Диссертация (1141603), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Кроме того, эффективность ребра F=1. Какследует из формулы (1.13), полезная энергия в этом случае будет максимальной иравнойqWSU T(1.21)TПодставляя этот результат в формулу (1.10), получимF(1.22)1Согласно [54] для любой конструкции коллектора и любого расходажидкостикоэффициент Fявляетсяпрактическипостояннойвеличиной.Единственными переменными в выражении (1.16), которые могут зависеть оттемпературы, являются отношения U ⁄C , U ⁄hбольшинстваконструкцийколлектораи эффективность ребра F. Длянаиболеесущественнойизэтихпеременных будет F, но и она практически не зависит от температуры.1.3.2 Теплоотдача от стенки трубы к жидкостиКоэффициенттеплоотдачиh–характеризуетинтенсивностьтеплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.
Коэффициент αпоказывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности стенки кжидкости в единицу времени при разности температур между стенкой ижидкостью в 1 градус (град.).Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: вида и режимадвижения жидкости, ее физических свойств, размеров и формы стенки,шероховатости стенки. Определение hявляется основной задачей расчетатеплообменных аппаратов. Обычно коэффициент теплоотдачи определяют изкритериальных уравнений, полученных преобразованием дифференциальныхуравнений гидродинамики и конвективного теплообмена методами теорииподобия.39 В [60], [61] и [62] говорится, что согласно положениям теории подобияконвективный теплообмен без изменения агрегатного состояния вещества встационарных условиях может быть описан критериальным уравнением вида:Nu = f (Re, Pr, Gr, .....)(1.23)Критерий Нуссельта, входящий в уравнение (1.23), является определяемым.При известном значении Nu коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан поформуле:h foi Nu l(1.24)Определяющим геометрическим размером является высота вертикальнойповерхности теплообмена (для теплообменников), для труб – их диаметр.Определяющая температура – средняя температура теплоносителя.
Такиепараметры как теплопроводность, теплоемкость, вязкость и критерий Прандтлядля воды можно определить по "Справочнику по теплофизическим свойствамгазов и жидкостей" Н.Б. Варгафтика [63] или из "Таблиц теплофизическихсвойств воды и водяного пара" [64].Критерий Нуссельта рассчитывается по методике, указанной в [65] и [66], взависимости от режима течения теплоносителя.1.3.3 Коэффициент отвода тепла из коллектора и его КПДКоэффициент отвода тепла из коллектора FR представляет отношениефактическойтеплопроизводительностисолнечногоколлекторактеплопроизводительности, которая реализуется при условии, что температуравсей поверхности поглощающей панели равна температуре теплоносителя навходе в солнечный коллектор [54]:Fгде G - расход жидкости на единицу площади коллектора.(1.25)40 Коэффициент FR можно также представить в виде:F1(1.26)eКоэффициент FR никогда не может быть больше коэффициента F'.Зная температуру теплоносителя на входе в коллектор T, а такжекоэффициент отвода тепла FR можно рассчитать полную полезную энергиюплоского солнечного коллектора по следующей формуле:QAF SU T(1.27)TКПД плоского солнечного коллектора можно найти по следующей формуле:η∙ηопт.ср.а(1.28)где Tср.
- средняя температура теплоносителя, град.; ηопт. - оптический КПДколлектора, который находится по формуле (1.29):ηопт = τ∙α(1.29)1.4 Повышение эффективности плоского солнечного коллектораВнося изменения в конструкцию плоского солнечного коллектора, можномаксимально увеличить его эффективность и улучшить эксплуатационныехарактеристики,оптимизировавприэтомкапитальныезатратынаегоизготовление, а соответственно и его рыночную стоимость.Из разделов 1.1, 1.2 и 1.3 можно сделать вывод, что на эффективностьработы плоского солнечного коллектора влияет очень много факторов: отконструктивных особенностей самого устройства до географического положенияместа его установки и погодных условий.При разработке плоского солнечного коллектора одной из главных задачявляется снижение оптических и тепловых потерь. Как видно из формулы (1.4)оптические потери зависят от коэффициента пропускания светопрозрачного слоя41 τ и коэффициента поглощения лучепоглощающего слоя α.
Чем выше значениеданных коэффициентов, тем ниже оптические потери.Светопрозрачныйслойдолженобладатьмаксимальновозможнымсветопроницанием, при этом нужно учитывать тот факт, что с увеличениемколичества данных слоев в коллекторе, их общая светопроницаемость будетниже, чем у одиночного слоя. Однако, как видно из формулы (1.10), при этомснижаются теплопотери через верхнюю часть коллектора. Среди материалов,которые могут использоваться в качестве светопрозрачного слоя, высокимсветопропусканием обладают стекло и оргстекло (по 92 %). Совсем недавно былразработан новый материал, который называется гелио-стекло.
