автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Усовершенствование режимных и конструктивных параметров гелиовоздухонагревателя в составе систем - утилизаторов тепла путем интенсификации радиционно- конвективного теплообмена

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ШКАРБАЕВ АИ11УР НУРМАГПНБЕТОВИЧ

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕШННХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕЛИОВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЕИ В СОСТАВЕ СИСТЕМ - УТИЛИЗАТОРОВ ТЕПЛА ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РПДИППЧОННО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мпсква

1992

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменних процессов И установок Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор 3. Д. Сергиевский. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б. И. Леончик с Московский технологический институт пицевой промышленности).

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Э. Я. Фальков ( НИИйС, г. Москва).

Бедуцая организация: Московский лесотехнический институт.

Запита состоится "_05_" гиюня_ 1992 г. в мин в ауд.

Г- 410 на заседании Специализированного ученого совета К, 053,16,03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московском энергетическом институте (105835 ГСП, Москва, Е-250. Красноказарменная ул., 14, МЭИ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_05_" _мая_ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат химических наук, доцент

Филиппов

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблема Вопроси, связан-шй с производством и использование« первичных эяергоресурсов, такие как рост себестоимости органического топлива, обострение экологической ситуации, обусловленное загрязнением окружиияей среди топлиЕОиспользухздимн установками, особенно при увеличении маситабов потребления низкосортного твердого топлива, очень остри. Поэтому, становится г.се более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов наряду с внедренной энергосберегающих н эф^жтшнпи технологий.

Диапазон применения возобновляемых источников энергии в на-родохозяйственной практике достаточно ¡впрок: обогрев и охлаждение зданий, сушка сельхозпродукции и различных материалов,опреснение и подогрев води, автономное энергообеспечение я т.д.

На нетрадиционнее источники в обозримой перспективе будет приходиться все болыяе увеличиЕпвдаяся доля в производстве энергии. Например, если в 1987 году она била равна 10 X, то по прогнозу ученых, в £020 году доля нетрадиционных источников энергии должна составить 28 г, и выработка 1 кГггч энергии с использованием таких источников но экономическим оценкам эквивалентна 0,409 кг условного топлива.

С.'»<ог1оц(,'0ио[.,.»1:11'«.ч!!есн источники энергии наиболее рационально »/лгут кмйти приши*»»«* и пнюсредствепной близости от потребителей. и частя .'сти. энергия солшю иожет бить преобразована на соответствую!!»« установках и использована как тепловая. Г^го весь ма г-ахпо. т.к. на долю тепловой приходится около Т1н?х четвертей потреб яяр ной энергии.

Конкурентоспособными по сравнению с традиционными уставов-клми являтеся гелиссуяилгсн для сушки сена, лесоматериалов и сельсютхозяйствевних продуктов. Это перспективное направление использования энергии Солнца, особенно в условиях сухого и паркого климата Средней Лаии, где сдерживающие <1потор» развития уровня использования солнечной энергии. (напритер, зависимость от щ-сме-ни) сказываются не очень сильно и к сегодшнпнену дни в мировой и отечественной практике накоплен большой опт внедрения сушит их установок и устройств. Одним ив простейших примеров таких установок является комплекс (рИС. 1). СОСТОЯЩИЙ ИВ [(>ПИОКОЛЛРЧТГОра (I), вентиляторного устройства (1!) и нот^Очтедя тепловой энергии (Я).

Однако, эффективность работы таких сушильных устройств зависит от температуры, которая может Сыть обеспечена средствами гелиотехники, и ее повышение, достигаемое совершенствованием теплотехнических и конструктивных характеристик составных элементов таких установок, является актуальной научно-технической задачей.

Уровень теплообмена на лучевоспркнимаидай поверхности, следовательно, и степень нагрева теплоносителя, в итоге, и КГЩ всей системы - солнечной установки в целом зависят от конструктивного решения коллектора - основного элемента, где формируются требуемые характеристики, в частности, сушильного агента - воздуха.

Вопросам практического применения гелкосушилок начинают уделять серьезное внимание в 1960 - 1970 годах. На ранних этапах разработки и внедрения таких установок и вплоть до последнего времени по разным причинам не изучались локальные характеристики режима течения теплоносителя в улналах гелионагревателей. Структурное исследование гидродинамического и температурного полей потока теплоносителей позволяло бы найти возможные резервы повышения эффективности работы существуют« установок, следовательно, их модернизации, а также пути разработок новых установок.

