Диссертация (Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления), страница 6

Они имеютнебольшую цену и также обеспечивают всесезонное получение тепла, хоть и вменьшей степени, чем вакуумные коллекторы. Кроме того они просты вобслуживании и их практически не нужно очищать от снега и льда. Они просты идёшевы в изготовлении. Существует множество полезных моделей такихколлекторов с различной конструкцией и технологией изготовления. Многие изэтих моделей имеют международные и российские патенты.

Однако далеко не всеиз них эффективны в регионах с холодным климатом, таких как ВосточнаяСибирь, и они не позволяют максимально использовать потенциал солнечной31  энергетики в данных регионах. Кроме того большинство типов плоскихсолнечных коллекторов имеют неразборную конструкцию и поврежденныегелиоустановки целиком подлежат замене. Поэтому плоские жидкостныесолнечныеколлекторыявляютсяактуальныминаукоемкимобъектомисследования.1.2 Термодинамические процессы, происходящие в плоском солнечномколлектореНе вся солнечная энергия, попавшая на поверхность плоского солнечногоколлектора, преобразуется в тепло.

Известно, что при прохождении солнечногопотока через слои устройства неизбежно происходят потери солнечной энергии.Во-первых,частьсолнечногоизлученияотражаетсяотповерхностисветопрозрачного слоя. Это связано с тем, что абсолютно прозрачного тела несуществует, поэтому у любого даже самого прозрачного на вид материалаимеетсякакой-либокоэффициентотражения.Во-вторых,абсолютногопоглотителя (или абсолютно черного тела) также не существует, поэтому частьсолнечного излучения отражается от лучепоглощающего слоя или абсорбера(рисунок 1.13).

И в-третьих, помимо описанных выше оптических потерь энергии,существуют также тепловые потери через стенки и прозрачный слой плоскогосолнечного коллектора.1.2.1 Энергетический баланс плоского солнечного коллектораСогласно брошюре Г. Реттиха «Коллекторы и гелиотермические системы»[53], общий поток энергии Qg [Вт] вычисляется путем умножения силы облученияS [Вт], попадающего на лучепоглощающий лист плоского солнечного коллектораплощадью А [м2].Q g= S∙А(1.1)32  Этотпроцессможновыразитьчерезкоэффициентотраженияρ,коэффициент поглощения α и коэффициент пропускания τ (рисунок 1.13).Рисунок 1.13 - Падение потока солнечной энергии на поверхность солнечногоколлектораЧерезумножениемощностиизлученияЕg[Вт]накоэффициентпропускания τ и на коэффициент поглощения α можно вычислить поглощеннуюабсорбером интенсивность облучения коллектора.S=Eg∙α∙τ(1.2)С учетом этого формула 1.1 приобретет следующий вид:Qg= Еg∙А∙α∙τ(1.3)Оптические потери энергии QVabc [Вт] определяются через произведениекоэффициента пропускания τ и коэффициента поглощения α, зависящего от углападения солнечных лучей.QVabc = Eg∙ А∙(1- α∙τ)(1.4)В пособии Дж.

Даффи, У.А. Бекмана "Тепловые процессы с использованиемсолнечной энергии" [54] поток солнечного излучения разбивается на прямое ирассеянное. Так формула 1.3 приобретает следующий вид:Qg=(1.5)где Eb и Ed - соответственно плотность потока прямого и рассеянного излучения,падающего на единицу площади поверхности с произвольной ориентацией; Rb и33  Rd - коэффициент перехода от соответственно плотности прямого и рассеянногоизлучения к плотности потока излучения в плоскости ориентации коллектора.Учитывая оптические и тепловые тепловой баланс плоского солнечногоколлектора примет следующий вид:=QU+QL+QS(1.6)где QU – тепловой поток, переданный рабочей жидкости коллектора (полезноетепло), Вт; QLизлученияи– тепловые потери коллектора в окружающую среду путемконвекции,атакжепутемтеплопроводностипоопорампоглощающей пластины и т.д., Вт; QS – поток тепла, аккумулируемогоколлектором, Вт.1.2.2 Полный коэффициент тепловых потерьВ плоском солнечном коллекторе происходят теплопотери через верхнююUt [Вт/м2∙град.] и нижнюю Ub [Вт/м2∙град.] части устройства, а также через егобоковые стенки Uh [Вт/м2∙град.], что вместе составляет полный коэффициенттепловых потерь [55], представленный в виде следующего соотношения:UL = Ut + Ub + Uh(1.7)Расчет коэффициента тепловых потерь Uh через боковые стенки коллектораэто крайне сложная задача.

Однако в правильно спроектированном устройстве этипотери будут крайне малы. Поэтому ими можно пренебречь.Коэффициент тепловых потерь через нижнюю часть солнечного коллекторарассчитывается по следующей формуле:Ub = 1/Rобщ(1.8)где Rобщ - суммарное сопротивление теплопередаче всех слоев, лежащих нижетрубного узла [м2∙град./Вт], и согласно справочнику «Внутренние санитарнотехнические устройства» [56] находится по формуле:R0 1  2 ...  n1  2n(1.9)34  где δ - толщина слоя, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м∙град., которыйопределяется в зависимости от вида материала конструкции, его плотности ипараметров эксплуатации А или Б по табл. 2 СП «Тепловая защита зданий» [57].Зона влажности определяется по карте приложения В СП «Тепловая защитазданий» [57].Эмпирическое соотношение для коэффициента теплопроводности черезверхнюю часть коллектора было получено С.А.

