CC BY
21
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.047 Проф. 1.М. Озаршв, д-р техн. наук;
проф. В. С. Джигирей, канд. техн. наук; доц. 1.А. Соколовський, канд. техн. наук; студ. О.1. Озаршв - НЛТУ Украти, м. iïbeie
МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ТРУБНОГО ГЕЛ1ОТЕРМОКОЛЕКТОРА
Проаналiзовано конструкцп сучасних гелiоколекторiв. Наведено формули роз-рахунку теплових колекторiв. Розкрито взаемозв'язки геометричних napaMeTpiB ко-лекторiв. Проведений аналiз експериментальних даних рiзних дослiдникiв показуе, що завдяки параболоцилiндричному рефлектору створюеться вищий рiвень опромь нення, нiж за плоского рефлектора. Проте бшьшому коефщенту вiдбивання вщповь дае менша нерiвномiрнiсть опромiнення.
Prof. I.M. Ozarkiv; prof. V.S. Dzhigirey; assoc. prof. I.A. Sokolovskyy;
stud. O.I. Ozarkiv -NUFWTof Ukraine, L'viv
Methods of pipe geliothermo collector calculation
The constructions of modern geliothermo manifolds have been analysed. The formulas of thermal collectors calculation represented. Correlation of collectors parameters revealed. The conducted analysis of experimental data of different researchers shows that due to the parabolic surface of cylinder reflector the higher level of irradiation is created, than at a flat reflector. However answered a greater reflectivity is by the less unevenness of irradiation.
Дефщит традицшних джерел енерги ставив i ставить перед спещалю-тами i вченими шляхи ефективного використання сонячно1 енерги стосовно сушшня пиломатерiалiв у промислових сушильних установках, коли останш обладнують додатково на^вальними пристроями у виглядi сонячних гель отермiчних колекторiв. Варто вщзначити, що науковi дослщження з використання сонячно1 енерги ведуться з метою шдвищення енергетично1 та еконо-мiчноï ефективност нагрiвальних пристро1в, хоча сонячне випромшювання i ранiше успiшно використовувалось та використовуеться для атмосферного сушшня пилопродукци в штабелях на вщкритих складах. Крiм того, використання спещальних низькотемпературних сушильних камер для попереднього шдсушування хвойних i твердолистяних порiд деревини до транспортноï во-логостi в лiтнiй перiод, коли використовують тшьки напрямлену циркуляцiю атмосферного повгтря (tc=20...30°C), дае змогу певною мiрою штенсифжува-ти процес сушшня. Проте такий споЫб е не дуже економiчно ефективним, ос-кшьки залежить вiд ступеня нагромадження великих запаЫв пиломатерiалiв на складах, а також пори року i погоди.
Зауважимо, що спроби усшшного використання сонячноï енергiï для сушшня деревини вели i ведуть в Англи, Канадi та Ншеччит, Францiï, Бол-гарiï, Чехiï. За останш роки аналопчш дослiдження почали виконувати у Польщд, Украïнi та Роси. Враховуючи те, що основними конструктивними
елементами будь-яко! гелiосушарки е поглиначi-акумулятори (колектори) со-нячно! радоаци, тому розглянемо !хт конструкци та розкриемо методику !хнього розрахунку.
Зауважимо лише те, що якщо гелiоколектор (сонячний елемент або батарея) перетворюе сонячне випромiнювання в електричну енергiю, то гель отермiчний колектор перетворюе сонячну енергiю в тепло. В останньому ви-падку пов^я прогрiваеться в колекторi i трубопроводом подаеться до спо-живача енерги, де теплоносiй (вода, повпря, машинне масло тощо) через теп-лообмiнники (калорифери) вiддае тепло i потiм повертаеться до колектора., i цикл повторюеться.
Гелiотермiчний колектор перетворюе сонячне випромшювання в теп-лову енергiю. За допомогою такого гелiотермiчного колектора можна отри-мати температуру 50...60°С теплоноЫя (атмосферного повiтря, оливи, води). Найпоширенiшi на сьогоднi е такi конструкци гелiотермiчних колекторiв (рис. 1): параболiчний обертальний, цилiндро-параболiчний, плоский, ваку-умний, концентрувальний i плоский водяний [1].
