ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES

The one-dimensional mathematical model for the quantitative estimation of the heat losses from tube receiver system of the solar trough module was created. Based on this mathematical model the numerical algorithm was developed and numerical experiments were carried out. The studies were conducted fo...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2020
Main Author:	Knysh, L.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020
Subjects:	though concentrator tube heat receiver glass envelope heat losses one-dimension mathematical model system of non¬linear equa-tions numerical solution.
Online Access:	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/241
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Vidnovluvana energetika
Download file:

Institution

Vidnovluvana energetika

_version_	1871103317415821312
author	Knysh, L.
author_facet	Knysh, L.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "L. Knysh", "institution": "Oles Honchar Dnipro National University, 49000, Gagarin ave., 72, Dnipro, Ukraine." } ]
author_sort	Knysh, L.
baseUrl_str	https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T06:32:14Z
description	The one-dimensional mathematical model for the quantitative estimation of the heat losses from tube receiver system of the solar trough module was created. Based on this mathematical model the numerical algorithm was developed and numerical experiments were carried out. The studies were conducted for tube heat receiver which placed inside glass envelope as «tube-in-tube». Cases with atmosphere air in annular space and with various vacuum degree were described. Analysis for a unit tube without the glass envelope was carried out separately. A system of nonlinear algebraic equations, which consist basis of the mathematical model, was solved using fixed-point iteration method. Convergence of iterates was provided through initial guess, which were chosen as close to the real values. The thermophysical parameters depend on the temperature and pressure. It was considered in the created mathematical model. The calculation method for the heat flow through a gas layer was offered. The vacuum gas degree was taken into account in the method. As physical model for numerical analysis was chosen solar though module which studied experimentally. Data of the experiments were described in scientific literature.&nbsp; Numerical analyses were carried out for two cases – with heat flow from concentrator and without it. Comparison of numerical and experimental data show good agreement of results.&nbsp; Slight discrepancies were observed for glass temperature and for heat losses in the presence of wind. Analyses show that glass envelope is mandatory design element for heat receiver system of the solar though energy modules. If atmosphere air is used inside glass envelope than heat losses decreased twice, if deeper vacuum – in tree times. Ref. 13, fig. 3.&nbsp;&nbsp;
doi_str_mv	10.36296/1819-8058.2020.1(60).29-35
first_indexed	2025-07-17T11:37:55Z
format	Article
fulltext	ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) © Л.И.Кныш, 2020 Відновлювана енергетика. 2020. № 1 29 УДК 620.91, 519.6 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).29-35 ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ТРУБЧАТОГО ПРИЁМНИКА ТЕПЛА СОЛНЕЧНЫХ ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Л.И. Кныш, докт. техн. наук Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара, 49000, пр. Гагарина, 72, г.Днепр, Украина. Составлена одномерная математическая модель, разработан численный алгоритм и проведены численные эксперименты по количественной оценке тепловых потерь от трубчатого теплоприёмника системы приёма тепла солнечного параболоцилиндрического модуля. Исследования проводились для теплоприёмника, который помещён в стеклянный конверт по типу «труба в трубе». Рассмотрены случаи со слоем атмосферного воздуха в межтрубном пространстве и с вакуумом различной степени. Отдельно проведен расчет для одиночной трубы без стеклянного конверта. Система нелинейных алгебраических уравнений, которая составляет основу математической модели, решена методом простой итерации. Сходимость итераций обеспечивалась заданием начальных приближений, максимально близких к искомым значениям. В модели предусмотрен учет зависимости теплофизических параметров от температуры и давления. Предложен метод расчета теплового потока через слой газа различной степени разреженности. В качестве физической модели для численных расчетов выбрана модель параболоцилиндрического модуля, который исследовался экспериментально и описан в научной литературе. Численные расчеты проведены для случая отсутствия теплового потока от концентратора и при наличие концентрированного теплового потока. Проведенное сравнение численных и экспериментальных данных показало хорошее совпадение результатов. Незначительное расхождения наблюдалось по значению температуры стекла и по значению тепловых потерь при наличии ветра. Проведенные расчеты показали, что наличие стеклянного пакета является обязательным проектным элементом системы приёма параболоцилиндрических энергетических модулей. Использование такого стеклянного конверта с атмосферным воздухом снижает тепловые потери в два раза, а с глубоким вакуумом – в три раза. Библ. 13, рис. 3. Ключевые слова: параболоцилиндрический концентратор, трубчатый теплоприёмник, стеклянный конверт, тепловые потери, одномерная математическая модель, система нелинейный уравнений, численное решение. ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES L. Knysh, doctor of technical sciences Oles Honchar Dnipro National University, 49000, Gagarin ave., 72, Dnipro, Ukraine. The one-dimensional mathematical model for the quantitative estimation of the heat losses from tube receiver system of the solar trough module was created. Based on this mathematical model the numerical algorithm was developed and numerical experiments were carried out. The studies were conducted for tube heat receiver which placed inside glass envelope as «tube-in-tube». Cases with atmosphere air in annular space and with various vacuum degree were described. Analysis for a unit tube without the glass en- velope was carried out separately. A system of nonlinear algebraic equations, which consist basis of the mathematical model, was solved using fixed-point iteration method. Convergence of iterates was provided through initial guess, which were chosen as close to the real values. The thermophysical parameters depend on the temperature and pressure. It was considered in the created mathe- matical model. The calculation method for the heat flow through a gas layer was offered. The vacuum gas degree was taken into ac- count in the method. As physical model for numerical analysis was chosen solar though module which studied experimentally. Data of the experiments were described in scientific literature. Numerical analyses were carried out for two cases – with heat flow from concentrator and without it. Comparison of numerical and experimental data show good agreement of results. Slight discrepancies were observed for glass temperature and for heat losses in the presence of wind. Analyses show that glass envelope is mandatory de- sign element for heat receiver system of the solar though energy modules. If atmosphere air is used inside glass envelope than heat losses decreased twice, if deeper vacuum – in tree times. Ref. 13, fig. 3. Keywords: though concentrator, tube heat receiver, glass envelope, heat losses, one-dimension mathematical model, system of non- linear equations, numerical solution. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).29-35 ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 30 Л.И. Кныш L. Knysh Сведения об авторе: д.т.н., проф., зав. каф. аэрогидромеханики и энергомассопереноса Днепровскогонационального университета име- ни Олеся Гончара. Образование: Специалист в области математи- ческого и компьютерного моделирования про- цессов аэрогидродинамики и тепломассообме- на. Научная сфера: исследования процессов пере- носа в энергетических системах на основе во- зобновляемых источников энергии. Публикации: более 100. ORCID: 0000-0003-3525-4804 Контакты: тел./факс: +380990034310 e-mail: lknysh@ukr.net Author information: Doctor of Technical Science, Professor, Chair of Department of Aehydromechan- ics and Energy Mass Transfer of Oles Gonchar Dnipro National University. Education: Expert in the field of mathematical and computational modeling of fluid dynamics and heat and mass transfer processes. Research area: Research energy transfer processes in systems based on the renewable sources energy. Publications: over 100. ORCID: 0000-0003-3525-4804 Contacts: phone/fax: +380990034310 e-mail: lknysh@ukr.net Введение. Термодинамическое преобразова- ние энергии Солнца является технологией, кото- рая активно развивается в Украине и за её преде- лами [1]. Всё чаще плоские и вакуумированные солнечные коллекторы выступают как альтерна- тива традиционным системам горячего водо- снабжения, обеспечивая бесперебойную подачу в автономном режиме [9, 2, 7]. Широкое внедрение получают солнечные термодинамические систе- мы в различных технологических процессах – сушке сельскохозяйственной продукции, обогре- ве теплиц и пр. [8]. Однако подобные энергети- ческие установки с концентраторами ещё не нашли достаточного применения. Существует множество проектов автономных солнечных термодинамических систем с концентраторами разных типов [5]. Но достаточно апробирован- ными являются пока лишь солнечные параболо- цилиндрические электрические станции, строи- тельством которых занимаются частные компа- нии Испании, США, Израиля. Основным