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Énergie Texte intégral gratuit Analyse expérimentale comparative des performances thermiques des chauffe-eau solaires tubulaires sous vide avec et sans réflecteur de concentration parabolique mini-connecté (CC)


1. Introduction

Les systèmes de chauffe-eau à tuyaux avec tuyaux évacués sont largement utilisés en Chine. Leurs avantages comprennent une efficacité thermique élevée, des exigences de construction simples et de faibles coûts de production. Ces dernières années, un certain nombre d’études ont été menées sur les systèmes de chauffe-eau solaires tubulaires sous vide. Budihardjo et al. [[[[1,,2,,3]ils ont étudié leurs composants tels que l’efficacité optique du collecteur, la perte de chaleur du collecteur, la perte de chaleur dans le réservoir et le flux naturel de circulation à travers les tuyaux du collecteur. Kim et al. [[[[4]étudié des tubes sous vide en verre avec des tubes de fluide coaxial insérés dans chaque tube en utilisant un modèle unidimensionnel. Han et al. [[[[5]effectué une analyse des performances en trois dimensions en utilisant la dynamique des fluides computationnelle. Kim et al. [[[[6]a examiné quatre formes différentes de tube absorbeur, telles que des tubes nervurés, un tube en U soudé à l’intérieur d’une ailette circulaire, un tube en U soudé sur une plaque de cuivre et un tube en U soudé dans un canal rectangulaire par méthode numérique et a trouvé la meilleure forme de tube absorbeur pour un capteur solaire. Ma[[[[7], Liang[[[[8]et Duffie[[[[9]a analysé les performances thermiques d’un capteur solaire avec tube en verre sous vide sur la base du bilan énergétique d’un capteur solaire avec tube en verre sous vide en U. Des progrès accélérés dans la société nécessitent des températures plus élevées dans un certain nombre d’applications telles que la climatisation, la réfrigération, le chauffage de bâtiments, le dessalement de l’eau de mer et le chauffage industriel. Les capteurs solaires évacués fournissent non seulement de l’eau chaude sanitaire ou du chauffage (en dessous de 60 ° C), mais peuvent également fonctionner comme préchauffeurs solaires avec un réservoir sous pression, un chauffage instantané au gaz ou un système à réservoir unique avec un élément de pression intégré dans le réservoir solaire pour les zones d’application plus élevées. température (supérieure à 60 ° C).
La performance du système de tuyauterie sous vide d’un chauffe-eau solaire est influencée par sa conception et son fonctionnement, ainsi que par des facteurs environnementaux. Actuellement, les capteurs solaires concentrés sont largement utilisés en raison de performances stables. En ce qui concerne les systèmes de chauffe-eau solaires, CPC est sans aucun doute le meilleur choix car il n’a pas besoin d’un système de suivi et peut réduire le coût des pièces mobiles si le rapport de concentration est faible. Rabl[[[[dix]et Tchinda et al. [[[[11]examiné les performances thermiques détaillées d’un absorbeur à flancs plats CPC[[[[12]et CPC avec tube d’évacuation droit[[[[13].
Les systèmes de chauffe-eau à tubes solaires avec et sans réflecteurs CPC ont leurs avantages et leur champ d’application. Les premiers fournissent généralement de l’eau chaude ou du chauffage par le sol, tandis que les seconds fournissent une température plus élevée pour d’autres applications, telles que le lavage industriel. Les deux types de systèmes de chauffage ont des avantages différents en fonctionnement après avoir atteint des températures de chauffage différentes. Par Mills définition[[[[14], rapport de concentration géométrique C peut s’exprimer comme suit:

W est la largeur de la fente supérieure et r est le rayon du tuyau évacué.

