2.9.6. Моделирование гидродинамики и теплообмена потока в солнечном коллекторе
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.
Движение вязкой несжимаемой жидкости описывается уравнением Навье—Стокса [117]
Уравнение энергии имеет вид
где a — коэффициент температуропроводности.
(2.122)
Для несжимаемой жидкости уравнение неразрывности записывается в форме
(2.123)
Расчеты выполнены с помощью лицензионного прикладного программного пакета Phoenics (версия 3.5) фирмы СНАМ (Великобритания).
Расчетная схема воздушного коллектора приведена на рис. 2.30. Размеры коллектора: длина (координата х) — 1,9 м; ширина (координата у) — 0,9 м; высота (координата z) — 0,14 м. Высота входной и выходной щелей (координата z) — 0,05 м, ширина щелей (координата у) — 0,9 м. Температура поступающего в коллектор воздуха t = 20 °C.
Рис, 2,30, Схема воздушного гелиоколлектора
Приведенные обозначения означают следующие варианты расчета (входная скорость, м/с, — температура дна, °C, 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 ζ) со сгущением сетки около дна и крышки канала (показатель 1,2);
1 ячейка по ширине канала (координата у) для моделирования псевдодвумерного течения.
На рис. 2.31-2.33 представлены фотоснимки, отображающие результаты расчетов. Интерпретацией полученных данных построены закономерности изменения скорости, статического давления и температуры потока теплоносителя в коллекторе (рис. 2.34-2.48).
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы.
На начальном участке канала скорость потока по высоте коллектора очень неравномерна (рис. 2.34, 2.39 и 2.44). 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.
Закономерность изменения статического давления (рис. 2.35, 2.40 и 2.45) мало зависит от скорости поступающего воздуха. В начале канала происходит отрыв потока, что объяснимо при резком изменении проходного сечения от щели к коллектору. Отрывные явления сопровождаются потерями энергии, поэтому рекомендуется края выходного сечения щели делать закругленными.
Рис. 33
Рис. 2.34. Профили продольной составляющей скорости по высоте коллектора (координата ζ) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с
Рис. 2.35. Изменение статического давления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с
Рис. 2.36. Профили температуры по высоте коллектора (координата ζ) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с, температура дна 50 °C
Рис. 2.37. Профили температуры по высоте коллектора (координата ζ) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с, температура дна 30 °C
Рис. 2.38. Профили температуры по длине коллектора (координата х) в сечении ζ = 0,014 м при различных температурах дна. Начальная скорость потока 2 м/с
Рис. 2.39. Профили продольной составляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с
Рис. 2.40. Изменение статического давления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с
Рис. 2.41. Профили температуры по высоте коллектора (координата ζ) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с, температура дна 50 °C
Рис. 2.42. Профили температуры по высоте коллектора (координата ζ) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с, температура дна 30 °C
Рис. 2.43. Профили температуры по длине коллектора (координата х) в сечении 2 = 0,014 м при различных температурах дна. Начальная скорость потока 5 м/с
Рис. 2.44. Профили продольной составляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 8 м/с
Рис. 2.45. Изменение статического давления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 5 м/с
Рис. 2.46. Профили температуры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 8 м/с, температура дна 50 °C
Рис. 2.47. Профили температуры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 8 м/с, температура дна 30 °C
Рис. 2.48. Профили температуры по длине коллектора (координата х) в сечении ζ = 0,014 м при различных температурах дна. Начальная скорость потока 8 м/с
Профили температуры по высоте коллектора (координата ζ) 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 °C, но по мере продвижения по коллектору она растет: при температуре пластины 30 °C — до 25 °C, а при температуре пластины 50 °C — до 30 °C (рис. 2.36 и 2.37; рис. 2.41 и 2.42; рис. 2.46 и 2.47). 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.