элемен- том таких станций является система приёма сол- нечного излучения «параболоцилиндрический концентратор – трубчатый теплоприёмник» (ПЦК-ТТП). Качество системы приёма во многом определяет эффективность всей энергетической установки. Очевидно, что совершенствование си- стемы приёма, в конечном счёте, приведёт и к более широкому применению параболоцилин- дрических энергетических модулей в различных теплообменных системах, расширит их темпера- турных диапазон и энергетические возможности. Одной из важнейших задач проектирования ПЦК-ТТП является минимизация тепловых по- терь от трубчатого теплоприёмника. Решению этой задача посвящена данная работа. Постановка задачи. В качестве физической модели была рассмотрена классическая система приёма солнечного излучения, состоящая из па- раболоцилиндрического концентратора, в фокусе которого расположен трубчатый теплоприёмник. Солнечные лучи отражаются от поверхности концентратора и перенаправляются на теплопри- ёмник, внутри которого движется теплоноситель. Этот теплоноситель может быть рабочим телом одноконтурного или двухконтурного паротур- бинного цикла. Кроме того, такая схема может быть использована для других теплоэнергетиче- ских целей – подогрев теплоносителя или полу- чения технологического пара, комбинированное термофотоэлектрическое преобразование и пр. Существует множество подходов к модели- рованию теплопереноса в системе ПЦК-ТТП [10, 11]. Многие из них слишком детализированные, базируются на стандартных коммерческих вы- числительных пакетах, доступ к которым огра- ничен. В работе [3] предложена математическая модель обобщённого вида, на основе которой со- здан программный модуль для расчёта основных динамических, геометрических и энергетических показателей системы ПЦК-ТТП. При составле- нии математической модели не были учтены не- которые моменты, связанные с минимизацией тепловых потерь от трубчатого теплоприёмника. В частности, в [3] для упрощения расчётов при- нималось, что в фокусе располагается единичная теплоприёмная труба, в то время как такая труба, как правило, располагается в стеклянном конвер- те по принципу «труба в трубе». Это существен- но минимизирует тепловые потери, что повыша- ет общую эффективность установки. Значение тепловых потерь будет ещё более снижено, если систему «труба в трубе» дополнительно вакуу- мировать. Количественная оценка таких потерь может быть проведена на основе одномерной стационарной модели теплопереноса в трубчатом теплоприёмнике. Математическая модель теплопереноса в трубчатом теплоприёмнике системы ПЦК- ТТП. Математическая модель теплообмена между внешней поверхностью канала с теплоносителем и внешней средой было создана на основе принципа суперпозиций. Система уравнений теплового ба- ланса для системы ПЦК-ТТН имеет вид: mailto:lknysh@ukr.net mailto:lknysh@ukr.net ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 31 1 2 3 4 3 4SUN ТН Q Q Q Q Q Q Q Q , + = +  − = + где 1Q , 3Q – конвективные потери в межтрубном пространстве и между защитным стеклом и ок- ружающей средой соответственно; 2Q , 4Q – лу- чистые потери в межтрубном пространстве и между защитным стеклом в внешней средой со- ответственно; SUNQ – тепловой поток от концен- тратора; ТНQ – тепловой поток, поглощенный теплоносителем. Следует отметить, что в модели не прово- дился учет теплопроводности защитного стекла. Радиационные тепловые потери, приходя- щие на метр теплоприёмника, вычислялись по закону Стефана-Больцмана. Конвективные поте- ри между стеклом и окружающей средой вычис- лялись с использованием классических критери- альных уравнений для случая свободной или вы- нужденной конвенции. Величина конвективных потерь в межтруб- ном пространстве связанна с величиной степени разреженности воздуха в этой зоне. При давлени- ях, близких к атмосферному, там имеет место свободная конвекция с ламинарным режимом те- чения. Т.е. основным механизмом теплопереноса в межтрубном пространстве является молекуляр- ная проводимость. Для случая узкого кольцевого канала предлагается использовать подход, опи- санный в [12]. В нём учет свободно- конвективных потоков проводится с использо- ванием коэффициента эффективной теплопро- водности вида: 0 25 0 250 386 0 861 , * , eff Pr , Ra , , Pr    =   +  где λ – коэффициент теплопроводности среды, в данном случае воздуха; Pr – число Прандтля среды; Ra – число Рэлея специального вида: ( ) 4 5 3 0 6 0 6 СТ ТР ТР , , ТР СТ D ln D Ra Ra . L D D− −           = + В последнем выражении ТРD , СТD – диамет- ры единичной трубы и системы «труба в трубе» соответственно; L – длина исследуемого участка трубы; ТРRa – число Рэлея при температуре стен- ки единичной трубы. Окончательно выражения для определения конвективных потерь в межтрубном простран- стве по форме соответствует выражению для вы- числения молекулярной теплопрооводности: ( )1 2 eff ТР СТ СТ ТР Q T T , D ln D  = −       где ТРT и СТT – температуры трубы с теплоноси- телей и стеклянной трубы соответственно. Следует отметить, что для расчёта эффек- тивного коэффициента теплопроводности может быть использована также классическая эмпири- ческая формула М.