Д 8 г
Рис. 1. Схеми колекторiв: а - обертальний парабол1чний; б - цилтдрично-парабол1чний; в - плоский; в - стральний; 1, 4 - теплоноси; 2 - рефлектор;
3 - нагр1вальна камера; 5 - скло; 6 - ¡золяцтний шар; 7 - поглинаючий елемент;
8 - вакуумна трубка; 9 - вода
Параболоподiбнi колектори, як за допомогою фотоелеменлв поверта-ються за траекторiею руху Сонця, дають змогу досягати температури 300.. ,1000°С, а напiвпараболiчнi - 80.. ,120°С. Проте колектори-поглиначi випромшювання такого типу дуже дороп, оскшьки вимагають використання спещальних автоматичних систем стеження. Плоск повiтрянi колектори за-безпечують температуру повiтря 20.60 °С, а плоский водяний - 40...80°С. Просте одинарне скло гелюколектора дае змогу вловлювати також розсiяне сонячне випромшювання i забезпечуе рiвень температури 50.60 °С. Просто-
та конструкцй, добрi економiчнi i технiчнi показники гелiотермiчного плоского колектора та пiдбiр вiдповiдного матерiалу для змщення спектра випро-мiнювання близько 5... 15 мкм дае змогу використати такий колектор у со-нячнш сушарцi.
Плоский колектор - це рамна конструкщя, в якiй з одного боку знахо-диться одинарне або подвшне скло, а з другого - поглинач сонячно! енергй. У зимовий перiод його встановлюють таким чином, щоб сонячнi промеш падали на нього шд прямим кутом. У лiтнiй перюд нахил колектора вiдносно сонячних промешв залежить вiд географiчноl широти. Сонячш променi, що проникають крiзь скло, завдяки пов^яному прошарку мiж поверхнями наг-рiвають його. Основна перевага плоского колектора полягае в тому, що вш поглинае пряме та розЫяне сонячне випромшювання.
Несприятливим чинником шд час використання сонячно! енергй е за-лежнiсть густини потоку сонячного випромшювання вщ пори року i погод-них умов. Тому у разi застосування сонячно! енергй для на^вання повiтря, як агента сушшня, не варто ставити мету повно! замiни традицiйних техшч-них джерел енергй. 1накше кажучи, сонячш сушильш камери потрiбно поеднувати iз пароповiтряними камерними установками.
Для створення ефективних плоских колекторiв для на^вання газопо-дiбного середовища використовують теплообмшник iз вхiдним та вихiдним патрубками для об'екта нагрiвання (повiтря). Теплообмшник (рис. 2) скла-даеться iз поглинача, що знаходиться в середиш його з боку робочо! поверхш (остання разом iз прозорою верхньою стiнкою корпуса утворюе канал для проходу теплоноЫя).
Рис. 2. Сонячний повiтронагрiвач: 1 - корпус; 2 - прозора сттка; 3 - поглинач; 4 -робочий канал; 5 -робоча поверхня; 6 - заглиблення; 7,8 - патрубки
Поглинаючi елементи виконаш у заглибленнях у формi кульових сег-мент1в, центральний кут яких обмежений дiапазоном 45.180 °, що дае змо-гупiдвищити ККД нагрiвача завдяки виникненню смерчових утворень над заглибленнями.
Для пад^вання води автор роботи [4] пропонуе гелюколектор, що складаеться iз поглинально! труби, окремо розташованих свiтлопроникних порожнинних цилшдричних елементiв i з'еднаних мiж собою кiльцеподiбних виступiв (рис. 3).
Виражаючи поверхневi густини потокiв тепла, що видшяються в окре-мих шарах прозоро! iзоляцil та на поверхнi приймача сонячного випромшю-
вання через добутки поверхнево! питомо! густини сонячного випромшювання на вщповщт коефщенти поглинання, автор [4] розглянув рiвняння теплового балансу окремого елемента шару теплоприймача (рис. 4), тобто
Чр = / Чаа - (Лт + ( - *ос-) - Е Сох
Ао.с.
