CC BY
20Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
СОЛНЕЧНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ С ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМЫМ
МАТРИЧНЫМ АБСОРБЕРОМ
Юсуф Каримович Рашидов
Ташкентский архитектурно-строительный институт
Жахонгир Олимжон Мумтозбегим
Тожалиевич Обиджон ртли Илхомжон кизи Орзиматов Эсонов Зайнабидинова
Ферганский политехнический институт
АННОТАЦИЯ
В статье разработана физико-математическая тепловая модель работы солнечного воздухонагревательного коллектора с воздухопроницаемым матричным абсорбером из металлической проволочной путанки, получены аналитические решения модели для граничных условий первого и второго рода.
Ключевые слова: воздушный солнечный коллектор, воздухопроницаемый матричный абсорбер, металлическая проволочная путанка, физико-математическая модел, теплопроизводительность, эффективность.
Системы солнечного теплоснабжения (ССТ) получили широкомасштабное практическое применение для теплоснабжения жилых и общественных зданий. В 2019 г. общая площадь установленных солнечных коллекторов (СК) в составе различных ССТ составила в мире 715 млн. м [1]. Это в основном жидкостные СК для подогрева воды для систем солнечного горячего водоснабжения и специальных незамерзающих теплоносителей (антифризов) для круглогодичных систем теплоснабжения.
Однако, следует отметить, что в современной гелиотехнике наряду с жидкостными солнечными коллекторами [2, 3] широко применяют воздушные солнечные коллекторы (ВСК). Особенностью таких коллекторов является возможность использования для отопления объектов в регионах с отрицательными температурами без специальных дорогостоящих теплоносителей, а также меньшая по сравнению с жидкостными коллекторами стоимость (на 30-50%) [2, 3].
К концу 2018 года во всем мире было установлено в общей сложности 1 084 МВт ВСК, что составляет 1 548143 м остекленных и неостеклённых коллекторов [1]. Годовой объем мирового рынка ВСК в 2018 году находился в диапазоне 30
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
МВт (43 280 м ). В табл. 1. приведены 10 лучших стран, использующих солнечные воздушные коллекторы.
Таблица 1.
10 лучших стран, использующих солнечные воздушные коллекторы [1]
Куёшли х,авокиздиргич коллекто ^ ~ 2 рларнинг урнатилган маидони, м
Страна Неостеклённые Остеклённые Всего
Канада 423227 50114 473341
Австралия 370000 12800 382800
Япония - 281669 281669
США 121882 69500 191382
Дания 4300 18000 22300
Индия - 12150 12150
Франция 9658 1100 10758
Китай 7000 3000 10000
Мексика 752 8773 9525
Венгрия 3418 1300 5718
Солнечные системы воздушного отопления используется главным образом в Северной Америке, Австралии и Японии и в меньшей степени в других странах, в жилых зданиях, школах, музеях, военных и коммерческих зданиях. Солнечные системы воздушного отопления в Северной Америке обычно рассчитаны на покрытие от 20 до 30% годовой потребности здания в отоплении помещений.
В мировой практике ВСК выпускаются с прозрачной изоляцией, как правило, стеклом, так и без него. Воздушные коллекторы изготавливаются отдельными модулями с различными габаритами, их также интегрируют в вертикальные ограждения зданий. Центром производства такого оборудования является Канада, где производится более половины мирового количества ВСК. Мировой лидер - канадская компания «Conservai» с годовой производительностью 42000 м ВСК, начиная с 2010 г. увеличила производство до 70000 м2.
В Европе самая большая воздушная гелиоустановка была сооружена в г.
л
Свидница (Польша) с перфорированным абсорбером с площадью 2000 м . Она отапливает цеха завода с объемом помещений 55000 м2. Температура нагретого воздуха от 30оС в солнечную погоду до 10 оС в облачную [4]. Стоимость таких гелиоустановок 100-120 евро/м , срок окупаемости - 5 лет.