А. Михеева [6]. Однако про- веденные численные исследования показали, что предложенная методика более точно соответ- ствует эксперименту, так как учитывает цилин- дрическую геометрию системы. Уменьшение давления в межтрубном про- странстве приводит к изменению механизма теп- лопередачи. Постепенно длина свободного про- бега молекул начинает увеличиваться. При этом свободная конвекция ослабевает – фактически не хватает молекул для транспортировки энергии. Начинает доминировать свободно-молекулярный режим, при котором межмолекулярные взаимо- действия почти не происходят. Считается, что молекулы просто двигаются между двумя по- верхностями. Расчёт теплового потока для тако- го режима проводиться, как правило, по упро- щённым формулам из кинетической теории га- зов вида [4]: ( ) 1 2 2 v СТТР RT q c R a T Т ,    = + −    где vс – изохорная теплоёмкость;  – средняя плотность газа; а – коэффициент аккомодации; Т – температура газа вблизи внутренней по- верхности трубы; R – газовая постоянная. Однако для данной задачи использование та- ких соотношений затрудненно. Поэтому предла- гается подход, основанный на использовании ко- эффициента теплопередачи через слой разрежен- ного газа: 1 2 СТТР ТР ТР СТ K , DD D ln bl D D  =   + +    где l – длина свободного пробега молекул, а b – безразмерный коэффициент, который опреде- ляется выражением: ( ) 2 9 5 2 1 a b , a −  − =   − где  – показатель адиабаты. ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 32 Нахождение значения коэффициента акко- модации, особенно для селективных поверхно- стей, является отдельной задачей. Но следует от- метить, что этот коэффициент относительно сла- бо характеризует реальный тепломассоперенос в межтрубном пространстве. Многие литературные источники и экспериментальные данные указы- вают на то, что для хорошо очищенных по- верхностей значение коэффициента аккомодации близко к единице. Именно такое предположение было принято в данной работе. В качестве критерия, характеризующего пе- реход от конвективного теплообмена к свободно- молекулярному в межтрубном пространстве, ис- пользовалось число Рэлея Ra . Для 100Ra  ис- пользовалась конвективная модель, а для 100Ra  – кинетическая теория. Конечно, между этими режимами теплообмена существует неко- торая переходная зона. Её наличие учитывалась косвенно в выражении для коэффициента тепло- передачи К . Выбор численного метода и его сходи- мость. На основе приведенной выше математи- ческой модели был создан расчётный алгоритм, состоящий из трёх основных блоков. В первом блоке помещались значения теплофизических констант, зависящих от температуры; во вто- ром блоке – критериальные уравнения, вид ко- торых определялся природой теплообмена; в третьем блоке непосредственно задавались начальные данные и проводился расчёт. Нели- нейная система балансовых уравнений реша- лась методом простой итерация. Теоретически вопрос сходимости этого метода не исследо- вался. Сходимость достигалась максимальным приближением начальных значений к физиче- ски реальным. Анализ результатов численного модели- рования. Численное исследования на основе со- зданной математической модели проводились с использованием экспериментального параболо- цилиндрического модуля, который тестировался в Sandia National Laboratories (США) [13]. Длина параболического модуля составляла 7,8 м, диа- метр апертуры 5 м. Рассматривался металлоке- рамический трубчатый теплоприёмник, располо- женный на фокусной линии модели. На внешней стороны теплоприёмника было нанесено гради- ентное селективное покрытие. Такие теплопри- ёмники имеют более высокие эксплуатационного характеристики, чем традиционное черные хро- мовые. Кроме того, селективное покрытие спо- собно минимизировать радиационные потери, являеться актуальным в такие системах. Единич- ная металлокерамическая труба диаметром 0,07 м располагалась внутри стеклянной трубы. Внеш- ний диаметр системы «труба в трубе» равнялся 0,109 м. Предполагалось, что в межтрубном про- странстве может находится воздух при различ- ных давлениях. В качестве теплоносителя ис- пользовалось синтетическое масло Syltherm 800. Для удобства сравнения и верификации со- зданной математической модели и численного алгоритма был выбран уровень температур, ко- торый соответствовал экспериментальным ис- следованиям, описанным в [13]. Температура окружающей среды равнялась 22 0С, а так назы- ваемая sky-температура была 14 0С. При расчётах учитывалась зависимость степени черноты трубы с теплоносителем от температуры. Рис. 1. Зависимость тепловых потерь от избыточной температуры при различном уровне вакуума при отсутствии теплового потока от концентратора. Fug. 1. Thermal losses Vs. heat receiver temperature above ambient for various vacuum degree without the heat flow from concentrator. ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 33 На рис. 1 представлены результаты первого цикла расчётов тепловых потерь трубчатого теп- лоприёника. Численные эксперименты в этом случае проводились при отсутствии теплового потока от концентратора, в безветренную погоду – учитывалась лишь свободная конвекции вокруг теплоприёмника. Предполагалось, что теплоно- ситель не циркулирует в канале. В этом случае второе уравнение в общей системе уравнений ба- ланса отсутствует, что позволяет детально про- анализировать влияние степени разряжения в межтрубном пространстве на общие тепловые потери в теплоприёмнике. В расчётах уровень значения давления изме- нялся в широком диапазоне. На рис.1 представ- лены три характерные кривые – воздух в межтрубном пространстве при нормальном атмо- сферном давлении, при давлении, характерном для переходного режима и при давлении, которое соответствует глубокому вакууму. Можно заме- тить, что тепловые потери при создании глубоко- го вакуума снижаются почти в два раза, что, оче- видно, существенно повышает общую эффектив- ность системы. Расчётные значения тепловых потерь, полу- ченные для воздуха и вакуума, практически сов- падают с экспериментальными результатами, по- лученными в [13]. Модель имеет некоторую по- грешность лишь при вычислении температуры стеклянной трубы. На рис. 2 представлено откло- нение между расчётными и экспериментальными данными. Рис. 2. Сравнение экспериментальной и расчётной абсолютной температуры поверхности стекла. Fug. 2. Comparison experimental and calculated temperature of the glass surface. Как видно из графика, расчётные данные яв- ляются несколько завышенными, как для случая использования воздуха при нормальном атмо- сферном давлении, так и для вакуумированного межтрубного пространства. Расхождения наблю- даются главным образом при повышенных тем- пературах, где отклонения приближаются к 10%. Очевидно, такие отклонения связаны с использо- ванием одномерной модели. Использование бо- лее детализированной методика, например, пред- ложенной в [3], приблизит значения температур к экспериментальным. Аналогичные расчёты были проведены и для случая, когда тепловой поток от концен- тратора поступал на теплоприёмный канал. Предполагалось, что плотность теплового по- тока от концентратора равнялась 940 Вт/м2. Та- кое значение выбиралось для удобства сравне- ния предлагаемой методики и эксперименталь- ных данных, представленных в [13]. На рис. 3 представлены результаты расчёта тепловых по- терь системы ПЦК-ТТП для эксперименталь- ной установки. Рассматривался случай отсут- ствия ветра. В этом случае данные расчёта практически полностью совпадали в экспери- ментальными данными. При ветреной погоде наблюдалось некоторое расхождение данных, которое находилось в пределах 10-15%. ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 34 Рис. 3. Зависимость тепловых потерь от избыточной температуры теплоносителя при наличие теплового потока от концентратора. Fug. 3. Thermal losses Vs. heat receiver temperature above ambient with heat flow from concentrator. На рис. 3 также представлены данные для случая, когда защитное стекло отсутствует. Как видно, в этом случае тепловые потери увеличи- ваются практически в два раза по сравнению со случаем воздушной прослойки в межтрубном пространстве и в три раза для вакуумированного зазора. Очевидно, что несмотря на технологическое усложнение системы, вакуумирование дает су- щественный прирост эффективности за счёт снижения тепловых потерь. Но следует учесть, что вакуумирование эффективно лишь при от- сутствии притока водорода из окружающего воз- духа в зазор. Термические потери с водородом в межтрубном пространстве могут быть даже выше кондуктивных потерь с воздухом. Выводы. Проведенное исследование являет- ся логическим продолжение работ автора по комплексному исследованию тепломассоперено- су в системах приёма солнечных термодинамиче- ских модулей с параболоцилиндрическими кон- центраторами. Разработанная методика теорети- чески обосновывает необходимость использова- ния стеклянного конверта для канала с теплоно- сителем при проектировании подобных энерге- тических систем. Элементы представленной ма- тематической модели могут быть использованы в качестве граничных условий для более детализи- рованных расчётов. Созданный численный алго- ритм, который базируется на решении системы нелинейных алгебраических уравнений, может быть легко адаптирован для расчёта систем ПЦК – ТТП произвольной геометрии, различной мощ- ности и назначения. 1. Будько В.И., Кудря С.А., Пепелов А.В. Современное состояние и развитие возобновляемой энергетики. Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 4-6. С. 130-141. 2. Кныш Л.