Рис. 1. Зависимость величины КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха
Рис. 2. Зависимость аэродинамического сопротивления солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха
Рис. 3. Изменение интенсивности падающей суммарной солнечной радиации во времени в солнечный день июня месяца
Рис. 4. Зависимость температуры наружного воздуха, температуры воздуха на входе и выходе из коллектора от времени
Табл. 1. Технические показатели солнечного воздушного коллектора матричного типа
Введение
Для воздушного отопления зданий и сушки сельскохозяйственной продукции большое распространение получили солнечные воздушные коллекторы, которые по способу движения воздуха относительно абсорбера делятся на два типа: контактные и матричные. Коллекторы, в которых воздух омывает абсорбер, называют контактного типа, а те, в которых воздух проходит сквозь абсорбер, — матричного типа.
В результате анализа конструкций солнечных воздушных коллекторов, используемых в настоящее время в практике [4–6, 10], 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. В последние десятилетия проведено много исследований по повышению эффективности солнечных воздушных коллекторов.
Для повышения эффективности СВК теплота должна быть эффективно передана от абсорбера к омывающему его воздуху. Таким образом, несколько конфигураций абсорберов были разработаны с целью улучшения передачи теплоты к воздушному потоку в каналах коллектора. Kolb и другие [5] предложил матричный абсорбер коллектора, который состоит из двух параллельных листов-экранов из медной сетки. Garg и др. [8] использовали плоский абсорбер с прикрепленными ребрами.
Kurtbas и Turgut [6] предложили использовать ребра, расположенные на поверхности абсорбера свободно и фиксировано. Suleyman [12] проанализировал 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.
Henden и др. [3] подчеркнули, что основное препятствие к широкому внедрению солнечных систем в практике является их высокая стоимость по сравнению с традиционными системами отопления. Анализ структуры капитальных вложений в системы солнечного теплоснабжения показал, что до 35–60 % их сметной стоимости приходится на гелиоприемники [11]. Поэтому очевидна крайняя необходимость в разработке и создании высокоэффективных, экономичных, долговечных и надежных конструкций солнечных коллекторов.
Количество солнечной энергии, поглощаемой солнечным воздушным коллектором, зависит от уровня инсоляции и ориентации коллектора, поглощательной способности поверхности абсорбера, пропускающей способности прозрачного покрытия [4]. В этой работе эффективность и аэродинамическое сопротивление солнечного воздушного коллектора были исследованы при использовании в качестве абсорбера волнистого стального листа и установленных над листом перфорированных пластин из алюминиевого сплава.
Такая конструкция СВК существенно отличается от аналогичных исследований одноходовых солнечных воздушных коллекторов. Экспериментальные исследования солнечного коллектора проводились в натурных условиях города Кишинева (Молдова). Климат Молдовы умеренноконтинентальный. Реальная продолжительность солнечного сияния изменяется на ее территории в среднем за год от 2060 на севере до 2330 часов на юге.
Годовое количество суммарной солнечной радиации на горизонтальной поверхности в условиях средней облачности составляет в Молдове 4190–5028 МДж/м2 [7, 13]. 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-пластинчатого типа, содержащий теплоизолированный корпус с прозрачным покрытием и абсорбер, а также патрубки подачи холодного воздуха и отвода нагретого. Абсорбер представляет собой стальной волнистый лист толщиной 1 мм общей площадью 1,47 м2, окрашенный в черный матовый цвет со стороны, обращенной к солнцу. Над листом установлены под углом друг к другу пластины из алюминиевого сплава шириной 150 мм с отверстиями диаметром 2 мм, окрашенные в черный матовый цвет.
В качестве прозрачного покрытия используется стекло толщиной 4 мм. С целью уменьшения тепловых потерь боковые стенки и дно СВК были изолированы пенополиуретаном толщиной 40 мм и теплопроводностью величиной λ = 0,033 Вт/(м⋅K). Солнечная радиация, падающая на рассматриваемое устройство, проходя через прозрачное покрытие, поглощается абсорбером и перфорированными пластины, которые в результате нагреваются. Воздух подается в СВК через входной патрубок.
Омывая абсорбер со стороны, обращенной к солнцу, и проходя через отверстия пластин, которые турбулизируют поток и интенсифицируют его нагрев, воздух нагревается и затем отводится через выходной патрубок. Такая конструкция позволяет максимально увеличить теплообменную площадь контакта воздуха с абсорбером. При этом перфорированные пластины интенсифицируют теплообмен и служат одновременно для уменьшения коэффициента тепловых потерь от абсорбера в окружающую среду.