СВК изготавливают плоскими. Они состоят из корпуса, прозрачного верхнего покрытия, абсорбера и теплоизоляции нижней и боковых стенок
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
корпуса. Относительно выбора материала для различных компонентов, корпуса и обеспечения стойкости к атмосферному воздействию обычно соблюдают те же основные правила, что и для жидкостных коллекторов. По конструкции абсорбера различают два класса солнечных воздушных коллекторов [5, 6, 7]:
• с воздухопроницаемыми матричными абсорберами (рис. 1, а);
• с воздухонепроницаемыми плоскими абсорберами, обтекаемыми с передней (рис. 1, б ) или чаще всего с его тыльной (рис. 1, в) стороны.
Рис. 1. Конструкции солнечных воздушных коллекторов [7]: а - коллектор с воздухопроницаемым матричным абсорбером; б - коллектор с воздухонепроницаемым абсорбером, обтекаемый с передней стороны абсорбера; в - коллектор с воздухонепроницаемым абсорбером, обтекаемый с тыльной стороны абсорбера; 1 - стекло; 2 - слой чёрной краски; 3 - тепловоспринимающая пластина; 4 - теплоизоляционный материал; 5 - корпус; 6 - сетка, окрашенная в чёрный цвет; 7 - пластина; 8 - тепловоспринимающая гофрированная пластина
СВК с воздухопроницаемым матричным абсорбером состоит из поглотителей из пористого материала с открытыми порами. К примеру, это могут быть слои черных пористых текстильных материалов или пенопластовые пластины, которые размещают на пути воздуха как воздушные фильтры. Излучение солнца поглощается не только в поверхностном слое абсорбера, но и в его объеме. Между прозрачным покрытием и абсорбером оставляют щель переменной ширины для подачи воздуха к абсорберу. Когда воздух фильтруется через абсорбер, тот отдает свое тепло воздуху.
Противоположность матричным представляют коллекторы с обтекаемым плоским абсорбером из герметичного материала, как правило, листового металла. Как показано на рис.1, бив, воздух в таких коллекторах устремляется параллельно обтекаемому абсорберу либо вдоль передней поверхностей абсорбера (рис.1, б), либо только вдоль его тыльной поверхности (рис. 1, в).
Энергия, передаваемая воздуху от поглощающей поверхности абсорбера ц по г в единицу времени равна:
*7пог СржРж <?( «жк- «жО) Срж ^ ( «жк - «жо), (1)
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022—5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id—22257
где срж - теплоёмкость воздуха (охлаждающей жидкости), Дж/(кг • 0 С );
Q - удельный объёмный расход воздуха, м /(м ■ с ); рж - плотность воздуха,
кг/м
О - удельный массовый расход воздуха, кг/(м ■ с ); ^ж к и ^жо- температура воздуха на выходе и входе абсорбера, 0 С. Плотность воздуха составляет 0,001 плотности воды, поэтому при том же энергетическом вкладе удельный объёмный (массовый) расход воздуха должен быть гораздо выше. Однако, поскольку теплопроводность воздуха намного ниже, чем у воды, для сходных условий передача энергии от приёмной поверхности к теплоносителю происходит намного слабее. Поэтому нагреватели такого типа, как показано на рис.2, а, чаще всего изготавляют шероховатыми приёмными поверхностями, на которых нарезаны канавки для увеличения площади и усиления турбулентности, необходимой для теплопереноса в вохдухе [7]. Альтернативный вариант состоит в увеличении контактной поверхности при использовании пористых или сетчатых абсорберов (рис.2, б).
Рис. 2. Два способа повышеня интенсивности теплообмена абсорбера ВСК; а - с шероховатыми приёмными поверхностями; б - с пористым или сетчатым абсорбером; 1 - стеклянное покрытие; 2 - шероховатая чёрная поглощающая поверхность; 3 - пористая поглощающая пластина; 4 -
изоляция
Целью данной работы является разработка новой конструкции солнечного воздухонагревателя с воздухопроницаемым матричным абсорбером с повышенной тепловой эффективностью.