И. Метод учёта тепловой проводимости абсорбера в плоском солнечном коллекторе. Відновлювальна енергетика. 2014. № 2(37). С. 38-42. 3. Кныш Л.И., Гоман О.Г. Особенности моделирования энергопереноса в системе приёма тепла солнечной параболоцилиндрической станции. Вісник Херсонського національного технічного університету. 2016. № 3(58). С. 352-356. 4. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М. Машиностроение. 1977. 184 с. 5. Кудря С.А., Пепелов А.В. Використання відновлю- ваної енергії: досвід розвинутих країн. Київ. ЮНІДО. 2015. 32 p. URL: http://www.reee.org.ua/download/trainings/ %D0%A2%D0%9C28.pdf 6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М. Энергия. 1977. 344 с. 7. Рєзцов В.Ф., Суржик Т.В., Охота О.О. Експериме- нтальне дослідження теплопровідності композіційних мате- ріалів колекторів сонячної енергії. Відновлювальна енерге- тика. 2016. № 2(46). С. 41-44. 8. Рєзцов В.Ф., Суржик Т.В., Щокіна В.А. Можливі причини формування неоднорідних структур при геліосушці вологовмісних середовищ. Відновлювальна енергетика. 2015. № 1(40). С.28-31. 9. Суржик Т.В. Дослідження матеріалу абсорбера со- нячного колектора з полімерних композиційних матеріалів. Відновлювальна енергетика. 2015. № 4(44). С.28-31. 10. Hachicha A.A., Bashria A.A. Yousef, Zafar Said, Ivette Rodríguez. A review study on the modeling of high-temperature solar thermal collector systems. Renewable and Sustainable En- ergy Reviews. 2019. V. 112. Pp. 280-298. http://www.reee.org.ua/download/trainings/%20%D0%A2%D0%9C28.pdf http://www.reee.org.ua/download/trainings/%20%D0%A2%D0%9C28.pdf javascript:void(0) javascript:void(0) javascript:void(0) ISSN 1819-8058 (Print) СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online) Відновлювана енергетика. 2020. № 1 35 11. Cheng Z.D., He Y.L., Xiao J., Tao Y.B., Xu R.J. Three- dimensional numerical study of heat transfer characteristics in the receiver tube of parabolic trough solar collector. Int. J. Heat Mass Transf. 2010. V. 37. Pp. 782-787. 12. Theodore L. Bergman and other. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons. 2007. 1051 p. 13. Dudley V., Kolb G., Sloan M., Kearney D. SEGS LS2 Solar Collector Test Results. Report of Sandia National Laboratories. USA. 1994. 140 с. REFERENCES 1. Budko V.Y., Kudria S.A., Pepelov A.V. Sovremennoe sostoyanie i razvitie vozobnovlyaemoj energetiki. [Current state and development of renewable energy]. Alternativnaya energeti- ka i ekologiya. 2017. No. 4-6. Pp. 130-141. [in Russian]. 2. Knysh L.I. Metod uchyota teplovoj provodimosti absorbera v ploskom solnechnom kollektore. [The method of accounting of heat conductivity of absorber the flat solar collec- tor]. Vidnovluvana energetika. 2014. No. 2(37). Pp. 38-42. [in Russian]. 3. Knysh L.I., Goman O.G. Osobennosti modelirovaniya energoperenosa v sisteme priyoma tepla solnechnoj parabo- loczilindricheskoj stanczii. [Modeling features of energy-mass transfer in the heat receiver system of the solar parabolic cylin- drical plant]. Visnyk Khersonskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu. 2016. No. 3(58). Pp. 352-356. [in Russian]. 4. Koshmarov Yu.A., Ryzhov Yu.A. Prikladnaya dina- mika razrezhennogo gaza. [Applied rarefied gas dynamics]. Moscow. Mashinostroenie. 1977. 184 p. [in Russian]. 5. Kudria S.A., Pepelov A.V. Vykorystannia vid- novliuvanoi enerhii: dosvid rozvynutykh krain. [The use of re- newable energy: the experience of developed countries]. Kiev. UNIDO. URL: http://www.reee.org.ua/download/trainings/%0% A2%D0% 9C28.pdf . [in Ukrainian]. 6. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnovy teploperedachi. [Heat Transfer Basics]. Moscow. Еnergiya. 1977. 344 p. [in Russian]. 7. Rieztsov V.F., Surzhyk T.V., Okhota O.O. Eksperymentalne doslidzhennia teploprovidnosti kompozitsiinykh materialiv kolektoriv soniachnoi enerhii. [Experimental study of thermal conductivity of composite materials of solar energy collectors]. Vidnovluvana energetika. 2016. No. 2(46). Pp. 41-44. [in Ukrainian]. 8. Rieztsov V.F., Surzhyk T.V., Shchokina V.A. Mozhlyvi prychyny formuvannia neodnoridnykh struktur pry heliosushtsi volohovmisnykh seredovyshch. [Possible reasons for the formation of inhomogeneous structures during the solar drying of moisture-containing media]. Vidnovluvana energetika. 2015. No. 1(40). Pp. 28-31. [in Ukrainian]. 9. Surzhyk T.V. Doslidzhennia materialu absorbera soniachnoho kolektora z polimernykh kompozytsiinykh materialiv. [Investigation of the material of a solar collector absorber made of polymer composite materials]. Vidnovluvana energetika. 2015. No. 4. Pp. 28-31. [in Ukrainian]. 10. Hachicha A.A., Bashria A.A. Yousef Zafar Said, Ivette Rodriguez. A review study on the modeling of high-temperature solar thermal collector systems. Renewable and Sustainable En- ergy Reviews. 2019. V. 112. Pp. 280-298. [in English]. 