериментов измерялись следующие параметры: суммарная интенсивность солнечной радиации, скорость ветра, температура наружного воздуха, температура и давление воздуха на входе и на выходе из солнечного коллектора, расход воздуха и относительная влажность воздуха. Суммарная интенсивность солнечной измерялась универсальным пиранометром М-80, а ее регистрация осущестлялась с помощью потенциометра КСП-4И. Скорость ветра измерялась анеморумбомером. Давление воздуха на входе и на выходе из солнечного коллектора измерялась микроманометром ММН и пневмометрической трубкой Пито. Относительная влажность наружного воздуха измерялась аспирационным психрометром МВ-4М, а значение относительной влажности воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора определялась в зависимости от разности температур сухого и мокрого термометра. Для измерения температура воздуха на поверхности абсорбера СК, а также на входе и выходе из солнечного коллектора испольвались кромель-копелевые термопары соединенные к информационно- измерительной системе (ИИС).
3 4 5
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментально стенда для исследования
коллектора:
1 - солнечный коллектор; 2 - точки измерения температуры поверхности абсорбера;
3 - универсальный пиранометр; 4 - анеморумбомер; 5 - мерительные участки; 6 - регулирующий шибер; 7 - вентилятор; 8 - гибкое соединение; 9 - камера статического давления; 10 - электровоздухонагреватель; 11 - термоэлектроанемометр; 12 - электронная информационно- измерительная система; 13 - компенсационный потенциометр; 14 - воздуховоды; 15 - регулирующий вентиль
Методика исследований
Экспериментальные исследования по определению теплотехнических и аэродинамических характеристик солнечного коллектора проводились в следующей последовательности: при фиксированном значении угла наклона СВК и температуры воздуха на входе в коллектор варьировали расход воздуха через солнечный коллектор при помощи регулирующих шиберов в пределах 25 ... 400 кг/(ч-м2) с шагом 25 кг/(ч-м2)
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_МГСУ
предварительно включив регистрирующие приборы. Контрольные замеры параметров теплоносителя проводились ежечасно. Определив теплотехнические и аэродинамические характеристики коллектора на всем диапазоне изменения расхода воздуха, изменялся один из фиксированных ранее параметров и вновь проводились замеры всех параметров, варьируя расходом воздуха в тех же пределах и тем же шагом. Исследования солнечного коллектора проводились для следующих значениях угла его наклона к горизонту: 30°, 45° и 60°. Температура воздуха на входе в коллектор при этом изменялась в пределах от 10 °С до 45 °С шагом 5 °С.
КПД солнечного воздушного коллектора который представляет собой отношение количества полезной энергии, полученной воздухом в коллекторе к количеству энергии, поступающей от солнечной радиации на поверхности абсорбера СВК определялся по зависимости:
з = = Ос(у 11), (1)
1в1А
где: 0ив - количества полезной энергии, Вт; 08 - количества энергии, поступающей от солнечной радиации на поверхности абсорбера СВК, Вт; О - массовый расход воздуха, кг/(ч-м2); с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-°С); 1;°- температура воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора, соответственно, °С; 1в1 - интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м2; А - площадь теплообменной поверхности солнечного коллектора, м2.
Аэродинамическое сопротивление солнечного воздушного коллектора ДР, Па определялось по формуле:
ДР = Р1- Р°, (2)
где: Р1, Р° - давление воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора, соответственно, Па.
Результаты исследований
В результате обработки экспериментальных данных определены теплотехнические и аэродинамические характеристики солнечного коллектора. Зависимости КПД и аэродинамического сопротивления солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха представлены в рис. 3 и 4.
Из анализа зависимости КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха (рис. 3) можно констатировать, что с повышением расхода воздуха от 25 до 200 кг/(ч-м2) КПД резко возрастает, а при дальнейшем увеличении расхода он изменяется незначительно. Из рис.4 видно что с повышением расхода воздуха проходящего через СВК его аэродинамическое сопротивление увеличивается и меняется от 7 до 252 Па при изменении расхода воздуха через коллектор 50 ... 300 кг/(ч-м2). Причем при малых значениях расхода 72 ... 250 кг/(ч-м2) это увеличение плавное, а при больших значениях расхода воздуха увеличение более резкое
Рис. 3. Зависимость КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха
Рис. 4. Зависимость аэродинамического сопротивления солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха
Также были построены зависимости изменения интенсивности суммарной солнечной радиации, температуры наружного воздуха, а также температуры воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора во времени (рис. 5 и 6).
7/)П11 ВЕСТНИК
2/20и_мгсу
Рис.5. Изменение интенсивности падающей суммарной солнечной радиации во времени в солнечный день июня месеца
Рис.6. Зависимость температуры наружного воздуха, а также температуры воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора от времени в солнечный день июня месяца при угле наклона СВК к горизонту 45°
Из анализа этих зависимостей можно сделать следующие вывовы: 1) значения температуры воздуха на входе в СК практически совпадают со значениями температуры наружного воздуха, а кривая изменения температуры воздуха на выходе из солнечного коллектора повторяет кривую изменения интенсивности суммарной солнечной радиации с опозданием в 1 ч; 2) оптимальный угол наклона солнечного коллектора к горизонту находится в пределах 30 - 45 т.к. при углах больше 45° уменьшается количество солнечной радиации, поглощенной в утренние и послеобеденные часы.