Экспериментальные исследования солнечного воздушного коллектора
Экспериментальные исследования солнечного коллектора проводились в натурных условиях на экспериментальном стенде, который включает: солнечный коллектор, вентилятор, электровоздухонагреватель, контрольно-измерительную аппаратуру и запорно-регулирующую арматуру. Солнечный коллектор размещался на специальной опоре, оборудованной механизмом, позволяющим 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 вариации (изменения) температуры воздуха на входе в СК был предусмотрен электровоздухонагреватель.
Измерения
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 радиации измерялась универсальным пиранометром М-80, а ее регистрация осуществлялась с помощью потенциометра КСП-4И.
Скорость ветра измерялась анеморумбомером. Давление воздуха на входе и на выходе из солнечного коллектора измерялось микроманометром ММН и пневмометрической трубкой Pitot-Prandtl. Расход воздуха вычислялся по обратному методу, используя значения средней скорости по сечению воздуховода. Относительная влажность наружного воздуха измерялась аспирационным психрометром МВ-4М; значение относительной влажности воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора определялась в зависимости от разности температур сухого и мокрого термометра.
Для измерения температуры воздуха на поверхности абсорбера СК, а также на входе и выходе из солнечного коллектора использовались хромель-копелевые термопары, подсоединенные к информационно-измерительной системе (ИИС).
Методика исследования
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 50–500 кг/ (ч⋅м2) шагом 30 кг/(ч⋅м2), 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 (угол наклона СК, температура воздуха на входе в коллектор) и вновь проводились замеры всех параметров, варьируя расходом воздуха в тех же пределах и тем же шагом.
Исследования солнечного коллектора проводились для следующих значений угла его наклона к горизонту: 30°, 45° и 60°. Температура воздуха на входе в коллектор при этом изменялась в пределах от 10 до 45 °C с шагом 5 °C. Коэффициент полезного действия (КПД) солнечного воздушного коллектора η, 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:
где Qug — количества полезной энергии, Вт; Qs — количество энергии, поступающей от солнечной радиации на поверхности абсорбера СК, Вт; G — массовый расход воздуха, кг/(ч⋅м2); c — удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг⋅ °C); ti, to — температура воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора, соответственно, °C; Ig1 — интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м2; A — площадь теплообменной поверхности солнечного коллектора, м2. Аэродинамическое сопротивление солнечного воздушного коллектора ΔР определялось по формуле:
ΔP = Pi – Р0, (2)
где Pi, Р0 — давление воздуха на входе и выходе из коллектора, 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 на рис. 1 и 2. Из анализа зависимости КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха (рис. 1) можно констатировать, что в области значений расхода воздуха 50–500 кг/(ч⋅м2) КПД изменяется от 0,41 до 0,80.
Также наблюдается, что с повышением расхода воздуха от 50 до 200 кг/(ч⋅м2) КПД резко возрастает, а при дальнейшем увеличении расхода он изменяется незначительно. Из рис. 2 видно, что с повышением расхода воздуха, проходящего через СВК, его аэродинамическое сопротивление также увеличивается и меняется от 7 до 203 Па при вариации расхода воздуха через коллектор 50–300 кг/(ч⋅м2). Причем при малых значениях расхода 72–250 кг/(ч⋅м2) это увеличение резкое, а при больших значениях расхода воздуха — более плавное.
Также были построены зависимости изменения интенсивности суммарной солнечной радиации, температуры наружного воздуха, температуры воздуха на входе и выходе из солнечного коллектора во времени (рис. 3 и 4). Из анализа этих зависимостей можно сделать следующие выводы:
- 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 один час;
- оптимальный угол наклона солнечного коллектора к горизонту находится в пределах 30–45°, так как при углах больше 45° уменьшается количество солнечной радиации, поглощенной в утренние и послеобеденные часы. Технические показатели исследованного солнечного воздушного коллектора представлены в табл. 1.
Выводы
Из анализа полученных результатов можно констатировать, что такая конструкция позволяет максимально увеличить теплообменную площадь контакта воздуха с абсорбером. Перфорированные пластины интенсифицируют теплообмен и служат одновременно для уменьшения коэффициента тепловых потерь от абсорбера в окружающую среду. В результате КПД солнечного коллектора увеличивается, а его конструкция соответствует требованиям национальных и международных стандартов [1, 2, 9].