Разработанный солнечный воздухонагреватель [8] содержит теплоизолированный корпус 1 с прозрачным покрытием 2 и плоский поглотитель 3, выполненный в виде воздухопроницаемой структуры, разделяющей корпус 1 на верхний подающий и нижний отводящий воздушные каналы 4 и 5, снабженные соответственно коллектором 6 подачи холодного и коллектором 7 отбора горячего воздуха (рис.3). Воздухопроницаемая структура выполнена в виде рамы 8 с металлической сеткой 9, поверх которой закреплена проволочная путанка 10,
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
при этом воздухопроницаемая структура расположена диагонально с возможностью сужения верхнего подающего и расширения нижнего отводящего воздушных каналов 4 и 5 по направлению движения воздуха, а каждый соответствующий канал соединен с коллектором продольной щелью 11 и 12, выполненной по всей ширине корпуса 1 с постоянной высотой h. Металлическая проволочная путанка 10 изготавливается методом плетения из стальной проволоки диаметром 0,5; 0,6; 0,8 или 0,9 мм. Продольные щели 11 имеют постоянную высоту h. Металлическая сетка 9 закрепляется на раме 8 самонарезающими шурупами.
1 1 3 I 12 7
б
у дзп: у z
Холодный воздух
Горячий воздух
Рис. 4. Конструкция солнечного воздухонагревателя с воздухопроницаемым матричным абсорбером из металлической проволочной путанки Солнечная радиация, проходя через прозрачное покрытие 2, поглощается поверхностью плоского поглотителя 3, а также всем объемом воздухопроницаемой структуры за счет многократного переотражения внутри металлической проволочной путанки 10, которая вследствие этого интенсивно нагревается. Холодный воздух подается в воздухонагреватель через коллектор 6, продольную щель 11 постоянной высоты И, в верхний подающий воздушный канал 4, который сужается по направлению движения воздуха, обеспечивая тем самым равномерное омывание и турбулизацию потока по всей длине воздухопроницаемой структуры плоского поглотителя 3. Проходя сквозь нагретую металлическую путанку 10, закрепленной поверх рамы 8 с металлической сеткой 9, воздух интенсивно нагревается за счет ее развитой поверхности, турбулизации потока, а также конвективного и лучистого теплообмена. После нагрева, пройдя воздухопроницаемую структуру плоского поглотителя 3, горячий воздух, поступает в нижний отводящий воздушный канал 5, который расширяется по направлению движения воздуха, обеспечивая тем самым равномерный отвод потока по длине воздухопроницаемой структуры плоского поглотителя 3, что способствует интенсивному теплообмену по всей поверхности металлической проволочной путанки 10. Из нижнего, отводящего воздушного канала 5 через продольную щель 12 постоянной высотой И горячий
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
воздух поступает в коллектор 7 отбора горячего воздуха по которому отводится к потребителю.
В разработанном солнечном воздухонагревателе в процесс теплообмена включается вся развитая поверхность воздухопроницаемой структуры, выполненной в виде металлической проволочной путанки. При этом контактная поверхность теплообмена при малых диаметрах проволоки увеличивается более, чем на порядок. Кроме того, за счет многократного переотражения внутри металлической проволочной путанки уменьшаются потери отраженной солнечной радиации от лучепоглощающей поверхности, а многократное изменение направления движения воздуха внутри самой путанки обеспечивает интенсификацию процесса теплообмена путем увеличения турбулизации воздушного потока. Расположение воздухопроницаемой структуры диагонально с возможностью сужения верхнего подающего и расширения нижнего отводящего воздушных каналов по направлению движения воздуха, обеспечивают равномерное распределение воздуха по всей поверхности и объему поглотителя. Это обеспечивает интенсивный теплосъем во всем объеме поглотителя, снижение температуры конструкции, а следовательно, и снижение тепловых потерь воздухонагревателя в окружающую среду и повышение его КПД.
REFERENCES
[1] Weiss W., Spôrk - Dur M. "Solar Heat Worldwide. Global Market Development and Trends in 2020. Detailed Market Figures 2019. 2021 édition". Available: www.iea-shc.org/data/sites/1/publications/Solar-Heat-Worldwide-2021.pdf.
[2] Бутузов В.А., Шетов В.Х., Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И. С. Солнечные коллекторы. Тенденции совершенствования конструкций //Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 10 (78). С. 41-51
[3] Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Бутузов В.В., Гнатюк И.С. Вакуумные трубчатые коллекторы. Мировые производители и перспективы производства в России //Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 5 (85). - С. 47-54.
