Одним из способов повышения показателей солнечного коллектора является обеспечение равномерности потока теплоносителя в коллекторе. В первую очередь, это отно­сится к воздушным гелиоколлекторам. Определяя расчет­ным путем поля скоростей и температур для различных схемных решений, методом последовательных приближе­ний можно установить оптимальное решение этой задачи. Для этого надо решить уравнения конвективного теплооб­мена в коллекторе.

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений, описывающих процесс тепломассообмена в воздушном коллекторе. Среду полагаем несжимаемой и без внутрен­них источников теплоты или массы. Кроме того считаем, что масса переносится только за счет концентрационной диффузии и конвекции. При умеренных скоростях в при­ближении теории пограничного слоя имеем [69]:

— уравнение неразрывности

дх ду

уравнение движения

Если гравитационные силы малы, продольный гради­ент давления Эр/Эя; = 0, теплофизические свойства среды полагаются постоянными, то система уравнений принима­ет вид

divpir = 0;	(1.195)
Dw 2 —— = oV ; Sr	(1.196)
— = DV2C; Эт	(1.197)
Dt о — = aV t. St	(1.198)

Идентичность записи трех последних уравнений отра­жает факт подобия процессов переноса количества движе­ния, массы и энергии.

В уравнениях (1.191)-(1.198) приняты обозначения: w, w — составляющие скорости; р — плотность; т — вре­мя; р — давление; gx — ускорение свободного падения; р — динамическая вязкость; С — удельная концентрация; D

— коэффициент молекулярной диффузии; Ср — средняя удельная изобарная теплоемкость; X — теплопроводность; а — температуропроводность; D — субстанциальная произ­водная; V2 — оператор Лапласа.

Расчеты выполнены с помощью лицензионного при­кладного программного пакета Phoenics (версия 3.5) фир­мы СНАМ (Великобритания).

Схема воздушного коллектора приведена на рис. 1.28.

Размеры коллектора:

длина (координата х) 1,9м;

ширина (координата у) 0,9м;

высота (координата z) ширина щелей (координата у)

\

Рис. 1.28.

Схема воздушного гелиоколлектора

Температура поступающего в коллектор воздуха t = 20 °С.

Приведенные обозначения означают следующие вари­анты расчета (входная скорость, м/с, — температура дна, °С, которая может иметь два значения): 2-50; 2-30; 2-50-30; 5-50; 5-30;5-50-30;8-50; 8-30; 8-50-30.

При численном моделировании использовалась расчет­ная сетка:

50 ячеек вдоль канала (координата х) с равномерной разбивкой;

126 ячеек по высоте канала (координата г) со сгущени­ем сетки около дна и крышки канала (показатель 1, 2);

1 ячейка по ширине канала (координата у) для модели­рования псевдодвумерного течения.

По результатам расчетов построены графики измене­ния скорости, статического давления и температуры пото­ка теплоносителя в коллекторе (рис. 1.29-1.43).

Анализ полученных данных позволяет сделать следую­щие выводы.

На начальном участке канала скорость потока по высо­те коллектора очень неравномерна (рис.1.29, 1.34 и 1.39). В дальнейшем поле скорости выравнивается, и вблизи выход­ного сечения профиль ее близок к равномерному. С увеличе­нием скорости на входе в канал растет неравномерность ее как по сечению канала, так и по ходу течения потока. Сле­довательно, при росте напора воздуха, поступающего в кол­лектор, надо увеличить размеры входных и выходных щелей.

Рис. 1.29.

Профили продольной состав­ляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по дли­не канала (координата х). На­чальная скорость потока 2 м/с

Рис. 1.30.

Изменение статического дав­ления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с

Рис. 1.31.

Профили температуры

по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата ос). Начальная скорость потока 2 м/с, температура дна 50 °С

Рис. 1.32.

Профили температу­

ры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (ко­ордината х). Начальная ско­рость потока 2 м/с, темпера­тура дна 30 °С

Рис. 1.33.

Профили температуры по дли­не коллектора (координата х) в сечении z = 0,014 м при раз­личных температурах дна. Начальная скорость потока 2 м/с

Рис.1.34.

Профили продольной состав­ляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по дли­не канала (координата х). На­чальная скорость потока 5 м/с

Рис. 1.35.

Изменение статического дав­ления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с

Рис. 1.36.

Профили температу­

ры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (ко­ордината х). Начальная ско­рость потока 5 м/с, темпера­тура дна 50 °С

г, м

 

Рис. 1.37.

Профили температу­

ры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (ко­ордината я). Начальная ско­рость потока 5 м/с, темпера­тура дна 30 °С

Рис. 1.38.

Профили температуры по дли­не коллектора (координата х) в сечении г = 0,014 м при раз­личных температурах дна. Начальная скорость потока 5 м/с

Рис. 1.39.

Профили продольной состав­ляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по дли­не канала (координата х). На­чальная скорость потока 8 м/с

Рис. 1.40.

Изменение статического дав­ления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 8 м/с

Рис. 1.42.

Профили температу­

ры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (ко­ордината х). Начальная ско­рость потока 8 м/с, темпера­тура дна 30 °С

Рис. 1.43.

Профили температуры по дли­не коллектора (координата х) в сечении г = 0,014 м при раз­личных температурах дна. Начальная скорость потока 8 м/с

X, м

 

Закономерность изменения статического давления (рис. 1.30, 1.35 и 1.40) мало зависит от скорости поступаю­щего воздуха. В начале канала происходит отрыв потока, что объяснимо резким изменением проходного сечения от щели к коллектору. Отрывные явления сопровождаются потерями энергии, поэтому рекомендуется края выходного сечения щели делать закругленными.

Профили температуры по высоте коллектора (коорди­ната z) и длине канала (координата х) мало зависят от на­чальной скорости потока и от температуры теплоотдающей пластины коллектора. В начале сечения коллектора для всех анализируемых вариантов температура воздуха равна 20 °С, но по мере продвижения по коллектору она растет: при температуре пластины 30 °С — до 25 °С, а при темпера­туре пластины 50 °С — до 30 °С (рис. 1.31 и 1.32, рис. 1.36 и 1.37, рис. 1.41 и 1.42). С увеличением скорости потока уменьшаются интенсивность нагрева и степень равномер­ности нагреваемого воздуха.

В каждом конкретном случае, учитывая функциональ­ные характеристики коллектора, можно определить его оптимальные конструктивные и режимные параметры.