СЕЗОННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ С УСЕЧЕННОЙ КОНИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

ABSTRACT

This paper presents a new design of a seasonal solar water heater with a truncated-cone-shaped storage tank, adapted to the climatic conditions of Uzbekistan, and investigates its energy performance. The device is equipped with internal and external deflectors that serve to maximize the absorption of solar radiation and to enhance the natural convective circulation of the heated water. Thermal and hydrodynamic processes were numerically modeled in COMSOL Multiphysics and validated by experimental studies. According to the results, the device efficiency is 65–70%, and it can heat 110 liters of water to 68–71 °C on a sunny day. The proposed solar water heater design differs from traditional counterparts by reducing metal consumption by 4–5 times, simplifying the manufacturing process, and offering economic advantages compared to foreign analogs.

АННОТАЦИЯ

В данной статье разработана новая конструкция сезонного солнечного водонагревателя с емкостью в форме усеченного конуса, адаптированная к климатическим условиям Узбекистана, и исследована его энергоэффективность. Устройство оснащено внутренним и внешним дефлекторами, которые служат для максимального поглощения солнечных лучей и усиления естественной конвекционной циркуляции нагреваемой воды. Тепловые и гидродинамические процессы были численно смоделированы в программной среде COMSOL Multiphysics и проверены посредством экспериментальных исследований. Согласно результатам исследования, коэффициент полезного действия (КПД) устройства составляет 65–70%, и выявлена возможность нагрева 110 литров воды до 68–71 °C в солнечный день. Предложенная конструкция солнечного водонагревателя отличается от традиционных аналогов снижением расхода металла в 4–5 раз, простотой технологического производства и экономической эффективностью по сравнению с зарубежными аналогами.

Keywords: solar water heater, truncated cone, renewable energy, heat transfer, deflector, energy efficiency.

Ключевые слова: солнечный водонагреватель, усеченный конус, возобновляемая энергия, теплообмен, дефлектор, энергоэффективность.

Введение. Одним из наиболее перспективных и важных — доступных для всех — решений проблем рационального использования природных ресурсов является использование возобновляемых источников энергии. Это позволяет значительно снизить количество выбросов углекислого газа (CO₂) в атмосферу и тем самым внести достойный вклад в борьбу с изменением климата на планете. В связи с высокой потребностью в энергии для систем горячего водоснабжения населения, получение горячей воды с использованием возобновляемых источников энергии, в частности солнечной энергии, приобретает актуальное значение. На сегодняшний день солнечные водонагреватели широко внедрены в таких странах, как Китай, Индия, Израиль, США, Бразилия и Турция, где они играют важную роль в сокращении использования традиционных источников энергии [1-2]. В то же время основными проблемами существующих солнечных водонагревателей являются их высокая стоимость, конструктивная сложность и потребность в сервисном обслуживании. Для устранения этих проблем требуется разработка новых конструктивных решений с высокой энергоэффективностью, низкой себестоимостью производства и использованием местного сырья. В связи с этим целью данной статьи является разработка сезонного солнечного водонагревателя с емкостью в форме усеченного конуса, подходящего для климатических условий Узбекистана, и исследование его основных энергетических показателей. Солнечные водонагреватели в форме усеченного конуса стали объектом научных исследований благодаря их возможностям повышения эффективности сбора энергии, обеспечения равномерного распределения солнечных лучей по поверхности и усиления естественной конвекционной циркуляции.

Методика. Предлагаемый солнечный водонагреватель состоит из бака-коллектора в форме усеченного конуса, оснащенного внутренним (расположенным внутри бака-коллектора конусом) и внешним дефлекторами (медная тепловая трубка в форме спирали на внешней поверхности бака-коллектора). Геометрические параметры усеченного конуса (нижний радиус R, верхний радиус r и высота h) выбраны с целью максимального приема солнечного излучения и обеспечения равномерного распределения температуры внутри емкости (Рис. 1). Геометрические параметры устройства и процессы теплообмена были численно смоделированы в среде COMSOL Multiphysics. Экспериментальные исследования проводились в условиях открытого гелиополигона.

