Солнечные, гелио сушилки
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)

Перспективные конструкции солнечных воздухонагревателей

Существующие солнечные пленочные воздухонагреватели (СВН) собраны из концентричных рукавов (рис. 123), причем внутренний выполнен из черной пленки (абсорбер), а наружный из – прозрачной. Их тепловой КПД () не превышает 0,6.

Сечение теплообменных каналов пленочного солнечного воздухонагревателя.

а – типа «труба в трубе»; б – с плоским абсорбером; 1 – абсорбер; 2 – покрытие

Рис. 123. Сечение теплообменных каналов пленочного солнечного воздухонагревателя.

Повышение КПД и тепловой мощности с СВН может быта достигнуто за счет увеличения удельного расхода воздуха через каналы абсорбера. Однако этот путь ограничен величинам аэродинамического сопротивления СВН и напора вентилятора. Поэтому оптимальная конструкция СВН с наибольшей пропускной способностью должна иметь наименьшее аэродинамическое сопротивление. Этому условию удовлетворяет конструкция рукавов с плоским абсорбером, расположенным горизонтально (рис. 123). В этом случае не требуется дополнительных устройств для регулирования расхода воздуха в смежных каналах. Малое сопротивление проходу воздуха позволило снизить диаметр рукава для увеличения скорости потока и усиления конвективной теплоотдачи. Кроме того, площадь поверхности поглощения здесь максимальна. Такая конструкция не имеет металлических деталей, легко транспортируется. При изготовлении воздухонагревателя черную и прозрачную пленки проваривают одновременно.

Фрагмент такого СВН (рис. 124) из 3-х параллельно размещенных рукавов диаметром 20 мм из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм, длиной 4 м, площадью поверхности (Н) равной 2,52 м2, включенных по схеме Z, испытан как отдельно, так и вместе с параллельно включенными рукавами другой конструкции в средних широтах.

Фрагмент коллектора солнечного воздухонагревателя.

Рис. 124. Фрагмент коллектора солнечного воздухонагревателя.

Наблюдалась относительно высокая пропускная способность СВН: при давлении на входе 40 Па и наличии измерительного сужающего устройства на выходе удельный расход воздух (V/Н ) составил 140 м3 на 1 м2 в час. При температуре атмосферного воздуха (ta) равной 22°С интенсивности солнечной радиации (I) – 630 Вт/м2 воздух нагревался на 12°С, удельное тепловосприятие (g) доходило до 470 Вт/м при КПД=0,7.

Температурный режим выходного участка СВН при расходе воздуха (V) равном 260 м3/ч ta = 22,2°С, I = 520 Вт/м2. При этом q =372 Вт/м2, средняя температура нагретого воздуха t = 32,8°С. Видно, что в отличие от входных участков канала тепловой поток у поверхности покрытия направлен от воздуха к пленке.

Профили температур воздуха в канале воздухонагревателя.

Рис. 125. Профили температур воздуха в канале воздухонагревателя.

Расслоение потока по высоте рукава здесь проявляется в меньшей степени вследствие относительно высокой скорости его, малого диаметра (0,1 м) и относительной длины канала. Тем не менее, влияние подъемного движения нагретого воздуха приводит к увеличению конвективной теплоотдачи от абсорбера в верхней части рукава и к снижению в нижней. Недостаток такого воздухонагревателя – неразвитая поверхность конвективного теплообмен может быть устранена за счет устройства турбулизирующих складок (выступов) с обеих сторон абсорбера.

Предлагаемая конструкция СВН имеет достаточно высокие показатели тепловой эффективности.

В журнале «Вild dег Wissenschaft» № 2, 1983 г. (ФРГ) помещена схема солнечного коллектора, разработанного г. Дицке. Коллектор имеет высокий КПД. Состоит (рис. 126) из стеклянного ящика с двумя пакетами, из пластмассовых капилляров, вложенными внутрь его. Пакет, обращенный к солнечным лучам, сделан из прозрачной пластмассы, находящийся по ним – из черной (для лучшего поглощения теплоты). Один квадратный метр такого капиллярного пакета имеет площадь теплообмена около 100 м2. Воздух даже в прохладные дни нагревается до 140°С, а если использовать стеклянные капилляры до – до180°С. За 1 ч коллектор дает 6... 15 кг горячего воздуха, который можно применять для отопления или подогрева воды для технологических нужд.

Схема коллектора.

Рис. 126. Схема коллектора.

При испытании коллектора воздух нагревался до 132,6°С, при температуре окружающего воздуха – 5°С.

В Армении разработан солнечный коллектор (рис. 127, который содержит корпус 1 с теплоприемной стеклянной поверхностью 11, задней стенкой и примыкающим к ней слоем изоляции 10, тепловые грубы 2 ребрами 3 и 6, разъемный теплообменник 8 с внутренней теплоизоляцией 7, соединительными фланцами 5 и нижним раздвижным дном 4. В нем выполнены прорези – установочные ячейки для тепловых труб. Часть труб установлена параллельно теплоприемной поверхности, а остальные – под углом к ней.

 Схема (а) и поперечное сечение (б) солнечного коллектора

Рис. 127. Схема (а) и поперечное сечение) солнечного коллектора (обозначения в тексте).

Для обеспечения полной герметизации полости теплообменника тепловые трубы ячейках нижнего раздвижного дна смонтированы с помощью втулок, а прорези закрыты съемными плоскими заглушками. Кроме того, дно теплообменника сверху и снизу утеплено.