[4] Berner J. Air collectors in commercial buildings: ventilation systems that save energy // Sun, Wind Energy. 2008. № 5 - Р.85-87.
[5] Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. - М.: Энергоатомиздат. 1990.- 392 с.
[6] Основы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии [Электронный ресурс]: учебное пособие/ В. Я. Федянин, С. О. Хомутов, В. М. Иванов, И. А. Бахтина, Т. Ю. Иванова; под ред. В. Я. Федянина. - Барнаул: ООО «МЦ ЭОР», 2018. - 146 стр.
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
[7] Танака С., Суда Р. Жилые дома с автономным солнечным тепло-хладоснабжением/ Пер. c яп.- М.: Стройиздат, 1989.- 184 с.
[8] Патент № FAP 01588. Солнечный воздухонагреватель/ Рашидов Ю.К., Орзиматов Ж.Т., Рашидов К.Ю..// Бюл. 2021, №6 (239). - с. 85.
[9] Madraximov, M. M., Abdulkhaev, Z. E., & ugli Inomjonov, I. I. (2022). Factors Influencing Changes In The Groundwater Level In Fergana. International Journal of Progressive Sciences and Technologies, 30(2), 523-526.
[10] Рашидов, Ю. К., Каршиев, Ш. Ш., Рашидов, К. Ю., & Орзиматов, Ж. Т. (2019). Самодренируемые гелиоустановки: особенности защиты от гидравлических ударов при пуске и остановке циркуляционных насосов. In Экологическая, промышленная и энергетическая безопасностъ-2019 (pp. 13831387).
[11] Abdulkhaev, Z. E., Madraximov, M. M., Rahmankulov, S. A., & Sattorov, A. M. (2021, June). Increasing the efficiency of solar collectors installed in the building. In "
ONLINE-CONFERENCES" PLATFORM (pp. 174-177).
[12] Rashidov, Y. K., & Orzimatov, J. T. (2022). SOLAR AIR HEATER WITH BREATHABLE MATRIX ABSORBER MADE OF METAL WIRE TANGLE. Scientific-technical journal, 5(1), 7-13.
[13] Abdulkhaev, Z., Madraximov, M., Abdurazaqov, A., & Shoyev, M. (2021). Heat Calculations of Water Cooling Tower. Uzbekistan Journal of Engineering and Technology.
[14] Орзиматов, Ж. Т., Каршиев, Ш. Ш., & Жураев, О. А. (2019). СОЛНЕЧНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ КОЛЛЕКТОР С ОТБОРОМ ТЕПЛА ОТ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ДЛЯ КРУГЛОГОДИЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ. In Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности (pp. 394-396).
[15] Usarov, M., Usarov, D., & Mamatisaev, G. (2021, May). Calculation of a Spatial Model of a Box-Type Structure in the LIRA Design System Using the Finite Difference Method. In International Scientific Siberian Transport Forum (pp. 1267-1275). Springer, Cham.
[16] Rashidov, Y. K., Rashidov, K. Y., Mukhin, I. I., Suratov, K. T., Orzimatov, J. T., & Karshiev, S. (2019). Main reserves for increasing the efficiency of solar thermal energy in heat supply systems. Applied Solar Energy, 55(2), 91-100.
[17] Madraximov, M., Yunusaliev, E., Abdulhayev, Z., & Akramov, A. (2021). Suyuqlik va gaz mexanikasi fanidan masalalar to'plami. GlobeEdit.
[18] Arifjanov, A., Otaxonov, M., & Abdulkhaev, Z. (2021). Model of groundwater level control using horizontal drainage. Irrigation and Melioration, 2021(4), 21-26.
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
[19] Рашидов, Ю. К., Исмоилов, М. М., Орзиматов, Ж. Т., Рашидов, К. Ю., & Каршиев, Ш. Ш. (2019). Повышение эффективности плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения путём оптимизации их режимных параметров. In Экологическая, промышленная и энергетическая безопасностъ-2019 (pp. 1366-1371).
[20] Usarov, M., Ayubov, G., Usarov, D., & Mamatisaev, G. (2022). Spatial Vibrations of High-Rise Buildings Using a Plate Model. In Proceedings of MPCPE 2021 (pp. 403-418). Springer, Cham.
