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.

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.

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.

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.

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.

 

Рис. 127. Схема (а) и поперечное сечение (б) 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;

qс – 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).

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.