ASSESSMENT OF THERMAL PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF FLAT-PLATE SOLAR AIR HEATERS

УДК 621.43.016

АННОТАЦИЯ

В статье изучен теплообмен при свободной конвекции в плоском солнечном воздухонагревателе в условиях Ферганского региона. Эксперименты проводились на полигоне Ферганского технического университета. Коллектор был расположен под углом 45 ⁰ и имел следующие геометрические размеры: длина = 1м, ширина = 0,5м, . Конструкция коллектора состояла из днища  выполненного из древесно–волокнистой плиты толщиной 0,03 м с дополнительной тепловой изоляцией (снаружи) из пенопласта ПХВ-1. Светопрозрачное ограждение установки имело два слоя оконного стекла с воздушной прослойкой между ними в 0,012 м. Теплоприемники были изготовлены из стального листа толщиной 0,0005 м. В ходе экспериментов измерялись температура на входе и выходе из коллектора, а также температура стенки абсорбера. Температура воздуха измерялась обычным термометром со шкалой деления 0,5 С⁰, а температура стенки измерялась бесконтактным способом при помощи тепловизора. Получены данные по температурам воздуха на выходе из коллектора и стенки металлического абсорбера. Выполнены расчеты теплоотдачи от стенки коллектора к воздуху.

ABSTRACT

he article investigates free convection heat transfer in a flat-plate solar air heater under the climatic conditions of the Fergana region. Experiments were conducted at the testing site of the Fergana Polytechnic Institute. The collector was oriented at a 45° tilt angle and had the following dimensions: length = 1 m, width = 0,5 m, and height  m. The collector housing featured a bottom plate made of 0.03 m thick fiberboard with additional external thermal insulation of PVC-1 foam. The transparent cover consisted of double-pane window glass with a 0.012 m air gap. The absorber plates were fabricated from 0.0005 m thick steel sheets. During the experimental trials, inlet and outlet temperatures, as well as the absorber wall temperature, were recorded. Air temperature was measured using a standard thermometer with a 0.5 °C scale interval, while the wall temperature was monitored non-invasively using a thermal imaging camera. Data were obtained for the air temperature at the collector outlet and the metallic absorber wall. Heat transfer calculations from the collector wall to the air were performed.

Ключевые слова: Солнечная радиация, плоский солнечный воздушный коллектор, свободная конвекция, число Нуссельта.

Keywords: Solar radiation, flat-plate solar air collector, free convection, Nusselt number.

Введение

Для каждой отрасли промышленности важно использование энергосберегающих технологий, например, использование возобновляющих источников энергии. Для Республики Узбекистан наиболее эффективно реализуемым источником такой альтернативной энергии является энергия Солнца. Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую возможно в солнечных коллекторах – водяных и воздушных.

Несмотря на массовое применение водяных коллекторов в коммунальной отрасли во многих странах, плоские воздушные коллекторы (ПСВН) благодаря своим преимуществам, - как отсутствие коррозии, не замерзанию теплоносителя в зимний период получают в последние годы более широкое распространение [1].

Из научных источников известно [2-6], что эксплуатация ПСВН возможна не только при вынужденной прокачке воздуха через канал коллектора, но и при свободной конвекции. В этом случае не требуется дополнительного расхода электрической энергии для привода вентилятора, что очень удобно, когда коллектор размещен вдалеке от источников электрической сети (горные или степные районы Республики).

Уместно отметить, что вопросы расчета теплообмена при свободной конвекции, реализуемой в ПСВН в литературе освещены крайне мало, кроме того практически отсутствуют для условий Республики Узбекистан данные теплотехнических показателей ПСВН - такие как, температура нагреваемого воздуха и стенки абсорбера.

В этой связи авторами были проведены исследования конвективного теплообмена в плоском солнечном нагревательном устройстве в городе Фергана 30 го августа 2025 года.

Цель исследования – определить степень нагрева воздуха на выходе из коллектора и определить зависимость интенсивности теплообмена от разности температур абсорбера и воздуха на основании известных формул.

Методы и материалы

Эксперименты проводились на ПСВН который был размещен на опытно – экспериментальном участке Ферганского технического университета под углом 45 ⁰ и имеющего следующие геометрические размеры: длина = 1м, ширина = 0,5м, . Данные эксперимента показаны в таблице №1. Дно опытного образца было выполнено из древесно–волокнистой плиты толщиной 0,03 м с дополнительной тепловой изоляцией (снаружи) из пенопласта ПХВ-1. Светопрозрачное ограждение установки имеет два слоя оконного стекла с воздушной прослойкой между ними в 0,012 м. Теплоприемники были изготовлены из стального листа толщиной 0,0005 м. В ходе экспериментов измерялись температура на входе и выходе из коллектора, а также температура стенки абсорбера. Температура воздуха измерялась обычным термометром со шкалой деления 0,5 С⁰, а температура стенки измерялась бесконтактным способом при помощи INFRARED TERMOMETR (-50 ℃-:550 ℃) TS 550.