Цель работы - выбор путей и средств усовершенствования режимных и конструктивных параметров плоских воздухонагревателей в составе систем - утилизаторов солнечной энергии, в связи с чем в качестве вадач исследования выдвигаются следующие:

1. Разработка математической модели солнечного коллектора

2. Численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих математическую модель исследуемого коллектора;

3. Разработка и создание экспериментальной установки по исследованию радиационно -конвективного теплообмена в гелиоустановках;

4. Проведение экспериментального исследования гелиовоздухо-нагревателя на лабораторной стенде с имитатором солнечного излучения;

5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных результатов исследований;

6. Разработка инженерной методики по усовершенствованию режимных и конструктивных параметров воздухонагревателя - коллектора солнечной сушильной установки.

Научная новивна работы ваклнчается в:

1. Предложи вариант лупевоспришшшгяузй плоской поверхности воздушного коллектора, способствующей существенному росту тепло-

отдачи с поверхности.

2. Проведено 'исследование структуры полей скоростей и температур развивающегося турбулентного течения в плоском канале ге-лиоколлектора.

3. Получены новые данни? по экспериментальному и расчетному исследованию радиационно-конвективного теплообмена на поверхности, профилированной сферическими углублениями.

4. Шлучени новые зависимости по теплообмену в плоских каналах воздушных коллекторов низкопотенциальных гелиоустановок

5. Разработана инженерная методика о г, г« деле кия теплопроиз-водительности воздушного коллектора по оценке термичесюто и зксергетического КПД.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования программ численного расчета и результатов экспериментального исследования при разработке новых и модернизации сулествувдк теплотехнических систем. Аппроксимирующие зависимости могут быть использованы при комплексном анализе режимных и конструктивных параметров гелиоустановок.

Внедрение результатов работ Результаты исследований использованы в методических разработках при выборе теплообмешюго оборудования энергохозяйства промышленного предприятия. Методика численного моделирования сложного теплообмена внедрена в учебный процесс.

Об использовании н внедрении результатов работы имеются соответствующие агаи

Апробация («боты. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на- 1-ой Республиканской научно-технической конференции " Проблемы эффективности в машиностроении Узбекистана " (Ташкент, 1989);

- Научно-практической конференции " Интенсификация и повышение научно-производственного потенциала" (Караганда,1980);

- 3-й Всесоганой научной конференции по проблемам энергетики теп-лотехнологий " Интенсивное энергосбережение в промышленной теп-лотехнологии" (Москва, 1991).

Публикации. По материалам диссертации имеются б опубликовании* работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ия введения, четырех глш>. ваклуппнип, списк« литературы ип 1Г.Ч наименования и приложений на 17 страницах. Работа изложена на 19?! отсшицах матнчопипного текгтч, рклкпяя

рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во б в е д е и и и дается обоснование актуальности теш диссертационной работы,формулируются ее цели и задачи, излагается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе содержится анализ литературных источников во использованию низкопотенцкадьиых теплоэнергетических установок прямого преобразования солнечной радиации в тепловую энергию с помощью плоских воздушных коллекторов.

Шпрокомаептабное использование нетрадицнонних источников энергии в обозримом будущем нуждается в соответствующем уровне совершенства технологий и ресуроо(энерго]сбере»ети1 Немалую роль в атом занимает разработка различных моделей, имитирувдио действительные процессы в исследуешх ойтлчггах.

Отмечайте я, что до последнего вымени в отраслях народного хозяйства, где имелась возможность получения сравнительно дешевых видов энергии, в частности преобразование солнечной в низкопотеициальную тепловую, с^ера научных исследований ограничивалась натурными дорогостоящими экспериментами.

В настоящее время большое внимание уделяется к математическому моделированию процессов, происходящих и в объектах гелиотехники, что является положительным Доктором в деле усовершенствования конструктивного и режимного параметров сушрствувдих теплотехнических установок различного назначения, а также разработки новых элементов и решений.

В подавляющем большинстве случаев исследований тепловой расчет ведется, в основном, на базе одномерного уравнения баланса энергии. При этом, величина такой важной характеристики ,как ко-Э(,'|фициент теплоотдачи, без разделения на составляющие (последние зависят от природы теплообмена), во всех расчетах принимается без всяких оговорок условий рассматриваемой задачи.

Авторам появившихся в последнее время ряда работ справедливо зауечатеся недостатки упрозшшшх расчгхоз, так Н'гдоиустпт; и зпоху повсеместного распространения и внедрения вычислительны* методов и средств. Более точное воспроизведение натутлик усдоий исследусмих процессов на зкеперюгситш&шк и таииншж »идо-лах ь

этих работах достигается

благодаря применении ка'&ствониых ишггатороп .

