CC BY
54
УДК 532.5:66.047
А. К. Ильин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ВОДЫ
Введение
Процесс нагревания воды за счет солнечного излучения на открытую поверхность используется в различных случаях [1-4]: при опреснении морской воды в тонких пленках; создании градиента температур в солнечных прудах; нагревании первичного теплоносителя в двухконтурных системах теплоснабжения (плавательные бассейны, тепловые аккумуляторы и др.); создании дополнительного источника энергии в термоградиентных прибрежных океанских тепловых электростанциях. При этом, вследствие периодичности солнечного излучения, определенное значение имеет также и периодичный процесс охлаждения воды в отсутствие излучения.
Нами (с участием А. Волкова, С. Чаплинской) выполнены экспериментальные исследования процесса нагревания и охлаждения воды в моделях водоемов в различных географических широтах, а также, для сравнения, процесса нагревания и охлаждения неиспаряющейся жидкости.
Опыты в экваториальных районах океана
Опыты проводились в экваториальных районах Индийского океана. В качестве жидкостей использовались морская вода соленостью 34,1-34,5 %о и минеральное масло марки «турбинное 30». Для воды использовались две модели водоемов: первая выполнена из пенопласта толщиной 55 мм и имеет прямоугольную форму с площадью поверхности жидкости 0,46 м2; вторая изготовлена из тонкого листового металла с наружной тепловой изоляцией из пенопласта (50 мм). Площадь поверхности жидкости 0,31 м2 с соотношением сторон 1:1,62. Для каждой модели при неизменной площади поверхности нагрева масса жидкости изменялась за счет изменения толщины слоя.
Для минерального масла использовалась модель из листового оргстекла (5 мм) с наружной изоляцией из пенопласта (50 мм). Длина 478 мм (внутренний размер), ширина дна 70 мм, ширина у верхней кромки 125 мм. При изменении толщины слоя масла кроме массы изменяется и поверхность, нагреваемая солнцем.
Температура воды измерялась через 10-15 минут ртутным лабораторным термометром в середине слоя, т. к. существенного градиента температуры по вертикали не обнаружено.
Температура масла, как правило, измерялась термометром сопротивления с непрерывной записью на ампервольтметр и ртутным лабораторным термометром (через 10-15 мин) в двух точках: на 1 см выше дна и 1 см ниже поверхности. Большинство опытов проведено при естественной конвекции воздуха, условия для которой создавались искусственно. В части опытов с моделью 1 объемным методом измерялось количество испарившейся воды.
Опыты проводились в дневное время с постоянной плотностью прямого и суммарного излучения: после 11 ч 30 мин до 14 ч 30 мин. Характеристики излучения приведены на рис. 1.
Рис. 1. Измеренные [3] величины плотности солнечного прямого дпр и суммарного дсум излучения в течение дня в марте - мае. Средняя величина суммарного излучения с 8 до 18 часов составляет 1,03 кВт/м2, с 9 до 17 часов - 1,07
Наиболее важными параметрами исследуемого процесса являются скорость повышения температуры жидкости в модели и максимальная температура нагревания. На рис. 2 приведены основные сведения о процессе: температура ^возд и относительная влажность воздуха ф, плотность суммарного излучения дсум, величина облучаемой поверхности / толщина слоя жидкости И, масса жидкости т, изменение массы жидкости за счет испарения Ат. Рисунок иллюстрирует существенные различия в нагревании испаряющейся и неиспаряющейся жидкостей. Скорость повышения температуры масла (линии 1, 2) существенно выше - до 0,75 °С/мин, чем для воды (линии 3, 4). При небольшой величине подводимого к поверхности теплового потока и небольшой интенсивности испарения скорости нагревания воды и масла становятся примерно одинаковыми (линии 3, 4 и Г). То же относится к скорости охлаждения (линии 2-Д и 6), но с увеличением толщины слоя масла скорость охлаждения уменьшается (линии 2-Д, 2-Е).