O’Gallagher[[[[15]et Sharma[[[[16] et al. ont étudié les avantages de différents types de récepteurs solaires tubulaires sous vide CPC. Cependant, le rapport de concentration géométrique C il est presque toujours supérieur à un ou égal à. CPC avec rapport de concentration géométrique C moins d’un sont rares. Dans les applications pratiques, le CPC sera toujours raccourci pour des raisons économiques[[[[dix]. Ainsi, le mini-CPC offre de plus grands avantages économiques. Le Mini-CPC peut également être facilement transporté, facilement installé et entretenu pour un usage domestique, et les réflecteurs ne peuvent pas être facilement déformés ou cassés, ce qui le rend plus adapté à la promotion des entreprises. Par conséquent, l’étude mini-CPC (C
L’analyse des contraintes est un outil puissant qui a été largement utilisé dans l’analyse des performances des chauffe-eau solaires. Il peut détecter et quantifier le travail utile maximal qu’un chauffe-eau solaire peut faire. Xiaow et Ben[[[[17]effectué une analyse exergétique pour un chauffe-eau solaire dans le ménage. Gunerhan et Hepbasley[[[[18]modélisation de l’excursion et évaluation des performances d’un système de chauffe-eau solaire pour des applications de construction.

Dans cet article, une comparaison d’une installation expérimentale de chauffe-eau solaires tubulaires sous vide avec et sans mini-CPC (C (1) un réflecteur a été introduit pour améliorer les performances SWH avec un mini-CPC, avec une série d’expériences comparatives réalisées à Hefei, en Chine. Les première et deuxième lois de la thermodynamique ont été utilisées pour analyser et contraster les performances thermiques de deux systèmes avec et sans réflecteurs mini-CPC.

L’eau dans le réservoir est chauffée de 26,9 à 55, 65, 75, 85 et 95 ° C en utilisant deux types de systèmes de plomberie solaire. Les rendements thermiques et de tension moyens des deux systèmes ont été analysés. De plus, les données collectées sur deux jours ont été comparées. Les températures initiales et finales de l’eau pour eux étaient similaires. L’efficacité thermique et tensionnelle immédiate des deux systèmes a également été analysée.

Les changements ou les différences de performances entraînés par les mini-CPC sont clairement visibles à travers la recherche expérimentale comparative et l’analyse exergétique de leurs propriétés thermiques. Lorsque le besoin de température dans les applications est faible, un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide sans réflecteur mini-CPC offre certains avantages. D’autre part, lorsque le besoin de température dans les applications est élevé, un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec un réflecteur mini-CPC est plus approprié.

4. Résultats expérimentaux et discussion

L’efficacité thermique d’un système SWH avec un mini-CPC dans le cas 1–11 est montée sur une fonction linéaire correspondant aux interrelations entre les variables, comme indiqué dans Figure 4.

Figure 4.
La courbe d’efficacité thermique correspond aux résultats expérimentaux d’un système de chauffe-eau solaire mini-CPC.

Figure 4.
La courbe d’efficacité thermique correspond aux résultats expérimentaux d’un système de chauffe-eau solaire mini-CPC.

Énergie 05 00911 g004
L’équation de l’efficacité thermique est la suivante:




η

s
y
s


=
0,5551

0,96787



T
je




T
¯

une



g
¯




En utilisant cette équation, la section efficace de la chaleur était de 0,5551 et le coefficient de perte de chaleur total n’était que de 0,96787 W / (m2· ° C).

Afin d’introduire des changements ou des différences induits par le mini-CPC et d’exprimer plus clairement les performances, deux séries d’expériences comparatives ont été réalisées. La première série est que des chauffe-eau solaires tubulaires sous vide avec et sans mini-réflecteurs CPC ont été utilisés pour chauffer l’eau de 26,9 ° C à 55, 65, 75, 85 et 95 ° C dans des conditions environnementales similaires et une efficacité thermique moyenne comme la moyenne l’efficacité efficace des cinq groupes d’expériences a été contrastée. La deuxième série est que nous avons sélectionné les données expérimentales les 18 et 20 avril en raison du fait que les paramètres environnementaux au cours des deux jours de test étaient similaires et que leur efficacité thermique et tension immédiate étaient contrastées. Les deux séries d’expériences de comparaison étaient indépendantes.

