Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Разработка и исследование солнечного воздушного коллектора

(0) (6403)
Опубликовано в журнале СОК №6 | 2013

Описана конструкция и приведены результаты экспериментальных исследований солнечного воздушного коллектора (СВК) матричного типа, которая позволяет максимально увеличивать теплообменную поверхность нагрева и площадь контакта воздуха с абсорбером, перфорированные пластины интенсифицируют теплообмен и служат одновременно для уменьшения общего коэффициента тепловых потерь от абсорбера в окружающую среду, что увеличивает КПД.

Рис. 1. Зависимость величины КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха

Рис. 1. Зависимость величины КПД солнечного воздушного коллектора от расхода воздуха

Рис. 2. Зависимость аэродинамического сопротивления 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. 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

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

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].

(0) (6403)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message