ЛТ &ос. ^ ^г > ЛТ Ло.с. /1 \
тос---/ Состос--, (1)
' А Лт о А Лт
-^ос м С ./1ос ^ *
де: чр - результуючий потiк випромiнювання; Лт, Ао.с, Лы- вiдповiдно коефь щенти поглинання теплоносiя, оточуючого середовища, шару iзолящl; ^, to.c -температура теплоноЫя та оточуючого середовища вщповщно; С - питома теплоемшсть; тос - маса шару оточуючого середовища. Поверхневi густини потокiв тепла, що видшяються в окремих шарах прозоро! термоiзоляцil та на поверхш приймача (трубки з водою), можна подати як
£Лт 1Ао.сЧо.с= у-Е, (2)
де у - коефiцiент вловлювання променево! радiацil
Рис. 3. Схема трубного гелюколектора: 1- поглинальна труба; 2 - цил¡ндричний свтлопроникний елемент; 3, 4 - тльцевг виступи; 5 - повтрянI порожнини
Рис. 4. Схема елемента трубчастого гелюколектора Ь прозорою та непрозорою термоiзоляцieю, розбитого умовно на довтьну ктьтсть шарiв
=
г = Е
Чр + А ( - о)-е С
(3)
Рис. 5. Залежшсть коеф^ента вловлювання випромтювання вiд кута
падтня промешв на поверхню трубчастого теплоприймача вiд точки зешту
де Е - величина потоку на поверхш труби (Е = оо-Т4, оо = 5,67-108 Вт/м2-К4).
Як видно з останнього рiвнян-ня (3), залежшсть коефщента вловлювання сонячно! раддаци приймачем (трубою з водою) мае експоненщаль-ний характер. 1ндикатриса вловлювання для бшьшосл трубчастих приймачiв iз прозорою термоiзоля-цiею залежить вщ кута а падiння промешв на поверхню труби-акумулято-ра, тобто
Ух, = Уо-соБуа,
(4)
де: уо - коефiцiент вловлювання вип-ромiнювання, що падае на приймач-трубу пiд кутом а; ух - коефщент вловлювання промешв, як падають нормально на приймач; у - показник ступеня, який залежить вщ конструкцй про-зоро! iзоляцil i змшюеться у межах 0,5.1,5 (для одношарового прозорого приймача у = 1,5). На рис. 5 показано залежшсть коефщента вловлювання вщ показника ступеня. Ця залежшсть дае змогу визначити коефщент вловлювання для будь-якого заданого розподшення за напрямками енергетично! яскра-востi сонячну радiацiю, що падае на приймач-акумулятор, i густину теплового потоку.
Вщомо [1], що до поверхш Землi через атмосферу доходить випромь нювання Сонця iз довжиною хвиль 0,3.3,0 мкм. При цьому 49 % сонячного спектра припадае на шфрачервош хвилi (X = 0,78 .3,0 мкм), 2 % - на ультра-фюлетове випромiнювання, а решта - на видиме свггло. Рiчна величина густи-ни опромшення становить для територй Укра!ни 900.1150 кВт/(м -рш). Для географiчних широт Укра!ни падаюче сонячне випромiнювання вловлюеться за допомогою плоских або трубчастих iз параболiчним дефлектором сонячних колекторiв (рис. 6). У сонячних параболiчних колекторах (концентраторах) та акумуляторах сонячно! енерги використовують параболо!дш вiдбивачi (реф-лектори), яю е параболiчними дзеркалами (лотками). Дзеркала вiдбивають со-нячнi променi iз точнiстю бiльше 98 % на абсорбцшну трубу (ресивер), яка проходить по фокальнш лши колектора. В абсорбцшних трубах знаходиться рiдкий теплоносш (вода iз добавленням протизамерзальних речовин або син-тетичних олив). Рщина-теплоносш нагрiваеться майже до 400°С i прока-чуеться через ряд теплообмшниюв. Для зниження теплових втрат трубку-приймач сонячно! енерги може оточувати прозора скляна трубка, що розмще-на вздовж фокусно! лши цилшдра. Зауважимо, що завдяки використанню рефлекторiв рiзного профiлю можна отримати будь-який розподш опромшен-ня на об'екп. Проте для створення зон рiвномiрного опромiнення найчастiше використовують параболоцилiндричнi рефлектори.