Рисунок 1. Схема определения параметров солнечного водонагревателя с внутренним и внешним дефлекторами конической формы

Тепловой баланс накопительного бака-коллектора

Тепловой баланс солнечного водонагревателя выражается следующим уравнением [3]:

Q _{поглощение} = Q _{полезное} + Q _потери                                        (1)

Полезное количество теплоты рабочей жидкости определяется по уравнению 2 через изменение температуры воды:

Q _f = (ṁ· c_p · (T _вых – T _вх )                                           (2)

где: ṁ — массовый расход воды (кг/с),

c_p — удельная теплоемкость воды (4186 Дж/(кг·°C)),

T _вых – T _вх — температуры воды на выходе и входе (°C).

Конвективный теплообмен, то есть теплообмен между нагретыми поверхностями и рабочей жидкостью, выражается согласно закону Ньютона-Рихмана:

Q _конв = α· A · (T _s – T _f)                                           (3)

где:

α — коэффициент теплоотдачи,

T _s — температура поверхности,

T _f — температура жидкости.

То есть, тепловой поток, передаваемый от жидкости к поверхности или от поверхности к жидкости, Q _конв пропорционален площади поверхности A, участвующей в теплообмене, и разности температур T _s – T _f   где A — площадь поверхности, омываемой средой. Коэффициент пропорциональности, учитывающий конкретные условия теплообмена между жидкостью и поверхностью тела, называется коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи α зависит от множества факторов: причин возникновения потока жидкости; режима течения жидкости (ламинарный и турбулентный); физических свойств жидкости; формы теплопередающей поверхности. Исходя из вышеприведенных теорий, значение α может изменяться на разных участках даже при одинаковых условиях [4].

Рисунок 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи (α) от скорости потока воды (V)

Гидродинамический анализ. Для оценки естественной конвекции в воде было рассчитано число Рэлея [8]:

Ra=Gr⋅Pr= gβ(Ts−Tf)LνG r=νgβ(Ts​−Tf​)L​Pr                                (4)

где: g — ускорение свободного падения,

β — коэффициент объемного расширения,

L — определяющий (характерный) размер,

ν — кинематическая вязкость,

a — коэффициент температуропроводности.

Для оценки интенсивности теплообмена при естественной конвекции внутри емкости использовались такие безразмерные критерии, как число Нуссельта:

Nu = (α L)/(λ)                                                    (5)

где L — определяющая длина, λ — коэффициент теплопроводности воды.

Для определения тепловой эффективности солнечного коллектора использовалась следующая формула:

                                  (6)

При расчете теплообмена для конического водонагревательного коллектора использовалось уравнение:

^oС                           (7)

Использовалось данное уравнение.

  ^oС;

При расчетах на основе экспериментальных результатов, полученных при определенных условиях для солнечного водонагревательного коллектора в форме усеченного конуса с обычным абсорбером, коэффициент теплоотдачи составил α=25.2 Вт/(м²·°C), а число Нуссельта оказалось равным Nu=83.2. 

 oС

Рис. 3. Зависимость КПД (η) от солнечной радиации (Q)

При расчете теплообмена для солнечного водонагревательного коллектора с абсорбером в форме усеченного конуса, оснащенного внешним медным трубчатым дефлектором, коэффициент теплоотдачи составил α=38.2 Вт/(м²·°C), а число Нуссельта — Nu=126,1.

2. Материалы и методы.

Основные физические уравнения — уравнения Навье–Стокса и уравнения теплопроводности — были дискретизированы и решены методом конечных элементов (МКЭ) в программной среде COMSOL Multiphysics. Ниже приведены математическая форма этих уравнений, численная схема и конфигурации итерационных решений в COMSOL [5].

При моделировании использовалось уравнение теплопроводности в твердых телах:

                                 (9)

Для определения движения жидкостей или газов применялось дифференциальное уравнение Навье-Стокса:

              (10)

Здесь: компоненты скорости потока, ρ — плотность, g — сила тяжести, μ — молекулярная кинематическая вязкость жидкости, p — давление. С помощью этого уравнения определяются скорости и давление потока жидкости. При расчете распространения тепла в жидкости использовалось следующее уравнение:

                           (11)

Уравнение теплопроводности (в конвективно-диффузионной форме):

                           (12)

Это уравнение описывает изменение температуры под влиянием теплоемкости, движения потока и диффузии.

Дискретизированный вид:

Эффективность систем солнечного водоснабжения зависит от скорости потока воды, конструкции рабочей камеры и процессов теплообмена. Ниже представлены результаты моделирования изменения скорости воды в рабочей камере обычного резервуарного солнечного водонагревателя в диапазоне 0,5–1,5×10² м/с, полученные в различные моменты времени.