Лучи солнца, проникающие через поверхность 11, поглощаются ребрами 3 и нагревают жидкий теплоноситель, которым заправлены трубы 2. Последний, испаряясь, поднимается, заполняя конденсационные зоны труб, отдает теплоту воздуху, циркулирующему в полости теплообменника 8, конденсируется и возвращается в нижние полости труб.

Поверхность теплообменника, обращенная к солнцу, покрыта черной краской и не имеет теплоизоляции, благодаря чему в период солнцестояния нагревается и передает проходящему через полость теплообменника воздуху дополнительное количество теплоты.

На данных установках была проведена опытная сушка листьев манго (методический эксперимент), чая и муки маниоки и были получены положительные результаты.

В натурных условиях проведено испытание переносной сушильной установки со стеклянным покрытием, где осуществлялась сушка маниоки.

Дальнейшие исследования сушильных установок были сосредоточены на двух основных направлениях: сбор и обобщение экспериментального материала и разработка, на основе этих данных, конкретных конструкций для их практического использования в хозяйстве Гвинейской Республики.

В качестве конкретных видов сельскохозяйственной продукции, требующих применения солнечных сушильных установок, были выбраны чай и мука, маниока, как наиболее широко обрабатываемые в стране с применением тепловых процессов.

Детальный анализ технологической схемы процесса термической обработки чая на фабрике в г. Масента позволил определить технически возможные и экономически целесообразные области применения солнечных сушильных установок на данном предприятии. Результаты натурных испытаний в июле-августе 2001 г. показали принципиальную правильность решений, заложенных в основу конструкций переносных сушилок. В ходе экспериментов измерялось поле температур внутри сушильной камеры, опробовались различные режимы ее вентиляции. Сушке были подвергнуты три вида продукта переработки маниока; клубни маниока, предварительно очищенные и разрезанные в среднем на равные части; паста маниока, отжатая вручную; паста маниока, отжатая на прессе с исходной влажностью при подаче в сушильную камеру – 45%.

С целью текущего контроля влагосодержания продукта в процессе сушки (потеря массы из-за обезвоживания) регулярно производилось взвешивание общего количества продукта по всем трем указанным выше видам, а также контрольных партий.

Учитывая нестабильность солнечной радиации во время проведения испытаний, эксперименты проводились в течение нескольких дней. Отдельно контролировалась сушка отжатой пасты, по которой удалось получить конечную влажность менад 10% втулки труб, заглушки и освободившееся раздвижное дно теплообменника. После этого любую тепловую трубу без разборки другой части коллектора можно вынуть через верхний просвет корпуса. Сборку выполняют в обратной последовательности.

Модульная конструкция солнечных коллекторов для каждого конкретного технологического процесса с заданными производительностью и расходом воздуха позволяет скомпоновать соответствующую гелиоустановку. Определяющей при этом является температура теплоносителя на выходе из коллектора. Необходимая температура достигается комбинацией последовательных и параллельных соединений коллекторов. Число последовательно соединяемых модулей определяется из выражения

, [66]

где: Твых – необходимая температура теплоносителя на выходе из коллектора;

Твх – температура воздуха на входе в коллектор;

∆Т1 – перепад температур в первой модуле;

Кср. – коэффициент, зависящий от температуры и расхода теплоносителя, определяемый экспериментальным путем.

Перепад температур Т в первом модуле можно определить в соответствии с соотношением:

, [ ]

где: – КПД модуля;

– плотность теплового потока;

Iи – .длина теплового испарителя;

Ip – половина ширины ребра;

d – диаметр трубы;

n – число тепловых труб в модуле;

Z – n расход теплоносителя в одном модуле;

Сp – теплоемкость.

Число рядов параллельно соединенных модулей подсчитывается по формуле

, [ ]

где: Zобщ. – общий расход теплоносителя.

Общее число N модулей в гелиоустановке

. [ ]

Экспериментальными исследованиями установлена зависимость среднего перепада от входной температуры Твх при различных расходах Z теплоносителя (рис. 128).

Зависимость среднего периода ∆Тi от входной температуры Тв

1 – 100 м3/ч; 2 – 132 м3/ч; 3 – 170 м3/ч; 4 – 230 м3/ч; 5 – 300 м3/ч; 6 – 386 м3/ч; 7 – 500 м3/ч.

Рис. 128. Зависимость среднего периода ∆Тi от входной температуры Тв, при расходах Z теплоносителя.

Из рисунка видно, что с увеличением Твх, при различных расходах Z перепад уменьшается, стремясь к нулю.

Наиболее эффективные температуры на входе в коллектор до 34°С, после чего ∆Т резко снижается.

Для разработанного коллектора необходимый перепад температур на выходе из модуля можно получить при температурах входного воздуха Твх до 51,4°С при Z=170 м3/ч; Твх до 49°С при Z=230 м3/ч и т. д.

При Твх =Твых желаемая температура теплоносителя выше отмеченных пределов должна быть достигнута не увеличением числа последовательно соединенных модулей, а уменьшением количества теплоносителя.

Значение коэффициента К определяется по выражению

, [ ]

где ∆Тi – перепад температур теплоносителя в i-м последовательно соединенном модуле; ∆Т1 – перепад температур в первом модуле; п число последовательно соединенных модулей.

Для значения Tвх – 34°С Кср = 0,80... 0,86.

Производственные испытан опытного образца коллектора показали производительность за 1 ч чистой работы – 4,23*105 КДж/ч; количество обогреваемого в одном модуле воздуха – 50,0 м3/ч; тепловая мощность одного модуля – 0,7 кВт; перепад температур 20...25°С; КПД – 0,5.