Емкостные текстильные теплообменники для солнечного нагрева воды

УДК 662.997

Емкостные текстильные теплообменники для солнечного нагрева воды.

Л.И.ЖМАКИН, И.В.КОЗЫРЕВ 

Для умеренного солнечного нагрева  воды перспективны емкостные радиационно-конвективные теплообменники (коллекторы), одновременно являющиеся и аккумуляторами теплоты. Их энергетическая эффективность несколько ниже, чем у коллекторов проточного типа, но они выигрывают благодаря своей конструктивной простоте, надежности и меньшей стоимости. Емкостные коллекторы находят применение в первую очередь, у сезонных потребителей горячей воды в санаторно-курортном, гостиничном и частном жилищном секторах. На кафедре «Промышленная теплоэнергетика» текстильного университета разработаны опытные образцы эластичных емкостных коллекторов из водостойких технических тканей с полимерными покрытиями и исследованы их теплотехнические характеристики.

 Коллекторы представляют собой  герметичные оболочки, сваренные  термическим способом из водонепроницаемой тентовой ткани черного цвета с двухсторонним ПВХ покрытием. Для их изготовления использована ткань марки «Unisol – 630», выпускаемая южнокорейской фирмой «Hanwha». Эта ткань имела толщину 0,53±0,02 мм и поверхностную плотность 630±0,4% г/м²; а её основой служили полиэстеровые нити 1100 дтекс. По данным изготовителя такая ткань работоспособна в диапазоне температур –30…+70^оС и  выдерживает давление воды до 3 бар. Нами были определены некоторые теплофизические  свойства ткани «Unisol – 630». Коэффициент теплопроводности был измерен стационарным методом плоского слоя [1]; при температурах +30…50^оС его величина изменялась в пределах 0,53…0,65 Вт/м гр. Степень черноты ткани, найденная с помощью инфракрасного пирометра ТРТ 64Р фирмы «Agema infrared systems», составила 0,89…0,92.

Конструктивно текстильные солнечные  коллекторы представляли собой плоские емкости прямоугольной формы с размерами 1320х640х80 мм и габаритной площадью 0,84 м². Герметичность обеспечивалась сваркой текстильных полотен внахлест горячим воздухом. После сварки емкости оппрессовывались водой под избыточным давлением 30 кПа, рабочее давление воды во время экспериментов обычно не превышало 20 кПа. Опытные образцы коллекторов имели штуцеры для подачи воды и удаления воздуха, а также специальный щуп, на котором во внутренней полости были смонтированы 4 термопарных датчика, измерявшие распределение температур в жидкости по высоте.

Особенность эластичных коллекторов  емкостного типа состоит в том, что  они всегда устанавливаются горизонтально  на опорной поверхности и прогреваются солнечным излучением сверху, т.к. иначе возможна существенная деформация их формы. Однако в этом случае в жидкости наблюдается состояние гидростатического равновесия, в ней не развивается свободная конвекция, а перенос теплоты может осуществляться только теплопроводностью, что значительно ухудшает динамику прогрева. Для решения данной проблемы нами был предложен метод интенсификации нестационарного нагрева воды за счет ее перемешивания и струйного натекания на обогреваемую поверхность коллектора. С этой целью во внутренней полости коллектора был установлен погружной микронасос с электроприводом постоянного тока, работающим от солнечной фотобатареи. Батарея имела 24 круглых фотоэлемента из монокристаллического кремния диаметром 100±1 мм и толщиной 0,5 мм, соединенных последовательно. Размеры батареи 640х425 мм, напряжение холостого хода около 12 В.

На рис. 1 приведена схема циркуляции жидкости в емкостном коллекторе и конфигурация распределительной сети, а на рис. 2 – напорные характеристики насоса и сети. Характеристики микронасоса – напор, мощность двигателя и КПД в зависимости от подачи получены экспериментально на лабораторном стенде. В опытах фотобатарея развивала напряжение под нагрузкой 9,4…9,7 В, мощность электродвигателя насоса составляла 2,1…3,1 Вт, а его обороты были близки к номинальным. Напорная характеристика сети определена расчетным путем с помощью приближенного полуэмпирического метода [2], основанного на уравнениях энергии для разделяющихся потоков. Вычисления напоров и объемных расходов воды на участках сети проводились методом итераций. Получены следующие значения параметров рабочей точки циркуляционной системы: V=202,8 л/час и Н=0,164 м.

Экспериментальные исследования теплообмена  в емкостных коллекторах проводились в натурных условиях в мае-июле 2011 г. при ясной безоблачной погоде в период с 9⁰⁰ до 14⁰⁰.  Общий вид стенда показан на рис. 3.