В расчетных тделпх требования адекватного описышл про-

ц-.'ссов переноса в трактах гелисустаиоЕО!-;, и частности, коллекторов сводится не только к увеличению размерностей решаемых уравнений, но и к постановке Солее "естественного" типа граничных условий, особенно, в уравнениях переноса энергии.

Несмотря на достаточно широкий набор рассмотренных гелио-коллекторкых установок, указывается на трудности численного моделирования, особенно, сопряженных задач нестационарного тепломассообмена, свидетельством коих может служит отсутствие в обзорных трудах:

- сведений о поле скоростей теплоносителей;

- учета отличий условий в различных участках каналов (Ре);

- решения наиболее полной системы уравнений переноса.

Вторая глава поев я дан а разработке математической модели гидродинамики и тепломассообмена в гелиоустановках.

Поводится оценка режимных параметров плоского воздушного гелиокяллектора для оценки гидродинамического режима течения теплоносителя. Па основе выбора определимом критерием числа Гей-нольдса по эквивалентному диаметру канала, выводится условие отнесения течения тому или иному режиму в виде простого выражения: 1!:;Н 4 0,0Г\ свя»нвгнгтего скорость гюпдуха (I)) с выстой воздушного канала (11). Его анализ показывает существование турбулентного режима течения в большинстве применяемых гелиоустановок, что требует соответствующих корректировок в их расчетах.

За основу математической модели двумерного стационарного течения взята система параболических уравнений для недиссипатив-ннх течений жидкости в приближении теории пограничного слоя, состоящая из:

- уравнение Нер.Ч-'р!ЩНПСТИ

Уравнение (I) записано для плоских (к - О) и осесимметрич-пнт (к - I) систем геометрии течении, л котор»« радиус критигчш (. ) по аялнеит °т !:о'Ч'Л1ЧГ)ТЫ *.

- урЧРН'ЧШО ДПИМ'ПИЯ ДЛЯ ЛрОД"ЛЫН'Й СОСТ'тЛЯГОТ'О СКОРОСТИ

р у1»ттг>пи*> (Г) щгмдит пр. кчятп м'к'сгти* сил ил г»|н*л"-лыту»» Г.ЧЧЧГП, ЛПП у*К»ТП уг П 1»'1>"1<»1«'1 Г?»7|1«,*1*'М»'» Г'»|»иг«м|»ту.

- уравнение энергии

/..VI .ТУ1 V "П*

(3)

где 1=Ср.Т -энтальпия среди.

Система уравнений (1)-(3) для конкретной решаемой задачи дополняется уравнением состояния (напр., для воздуха до "Г - 500 К можно принять ^Т - 353), функциями теплофизических свойств, замыкающими соотношениями турбулентного переноса и соответствующими граничными условиями для зависимых переменных.

В работе применен метод контрольных объемов Патанкара-Спол-динга для численного решения (1)-(3). В качестве замыкающего уравнения системы использовалась алгебраическая модель турбулентности Прандтля с учетом поправок, предложенными Ван-Дристом, Симпсоном, Мотулевичем и др.

Интегрирование системы дифференциальных уравнений пограничного слоя сводится к решению канонического уравнения, выведенного путем перехода к новой системе координат, где в качестве поперечной независимой переменной используется безразмерная функция тока. Это уравнение для всех функций-переменных имеет вид:

. (4)

Использование полностью неявной конечно-разностной схемы позволяет добиться устойчивости выбранной расчетной схемы и соблюдения всех законов сохранения как в каждом контрольном объеме, так и во всей расчетной области течения. Аппроксимирующее алгебраическое уравнение для каждого контрольного объема будет содержать значения переменной ф в четырех соседних точках и интегрирование выполняется с прим»;пением метода прогонки (алгоритм трехди-агоналыюй матричной прогонки).

Для реализации решения системы уравнений (1)-(3) согласно составленному алгоритму расчета создана программа на ЭШ (язык программирования - Фортран).

Проведены квалификационные расчеты с целью отработки созданной программы , а также, для использования в качестве средства проверки экспериментальных данных исследований по конвективному и радиационио-конвегаивному теплообмену.