Рис. 2. Параметры нагревания и охлаждения жидкостей в моделях при различных условиях и естественной конвекции воздуха: 1 - модель 3 (масло) для /возд = 30,2 оС, дсум = 1,127 кВт/м2, / = 0,0435 м2,
И = 50 мм, т = 1,713 кг, начальная температура 24 оС; 2 - модель 3 (масло): для / = 0,0521, И = 90, т = 3,465; участок Г: /возд = 31, дсум = 1,08 (Г - температура у поверхности, Г' - у дна); участок Д (охлаждение без солнечной радиации): /возд = 31, дсум = 0,11 до 18 ч (Д - температура у поверхности,
Д' - у дна); участок Е (охлаждение без радиации): /возд = 25,5, дсум = 0; 3 - модель 2 (морская вода): для /возд = 30, ф = 0,71, дсум = 1,08, И = 32, т = 10,2; 4 - модель 1 (морская вода): для /возд = 29, ф = 0,75, дсум = 1,05, т = 15, Ат = 0,85 кг, / = 0,46, И = 32; 5 - модель 1 (морская вода разбавленная, 29,6 %, нагревание воздухом при естественной конвекции): для /возд = 23, ф = 0,71, начальная температура воды 7,8 оС, дсум = 0, т = 7,4, Ат = 0,092 (для линии 5 шкала - справа); 6 - модель 1 (морская вода разбавленная, 29,6 %о, охлаждение без радиации): для /возд = 24,5, ф = 0,65, дсум = 0, т = 15, Ат = 0,15, И = 32
Максимальная температура нагревания воды (линии 3, 4, 5) существенно ниже, чем масла (линии 1, 2) вследствие больших затрат теплоты на испарение. В слое масла возникает градиент температуры по вертикали, который уменьшается после достижения температуры 60 °С.
Скорость повышения температуры воды замедляется при приближении температуры воды к 40 °С (рис. 3). В дальнейшем достигается равновесная температура жидкости, при которой затраты теплоты на испарение, собственное тепловое излучение, передачу теплоты конвекцией в атмосферу, передачу теплопроводности через стенки и днище модели становятся в сумме равными количеству теплоты, подводимой за счет солнечного излучения. Дальнейшее экспонирование модели водоема на солнце не приводит к повышению температуры. Величина равновесной температуры во всех опытах, проведенных с целью уточнения, составляла 42-45 °С в зависимости от относительной влажности воздуха и скорости ветра (температура атмосферного воздуха оставалась постоянной - 29-30 °С).
Равновесная температура 44-45 °С наблюдалась также в природных условиях в тропической зоне океана в прибрежной полосе на больших площадях на мелководье (глубина до 1,5 м), где водообмен затруднен по природным условиям. Эта температура воды достигается к середине дня при следующих характерных параметрах: плотность суммарного излучения 1,1-1,2 кВт/м2, температура воздуха 30 °С, температура воды в океане вдали от берега 29 оС, относительная влажность воздуха 0,75-0,80.
В процессе нагревания воды до равновесной температуры более половины получаемой теплоты затрачивается на испарение с поверхности (по данным тех опытов, где измерялось количество испарившейся воды). После достижения температуры 39-40 °С указанное соотношение не меняется, при равновесной температуре жидкости затраты на испарение и собственное тепловое излучение имеют максимальные значения, а затраты на нагревание становятся равными нулю.
Аналогичные зависимости получены на модели с минеральным маслом (рис. 4). Установлена возможность достижения достаточно высоких значениях равновесной температуры нагрева - до 80-86 °С. Очевидно, что это связано с отсутствием затрат на испарение с поверхности жидкости. В связи с этим изменяется и соотношение между потоками теплоты: увеличивается доля потерь на собственное тепловое излучение с поверхности.
Рис. 3. Изменение температуры при нагревании морской воды в условиях естественной конвекции воздуха. Заштриховано - зона размещения экспериментальных кривых по опытам с моделью 1 при следующих условиях: т = 10 и 15 кг,
4озд = 29,2-30,5 °С, ф = 0,7-0,8, дир = 1,0-1,1 кВт/м2, И = 22-32 мм
Рис. 4. Изменение температуры минерального масла (линии 1-5) и морской воды (линия 6) в моделях при солнечном нагревании. Отношение площади нагреваемой поверхности жидкости к ее массе составляет: 1, 2 - 260 см2/кг; 3 - 420; 4, 5 - 210; 6 - 310
На рис. 5 приведены величины потоков теплоты для опыта, соответствующего линии 2 на рис. 4.