рефлектор-концентратор сонячноУ енерги
Рис. 6. Схема трубного колектора iз параболiчним рефлектором:
1 - трубопод1бний гелюколектор; 2 - поверхня нагр1вання; 3 - параболопод1бний рефлектор (концентратор сонячног енерги)
Опромшешсть труби-ресивера дорiвнюватиме сумi прямо! сонячно! енерги Епр, i випромшювання, вщбитого рефлектором тобто
Езаг Епр + Евгдб (5)
Величина потоку прямого опромшення дорiвнюватиме
Епр = (Ет.н / п)-г/И, (6)
де: ЕТН - густина опромшення поверхш труби за температури на^вання труби абсорбера tТ.Н.; г - радiус труби-нагрiвача; И - вщдаль вiд осi труби абсорбера до поверхш ОХ
ЕТН = Ео-ю (ТТН ) • ^ТН (Тт н ), (7)
де: Е0-а (Тт.Н) - густина випромшювання абсолютно чорного тша за температури ТтН; егтн - ступiнь чорноти (випромшювальна здатнiсть) поверхнi труби при температурi ТтН. Зауважимо, що значення Е0-а(Тт.Н) вибирають за табли-цями М.А. Брамсона [5, 6]. Якщо умовно розглядувана площадка нагрiвання вщдалена вiд перпендикуляра до осi труби абсорбера на вщдаль х, то формулу (6) записуемо так:
Епр = [ЕтлМ]- [г-И/(И2+х2)]. (8)
Згiдно з рис. 6,б, профiль дзеркального паралоподiбного рефлектора опишемо рiвнянням параболи, тобто
х2 = У.
2Ь
(9)
Величина потоку випромшювання Сонця, що надходить завдяки пере-вiдбиванню вiд параболiчного рефлектора, визначимо на площадцi ОХ за формулою
2ЕтнРх г
Ев1дб
П
(10)
де рх - штегральний коефщент вiдбивання рефлектора.
в
Ввiвши безрозмiрну координату в (в = в / Н), можна записати для будь-якого значення рiвняння (10) таким чином:
2ЕтнР^к(х),
п
(11)
де к (х) - частка густини вщбитого потоку промешв у центрi (х = 0).
Опустивши виведення розрахункових виразiв, нижче наведемо значення к (х) для рiзних значень х (табл. 1).
Табл. 1. Значення величини к (х)
х / 5 0,044 0,088 0,138 0,187 0,238 0,294 1 0,350 0,425 0,500
к (х) 1,0 0,983 0,956 0,911 0,856 0,787 | 0,714 0,630 0,544
Зауважимо, що важливим елементом концентраторiв сонячно! енергй, який визначае 1хнш коефiцiент корисно! ди, теплову iнерцiйнiсть та рiвномiр-нiсть опромiнення об,ектiв на^вання (у нашому випадку труби-абсорбера) е вщбивач (рефлектор). Виходячи з мiркувань щодо мiцностi, стшки-рефлекто-ри зазвичай виготовляють iз металiв та !хшх сплавiв. Загалом теорiю вщби-вання-випромшювання викладено у роботах [3, 7].
Зауважимо, що взаемодiя чистих металiв iз iнфрачервоним випромь нюванням з довжиною хвилi Х>1 мкм добре описуеться за допомогою елек-тромагштно! теори. Зокрема, величину нормально! штегрально! вщбивально! здатностi рХп гладких поверхонь чистих металiв визначають за формулою Ха-гена-Рубенса, тобто
рхп = 1-0,576л/Кт + 0,124 КТ, (12)
де: К - питомий електричний ошр, Ом-см; Т - температура поверхш, К.
Табл. 2. Нормальш коеф^енти вiдбивання для свiжонанесених _у вакуумi дзеркальних покриттiв_
Довжина хвил1 X, мкм Матер1ал покритив
Ля Си Ли Л1
0,75 98,6 97,9 97,4 88,0
0,80 98,6 98,1 97,7 86,3
0,89 98,7 98,3 97,8 86,0
0,90 98,7 98,4 98,0 89,0
0,95 98,8 98,4 98,1 91,8
1,00 98,9 98,5 98,2 94,0
1,50 98,9 98,5 98,2 96,8
2,00 98,9 98,6 98,3 97,2
3,00 98,9 98,6 98,4 98,0
4,00 98,9 98,7 98,5 98,2
У табл. 2. наведено значення нормальних коефщенпв вщбивання для свiжонапилених у вакуумi дзеркальних покриттiв у спектральному дiапазонi Х=0,75.3,0 мкм, що вщповщае 95 % енерги випромiнювання за Тгрн =2500К. Для монолiтних та електрично нанесених металiв значення коефщенлв плi-вок завжди будуть нижчими на 6.8 %.