Специфика метода контрольных объемов, применяемого в данной работе, допускает получение устойчивого решения при различных ва-

конах изменения граничных условий по длине расчетного участка. Это достигается возможностью применения линеаризованного граничного потока, особенно в случае граничных условий 3-го рода, свойственных задачам радиационного теплообмена

В качестве примера численного моделирования радиацион-но-конвективного теплообмена рассматривалось обтекание воздушным потоком плоской твердой поверхности, на которую падает радиационный поток от источника солнечного излучения. Одной из причин рассмотрения такой специфической вадачи явилась необходимость сравнения реаультатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными на опытной установке с имитатором. Особенность граничных условий в этой задаче заключается в представлении теплового потока на стенке как сумму конвективного ^ и радиационного ^ слагаемых, с учетом радиационных свойств материала поверхности. Плотность конвективного теплового потока учитывает теплообмен с окружаю®;й средой. Плотность радиационного теплового потока выражается величиной результирующего радиационного потока.

Одной из особенностей радиациопно-'.сонвеотивного теплообмена в солнечных установках является переменность тепловых потоков на теплонапряяенных поверхностях из-за сильной степенной зависимости потока от текущей температуры

Поэтому более точное расчетное моделирование таких процессов требует и более точного представления граничных величин. В численных расчетах применительно плоским солнечным коллекторам-воздухонагревателям была предпринята попытка представления переноса лучистой энергии с возможно лучшей аппроксимацией, учитывая реально существующий "парниковой эффект" в вовдуишом канале. №шз приводятся выражения для рееультирушшнх радиационных потоков в гелиоколлекторе (рис. 2), которые впоследствии были заложены в численный расчет при задании на границах сумтрных тепловых пото-1сов (граничное условие 3-го рода):

(б) (V)

= € С^т (X?- тД

При выводе (6) - (8) приняты метод многократного поглощения и отражения, а тагате допущения в отношения абсорбера, как о сером теле. 11а рис. 3 поддано изменение результпругких радиационных потоков и ^ по длине коллектора, полученное при расчете

гидродинамики и теплообмена в плоском солнечном коллечггорпом модул«, для значения Тц = 644.4 К и постоянной. Объемный расход теплоносителя при атом был равен С = 50 л/с. Для сравнения величин этих потоков заметим, что при тех же исходных данных задачи, но без учета селективности пропускания тлфытпя они имеют заниженные значения до 3 и более раза. Гезультирукчций радиационный поток на прозрачном покрытии меняется но закону, близкому к линейному в обоих случаях.

Сведения об экспериментальной установке по исследованию ра-диацчонно-конвективного теплообмена в гелиоустановках и методике проведения экспериментов содержатся в т р е т ь е й г л а в е работы. Здесь гч приводятся результаты тарировочных экспериментов па начальном этапе эксплуатации установки.

РалрнОотка рекомендации по вь*>ору [*>т<т;ч и конструктивных параметров солнечных коллектора выдвигает и ряд методологических задач, связанных прежде всего с оценкой качества солнечных коллекторов, в том числе и в заводских условиях. Лабораторные "тепловые" испытания в принципе приемлемы для заводских условий, но не могут обеспечить определения всех необходимых характеристик. Натурные испытания весьма трудоемки, требукгг стабильных внешни условий, характерных лишь для летнего периода, поэтому они вряд ли пригодны дли заводских условий. Наиболее перспективным и методически правильным является использование лабораторных стендов с имитаторами солнечного излучения. Испытания на таких стендах не зависят от погодных условий, обеспечивают стационарный режим, а следовательно, менее трудоемки. Применение подобных стендов в сочетании . натурными испытаниями позволит определять эталонные образцы солнечного коллектора каждого вида, с которыми при заводских испытаниях по упрошенной методике может сравниваться аналогичная по конструкции серийно выпускаемая продукция.

Экспериментальная установка для исследования радиацион- . но-конвеетивнбго'телообмена, функциональная схема которой показана на рис. '1, состоит то следующих структурных частей; участок подготовки гидравлического .потока (УГПТ1), участок подготовки теплового потока (. УПТП); рабочий участок(1'У); измерительная система

Рис. Т. Схема гелиоустановки

Рис. 2. Схеуа гслиоколлоктора. 0

I - а'Чсор^ср, 2 - прозрачное покрытие, 3 - воздушный канал, 4 - доннал изоляция, 5 - термодатчики

(ИС); система питания( СП); система обработки экспериментальных

дзнних( СОЗД).

Главным элементом экспериментальной установки является УТТГП, в состав которого входит источник теплового излучения, расположенный таким образом, чтобы удовлетворять как нормативным требованиям, так и режимным параметром приводимых экспериментов.

Б качестве источника теплового излучения используются линейные галогенные лампы накаливания - теплоизлучатели для лучистого нагрева типа КГ-230-2000 с кварцевой оболочкой. Светильник с параболическим отражателем представляет собой имитатор солнечного излучения, где, удовлетворительно для тепловых испытаний, воспроизводятся основные характеристики солнечного излучения, такие, как спектр, уровень облученности (вне атмосферы 1,4 кИт/м*), равноме рность облуче нности.