Dans la première série d’expériences comparatives, la chute de pression de l’alimentation en eau à la sortie est d’environ 0,1 MPa. Dans cette expérience, la densité de rayonnement moyenne et la température ambiante moyenne du système de tuyau de chauffe-eau évacué sans mini-CPC étaient de 695 W / m2 ou 18,1 ° C, et la densité de rayonnement moyenne et la température ambiante moyenne du système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué avec mini-CPC étaient de 671 W / m2 et 16,0 ° C, respectivement. Sur la base des données, la densité de rayonnement moyenne et la température ambiante moyenne du système de tuyauterie du chauffe-eau évacué sans réflecteurs mini-CPC étaient légèrement supérieures à celles du système avec des réflecteurs mini-CPC. Cependant, les paramètres environnementaux d’une série d’expériences montrent que la différence dans les conditions d’essais environnementaux n’est pas significative et que les conditions environnementales sont stables.

De Figure 5, on peut voir que lorsque la température d’eau chaude obtenue est de 55, 65 et 75 ° C, l’efficacité thermique moyenne du système de tuyauterie du chauffe-eau évacué sans réflecteur mini-CPC est supérieure à celle d’un système avec un réflecteur mini-CPC. Cependant, lorsque la température de l’eau chaude obtenue est de 85 et 95 ° C, le rendement thermique moyen des premiers est inférieur à celui des seconds. De plus, l’efficacité thermique moyenne d’un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec réflecteurs mini-CPC diminue plus lentement et est plus stable qu’un chauffe-eau solaire sans réflecteur mini-CPC.

Figure 5.
Efficacité thermique moyenne de cinq groupes d’expériences comparatives.

Figure 5.
Efficacité thermique moyenne de cinq groupes d’expériences comparatives.

Énergie 05 00911 g005
Il est montré dans Figure 6 que l’efficacité moyenne dans les cinq groupes d’expériences comparatives avec des températures de l’eau de 55, 65, 75, 85 et 95 ° C. Lorsque la température de l’eau chaude est élevée, l’efficacité de travail moyenne est également élevée; cette tendance est à l’opposé de celle de la production de chaleur moyenne. La tendance à l’augmentation de l’efficacité de fonctionnement moyenne d’un chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec un réflecteur mini-CPC est évidente, son efficacité moyenne initiale augmentant puis maintenant la stabilité. De plus, lorsque la température de l’eau est basse, par exemple à 55 ° C, l’efficacité moyenne de la tension d’un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec un réflecteur mini-CPC est inférieure à celle d’un système sans réflecteur mini-CPC. Cependant, lorsque la température de l’eau est élevée, comme 85 et 95 ° C, l’efficacité moyenne de la première opération est supérieure à celle de la seconde.

Figure 6.
Efficacité de travail moyenne de cinq groupes d’expériences comparatives.

Figure 6.
Efficacité de travail moyenne de cinq groupes d’expériences comparatives.

Énergie 05 00911 g006
De Figure 5 je Figure 6, les avantages des deux systèmes sont évidents. Lorsque la température finale requise de l’eau est basse, par exemple inférieure à 75 ° C, ce qui convient pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage au sol, entre autres, un système de tuyauterie de chauffe-eau évacué sans réflecteur mini-CPC présente des avantages évidents. Cependant, lorsqu’une température finale de l’eau élevée, comme au-dessus de 75 ° C, est requise, ce qui convient pour le chauffage par radiateur et le lavage industriel, entre autres, un système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué avec un réflecteur mini-CPC présente des avantages importants.

Pour expliquer davantage ces avantages, la deuxième série compare les résultats des tests expérimentaux d’un système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans mini-CPC le 18 avril (générant 65 L d’eau chaude) et ceux d’un système de tubulure de chauffe-eau solaire évacué avec un mini-CPC réflecteur le 20 avril. (générant 85 L d’eau chaude) ont été analysés et comparés.

Les chauffe-eau solaires tubulaires sous vide avec et sans mini-réflecteurs CPC ont été parallèles et testés individuellement pour réduire l’impact des pièces non collectrices. Les paramètres environnementaux pendant l’essai étaient similaires, de sorte qu’une comparaison des résultats peut être significative.

