Процессы теплообмена и циркуляции воздуш-ного потока в полигенерационной системе сол-нечного водонагревания

Аннотация

Актуальность: В условиях интенсивного развития систем солнечного водонагревания как устойчивого и экологически безопасного источника энергоснабжения особо важное значение приобретают задачи повышения их тепловой эффективности и обеспечения непрерывности подачи тепла потребителям. При этом процессы теплообмена, в частности зависимость конвективного теплообмена от числа Нуссельта, являются ключевыми факторами, определяющими основные эксплуатационные показатели таких систем. Актуальность исследования состоит в том, что, несмотря на наличие значительного числа работ, посвящённых солнечным водонагревателям, фундаментальные физические механизмы теплообмена, влияние режимов течения на распределение температуры и взаимосвязь этих факторов с тепловой мощностью коллектора раскрыты недостаточно полно. Особенно необходимо разработать более точные и надёжные корреляции для реальных условий эксплуатации, таких как изменение массового расхода, геометрии абсорбера, термофизических свойств рабочего теплоносителя и колебаний солнечной радиации. В этом отношении исследование является актуальным, поскольку предлагает новые методические подходы к описанию процессов теплообмена, повышает точность аналитических и эмпирических моделей и позволяет оптимизировать конструктивные решения солнечных водонагревателей с использованием современных численных методов. Полученные результаты имеют важное практическое значение для обеспечения тепловой стабильности, снижения энергетических потерь и повышения общей эффективности солнечно-тепловых систем.

Цель: Основной целью данного исследования является глубокий анализ процессов теплообмена и естественной и принудительной циркуляции в полигенерационных системах солнечного водонагревания, определение их термогидравлических характеристик и разработка научно обоснованных подходов, направленных на повышение эффективности системы. Особое внимание уделяется изучению формирования естественного термосифонного потока от солнечного коллектора к накопительному баку, стратификации воды, возникновению разности давлений и зависимости интенсивности циркуляции от числа Нуссельта, числа Рейнольдса и изменения плотности теплоносителя.

Методы: В исследовании процессы теплообмена, а также естественной и принудительной циркуляции жидкого и воздушного потоков в полигенерационной системе солнечного водонагревания изучались на основе теоретического анализа, расчётных моделей и численного моделирования. На первом этапе была проанализирована естественная термосифонная циркуляция, возникающая в контуре «коллектор–бак» в результате нагрева воды, уменьшения её плотности, опускания охлаждённых слоёв вниз и вертикальной стратификации в накопительном баке. Разность давлений, вызывающая циркуляцию, определялась исходя из перепада высот между коллектором и баком и изменения плотности воды. Конвективный теплообмен рассчитывался с использованием корреляций на основе чисел Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля. Для интенсификации теплообмена в условиях турбулентного течения в каналах абсорбера применялись шероховатые поверхности и турбулизаторы. Термогидравлическая эффективность оценивалась по соотношению между потерями давления и коэффициентом теплоотдачи. Экспериментальные измерения сопоставлялись с результатами CFD-моделирования в ANSYS Fluent для проверки корректности теоретических моделей.

Результаты: В ходе исследования процессы теплообмена и циркуляции в полигенерационной системе солнечного водонагревания были изучены на основе теоретического анализа, расчётных моделей и численного моделирования. Установлено, что естественная циркуляция возникает вследствие уменьшения плотности воды при нагреве, опускания холодных слоёв вниз и формирования стратификации в накопительном баке. Разность давлений, обеспечивающая циркуляцию, определялась перепадом высот и изменением плотности жидкости. Теплообмен количественно оценивался с помощью корреляций на основе чисел Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля. Усиление теплообмена в условиях турбулентного течения достигалось применением шероховатостей и турбулизаторов в каналах абсорбера. Термогидравлическая эффективность оценивалась по критерию соотношения между потерями давления и коэффициентом теплоотдачи. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами CFD-моделирования в ANSYS Fluent, что подтверждает достоверность предложенных моделей.