РУ может быть изготовлен и подключен к комплексу установки как в открытом варианте, так и в закрытом варианте, например,'канального типа. Ограничение на линейные размеры РУ может быть обусловлено размерами выходного сечения УПГП, с которым непосредственно осувествляется стыковка , а также с условием равномерности облучения тепловым потогам и прочих условий эксперимента Исследуемый объект располагается на РУ таким образом, чтобы обеспечить наилучший доступ измерительных датчиков для снятия характеристик исследуемого процесса.

В ИО входят набор датчшсов для измерения температуры - хро-мель-копелевые термопары серии ТХК стандартного изготовления, термодатчик для измерения интенсивности падающей радиации - актинометр, датчики измерения динамического напора - трубки Пито, совмещенные и термоанемометрические датчики. В состав ИС входят также вторичные приборы, куда поступают сигналы от различного рода датчиков. Набор термопар в комплекте позволяет взаиморасположение их в объекте исследования соответствующим образом, а также не создает технические сложности при замене РУ на другой. При намерении не только осредненных, но и пульсационных характеристик гидравлических и тепловых потоков на рабочем участке, используются широко известные и более надежные средства измерения - термоанемометрические система В условиях эксперимента применялись термоанемометрические системы как отечественного (КазГУ, г. Алма-Ата), так и зарубежного (Т31, ОМА; 015А, Дания) производства.

Экспериментальное исследование плоского гелиоколлектора на лабораторном стенде проводилось с целью определения равновесной

- 13 -избыточной температуры лучепоглотитпля • абсорбера коллектора, при!1аллеле.шрй рялу главных определяющих параметров солнечного коллектора. Она является функцией многих переменных и требует определения в каждом отдельном случае для конкретной модели гелио-коллекгора.

Эксперименты проводились при двух уровнях плотности г,ада»-шей радиации 1,05 и 0,'* к&г/м . Показания по температуре, в

местах заделки датчиков , снимались с поюкью вести термопар марки ТХК. Подвергнуты испытанию V вариантов коллекторов с разным числом прозрачных покрытий, геометрических параметров и с отбитым абсорбером. Числовые значения коги.'фкциента полных тепловых потерь (К.) для всех испытанных вариантов представлены, в виде соответствующих диаграмм, на рис. 5. Если ограничиваться прешаганием к. не более 20 X при оценке конкурентоспособности, то, как видно из рис. 5 .среди наилучших вариантов оказывается и коллектор с одним прозрачным покрытием с минимальной, при этом, высотой воздушного канала, равной Н = £5 мм.

Считая оптимальным вариант под номером 1, необходимо отметить, что 2-ой вариант коллектора требует на боковые ограждения в 2 раза меньше изоляционно-арматурного материала, кроне прочих преимуществ, связанных, например, с колг.честьенней разницей в числе прозрачных покрытий. При этом, и уровень дТ для этого варианта находится близко к наилучвему по сравнению с остальными вариантами, в том числе, и с двухстеколышкк.

На основании изложенных выше результатов анализа и оценки других характеристик, для дальнейшего исследования выбраны варианты, занимающие первые три позиции. Для детального изучения других параметров, был выбран вариант коллектора под номером 2, у которого расход теплоносителя через поперечное сечение канала равен таковому у наилучшего варианта по оценке минимальных тепловых потерь.

В четвертой главе проведен анализ существующие способов получения более высоких уровней выходной средней температуры в плоских воздушных гелкоколлекторах.

Рассматривается возможность увеличения теплопроизводитель-юсти плоского воздушного гелиоколлектора путем одновременной ин-•енсификации радиационного конвективного теплообмена на поЕерх-юсти абсорбера. Предложен с этой целью вариант плоского 'Лсорбера, имеудпрго на поверхности сферические углубления.

Проведено экспериментальное и численное иссмдоз&иие гидро--

динамита и теплообмена на поверхности, профилированной сферическими углублениями, как предлагаемого абсорбера воздушных гелио-коллекторов. Сразненпе с .логичными характеристиками потогл для гладкой поверхности подтвердило эМйкт существенной интенсифика-шш не только конвективного теплообмена, благодаря образованию самоорганизующихся вихревых cïpyiîryp, но и радиационного теплообмена за счет улучшения оптических характеристик поверхности.

В качестве иллюстрации, на рис. 6 приведены графики для универсальных профилей температуры в поперечном сечении канала при х = 0,43 ,где наглядно видно отличие в распределении температуры в пограничном слое.