Таблица 1

Значения

Опыты проводились при дневной солнечной радиации. После установления квазистационарного режима, при данном потоке солнечной радиации, производилась запись показаний температур воздушного потока на входе в нагреватель и выходе из него , а также стенки .

Результаты

Для расчета местного коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции было использовано уравнение подобия (1) рекомендованного в [7-10].

                                                  (1)

В расчетах локальный коэффициент теплоотдачи рассчитывался на выходе из коллектора при = 1м . Ускорение свободного падения g вычислялось с учётом наклона коллектора по формуле

                                                          (2)

Разность температур рассчитывалась по формуле

Коэффициент теплоотдачи для всей пластины абсорбера рассчитывается по формуле [3].

                                                   (3)

На рисунке №1 показано изменение числа Грасгофа рассчитанного по формуле (4)

                                      (4)

Рисунок 1. Зависимость числа Грасгофа от разности температур

Рисунок 2. График изменения местного коэффициента теплоотдачи

Рисунок 3. График изменения коэффициента теплоотдачи коллектора

Обсуждение результатов

Авторами экспериментально подтверждена возможность эксплуатации плоского солнечного воздушного коллектора в летний период в условиях республики Узбекистан в режиме свободно – естественного теплообмена т.е. за счет самостоятельного процесса движения воздуха. Степень нагреваемого воздуха позволяет использовать коллектор для сушки различной сельской продукции без дополнительных затрат энергии. По результатам опытов сделан вывод о том, что в проектных расчетах возможно использование классических формул по теплообмену. Экспериментально подтверждена практически постоянная интенсивность теплообмена в широком диапазоне изменения температурного напора (рис. 3). Полученные данные могут быть использованы для расчета тепловой мощности коллектора.

Список литературы:

1. PRINCIPLES OF SOLAR ENGINNEERING. D. Yogi Goswami. 2015. By Francis Group, LLC pp. 763.
2. Аббасов Е.С., Умурзакова М.А. Моделирование теплообмена и расчет теплотехнических характеристик плоских солнечных воздухонагревателей при свободно – конвективном движении воздуха. Евразийский союз ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал. №6 (75)/2020 т. 1. С. 18 -22.
3. Mohsen mortazavinejad Numerical investigation of two-dimensional heat transfer of an absorbing plate of a flat-plate solar collector using dual-reciprocity method based on boundary element. 2019, Solar Energy https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2019.08.075
4. Kumar D, Mahanta P, Kalita P. Performance analysis of a solar air heater modified with zig-zag shaped copper tubes using energy-exergy methodology. August 2021Sustainable Energy Technologies and Assessments 46(11):101222 DOI:10.1016/j.seta.2021.101222
5. Kumar R, et al. Experimental assessment and modeling of solar air heater with V shape roughness on absorber plate. Case Stud Therm Eng. 2023;43. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.102784].
6. Suman Debnath, Papiya Bhowmik, Gaurav Arora and Manoj Kumar Singh. Solar collectors for a sustainable future: innovations and energy efficiency trends. Discover Applied Sciences https://doi.org/10.1007/s42452-025-07590-1 2025 7:1256.
7. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
8. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 1977. 344 с.
9. Панкратов Г.П. Сборник задач по теплотехнике. Учебное пособие. 1986. 248 с.
10. Крейт Ф., Блэк.У. Основы теплопередачи. М. Мир. 1983. 512 с.

References:

1. PRINCIPLES OF SOLAR ENGINNEERING. D. Yogi Goswami. 2015. By Francis Group, LLC pp. 763.
2. Abbasov E.S., Umurzakova M.A. Modeling of heat transfer and calculation of thermal characteristics of flat solar air heaters with free - convective air movement. Eurasian Scientists Union (ESU). Monthly scientific journal. No. 6 (75)/2020 vol. 1. pp. 18 -22.
3. Mohsen mortazavinejad Numerical investigation of two-dimensional heat transfer of an absorbing plate of a flat-plate solar collector using dual-reciprocity method based on boundary element. 2019, Solar Energy https://doi.org/10.1016/J.SOLENER.2019.08.075
4. Kumar D, Mahanta P, Kalita P. Performance analysis of a solar air heater modified with zig-zag shaped copper tubes using energy-exergy methodology. August 2021Sustainable Energy Technologies and Assessments 46(11):101222 DOI:10.1016/j.seta.2021.101222
5. Kumar R, et al. Experimental assessment and modeling of solar air heater with V shape roughness on absorber plate. Case Stud Therm Eng. 2023;43. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.102784].
6. Suman Debnath, Papiya Bhowmik, Gaurav Arora and Manoj Kumar Singh. Solar collectors for a sustainable future: innovations and energy efficiency trends. Discover Applied Sciences https://doi.org/10.1007/s42452-025-07590-1 2025 7:1256.
7. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer. Ed. 2nd, revised and additional M.: Energy, 1975. 488 p.
8. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Basics of Heat Transfer. 1977. 344 p.
9. Pankratov G.P. Collection of problems in thermal engineering. Study guide. 1986. 248 p.
10. Kreit F., Black.W. Basics of Heat Transfer. M. Mir. 1983. 512 p.