За счет низкогосодержания железа в данном материале, его светопроницаемость достигает 96-98%. Во многих современных плоских солнечных коллекторах применяется именногелио-стекло. Однако данный материал имеет высокую стоимость, чтосоответственно увеличивает и стоимость самого коллектора.В качестве лучепоглощающего листа нужно использовать материал смаксимальнымтеплопроводностипоглощающим[67].Вкоэффициентомплоскихсолнечныхикоэффициентомколлекторахприменяютметаллический лучепоглощающий лист. Среди металлов самой большойтеплопроводностью обладает серебро (430 Вт/(м·К)).
Ввиду дороговизны данногометалла, чаще всего используют медь (413 Вт/(м·К)) алюминий (237 Вт/(м·К))либо сталь (15,5 - 54,4 Вт/(м·К)). Как с экономической, так и с практическойточки зрения предпочтительней всего использовать алюминий. Однако металлысами по себе обладают небольшим коэффициентом поглощения излучения. Дляэтого их дополнительно покрывают абсорбирующим слоем.
К таким покрытиямможно отнести черную краску (0,90-0,92). Чаще всего в качестве поглощающегослоя применяют специальное селективное покрытие (0,96). Оно представляетсобой тонкий слой оксида меди, черного хрома или оксидов других металлов,либо покрытие из полупроводников. Это покрытие обеспечивает максимальновозможное поглощение солнечной энергии, попадающей на абсорбер, при этомпрактически полностью препятствует обратному излучению, чего нельзя сказать о42 черной краске. В то же время с применением селективной поверхности стоимостьколлектора возрастает. При применении черной краски необходимо приниматьдополнительные меры по снижению теплопотерь, о которых будет описано ниже.Подробнее о селективных поверхностях можно узнать в пособии Дж.
Твайделла"Возобновляемые источники энергии" [68] и статье Д.В. Духопельникова"Селективные покрытия для солнечных коллекторов" [69].В разделе 1.3.1 был указан тот факт, что проводимость тепла отлучепоглощающего листа трубе коллектора оказывает значительное воздействиена рабочие характеристики коллектора, поэтому необходим надежный контактэтих элементов. Между ними не должно быть воздушной прослойки, котораяповышаетсопротивлениетеплопередачеданногосоединения.Неменеесущественна и теплопроводность от трубы к теплоносителю.
По этой причинесамым оптимальным для применения в солнечном коллекторе вариантом будутявляться медные трубы.Как уже упоминалось в разделе 1.2.2, полный коэффициент теплопотерьявляется суммой трех составляющих: теплопотери через верхнюю частьсолнечного коллектора, через его нижнюю часть и через боковые стенки. Еслитепловые потери через боковые стенки весьма малы, то потери через нижнюючасть коллектора, а особенно через верхнюю его часть могут существенноснизить эффективность устройства.Как видно из выражений (1.8) и (1.9) тепловые потери через нижнюю частьколлектора в большей степени зависят от материала и толщины слоятеплоизоляции и в меньшей степени от материала, из которого сделана задняястенка коллектора.
Чем меньше коэффициент теплопроводности утеплителя ибольше её толщина, тем меньше теплопотери коллектора. Поэтому выбортеплоизоляции имеет очень большое значение. Однако, добавив в конструкциюколлектора отражающий слой можно еще больше снизить теплопотери. Данныйслой, как правило, наносится на внутренние стороны боковых стенок итеплоизоляции и отражает инфракрасное излучение, идущее от труб устройства.43 Вкачестветакогослояможетпослужитьалюминиеваяфольгалибофольгированный утеплитель.Теплопотери через верхнюю часть коллектора можно снизить несколькимиспособами.
Во-первых, как уже упоминалось ранее, для этих целей служитселективная поверхность, которая увеличивает поглощение и снижает уровеньинфракрасного излучения, исходящего от пластины. Во-вторых, пред нанесениемдополнительного абсорбирующего слоя поверхность лучепоглощающего листаполируется, что снижает уровень длинноволнового излучения. В-третьих,светопрозрачный слой размещается на некотором расстоянии от абсорбирующейповерхности, при этом воздушная прослойка между ними будет являтьсятеплоизоляцией. Из формулы (1.10) видно, что с увеличением количествастеклянныхпокрытий,теплопотеричерезверхнюючастьколлекторауменьшается. Это связано с увеличением суммарного значения сопротивлениятеплопередаче светопрозрачного слоя.
Однако не стоит забывать, что это снизитего светопрозрачность. Теплопроводность остекления можно уменьшить и другимспособом. Между двумя светопрозрачными слоями можно закачать инертный газ(аргон, криптон или ксенон), что позволит уменьшить конвективный переностепла через верхнюю часть коллектора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