Исследования конвективного теплообмена показывают , что на трехразмерной полусферической-лунке при обтекании ее потоком газа, в значительном диапазоне чисел Рейнольдса формируется столбообразный вихрь с харшггерным поперечным размером порядна радиуса лунки, который одним концом счсренлен с лункой , а другим входит в ядро потока теплоносителя и устойчиво обеспечивает существенный теплообмен меаду лунгай и ядром основного потока, не изменяя при этом степени турбулентности потогл, и следовательно , и гидравлического сопротивления .

Этот фага открывает возможности реализации нового метода интенсификации теплообмена путем нанесения на тепловыделяицую поверхность (абсорбер) тахматно-упорядоченной системы трехмерных углублений, отличающегося от известных методов рядом преимуществ:

- значительное увеличение коэффициента теплоотдачи ;

- незначительное увеличение или постоянство гид(юдинами ческого сопротивления :

- повышение зМх'ктивности теилоеъ»ма с [юотом тепловыделения на '¡«не существенной неизотерчичности поверхности нагрева ;

- простота и надежность конструктивного исполнения.

Укоперименталытое исследование модуля плоского солнечного

коллектора на лабораторном стенде с имитатором солнечного излуче ния про ne депо для глацкого и профилированного эОсорбера.

Совместно? измерение распределения еко[юстей и температур в потоках дает возможность количественно щюаиалищцювать и сопоставить теплообмен в различных областях пограничного слоя , включая r¡nvnifl подсл"й .. 0 той и»льri били !![«>г."Л'Ч1ы тщательные измерении Профилей ОГОрООТИ . Т'-МП'Ч'ОТУГИ . 114 нулм-ЧЧИЙ пОлияи СТ"ШЧ1 плоскою |г/||1'|-л.г| гелЧ'Чтп1Т'(гп'|>-|. Н1Ч1 "том д.-т

1Г<м--р*-чп!П yap'Hrr<-,j'Hi,TP,T 1к>г"Г.'| п 4" i'"'* i"ny»«nv'

Рис. 4. <5уикционольпая охса зксперя^н': К

";лм;эя установки.

И

Ж-<и= 0,7 кЗтД'

£

1

И

1 3 'I 2 5 «> 7

зарианта

Ряс. 5. Коэффициенты полных тепловых потерь коллекторов

Г

¿К''"

/Л 1 л

Л л А

у*

10° 10' шг

Рис. 6. Универсиадьиь'е пробили температуры з сечение х=х«+&1х для гладкого (») и профилированного (-0 абсорберов.

?

- 16 -

го количественного анализа интересующих параметров.

Экспериментальные измерения проводились в трех поперечных сечениях модуля плоского гелисжоллектора, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга в направлении преобладающего движения воздуха со средней скоростью Ц с - 1 м/с. Высота плоского канала равна 0,025 м. Первое поперечное сечение отстоит от начала канала на расстоянии ха» 0,35 м. Абсорбер коллектора одинарного остекления представляет собой плоский лист железа толщиной 0,5 мм и покрыт слоем черной матовой краски. Измерение скоростного и температурного полей теплоносителя производилось с помощью термо-анемометрической системы с однониточным датчиком. Двухканальная термоанемометрическая система (Т31,США) снабжалась дополнительными устройствами, позволяющими осуществлять одновременное измерение, наряду с осредненними, и пульсационных характеристик потока. В качестве дублирующей системы служил измерительный комплекс с совмещенным датчиком, позволяющим одновременное измерение скорости и температуры воздуха Температуры неподвижных частей коллектора, в том числе в экспериментальных сечениях абсорбера,измерялись Ж-термопарами, заделанными в соответствующие точки измерения.. Воздух в коллектор подавался из 01гружакмей среды радиальным вентилятором нагнетательного типа. Солнечная радиация обеспечивалась имитатором-излучателем Перед проведением непосред1 ственных измерений отводилось время на прогрев частей экспериментальной -установки с целью обеспечения ее выхода на стационарный режим. Массовый расход воздуха составлял 10 л/с, что соответствует уровню, практикуемому в большшстве режимов работы солнечных коллекторов. Интенсивность суммарной пздаювдй радиации на поверхность коллектора, измеренная актинометром, составляла порядка с^^ 0,7 к&гЛп2". Количество точек измерений поперек пограничного слоя составляло до 20 ,что позволяет судить о структуре потока .