Клейном [58] на основеисследований плоских солнечных коллекторов Г.Ц. Хоттеля и Б.Б. Вёрца [59]U,∙(1.10),где N – число стеклянных покрытий, шт.; f10,04h5 ∙ 10 h10,058N ;σ – постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м2∙град.4; ε - степень чернотыпластины; ε – степень черноты стекла; T – температура окружающей среды,град.; T – температура поглощающей пластины, град.; h- коэффициентконвективной теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м2∙град., определяется поформуле:h5,73,8v(1.11)где v – скорость ветра, м/с.Тепловые потери через верхнюю часть коллектора зависят от его угланаклона к горизонту, поэтому результат, полученный по формуле (1.10),необходимо умножить на поправочный коэффициент:Ut(s)/Ut(45) = 1-(s - 45)(0,00259-0,00144ε )(1.12)1.3 Зависимость эффективности плоского солнечного коллектора от егогидродинамических параметровОт нагретого лучепоглощающего слоя тепло передается трубе, а от стенкитрубы уже непосредственно жидкости.

Эффективность данного процессатеплопередачи будет зависеть от ряда гидродинамических параметров.35  1.3.1 Распределение температуры между трубами и эффективностьколлектораРаспределение температуры между двумя трубами можно получить,предполагая на время, что градиент температуры в направлении потока являетсяпренебрежимо малым. Рассмотрим систему лист - труба, изображенную нарисунке 1.14. Расстояние между трубами W [м], диаметр трубы D [м], толщинатонкого листа δ [м]. Поскольку материал листа является хорошим проводникомтепла, градиент температуры по толщине листа пренебрежимо мал. Пустьлокальная базовая температура листа на участке, расположенном над трубой,равна Тb [град.].Рисунок 1.14 - Система лист-трубаНа рисунке 1.15.а изображено ребро длиной (W-D)/2. Выделим элементребра единичной длины в направлении потока жидкости, ширина которого равна∆x (рисунок 1.15.б).Рисунок 1.15 - Баланс энергии для элемента ребра36  В [54] приведено выражение для плоского коллектора, описывающеепоглощённую коллектором полезную энергию, на единицу длины в направлениипотока жидкости [Вт]:qWD FD SU TT(1.13)В конечном счете, тепло от лучепоглощающего листа передается жидкости.Сопротивление переносу тепла к жидкости складывается из сопротивлениясоединения листа с трубой и сопротивления от сопротивления переносу тепла отстенки трубы к жидкости.

Данная взаимосвязь выражается следующей формулой:(1.14)qИз этого выражения в [54] выведено следующее выражение:qWF SU TT(1.15)где F – эффективность коллектора, равная:(1.16)где WD – ширина изолированного ребра солнечного коллектора, м, т.е. W –расстояние между трубами, м, а D – диаметр трубы (рисунок 1.14), м; h-коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к жидкости;D – внутренний диаметртрубы, м; C – проводимость соединения листа с трубой; F – эффективностьпрямого ребра коллектора прямоугольного профиля равная:F //(1.17)где m - параметр, введенный в [54] для упрощения вида формулы (1.17) и, в своюочередь, равный:m = (UL/λлδ)1/2(1.18)где λл - коэффициент теплопроводности листа, Вт/(м∙град); δ - толщиналучепоглощающего листа, м.Проводимость соединения листа с трубой можно оценить, если известныкоэффициент теплопроводности k , средняя толщина слоя γ и длина соединенияb:37  (1.19)CПроводимость может оказывать существенное влияние на рабочиехарактеристики коллектора.

Экспериментально доказано, что простое креплениетруб к листу с помощью проволоки или струбцин приводит к существенномуухудшению характеристик коллектора. Необходим надёжный контакт металлов,чтобы сопротивление между листом и трубой не превышало 0,03 (м∙град.)/Вт.Вернёмся к уравнению (1.16). Для большинства геометрических схемколлектора физический смысл параметра F становится ясным, если принять вовнимание что знаменатель уравнения (1.16) представляет собой сопротивлениепереносу тепла от жидкости к окружающему воздуху. Это сопротивлениеобозначим 1⁄U .

С другой стороны, числитель представляет собой сопротивлениепереносу тепла от поглощающей пластины коллектора к окружающему воздуху.Таким образом,(1.20)FДругая трактовка F следует из формулы (1.15). Согласно этому уравнению,F в некоторой точке представляет собой практически полное отношениефактически поглощённой энергии к полезной энергии, поглощённой в случае,когда температура поглощающей пластины равна локальной температурежидкости.Вторая трактовка нуждается в пояснении. Рассмотрим идеализированныйслучай, когда:-интенсивность теплоотдачи от стенки трубы к жидкости бесконечновелика (h→ ∞), или сопротивление теплоотдаче от стенки трубы к жидкостиравно нулю;-контакт между пластиной и трубой является идеальным, т.е.сопротивление переносу тепла от листа к трубе равно нулю;-пластинатеплопроводностью.изготовленаизматериаласбесконечнобольшой38  При этих условиях температура пластины, очевидно, не зависит от x и равналокальной температуре жидкости.