Математическое моделирование теплообменных процессов в эллиптических и круглых абсорберах вакуумного коллектора

В статье представлены численные результаты исследования математической модели процессов теплообмена в вакуумных солнечных коллекторах с абсорберами круглого и эллиптического профиля. Целью работы является сравнительный анализ тепловой эффективности указанных геометрических конфигураций и оценка потенциала интенсификации теплообмена при переходе от традиционного круглого профиля к эллиптическому.

Методология исследования базируется на разработанной стационарной одномерной тепловой модели, в основе которой лежит уравнение теплового баланса. Модель учитывает радиационный теплообмен между абсорбером и стеклянной колбой, теплоперенос через разреженный газ в вакуумном зазоре, внутреннюю конвекцию в канале теплоносителя и конвективные потери от наружной поверхности стекла в окружающую среду. Для каждого типа геометрии выполнены расчеты температурных полей в характерных узлах системы, определены плотности тепловых потоков всех составляющих теплового баланса, включая полезную тепловую мощность коллектора. Сравнительный анализ проведён при идентичных граничных условиях для двух климатических режимов – холодного и тёплого периодов года в условиях умеренно континентального климата Омской области.

Результаты исследования демонстрируют, что эллиптический профиль абсорбера обеспечивает снижение радиационных потерь до 17,8 % и потерь через остаточный газ до 16,7 %, а также увеличение полезной тепловой мощности до 0,8 %. Коэффициент теплогидравлической эффективности достигает 4,8 %, что подтверждает интенсификацию теплообмена при смене геометрии профиля.

Практическая значимость работы заключается в обосновании конструктивного способа повышения энергетической эффективности вакуумных солнечных коллекторов, который после экспериментальной верификации может быть рекомендован при проектировании новых гелиосистем.

1. Омаров Р. А., Кунелбаев М. М., Омаров Д. Р. Результаты исследований двухконтурной гелиоустановки с термосифонной циркуляцией в зимний период // Вестник Южно-уральского государственного университета. Сер. Энергетика. 2021. Т. 21, № 4. С. 66-72. https://doi.org/10.14529/power210408. EDN: YNQCZK.

2. Нгуен Т., Гильфанов К. Х., Гилязов Д. Р. Моделирование гелиоабсорбционной теплонасосной системы горячего водоснабжения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021. Т. 23, № 4. С. 55-65. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-4-55-65. EDN: ALSBBD.

3. Хорева В. А., Елистратов С. Л. Исследование работы вакуумного солнечного коллектора для получения тепловой энергии в Новосибирске // Энергосбережение и водоподготовка. 2022. № 5 (139). С. 23-27. EDN: DVEXCW.

4. Хуторной А. Н., Цветков Н. А., Кривошеин Ю. О. [и др.]. Эффективность использования солнечных вакуумных трубчатых коллекторов в природно-климатических условиях Якутии // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 3 (56). С. 156-165. EDN: TVARMK.

5. Агаджанов А. М., Чопанов В. Я., Якубов Я. Д. Методика определения количества вакуумных солнечных коллекторов для горячего водоснабжения в климатических условиях Марьйской области Туркменистана // Вестник Сыктывкарского университета. Сер. Естествознание. Медицина. 2024. № 3 (31). С. 63-67. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2024-3-63. EDN: DEIMQY.

6. Aggarwal S., Kumar R., Lee D. [et al.]. A comprehensive review of techniques for increasing the efficiency of evacuated tube solar collectors. Heliyon. 2023;4(9):e15185. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e15185.

7. Bellos E., Tzivanidis C. Alternative designs of parabolic trough solar collectors. Progress in Energy and Combustion Science. 2019;71:81-117. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.11.001.

8. Jowzi M., Veysi F., Sadeghi G. Experimental and numerical investigations on the thermal performance of a modified evacuated tube solar collector: Effect of the bypass tube. Solar Energy. 2019;183:725-737. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.03.03.

9. Gad J., Gryzagoridis J. The effect of different working fluids and internal geometries on the efficiency of evacuated tube heat pipe solar collectors. Journal of Energy in Southern Africa. 2020;4(31):16-25. https://doi.org/10.17159/2413-3051/2020/v31i4a8480.

10. Харди Г. Двенадцать лекций о Рамануджане: монография / пер. с англ. А. Г. Арзамасцева. Москва: Институт компьютерных исследований, 2002. 336 с.

11. Bergman T. L., Lavine A. S. Fundamentals of heat and mass transfer. 8th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017. 1046 p.

12. Haaland S. Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent pipe flow. Journal of Fluids Engineering. 1983;105:89-90. http://dx.doi.org/10.1115/1.3240948.

13. Михайлов А. Г., Анисимов Ю. А. Разработка математической модели для определения оптимального угла наклона солнечных коллекторов на примере умеренно континентального климата Омской области // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2025. Т. 3, № 9. С. 22-29. https://doi.org/10.25206/2588-0373-2025-9-3-22-29. EDN: UGWMDV.

14. Rostami S., Hamid A. S. A., Sopian K. [et al.]. Heat transfer analysis of the flat plate solar thermal collectors with elliptical and circular serpentine tubes. Applied Sciences. 2022;9(12):4519. https://doi.org/10.3390/app12094519.

15. Комаров И. И. Разработка научно-технических решений для повышения технико-экономической эффективности перспективных энергетических установок на органическом топливе: дис. … д-ра техн. наук. Москва, 2023. 367 с.

16. Финиченко А. Ю., Полозкова А. П. Комбинированный метод применения солнечного коллектора и теплового насоса в условиях низких температур // Известия Транссиба. 2022. № 1 (49). С. 103-110. EDN: NNCCWL.

17. Giri A. V., Calota R., Nichita T. M. [et al.]. Quantifying the Energy Efficiency, Aging Effects, and Heat Losses of Flat-Plate Solar Collectors in a Temperate Climate. Energies. 2026;19(3):817. https://doi.org/10.3390/en19030817.

18. Kadam T., Pakhare S. Y., Godse A. B. Performance analysis of solar thermal collectors: A comprehensive review. Measurement Energy. 2025;7:100059. https://doi.org/10.1016/j.meaene.2025.100059.