Как ивестно, при прочих равных условиях, лучшим считается коллектор, у которого достигается более высокий уровень равновесной избыточной температуры абсорбера. Намерение ее в случае профилированного абсорбера дало величину равновесной избыточной температуры порядка дТ- 88"о при 0,7 к&г/т4,что близко к уровню л Т =90, з'с для коллектора с гла/ким абсорбером, когда последнее можно достичь только при с^- 1,05 кВг/т\ т.е. при плотности падающего потока, больней в 1,5 раза. При величине 0,7 кВг/ш*аля гладкого абсорбера достигается АТ- 70.'<'"(!, что намного ниже чем у профилированного абсорбера.

Проведенные измерения показывают, что равновесная избыточная температура абсорбера у профилированной поверхности еы:дз примерно в 1,15 раза. Считая, что коэффициент полных тепловых потерь коллектора является, вообще говоря, характеристикой внешних факторов (количество остеклений, качество изоляции стенок и дна коллектора ит. д.) и одинаков в обоих вариантах, можно допустить, что в таком уровне <5Т скорее всего "заслуга" оптического КПД коллектора и полагать, что большая часть .дГ достигается за счет роста - поглоцательной способности абсорбера. В свою очередь, росту с<.дот с<.л- 0(7Лдо способствуют, по меньшей мере, два фактора. Это. во-первых, увеличение о(л за счет более развитой формы поверхности абсорбера (увеличение плошали) и , во-вторых, это фактор особенности переизлучения в полусферических углублениях.

За счет лучшей теплоотдачи развитой поверхности температура стенки у профилированного абсорбера ниже чей у гладкого , т. е. , перепад от равновесной температуры до "рабочей" больше чем у гладкого абсорбера. Такой вывод подтверждают величина теплового потока на стенке, а также значения Л и З^к.

Проведено численное моделирование течения в плоском канале гелиоколлектора с профилированным абсорбером. Предполагая, что эффект увеличения теплоотдачи при незначительном изменении трения на стенке есть следствие увеличения турбулентного, теплообмена, в модели турбулентности внесены соответствующие поправки, например, приводящийся к увеличению коэффициента турбулентной теплопроводности. С этой целью подбиралась поправка для Рг^- , к примеру, увеличивающая в 1,4 раза при численном моделировании течения в плоском воздушном коллекторе. Меньший уровень (в среднем, на 7 К на выходе из коллектора) температуры стенкл в случае профилированного абсорбера по сравнению с гладким, является подтверждением аналогичного факта, наблюдавшегося в соответству-щих экспериментах. Рост коэффициента теплоотдачи при этом составлял 14 % .

На основе параметрического исследования математической модели исследуемого процесса удалось вывести обобщающую зависимость для местного коэффициента конвективной теплоотдачи абсорбера солнечного коллектора в виде

- 1С -

Тогда средний коэффициент теплоотдачи для длины расчетного участка равен - 1^14'oLxaVj.

Формула достаточно точно описывает расчетные значения коэффициента теплоотдачи в диапазонах исследованных характеристик воздушного плоского коллектора: для скорости воздуха - до 4 м/с; интесивности падающей солнечной радиации от 0,7 до 1 кВг/мг. •

Повышенный теплосьем абсорбером радиационного тепла такие является одной из положительных характеристик профилированного абсорбера.

Для определения теплопроизводителыюсти плоского воздушного коллектора и оценки термического КПД его было проведено параметрическое исследование многомерных зависимостей.

Как показывают расчеты по вычислительному моделированию течения в воздушном плоском коллекторе, существует однозначная закономерность связи между приростом среднемассовой температуры по длине, скорости теплоносителя и длиной коллектора."L . '

Расчеты, проведенные с помощью программы на ЭВМ методом наименьших квадратов, позволяющей обосновать возможность такого выбора, показали на Функцию связи в виде

VJL°'W

1 = Lc,040/a + 0,0v; > (10)

где коэффициенты определены с погрешностью не более 4,5 7- Обнаруживается более сильная зависимость КТЩ от скорости воздуха для больших длин коллекторов. Но, следует отметить при этом , возникновение нежелательного роста гидравлических сопротивлений, требующего увеличения мощностей ua прог-ачку.

В целом, выражение (10) может служить наглядным средством при комплексной оценке выбора рассмотренного вида коллектора как в стадии проектирования, так и для анализа существувдих систем Методика расчета, изложенная выио, моялет применяться с определенным успехом при математическом моделировании процессов в аналогичных типах устройств, и не только в случае плоских солнечных коллекторов.

