CC BY
55ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ
РЕЙНОЛЬДСА ** 1 2 Аббасов Е.С. , Умурзакова М.А.
шГл
1Аббасов Ёркин Садыкович - доктор технических наук, доцент, кафедра строительства инженерных коммуникаций, строительный факультет;
2Умурзакова Муяссар Абобакировна - кандидат технических наук, доцент, кафедра электротехники, электромеханики и электротехнологий, энергетический факультет, Ферганский политехнический институт, г. Фергана, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье обсуждаются вопросы использования понятия тепловой эффективности плоских солнечных воздухонагревателей для оценки совершенности конструкций нагревателей. Полученная формула тепловой эффективности характеризует эффективность теплообменных процессов, протекающих в воздухонагревателе.
Ключевые слова: плоский солнечный воздухонагреватель, температура, теплообмен, тепловая эффективность, тепловые потери, абсорбер, тепловая энергия, расход теплоносителя.
Непрерывный рост цен на органическое топливо и как следствие высокая стоимость тепловой энергии, стимулировали в последние годы поиск альтернативных источников энергии, в частности энергии Солнца. В этой связи все более острую актуальность приобретают перспективы использования солнечной энергии. В частности солнечных воздушных нагревателей.
Солнечные воздухонагреватели являясь одними из разновидностей солнечных устройств в последние годы получают все большую популярность ввиду их следующих очевидных преимуществ: отсутствие коррозии элементов нагревателя, простота обслуживания, малые затраты на прокачку теплоносителя, непосредственный нагрев комнатного воздуха минуя систему отопительных приборов, доступность в изготовлении т.д.
Основные работы посвященные развитию конструкций плоских солнечных воздухонагревателей (ПСВН) показывают, что основным предметом исследований является увеличение теплообмена и повышение его эффективности [1, 2]. В этой связи исследователями [6 - 12] предлагаются конструкции ПСВН с использованием различной геометрии поверхности пластины поглотителя для повышения скорости теплопередачи. Предлагаются разработки солнечного воздухонагревателя с и без, материалов для хранения тепла, например с изменением фазы, гибридные фотогальванические, солнечные коллекторы производящие как тепловую энергию,
7
так и электричество одновременно. Значительная часть работ посвящена использованию свойств конвекции как свободной, так и вынужденной для создания простых и одновременно эффективных конструкций ПСВН, а также солнечных воздушных отопительных систем состоящих из аккумуляторов тепловой энергии. Некоторые исследователи разрабатывают теплоносители, имеющие повышенную эффективность при переносе теплоты от воздуха к объекту. Обзор современных конструкций ПСВН показывает, что развитие конструктивных особенностей ПСВН в первую очередь связано с увеличением площади контакта гелиоприемных каналов с воздухом путем создания каналов с различными вставками или насадками.
В практической гелиотехнике, одними из устройств, преобразующих солнечную энергию в тепло воздуха - являются солнечные плоские воздушные коллекторы. Они являются, простыми и удобными в эксплуатации, имеют сравнительно низкую стоимость, надежны. На рис 1 показан основный тип таких коллекторов.
Рис. 1. Плоский солнечный воздухонагреватель: 1 - воздушный поток, 2- прозрачное покрытие, 3 - абсорбер, 4 - днище коллектора,
5 - изоляция
К основному и существенному недостатку ПСВН следует отнести низкую эффективность процессов конвективного теплообмена протекающих на поверхности абсорбера при малых числах Рейнольдса, например, по сравнению с жидкостными солнечными коллекторами. Причем указанный недостаток прямо пропорционально влияет на температуру воздуха на выходе из ПСВН. Указанная проблема увеличения теплообменной эффективности солнечного воздухонагревателя может быть решена путем интенсификации процессов конвективного теплообмена от нагретой поверхности абсорбера к воздуху, протекающему в канале гелиоприемника. Анализ литературных источников показывает [3 - 5], что увеличение теплоотдачи при помощи использования поверхностных интенсификаторов теплоотдачи позволяет увеличить теплосъем от абсорбера от 1,3 до 2,5 раз по сравнению с гладкой поверхностью.
К поверхностным интенсификаторам теплообмена относятся сферические, цилиндрические конусообразные или другой формы выступы и канавки, диффузорно - конфузорные профили, а также спиральные и поперечные проволочные вставки и микрооребрение. Причём легко осуществимым способом пристенной турбулизации течения является дискретная хорошо обтекаемая шероховатость в виде металлической стружки, которая является отходом механических производств и, следовательно, широко доступна к использованию.
Задачей пристенной турбулизации течения является периодическое разрушение пограничного слоя с целью уменьшения термического сопротивления теплопередачи от стенки абсорбера к воздушному потоку. Такое воздействие на пристенный пограничный слой не вызывает существенного увеличения гидравлического
сопротивления, что особенно положительно сказывается на повышении эффективности теплообмена в солнечном теплообменнике.
Для применения методов интенсификации теплоотдачи в канале ПСВН следует учитывать:
-малые скорости и как следствие существование ламинарного, вязкостно -гравитационного или ламинарно - турбулентного режима воздушного потока;
- стремление к простому способу изготовления гелиоприемной поверхности с интенсификацией теплообмена.
В качестве схемы ПСВН выбранной для анализа его эффективности выбираем плоский солнечный воздухонагреватель, в котором в качестве абсорбера солнечной радиации используется металлический лист с поверхностными интенсификаторами теплообмена в форме металлической стружки расположенной поперек направлению движения воздуха. (рис. 2). При условии, что воздух движется с малой скоростью (что соответствует практической эксплуатации коллектора) т.е. с малыми числами Рейнольдса, эффективность коллектора определится его только тепловой эффективностью (без учета гидравлических потерь).