Рис. 5. Соотношение между потоками теплоты при нагревании минерального масла в модели 3 в зависимости от температуры дир = 1,10 кВт/м2, И = 50 мм, /возд = 30,2 °С, / = 0,0435 м2): 1 - поток теплоты за счет солнечного излучения; 2 - затраты теплоты на нагревание масла; 3 - затраты теплоты на собственное тепловое излучение; заштрихованная область - другие потери теплоты
Они показывают, что основные затраты теплоты связаны с нагреванием жидкости и собственным тепловым излучением. Величина собственного теплового излучения вычислена при коэффициенте излучения 0,95. Затраты теплоты на нагревание масла получены по средней температуре слоя. Разность температур верхних и нижних слоев масла в первый период нагревания составляет 10-15 оС и уменьшается до нескольких градусов при приближении к равновесной температуре. Линия 2 на этом рисунке соответствует также величине КПД процесса нагревания при различных значениях температуры жидкости.
Опыты в средних широтах
Опыты были проведены при солнечном нагревании и последующем охлаждении морской и пресной воды в прибрежном районе Японского моря (43о с. ш.) в моделях водоемов. В качестве моделей использовались алюминиевые баки (5 = 2 мм) площадью 0,5 х 0,5 м2 различной высоты: баки Б0 , Б1 , Б2 - 0,15 м, Б3 - 0,30 м. Днище всех баков изолировано пенопластом (100 мм). Изменение некоторых конструктивных элементов моделей указано на рис. 6.
Рис. 6. Суточный ход температуры морской воды в моделях (20 мм от поверхности) и воздуха: Б1 - боковые стенки изолированы пенопластом (100 мм), с 10-00 до 18-00 каждого дня поверхность воды открыта, затем покрыта пенопластом (100 мм); Б2 - без изоляции стенок, Б3 - винипластовая пластина (18 мм) опущена на 110 мм ниже поверхности воды, с 7.09 (10-00) - опущена на дно; Б0 - поверхность покрыта черной полиэтиленовой пленкой (опыт с этим баком проведен 26.08-28.08). Остальные параметры: 26.08 - облачность 7-10 баллов; и = 2,8-3,4 м/с; 4озд = 21,6 -25,2 оС; ф = 0,76-0,86; дсум = 540-760 Вт/м2; Б0 - 300 Вт/м2; 27.08 - 2-5 баллов; и = 0,8-1,6 м/с; /возд = 22,4-29,6 оС; ф = 0,61-0,62; дсум = 540-760 Вт/м2; Б0 - 550 Вт/м2; 28.08 - 3-8 баллов; и = 2,0-3,8 м/с; /возд = 22,0-26,3 оС; ф = 0,66-0,90; дсум = 530-720 Вт/м2; Б0 - 510 Вт/м2; 6.09 - 9 баллов; и = 2,5-4,7 м/с; ф = 0,82-0,95; дсум = 570-730 Вт/м2; Б1 - 240 Вт/м2;
Б2 - 360 Вт/м2; Б3 - 430 Вт/м2; 7.09 - 6-10 баллов; и = 3,0-7,2 м/с; ф = 0,82-0,95; дсум = 620-700 Вт/м2;
Б1 - 130 Вт/м2; Б2 - 280 Вт/м2; Б3 - 520 Вт/м2; 8.09 - 0-10 баллов; и = 1,4-3,0 м/с; ф = 0,62-0,92;
9сум = 500-670 Вт/м2; Б1 - 240 Вт/м2; Б2 - 350 Вт/м2; Б3 - 730 Вт/м2.
Для периода охлаждения бака Б0 27.08-28.08 (20-00 - 8-00) проведена линия, рассчитанная по [4]
Измерялись метеорологические параметры: облачность (баллы), температура воздуха, относительная влажность, атмосферное давление, скорость ветра, плотность суммарного и рассеянного излучения, угол склонения солнца. Температура воды измерялась метеорологическими
термометрами с ценой деления 0,1 оС, а также с помощью термозонда с полупроводниковым микротерморезистором (0,8 мм) с платиноиридиевыми выводами, чувствительность которого -18 Ом на 0,1 °С. Частота измерений соответствовала характеру режима нагревания и охлаждения моделей: для большей части суток все измерения проводили через каждый час. Зондирование микротерморезистором осуществляли в центре бака на глубине 0, 10, 20 мм и далее через каждые 10 мм.