De Figure 7, la densité de rayonnement du 18 avril est légèrement supérieure à celle du 20 avril, mais la température ambiante est légèrement inférieure. Pendant l’essai, la température de l’eau dans le réservoir a été chauffée de 35,5 ± 1 ° C à 80,8 ± 1 ° C. et a pris fin à 13 h 05. Par conséquent, les fluctuations de rayonnement dans l’après-midi n’ont pas affecté le test. Pendant ce temps, les tests utilisant un système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué avec des réflecteurs CPC le 20 avril ont commencé à 7h30 et se sont terminés à 23h30. La date après 11h30 n’est donc pas importante non plus.
Figure 8 montre les rendements thermiques et de tension actuels les 18 et 20 avril. Pendant l’essai, l’efficacité immédiate du système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec et sans réflecteurs mini-CPC montre une nette tendance à la baisse. Dans la phase initiale, l’efficacité immédiate d’un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide sans réflecteur mini-CPC est supérieure à celle d’un système avec des réflecteurs mini-CPC.

Figure 7.
Paramètres environnementaux 18 et 20 avril.

Figure 7.
Paramètres environnementaux 18 et 20 avril.

Énergie 05 00911 g007

Figure 8.
Efficacité immédiate les 18 et 20 avril.

Figure 8.
Efficacité immédiate les 18 et 20 avril.

Énergie 05 00911 g008
Cependant, l’ancienne courbe d’efficacité thermique actuelle diminue rapidement. Par conséquent, lorsque la température de l’eau dans le réservoir est élevée, l’efficacité thermique immédiate d’un système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans réflecteur mini-CPC est inférieure à celle d’un système avec des réflecteurs mini-CPC. Comme représenté sur la Figure 7, lorsque la température de l’eau dans le réservoir est de 70 ° C, l’efficacité thermique immédiate du système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans réflecteurs mini-CPC est de 29,6%, tandis que la température du système avec des réflecteurs mini-CPC est de 35,4%. Par conséquent, l’augmentation de température dans les applications à haute température utilisant un chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec un réflecteur mini-CPC est plus rapide si la qualité de l’eau chauffée est la même.

En revanche, l’efficacité immédiate des deux systèmes maintient leur stabilité et croît légèrement. Lorsque la température de l’eau dans le réservoir est élevée, comme 70 ° C, le rendement en tension immédiat du système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans le réflecteur mini-CPC est inférieur à celui du système avec le réflecteur mini-CPC. Par conséquent, une meilleure qualité de chaleur peut être obtenue en utilisant un chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec un réflecteur mini-CPC lorsqu’une température d’eau plus élevée est requise.

5. Conclusions

Une comparaison de l’installation expérimentale de chauffe-eau solaires tubulaires sous vide avec et sans réflecteurs mini-CPC a été effectuée. Les résultats des tests comparatifs sont présentés. Les autres parties des deux chauffe-eau solaires étaient les mêmes, à l’exception des capteurs solaires.

Lorsqu’il atteint une basse température de l’eau, le système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans réflecteur mini-CPC a une efficacité thermique et de tension plus élevée indépendamment des valeurs moyennes ou immédiates. Lorsqu’il atteint une température d’eau élevée, le système de chauffe-eau solaire tubulaire évacué sans réflecteur mini-CPC a une efficacité thermique et de tension inférieure quelles que soient les valeurs moyennes ou immédiates.

Par conséquent, un système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide sans réflecteur mini-CPC est plus adapté aux applications qui nécessitent une basse température, comme l’eau chaude sanitaire et le chauffage au sol. Pendant ce temps, le système de chauffe-eau solaire tubulaire sous vide avec réflecteur mini-CPC est plus adapté aux applications nécessitant des températures élevées, telles que la climatisation, le refroidissement, le chauffage des bâtiments, l’élimination de l’eau de mer et le chauffage industriel, l’énergie thermique solaire à basse température, entre autres. En outre, le concentrateur parabolique mini-complexe, en raison de la mini-structure, présente certains avantages en termes de stabilité de la structure, de commodité de transport et de placement de biens immobiliers, etc. Le système de chauffe-eau solaire à tube avec réflecteur mini-CPC est toujours basé sur le chauffe-eau solaire à tuyau sous vide existant, donc quels que soient le coût et les utilisations, il est plus facile de le populariser pour la distribution ou les applications d’ingénierie intégrées.



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