11. Cheng Z.D., He Y.L., Xiao J., Tao Y.B., Xu R.J. Three-dimensional numerical study of heat transfer characteristics in the receiver tube of parabolic trough solar collector. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. V. 37. Pp. 782-787. [in English]. 12. Theodore L., Bergman and other. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons. 2007. 1051 p. [in English]. 13. Dudley V., Kolb G., Sloan M., Kearney D. SEGS LS2 Solar Collector Test Results. Report of Sandia National Laboratories. USA. 1994. 140 р. [in English]. ОЦІНКА ТЕПЛОВИХ ВТРАТ ТРУБЧАТОГО ПРИЙМАЧА ТЕПЛА СОНЯЧНИХ ПАРАБОЛОЦИЛІНДРИЧНИХ МОДУЛІВ Л.І. Книш, докт. техн. наук Дніпровський національний університет імені О. Гончара, 49000, пр. Гагаріна, 72, м. Дніпро, Украина Складено одновимірну математичну модель, розроблено чи- словий алгоритм та проведено числові експерименти по ви- значенню кількісних показників теплових втрат від труб- чатого теплоприймача системи прийому тепла сонячного параболоциліндричного модуля. Дослідження проводились для теплоприймача, який знаходиться в середині скляного конверту по типу «труба в трубі». Розглянуто випадки зі шаром атмосферного повітря в міжтрубному просторі та із вакуумом різного ступеню. Окремо проведено розрахунок для одиничної труби без скляного конверту. Система нелі- нійних алгебраїчних рівнянь, яка складає основу математи- чної моделі, розв’язана методом простої ітерації. Збіж- ність ітерацій забезпечувалась заданням початкових на- ближень, максимально наближених до шуканих значень. В моделі було передбачено врахування залежності теплофізи- чних параметрів від температури та тиску. Запропоновано метод розрахунку теплового потоку скрізь шар газу різного ступеня розрідженості. В якості фізичної моделі для число- вих розрахунків вибрано модель параболоциліндричного мо- дуля, який був досліджений експериментально та описаний в науковій літературі. Числові розрахунки проведено для ви- падку відсутності теплового потоку від концентратору та при наявності концентрованого теплового потоку. Прове- дено порівняння числових та експериментальних даних, яке показало добрий збіг результатів. Незначна розбіжність спостерігалась по значенню температури скла та по зна- ченню теплових втрат при наявності вітру. Розрахунку, які були проведені, показали, що наявність скляного пакету є обов’язковим проектним елементом системи прийому па- раболоциліндричних енергетичних модулів. Використання такого скляного конверту з атмосферним повітрям знижує теплові втрати в два рази, а з глибоким вакуумом – в три рази. Бібл. 13, рис. 3. Ключові слова: параболоциліндричних концентратор, тру- бчатий теплоприймач, скляний конверт, теплові втрати, одновимірна математична модель, система нелінійних рів- нянь, числовий розв’язок. Стаття надійшла до редакції 04.09.19 Остаточна версія 09.03.20 https://www.isjaee.com/jour/article/view/1004 https://www.isjaee.com/jour/article/view/1004 http://www.reee.org.ua/download/trainings/%250%A2%D0%25%209C28.pdf http://www.reee.org.ua/download/trainings/%250%A2%D0%25%209C28.pdf
id	veorgua-article-241
institution	Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:06:17Z
publishDate	2020
publisher	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	veorgua/55/3741d8e27fac4efcdfe0212432948b55.pdf
spelling	veorgua-article-2412026-07-18T06:32:14Z ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ТРУБЧАТОГО ПРИЁМНИКА ТЕПЛА СОЛНЕЧНЫХ ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Knysh, L. though concentrator, tube heat receiver, glass envelope, heat losses, one-dimension mathematical model, system of non¬linear equa-tions, numerical solution. параболоцилиндрический концентратор, трубчатый теплоприёмник, стеклянный конверт, тепловые потери, одномерная математическая модель, система нелинейный уравнений, численное решение. The one-dimensional mathematical model for the quantitative estimation of the heat losses from tube receiver system of the solar trough module was created. Based on this mathematical model the numerical algorithm was developed and numerical experiments were carried out. The studies were conducted for tube heat receiver which placed inside glass envelope as «tube-in-tube». Cases with atmosphere air in annular space and with various vacuum degree were described. Analysis for a unit tube without the glass envelope was carried out separately. A system of nonlinear algebraic equations, which consist basis of the mathematical model, was solved using fixed-point iteration method. Convergence of iterates was provided through initial guess, which were chosen as close to the real values. The thermophysical parameters depend on the temperature and pressure. It was considered in the created mathematical model. The calculation method for the heat flow through a gas layer was offered. The vacuum gas degree was taken into account in the method. As physical model for numerical analysis was chosen solar though module which studied experimentally. Data of the experiments were described in scientific literature.