Численное моделирование нестационарного сопряженного теплообмена проведено решением системы дифференциальных уравнений эллиптического типа для плоского попдушного коллектора с абсорбе-ром-аю?умулятором. Удовлетворительные согласования с вкспернмен-тальными данными других авторов по измерению температури воздуха и коллегаоре достигнуты благодаря использованию аппроксимирующей

зависимости для интенсивности солнечной радиации от времени и географической широты местности в виде простого соотношения:

Эксергетическкй анализ КШГ плоского коллектора проведен с целью выбора оптимальных температур абсорбера и воздуха в коллекторе, позволяющие достичь максимального при атом КПД эксе;,,"::::. Получены аналитические зависимости между параметрам:: коллектора.

Основные результаты работы и выгоды

1. Установлено- перспективность использования нетраднцио источников энергии в системах по использованию низкопотенциального тепла, в особенности, для сушки различных продуктов, с применением сравнительно дешевых нагревателей воздуха - гелпсколлекторов.

2. Для проведения исследования различных типов гелнсколлек-торов создан испытательный стенд, оснащенный имитатором солнечной радиации на Сазе галогенной лампы накаливания,измерительным комплексом термопарных, термоанемокетрпческнх, гидродинамических и радиационных измерений.

3. Разработана вычислительная программа расчета лскалькюс характеристик гидродинамики и теплообмена в гелиоколлекторах при различного рода граничных услоьий сложного теплообмена.

4. Получены новые зависимости для граничных условий радиационных потоков с учетом селективных оптических свойств прозрачных покрытий.

5. Проведены параметрические исследования рекнмных и конструктивных характеристик гелиоколлектора, на основании которых сделаны выводы по оценке теплового совершенства гелиоколлектора и предложены зависимости для теплового и эксергетического КПД, представленные в виде аналитических связей основных параметров гелиоколлектора.

6. Исследован новый тип интенсификации конвективного и ра-диационно-конвективного теплообмена в гелиоколлекторах.

7. Для предлагаемого типа абсорбера коллектора экспериментально получено увеличение критерия на 87 % и больше по сравнению с гладкой поверхностью при практически неизменных т; птах касательного напряжения на стенке к перепаде давления, что приводит к увеличению оптического КПД коллектора на 10 X, Для профилированной поверхности обнаружено появление двух локальных максимумов в профиле пульсационных скоростей в отличие от случая для

обычных поверхностей.

В. Предложи метод расчета локальных и структурных характеристик потоков в гелиоколлекторах, позволяющий оценить тепловое совершенство вновь разрабатываемых и существующих гелиоколлекто-роь в составе систем использования солнечной энергии.

Основные полегания работы изложены в следующих публикациях:

1. Косенков Е. И. , Кошкарбаев А. Н. , Сергиевский Э. Д. Повышение эффективности теплотехнологических установок струйно-пористым вдувом // I Респуб. научн. -техн. коиф. Проблемы эффективности в машиностроении Узбекистана: Тез. докл. - Ташкент. , 1989. - С; 123.

2. Косенков Б. И. , Кошкарбаев А. К , Сергиевский Э. Д. Совер-шествоьание Футероьок ограждений комбинированным охлаждением // Интенсификация и повышение научно-производственного потенциала: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Караганда. , 1939,- С. 123.

3. Мотулеьич К П. , Сергиевский 3. Д. , Яновский Л С. , Кошк&р-баев А. Н. Турбулентный тепло- и массообмен в потоках при наличии химических реакций // Изв. АН ТССР. Сер. физ. - техн. химич. и геолог, наук. - 1939. - К- 5 - С. 46-49.

4. Расчеты задач пограничного слоя / Э. Д. Сергиевский, А. Ш. Алимгазин, К И. Косенков, А. И. Кошкарбаев; Под ред. А. Л. Ефимова.- М.: Изд-ьо Моск. энерг. ин-та, 1991. - 83 с.

5. Сергиевский 3. Д. , Кошкарбаев А. П. , Сансьвбаев К. 1С. Результаты .лабораторных испытаний плоских солнечных коллекторов //3-я Всесоыз. научн. конф. по проблемам энергетика теплотехноло-гий: Тез. докл.- М. , 1951.- С. 73.

(3. Яновский Л. С. , Конатарбачв А. II. Численное моделирование процесса термического разложения углеводородов при турбулентном течении в обогреваемых извне каналах // Сб. науч. тр. / Моск. энерг. ин-т.- 1990.- Иль 239,- С. 9 17.

■По,,..»».,,, к „,-•„,., ^ „

"Печ л |и|иж 'СО | • -¡'/р Ьпплапю

I н чч рафия .М^П, Крлгиока^рмгннпя, 13