При скорости движения воды 0,5×10²м/с теплообмен происходит относительно медленно, так как коэффициент конвективной теплопроводности имеет низкие показатели. При такой скорости активный теплообмен наблюдается в верхних слоях воды, однако в нижних слоях тепло распределяется неравномерно. При скорости в диапазоне 1,0–1,5×10²м/с коэффициент конвективной теплоотдачи значительно возрастает. Внутренняя циркуляция воды обеспечивает равномерное распределение тепла, что повышает общую эффективность резервуара. Система труб, обеспечивая поток воды, расширяет поверхность теплопередачи и способствует равномерному распределению температуры. Было зафиксировано, что при более высокой скорости потока в системе (в диапазоне 1,0–1,5 × 10^(-2) м/с) коэффициент конвективной теплопередачи существенно увеличивается. Это улучшает внутреннюю циркуляцию воды и способствует равномерному распределению тепла. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что совершенствование конструкции рабочей камеры и оптимальное расположение дефлекторов способствуют значительному повышению общей эффективности системы.

3. Результаты и обсуждение.

В солнечном водонагревателе с простым резервуаром, дефлектором и системой труб изменения векторов скоростей прямо влияют на процессы теплообмена в воде. Вследствие варьирования скорости потока и количества тепла в разные моменты времени векторы скорости динамически меняются. Эти изменения векторов скорости являются одним из основных индикаторов процессов теплообмена. Для эффективного управления этим процессом важны интенсивность солнечной радиации, температура воды и теплотехнические характеристики резервуара. Оптимизируя эти факторы, можно повысить общую эффективность системы. На основе полученных данных оптимизация конфигурации рабочей камеры в сочетании со стратегическим размещением дефлекторов и грамотной прокладкой трубопровода способствует повышению общей эффективности солнечного водонагревателя. Наблюдения, зафиксированные в разные интервалы времени, подчёркивают необходимость регулирования процесса теплообмена в зависимости от скорости потока воды. В дополнение приведено распределение тепла в объёмных коллекторах солнечных водонагревателей трёх различных геометрических исполнений.

Рисунок 6. Изменение температуры воды в коническом солнечном водонагревателе с внутренним и внешним трубчатым дефлектором в различные моменты времени

Рисунок 7. Зависимость распределения тепла в конических солнечных водонагревателях от температуры

1-обычный емкостный солнечный водонагреватель;

2-емкостный солнечный водонагреватель с дефлектором;

3-емкостный солнечный коллектор-водонагреватель с внутренним коническим и внешним трубчатым дефлектором.

Изученные в данном исследовании емкостные солнечные водонагреватели представлены в трех конструктивных вариантах:

1) обычный конический емкостный солнечный водонагреватель;

2) конический емкостный солнечный водонагреватель с внутренним дефлектором;

3) конический солнечный водонагреватель с внутренним и внешним трубчатым дефлектором.

Среди этих систем наиболее высокой тепловой эффективностью обладает солнечный водонагреватель с внутренним и внешним трубчатым дефлектором. Согласно результатам численного моделирования, именно это устройство демонстрирует на 15–20% более высокую тепловую эффективность, обеспечивая более быстрый и равномерный нагрев воды.

Рисунок 8. Графики сравнения результатов математической и имитационной моделей: а) выбранные сечения, б) температура, в) скорость. 1 — разработанная математическая модель, 2 — результаты, полученные экспериментальным путем.

В целях обеспечения достоверности результатов, полученных путем численного решения математической модели, с использованием программного обеспечения «COMSOL Multiphysics» было рассчитано продольное распределение тепла в водопроводных трубах солнечного коллектора. Полученные результаты были сопоставлены, и подтверждена достоверность (адекватность) математической модели, представленной в диссертационной работе [7-8].

Экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования солнечного водонагревателя в форме усеченного конуса проводились на открытом полигоне в весенний, летний и осенний сезоны. При этом интенсивность солнечного излучения, температура окружающей среды и температура воды непрерывно отслеживались с помощью системы сбора данных [9-10].

Рисунок 9. Принципиальная схема водонагревателя и информационно-измерительной системы

Таблица 1.