В опытах фиксировались зависимости  от времени суммарной солнечной  радиации, поступающей на поглощающую  поверхность коллектора, а также  температур воды в разных точках по высоте ее слоя и температур на поверхностях ткани. Автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин была выполнена на основе промышленных контроллеров ТРМ 101 и ТРМ 10 фирмы «Овен», которые имели несколько аналоговых измерительных входов, для подключения хромель-копелевых термопар и пиранометра. Связь контроллеров с персональным компьютером осуществлялась через порт RS - 485. Система сбора опытных данных была оснащена программой, позволяющей с заданной периодичностью регистрировать и архивировать измеренные величины. По экспериментальным данным рассчитывались количества теплоты, поступившей к жидкости в разные моменты времени, и КПД емкостного солнечного коллектора η.

Для описания полученных результатов использовалось уравнение Уиллера-Хоттеля-Блисса [3]

,                                                               (1) 
где F^’ и η_о – эффективность эластичной поглощающей панели и ее оптический КПД, U_L – полный коэффициент потерь тепла, Е – плотность потока солнечной радиации,  t_ср и t₀ – средняя температура жидкости и температура наружного воздуха, – приведенная температура. Экспериментальная зависимость показана на рис. 4.

Уравнение (1) устанавливает линейную связь между КПД емкостного коллектора и приведенной температурой при  условии, что коэффициент тепловых потерь является постоянным. Комплексы и являются основными теплотехническими параметрами этого коллектора; их значения, полученные при обработке опытных данных методом наименьших квадратов, оказались равными 0,719 и 16,43, соответственно.

На  стенде, представленном на рис. 3, были также проведены эксперименты по измерению коэффициента тепловых потерь емкостного коллектора. По существу, он представляет собой эффективный коэффициент теплопередачи между нагретой водой и окружающим воздухом, отнесенный к активной поверхности теплообменника, поглощающей солнечное излучение. Для его измерения использовался метод регулярного режима охлаждения [4]. Текстильная емкость, заполненная водой, сначала нагревалась за счет энергии Солнца; затем перемещалась в лабораторное помещение, где остывала в течение длительного времени при отключенной системе циркуляции. В опытах автоматически регистрировались температуры воды в различных зонах коллектора, по их зависимости от времени рассчитывался темп охлаждения жидкости и находился коэффициент потерь тепла

, где                                                                     (2)

В уравнениях (2) М_ж и с_р – масса и теплоемкость воды в емкостном коллекторе, – ее избыточная температура, τ – время, m – темп охлаждения, F – активная поверхность коллектора.

Всего было проведено 5 экспериментов  по охлаждению емкостного коллектора с водой, в которых коэффициент потерь теплоты изменялся в диапазоне 17,4…20,4 Вт/м²гр. Его среднее значение равно 18,8 Вт/м²гр, максимальное отклонение от среднего 8,5%, а среднеквадратичное – 3,4%.

С помощью полученных нами опытных  данных была рассчитана эффективность текстильной поглощающей панели, присутствующая в уравнении (1); ее величина составила F’ =  0,87. Этот параметр обычно интерпретируется как отношение двух коэффициентов теплопередачи: «нагреваемая жидкость – наружный воздух» и «стенка панели - наружный воздух» [3]. С использованием такого подхода были сделаны косвенные оценки коэффициентов теплоотдачи для воды, омывающей обогреваемую текстильную поверхность коллектора. В условиях натурных экспериментов при включенной циркуляционной системе они изменялись в пределах 120…150 Вт/м²гр.

Таким образом, экспериментальные  исследования показали, что описанный выше текстильный солнечный коллектор емкостного типа, не имеющий корпуса, обладает удовлетворительными теплотехническими характеристиками. Он позволяет за первую половину дня получить около 70 литров воды подогретой до 40-45^оС при среднем КПД  за этот период 0,36…0,40.

Литература

1. Жмакин Л.И., Козырев И.В., Кирокосян К.А., Черных М.В., Экспериментальное исследование теплопроводности тканей, используемых для рабочей одежды // Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2009, №2с,  с. 16-18.
2. Меерович И.Г., Мучник Г.Ф., Гидродинамика коллекторных систем, М., Наука, 1986, 144 с.
3. Duffie J.A, Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, 2 Ed., J.Wiley & Sons, USA, 1991, 919 p.
4. Теория тепломассообмена // Под ред. Леонтьева А.И., М., Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997, 683 с.