Опыты проводили с заполнением баков морской водой соленостью 32 %о (на 5 мм ниже верхней кромки). Часть опытов проведена с пресной водой. При параллельной работе одинаковых баков с морской и пресной водой и в одинаковых условиях температура морской воды при солнечном нагревании была больше - до 0,6-0,8 °С.
Характерные результаты представлены на рис. 5. Они показали, что на тепловой режим модели водоема влияет большое число факторов. Определение степени влияния каждого фактора в зависимости от скорости нагревания или охлаждения является задачей специальных экспериментов. Наибольшее влияние оказывают: процесс испарения с поверхности и способы его устранения, теплопоглощающие свойства поверхности, величина конвективных потерь боковых стенок, способ создания аккумулирующей зоны водоема и др.
Получены большие полезные тепловые мощности моделей на режимах нагревания, до 600 Вт/м2, что соответствует КПД процесса до 0,6. Для режимов охлаждения необходим дальнейший поиск способов уменьшения тепловой мощности.
На рис. 6 не представлены профили температур в моделях. Однако необходимо отметить, что основная масса воды имеет однородную температуру (кроме режимов с винипластовым разделителем модели на слои). Определенный градиент температуры существует в приповерхностном слое. Величина градиента зависит от конструкции, условий работы модели и толщины слоя жидкости.
Основные результаты
Описанные выше особенности солнечного нагрева испаряющейся и неиспаряющейся жидкостей заключаются в следующем.
Равновесная температура при солнечном нагревании испаряющейся жидкости (воды) составляет 40-45 °С, а при нагревании неиспаряющейся жидкости (минерального масла) - 80-86 °С.
При солнечном нагревании жидкостей (воды и масла) при различных условиях в течение длительного времени сохраняется постоянная скорость нагревания: dt/dt = const.
Скорость повышения температуры и тепловая мощность при солнечном нагревании таковы, что жидкость в течение дня приобретает температуру, близкую к равновесной.
В слое испаряющейся жидкости градиент температуры практически отсутствует, а в слое неиспаряющейся присутствует, уменьшаясь по величине при повышении температуры жидкости.
Основной (преобладающей) потерей теплоты при нагревании испаряющейся жидкости являются затраты на испарение, а при нагревании неиспаряющейся жидкости - затраты на собственное тепловое излучение. Устранение испарения каким-либо способом может существенно повысить температуру воды в водоеме.
Коэффициент полезного действия процессов нагревания: для воды - 0,4-0,6; для масла на участке dt/dt = const - 0,5-0,6 (линия 2 на рис. 4) при температуре близкой к равновесной уменьшается до 0,2-0,3. Для сравнения: большой водоем с координатами 50° с. ш. в мае при температуре воды 7 °С и облачности 5 баллов имеет КПД около 0,3 [5]).
Скорость понижения температуры при охлаждении неиспаряющейся жидкости в 3-4 раза меньше, чем при нагревании. Однако она достаточно высока. Поэтому при использовании солнечного нагревателя жидкости в качестве аккумулятора теплоты необходимо принимать конструктивные меры по изоляции поверхности на период отсутствия солнечного излучения.
Результаты работы могут использоваться при разработке инновационных проектов на основе [1-4, 6] и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев В. В. Эволюция биосферы. Перспективы использования солнечной энергии // Достижения и перспективы. - 1981. - Вып. 19, № 7. - С. 53-62.
2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / под ред. П. П. Безруких. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.
3. Ильин А. К. Состояние развития и основные направления повышения эффективности океанских ТЭС // Эффективность систем преобразования энергии океана. Владивосток: ДВО РАН, 1987. - С. 4-43.
4. Ильина С. А., Ильин А. К. Моделирование процесса охлаждения солнечного пруда // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 6 (47). - С. 56-60.
5. Коробков В. А. Преобразование энергии океана. - Л.: Судостроение, 1986. - 280 с.
6. Мишон В. М. Практическая гидрофизика. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 176 с.
Статья поступила в редакцию 19.02.2009
EXPERIMENTAL DATA ABOUT USE OF THE SOLAR ENERGY FOR WATER HEATING
A. ^ Ilyin
The results of experimental researches of solar heating of sea water surface and non-evaporating liquid (mineral oil) are stated. The specific conclusions and recommendations about parameters of the heating process are given.
Key words: solar energy, sea water, mineral oil, parameters of the heating process.
