Основные публикации по солнечной энергии

Аккумулятор со слоевой теплообменной насадкой

В аккумуляторе со слоевой насадкой (галечной или каменной) используется теплоемкость слоя специального свободно уложенного материала, через который прокачивается теплоноситель, обычно воз­дух, отдающий слою или отбирающий от него тепло. Из большого чис­ла разнообразных твердых материалов, пригодных для этой цели, наи­более широко используется камень.

Удачно спроектированные слоевые насадки из камней обладают рядом характеристик, позволяющих эффективно применять их в ге­лиотехнических устройствах. Они имеют высокий коэффициент теп­лопередачи между воздухом и твердым телом, низкую стоимость ак­кумулирующего материала, низкую теплопроводность слоя в отсут­ствие воздушного потока.

Схематическое изображение аккумулятора со слоевой насадкой приведено на фиг. 9.4.1. Основными его конструктивными элемента­ми являются контейнер, решетка для поддержания насадки и распре­делительные устройства для потока воздуха в обоих направлениях, позволяющие уменьшить сечение воздухопровода. Тепло подводится при одном направлении пото­ка через насадку (обычно свер­ху вниз), а отводится при про­тивоположном. Заметим, что в таком аккумуляторе в отли­чие от водяного невозможно осуществить одновременно подвод и отвод тепла. Посколь­ку насадка имеет низкую теп­лопроводность в радиальном направлении, при кратковре­менном аккумулировании тре­буется минимальная изоляция внешней поверхности слоевой насадки.

Галечные слоевые тепло­обменники обеспечивают дос­таточно хороший теплообмен между воздухом и твердым материалом насадки. Поэтому перепады температуры, возни­кающие между воздухом и
твердым материалом при нагревании насадки и между твердым ма­териалом и воздухом при охлаждении, достаточно малы. Известен це - цый ряд исследований, посвященных изучению нагревания и охлажде­ния слоевой насадки в химических установках, в которых материн7 насадки имеет одинаковые размеры и форму, но только некоторые из рассматриваемых материалов представляют интерес для солнечных установок. Лёф и Хаули [10] провели исследование ряда переменных, представляющих интерес для аккумулятора энергии, и получили со­отношение

^ 650[!]й (9.4.1)

где _ объемный коэффициент теплоотдачи в Вт/(м3 • град), G — массовая скорость в кг/(с - м2) и D — эквивалентный сферический • диаметр частиц в метрах, определяемый с помощью выражения

д _ 6 Суммарный объем частиц

. и Число частиц

В удачно спроектированной насадке частицы имеют достаточно мв яые размеры, чтобы градиенты температуры в них были минималь­ными. Применительно к сферическим частицам радиусом R с коэф­фициентом теплопроводности к можно использовать число Био. Если число Био[20] hRJk < 0,1, то термическим сопротивлением внутрй частиц (а следовательно, внутренними градиентами температуры) можно пренебречь2 . В слоевых насадках экспериментального и прак­тического назначения применяются камни размером 1—5 см. Раз­меры элементов насадки должны быть по возможности одинаковыми, чтобы за счет большого числа пустот свести к минимуму перепад давления. Перепады давления рассчитываются стандартными метода­ми, как это описано Бэрдом и др. [3]. Клоуз [4] составил полезный обзор работ, содержащих рассмотрение вопросов, связанных с тепло­обменом и перепадами давления.

При изучении характеристик теплообменников со слоевыми на­садками можно воспользоваться как аналитическими, так и числен-

От коллектора {/ЬСр)с К ка грузке

Фиг. 9.4.2. Схема численного расчета для слоевой насадки.

ными методами, однако очень трудно получить аналитическое реше­ние в случае, когда температура воздуха на входе в насадку произ­вольно меняется во времени. Поскольку при работе солнечного кол­лектора в течение дня его эффективность меняется во времени, то численные методы в данном случае оказываются более подходящими.

Рассмотрим слоевую насадку общей длиной L, которая разделе­на на /V равных слоев толщиной Д*. Если предположить, что ра­диальные градиенты температуры пренебрежимо малы, то можно при­нять температуру материала насадки внутр'и «'-го слоя постоянной и равной Ть . . Это предполагает, что для элемента насадки Bi < 0,1.

В интервале от малых до умеренных значений объемного коэффици­ента теплоотдачи насадка и теплоноситель будут иметь различные температуры, поэтому необходимо записать два уравнения баланса энергии: одно для насадки, другое для теплоносителя. Для і-го слоя насадки (фиг. 9.4.2) баланс энергии при нагревании (воздушный по­ток направлен вниз) выражается уравнением

где А — площадь поперечного сечения насадки, р — ее кажущаяся плотность и С — удельная теплоемкость материала насадки. При приближенных расчетах теплообмена между теплоносителем и насад­кой используется значение температуры і-го слоя воздуха.

Потери в окружающую среду с единицы площади могут быть пред­ставлены через суммарный коэффициент потерь, умноженный на раз­ность температур насадки и окружающей среды. При расчетах потерь при аккумулировании температурой окружающей среды не обязатель­но является температура наружного воздуха, поскольку, например, для отопительных установок аккумулятор может быть размещен внутри помещения. Тогда потери от аккумулятора превращаются в дополнительные полезные поступления тепла в это помещение.

Если теплоемкостью теплоносителя можно пренебречь по срав­нению с теплоемкостью насадки (теплоносителем обычно бывает воз­дух), то температура теплоносителя на выходе из £-го слоя, Tf ( , определяется с помощью уравнения[21]

Ки7}.*-. -7Л.> = Мй*<Г/,-, -7„., ). (9.4.4)

kvA&x

7/.<'7„-,-Т^—(7/..-. -7ь..>* <9-4-5>

' Р С

Уравнения (9.4.3) и (9.4.5) представляют собой две системы из N уравнений (одна система алгебраических уравнений, другая — диф­ференциальных) с /V неизвестными температурами насадки и /V не­известными температурами теплоносителя.

Подобную систему уравнений можно вывести для случая, когда энергия отводится от насадки. Следует отметить, что расход тепло­носителя через коллектор не обязательно совпадает с расходом че­рез нагрузку, поэтому величины Л при нагревании и при охлажде­нии насадки могут быть разными.

При больших значениях объемного коэффициента теплоотдачи (когда число Биовсе еще меньше 0,1) разность температур насадки и теплоносителя становится малой. Тогда температура теплоносите­ля на выходе из некоторого слоя Tf. будет равна местной темпера­туре насадки Ть t. В этом случае, комбинируя уравнения (9.4.3) и

1 - излучение; 2 - средние температуры на выходе; 3 — поглощенное тепло; 4 — средние температуры на входе.

(9.4.4) , можно получить dTbi.

{pCAbx)b~-=frCp)(TK._' - Tbi)-Q„отери>і. (9.4.6)

Уравнение (9.4.6) представляет собой систему из N уравнений с /V неизвестными температурами насадки (и теплоносителя).

Галечный аккумулятор использован в солнечном доме в Денве­ре [11]. На фиг. 9.4.3 показано изменение температуры коллекто­ров в этом доме в течение одного дня, а на фиг. 9.4.4 показаны со­ответствующие градиенты температуры в одной из двух аккумулиру­ющих труб в функции времени (в гл. 12 установка для отопления это­го дома будет рассмотрена более подробно).