Рис. 2. Плоский солнечный воздухонагреватель: 1 - прозрачное покрытие, 2 - абсорбер, 3 - изоляция
На схеме показаны - соответственно температуры входящего, выходящего воздуха из нагревателя и абсорбера, q - плотность падающей солнечной радиации (Вт/м2).
Из уравнения теплового баланса, составленного для ПСВН в условиях стационарности получим
(¿1 = (¿2 + (¿з (1) = ССр (£ст £ ) - максимально возможное использование тепла в ПСВН,
Вт.
С2 = (£ —£ )-полезно использованное тепло в ПСВН, Вт.
недоиспользованное тепло в ПСВН вследствие не совершенности теплообмена между абсорбером и воздушным потоком Вт.
С.Ср - соответственно расход (кг/с) и теплоемкость кдж/кг°С воздуха. Подстановка выражений в формулу (1) дает
Расход и теплоёмкость воздуха считается постоянной
Обозначая через Получим
Или
и £пот
1 = £ + £
пот
£ = 1 — £г
(5)
Будем считать £ - тепловой эффективностью ПСВН
£пот - тепловыми потерями в ПСВН.
Таким образом, уравнение (5) является формулой тепловой эффективности ПСВН.
Если —> 0 то ^ ~* 1 Следовательно при малых тепловых потерях, т.е при совершенности теплообмена тепловая эффективность ПСВН стремится к к своему
максимуму.
Так как тепловая эффективность зависит от разности температур^ ), то очевидно, что интенсификация теплоотдачи от стенки абсорбера к воздушному потоку может привести к ее росту, и снижению тепловых потерь.
В целях подтверждения интенсификации теплоотдачи при помощи размещенных поперечно направлению воздушного потока металлических стружек в ПСВН и полученной формулы эффективности (5) авторами работы были осуществлены эксперименты на изготовленном образце ПСВН имеющего размеры: длину I = 1м, ширину, а = 0,5м. Схема солнечного нагревателя показана на рис. 3. Общий вид нагревателя показан на рис. 4
Рис. 3. Вид плоского солнечного воздухонагревателя с металлической стружкой: 1, 5 - вход атмосферного и выход нагретого воздуха, 2 - боковые поверхности нагревателя, 3 -прозрачное покрытие, 4 - металлическая стружка, 6 - дно нагревателя
Высота боковых стенок нагревателя равнялась 0,05 м. Диаметр входного и выходного отверстия для поступающего воздуха равнялась 0,02 м. Дно нагревателя изолировалось поливиниловой тепловой изоляцией, имеющей толщину 0,015 м. Опыты проводились в условиях установившихся температур воздуха выходящего из нагревателя. Время выхода на стационарный режим температур составлял примерно 1 мин. Во время опытов после выхода на стационарный режим измерялись температура стенки абсорбера, а также температуры наружного и нагретого воздуха. Эксперименты проводились на гладком абсорбере и на абсорбере, наповерхности
10
которого размещались металлические стружки. Диаметр стружек равен 0,01 м. Расстояние между стружками равнялась 0,01м.
Рис. 4. Общий вид плоского воздухонагревателя
По результатам опытов рассчитывались тепловая эффективность ПСВН с гладким абсорбером и абсорбером с интенсификацией теплоотдачи. На графике (рис. 5) показаны тепловая эффективность ПСВН двух типов в зависимости от чисел Рейнольдса,которые рассчитывались по эквивалентному входному диметру нагревателя. Из рисунка видно, что тепловая эффективность плоского солнечного воздухонагревателя с интенсификацией теплоотдачи значительно превосходит тепловую эффективность плоского солнечного воздухонагревателя с обычным гладким абсорбером.
Рис. 5. Тетовая эффективность плоского солнечного воздухонагревателя тепловая эффективность гладкого абсорбера - тепловая эффективность абсорбера с интенсификацией теплоотдачи
Список литературы
1. Даффи Ж.А. Бекман.У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. 520 с.
2. Андерсон В. Солнечная энергия (основы строительного проектирования). М.: Стройиздат, 1982. 376 с.
3. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Изв. РАН.Энергетика, 2002. № 3. С. 102-118.
4. Олимпиев В.В. Модель течения для расчета теплоотдачи исопротивления каналов с выступами при Re <104 // Изв. вузов. Авиационная техника, 2001. № 2. С. 48-52.
5. Олимпиев В.В. Модифицированная аналогия Рейнольдса для отрывных течений, присоединившихся к стенке // Изв. вузов. Авиационная техника, 2002. № 3. С. 67-69.
6. Akpinar EK, Kogyigit F.: Experimental investigation of thermal performance of solar air heater having different obstacles on absorber plates: IntCommun Heat Mass, 2010; 37(4):416-21.
7. Karsli S.: Performance analysis of new-design solar air collectors for drying applications: Renew Energ., 2007. 32 (10):1645-60.
8. Romdhane B.S. The air solar collectors: Comparative study, Introduction of baffles to favor the heat transfer: Sol Energy, 2007. 81 (1):139-149.
9. Omojaro A.P., Aldabbagh L.B.Y.: Experimental performance of single and double pass solar air heater with fins and steel wire mesh as absorber. ApplEnerg, 2010. 87(12):3759-3765.
10. Close D.J.. Dunkle R. V. Behaviour of adsorbent energy storage beds. Sol. Energy, 1976. 18 (4), 287-292.
11. Liu C.H.; Sparrow E.M. Convective-radiative interaction a parallel plate channel-application to air-operated solar collectors. Int. J. Heat Mass Transf., 1980. 23 (8). 11371146.
12. Yeh H.M.; Ho C.D.; Hou J.Z. Collector efficiency of double-flow solar air heaters with fins attached. Energy, 2002. 27 (8). 715-727.