Результаты испытаний конического солнечного водонагревателя с дефлектором, полученные в г. Фергана в солнечный, ясный день 19 июля 2025 года. Температура холодной воды, поступающей из водопроводной сети: 19 °C

Медный спиральный дефлектор обеспечивает:

• Усиление конвекции;

• Равномерное распределение тепла;

• Коллектор со спиралью повышает температуру примерно на 10–12°C;

• Повышение температуры при увеличении солнечной радиации становится более заметным. В результате КПД коллектора eta может увеличиться (до 0.65–0.7).

На основе расчета технико-экономических показателей сезонного емкостного солнечного водонагревателя, состоящего из коллектора-аккумулятора конической формы и элементов, ускоряющих процессы теплообмена, было сделано следующее заключение:

• Срок самоокупаемости водонагревателя в основном зависит от его рабочего времени (т.е. количества солнечных дней в году) и рабочей температуры;

• При замене газа (для обычной домохозяйственной нужды около 1800 сум/м³): при τ_мах = 3000 часов, при T = 37°C и T = 50–60°C срок окупаемости составляет соответственно 1,12 и 1,66 года;

• При замене электричества (особенно в зонах 800–1000 сум/кВт·ч): при τ_мах = 3000 часов, при T = 37°C и T = 50–60°C срок окупаемости составляет соответственно 0,5 и 1,6 года;

• Сравнение с импортным аналогом: по курсу 2025 года стоимость зарубежных аналогов солнечных водонагревателей составляет €350–400, тогда как предлагаемый конический солнечный водонагреватель (местная версия ≈ 1 млн сум ≈ 80) оказывается в 4–5 раз дешевле.

4. Выводы

Экспериментальные и численные результаты показывают, что геометрия усеченного конуса значительно повышает эффективность теплообмена. Внутренние и внешние дефлекторы усиливают естественную конвекцию, обеспечивая еще более равномерное распределение температуры внутри емкости. При ясной погоде, при интенсивности солнечного излучения в диапазоне 600–1000 Вт/м², тепловая эффективность растет почти линейно, достигая примерно 0.72 при высоких значениях излучения. Полученные в эксперименте значения эффективности соответствуют результатам численного моделирования и подтверждают адекватность разработанной математической модели. По сравнению с традиционными плоскопанельными солнечными водонагревателями, предлагаемая система обладает более высокой тепловой эффективностью и требует меньшего расхода материалов. Это снижает производственные затраты и сокращает срок окупаемости.

Список литературы:

1. International Energy Agency (IEA). Solar Heat Worldwide Report, 2023.
2. Duffie, J.A., Beckman, W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley.
3. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2011). “Fundamentals of Heat and Mass        Transfer”. John Wiley & Sons.
4. Farhat, A., et al. (2004). Solar air heaters: State of the art. Renewable and
5. ИСО 9806 (2017) Қуёш энергияси — Қуёш иссиқлик коллекторлари.
6. Arifjanov, A., Sattorov, A., Madaliev, M., Abdulkhaev, Z., & Madrakhimov, M. (2025). Numerical simulation of the flow rectification measures in the forebay of the pumping station. Acta hydrotechnica, 38(68), 1-14.
7. N.R. Esanaliyeva “Hot water storage heat protector”Eurasian journal of academic researchInnovative Academy Research Support Center. https://doi.org/10.5281/zenodo.4693169-2021 y. 36-42 p. N.R.
8. N.R.Esanaliyeva, S.F.Ergashev, N.Umaraliyev “Production and implementation of solarpowered water heaters  for consumers” The American Journal of Engineering and Technology. https://www.theamericanjournals.com/index.php/tajet 2025-y 54-58
9. N.R.Esanaliyeva “Kesik konussimon quvurli quyosh suv isitgich kollektorining issiqlik uzatilishi va samaradorligini eksperimental tahlili.” (https://doi.org/10.5281/zenodo.17767470) has been accepted for publication
10. N.R. Esanaliyeva, S.F. Ergashev, V.I. Ibrohimov “Yer sharoitida quyosh  energetik qurilmalaridan foydalanish usullari va ularning energetik xarakteristikalari” NamDU ilmiy axborotnomasi 2022-y 4-son.
11. N.R. Esanaliyeva, S.F. Ergashev, B.A Abdukarimov, B.B.  “Kesikkonussimonquyosh suv isitgichida o‘tkazilgan eksperiment tadqiqot natijalarini tahlil qilish” NamMQU Qurilish va ta’lim ilmiy jurnali 2025 2-son.158-165 b.