Вiдомо [1], що величина шорсткост впливае на повну величину ко-ефiцiента вiдбивання i на шдикатрису розсiювання та вiдбивання. У випадку,
коли розмфи м1кронер1вностей значно перевищують довжину хвил1 пада-ючого випромшювання, то мае мюце зменшення повного вщбивання завдяки локальним перевщбиванням вщ елементарних дзеркал, як утвореш нер1внос-тями. А у випадку, коли нер1вносп за розм1рами е пор1внянними з довжиною хвил1 падаючого випромшювання, то тут починають грати роль дифракцшш ефекти. Зменшення дзеркального вщбивання рх,дз завдяки шорсткосл повер-хш а визначають за формулою Девюа [3, 6], тобто
8 2
Рк дз = Ро ■ ехр (- 4п • — 008^1) , (13)
л
де X - довжина хвил1 випромшювання, що падае шд кутом в1 до нормал1 по-верхш.
Варто зауважити, що чистий алюмшш швидко вкриваеться пл1вкою оки-су товщиною 0,010... 0,015 мкм, яка надал1 не збшьшуеться. Тому для тих ви-падюв, коли не потр1бно збшьшувати потужшсть нагр1вання, доцшьно викорис-товувати рефлектори 1з чистих марок алюмшш, коли вмют А1 > 99,7 %, тобто без спещального захисного шару або 1з шаром А12О3 мммально! товщини.
Анал1з експериментальних даних р1зних дослщниюв показуе, що при в <0,5 завдяки параболоцилшдричному рефлектору, створюеться вищий рь вень опромшення, шж за плоского рефлектора. Проте бшьшому коефщенту вщбивання Ь вщповщае менша нер1вном1ршсть опромшення.
Л1тература
1. Озарк1в 1.М., Мисак Й.С., Копинець З.П. Використання сонячно! енерги у проми-словосп : навч. поаб. / за ред. д-ра техн. наук 1.М. Озарюва. - Льв1в : Вид-во "Украшсью технологи", 2008. - 276 с.
2. Озаркчв 1.М., Ол1йник В.В. Розроблення акумулятор1в сонячно! енерги на основ1 теплоакумулюючих х1м1чних склад1в для гелюсушарок для деревини // Науковий вюник УкрДЛТУ : зб. наук.-техн. праць. - Льв1в : РВВ УкрДЛТУ. - 1999. - Вип. 9.9. - С. 98-101.
3. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.А. Теплообмен излучением : справочник. -М. : Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
4. Умбетов Е.С. Обоснование параметров и разработка трубчатого гелиоколлектора с сотовым прозрачным покрытием : автореф. дисс. на соискание учен. степени канд. техн. наук. - Алматы, 2007. - 19 с.
5. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. - М. : Изд-во "Наука", 1965. - 223 с.
6. Излучательные свойства твердых материалов / под ред. А.Е. Шейндулина. - М. : Энергия, 1974. - 472 с.
7. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М. : Изд-во "Сов. радио", 1978. - 400 с. _
УДК 674.76.41 Проф. В. Ф. Проскура, канд. екон. наук;
1.В. Омонова - Мукачiвський технологiчний тститут
СИСТЕМА УПРАВЛ1ННЯ ЯК1СТЮ ПРОДУКЦ11 НА ШДПРИСМСТВ1 ЯК СКЛАДНИК ЕФЕКТИВНО1
ЙОГО Д1ЯЛЬНОСТ1
Ключов1 слова: якють продукци, споживач, системи комплексного (тотального) управлшня якютю, м1жнародш стандарти якосп, персонал, управлшня, техшчний контроль, використання ресурав, стандарти тдприемства, життевий цикл продукци.