&nbsp; Numerical analyses were carried out for two cases – with heat flow from concentrator and without it. Comparison of numerical and experimental data show good agreement of results.&nbsp; Slight discrepancies were observed for glass temperature and for heat losses in the presence of wind. Analyses show that glass envelope is mandatory design element for heat receiver system of the solar though energy modules. If atmosphere air is used inside glass envelope than heat losses decreased twice, if deeper vacuum – in tree times. Ref. 13, fig. 3.&nbsp;&nbsp; Составлена одномерная математическая модель, разработан численный алгоритм и проведены численные эксперименты по количественной оценке тепловых потерь от трубчатого теплоприёмника системы приёма тепла солнечного параболоцилиндрического модуля. Исследования проводились для теплоприёмника, который помещён в стеклянный конверт по типу «труба в трубе». Рассмотрены случаи со слоем атмосферного воздуха в межтрубном пространстве и с вакуумом различной степени. Отдельно проведен расчет для одиночной трубы без стеклянного конверта. Система нелинейных алгебраических уравнений, которая составляет основу математической модели, решена методом простой итерации. Сходимость итераций обеспечивалась заданием начальных приближений, максимально близких к искомым значениям. В модели предусмотрен учет зависимости теплофизических параметров от температуры и давления. Предложен метод расчета теплового потока через слой газа различной степени разреженности. В качестве физической модели для численных расчетов выбрана модель параболоцилиндрического модуля, который исследовался экспериментально и описан в научной литературе. Численные расчеты проведены для случая отсутствия теплового потока от концентратора и при наличие концентрированного теплового потока. Проведенное сравнение численных и экспериментальных данных показало хорошее совпадение результатов. Незначительное расхождения наблюдалось по значению температуры стекла и по значению тепловых потерь при наличии ветра. Проведенные расчеты показали, что наличие стеклянного пакета является обязательным проектным элементом системы приёма параболоцилиндрических энергетических модулей. Использование такого стеклянного конверта с атмосферным воздухом снижает тепловые потери в два раза, а с глубоким вакуумом – в три раза. &nbsp;Библ.&nbsp;13,&nbsp;рис. 3.&nbsp;&nbsp; Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020-03-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/241 10.36296/1819-8058.2020.1(60).29-35 Vidnovluvana energetika ; No. 1(60) (2020): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 29-35 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(60) (2020): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 29-35 Відновлювана енергетика; № 1(60) (2020): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 29-35 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2020.1(60) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/241/170 Copyright (c) 2020 L. Knysh https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	though concentrator tube heat receiver glass envelope heat losses one-dimension mathematical model system of non¬linear equa-tions numerical solution. Knysh, L. ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title	ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title_alt	ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ТРУБЧАТОГО ПРИЁМНИКА ТЕПЛА СОЛНЕЧНЫХ ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
title_full	ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title_fullStr	ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title_full_unstemmed	ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title_short	ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES
title_sort	estimation of heat losses for the tube heat receiver of the solar trough modules
topic	though concentrator tube heat receiver glass envelope heat losses one-dimension mathematical model system of non¬linear equa-tions numerical solution.
topic_facet	though concentrator tube heat receiver glass envelope heat losses one-dimension mathematical model system of non¬linear equa-tions numerical solution. параболоцилиндрический концентратор трубчатый теплоприёмник стеклянный конверт тепловые потери одномерная математическая модель система нелинейный уравнений численное решение.
url	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/241
work_keys_str_mv	AT knyshl estimationofheatlossesforthetubeheatreceiverofthesolartroughmodules AT knyshl ocenkateplovyhpoterʹtrubčatogopriëmnikateplasolnečnyhparabolocilindričeskihmodulej

ESTIMATION OF HEAT LOSSES FOR THE TUBE HEAT RECEIVER OF THE SOLAR TROUGH MODULES

Institution

Similar Items