Технические показатели исследованного солнечного воздушного коллектора представленны в таблице.
Таблица
Технические показатели солнечного воздушного коллектора матричного типа
№ Наименование величины Условные обозначения Значение Рекомендуемое значение [1]
1 Площадь теплооб-менной поверхности А 1.29 м2 1.0 - 2.0 м2
2 Ародинамическое сопротивление да 120 Па
3 Массовый расход воздуха G 100 - 200 кг/чм2 50 - 150 кг/ч м2
4 КПД 3 m 0.61
5 Удельный вес м 25 кг/м2 25 - 30 кг/м2
6 Габаритные размеры ахвхс 1,14x1,08x0,2 м
Выводы
Из анализа, полученных результатов можно констатировать, что аеродинамиче-ское сопротивление СВК матрично-трубчатого типа на 40 % ниже, чем у коллектора матрично-пластинчатого типа [7]. Медные трубки увеличивают теплообменную площадь абсорбера на 30 % и интенсифицируют теплообмен. В результате КПД солнечного коллектора увеличивается, а его конструкция соответствует требованиям национальных и международных стандартов [1, 6].
Литература
1. ASHARE standards 93-2003. Methods of testing to determine the thermal performance of solar collectors. Atlanta: ASHRAE, 2003.
2. Henden, L., Rekstad, J., Meir, M. Thermal performance of combined solar systems with different collector efficiencies. //Solar Energy. 2002. No. 72. V. 4. - p. 299-305.
3. Kolb, A., Winter, E.R.F., Viskanta, R. Experimental studies on a solar air collector with metal matrix absorber. //Solar Energy. 1999. No. 65. V. 2. - p. 91-98.
4. Лассе Г.Ф. Климат Молдавской ССР. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1978.
5. Garg, H.P., Choundhury, C., Datta, G. Theoretical analysis of a new finned type solar collector. //Energy. 1991. No. 16. - p. 1231-1238.
6. ГОСТ P 51596-2000 Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Методы испытаний. M.: Государственный Стандарт РФ, 2000.
7. Plesca M. The Experimental studies of a flat plate air collector. Proceedings of the National Conference of Power Engineering CNE-M-2000. V. 2. Chisinau: Moldpress Agency, 2000. - p. 431432.
8. Suleyman K. Performance analysis of new-design solar air collectors for drying applications. //Renewable Energy. 2007. No.32. V. 10. - p. 1645-1660.
9. Todos P., Sobor I., Ungureanu D., Chiciuc A., Plesca M. Renewable energy. Feasibility study. Chisinau: Ministry of Ecology, Constructions and Territorial Development, UNDP Moldova, 2002.
References
1. ASHARE standards 93-2003. Methods of testing to determine the thermal performance of solar collectors. Atlanta: ASHRAE, 2003.
7/)П11 ВЕСТНИК _^/2OTT_МГСУ
2. Henden, L., Rekstad, J., Meir, M. Thermal performance of combined solar systems with different collector efficiencies. //Solar Energy. 2002. No. 72. V. 4. - p. 299-305.
3. Kolb, A., Winter, E.R.F., Viskanta, R. Experimental studies on a solar air collector with metal matrix absorber. //Solar Energy. 1999. No. 65. V. 2. - p. 91-98.
4. Lasse G. F. Climate of Moldavian SSR. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1978.
5. Garg, H.P., Choundhury, C., Datta, G. Theoretical analysis of a new finned type solar collector. //Energy. 1991. No. 16. - p. 1231-1238.
6. GOST R 51596-2000 Nontraditional power engeneering. Solar power engeneering. Solar collectors. Methods of testing. M.: Russian Federation GosStandard, 2000.
7. Plesca M. The Experimental studies of a flat plate air collector. Proceedings of the National Conference of Power Engineering CNE-M-2000. V. 2. Chisinau: Moldpress Agency, 2000. - p. 431432.
8. Suleyman K. Performance analysis of new-design solar air collectors for drying applications. //Renewable Energy. 2007. No.32. V. 10. - p. 1645-1660.
9. Todos P., Sobor I., Ungureanu D., Chiciuc A., Plesca M. Renewable energy. Feasibility study. Chisinau: Ministry of Ecology, Constructions and Territorial Development, UNDP Moldova, 2002.
Ключевые слова: солнечный воздушный коллектор, матрично-трубчатый абсорбер, медные трубки, теплообмен, КПД
Key words: solar air collector, matrix-tubular absorber, copper tubes, heat transfer, efficiency
e-mail: mplesca@mail.ru
