CC BY
21лицензию [1, 5].
Известно, что большая плотность электромагнитных волн в явной форме влияет на здоровье человека. Источниками данного фактора могут быть радиотелескопы, ретрансляционные вышки, трансформаторы тока, близость, линий электропередач, скопление аппаратуры, приборов и т.д. [6].
На основании материалов анализа и оценки экологического и технического состояния здания по всему спектру соответствующих показателей, субъект эксплуатации разрабатывает план мероприятий по нормализации параметров уровня этих показателей до нормативно-требуемого уровня, в последующем контролирует реализацию этих мероприятий и осуществляет мониторинг за состоянием здания.
Литература
1. Байрамуков С.Х., Басов Е.Д., Боровков А.В., Долаева З.Н. [и др.] Проблемы и перспективы развития строительного комплекса и машиностроения: монография. Невинномысск: ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт», 2018. 155 с.
2. Болотин, С.А. Техническая эксплуатация зданий и сооружений: учебное пособие. С-Пб.: ЭБС АСВ. 2018. 140 с.
3. Шеина С.Г., Шишкунова Д.В. Разработка рекомендаций по снижению экологической опасности -пространственный анализ территорий после выполнения рекомендаций // Инженерный вестник Дона. -2015. - №4. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3335.
4. Байрамуков С.Х., Долаева З.Н. Оценка воздействия на окружающую среду строительства здания // Инженерный вестник Дона. - 2019. - №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6187.
5. Охапочкин С.В., Казачёк Н.С. Экология и ресурсосбережение в строительстве // Молодые ученые - развитию Национальной технологической инициативы (ПОИСК). 2020. № 1. С. 515-518.
6. Гончаренко О.А., Гусев Н.И., Кочеткова М.В. Экология и технологические процессы в строительстве // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 9-1 (41). С. 70-72.
УДК 621.3
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФРАКТАЛЬНОГО СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА
Рустамов Насим Тулегенович
Доктор технических наук, Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави,
г. Туркестан Кибишов Адылхан Талгатович Магистр-преподаватель
Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави,
г. Туркестан Суханов Мердан Язджумаевич Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави,
Магистрант г. Туркестан
Аннотации. В работе рассматривается физические принципы работы плоского солнечного коллектора (Кпск), с целью исследования вопроса связанные с повышением эффективности использования солнечной энергии. Проводится анализ работы плоских солнечных коллекторов с различными топографически расположенными жидкостными трубами. Основываясь полученным экспериментам результатов, предлагается новый тип солнечного коллектора, названный фрактальным солнечным коллектором Кфск. Раскрывая, конструкцию и экспериментируя с Кфск, проводится ретроспективный анализ эффективности использование солнечной энергии с плоскими солнечными коллекторами с различных конструкции. Приводится уравнение тепловых мощностей для оценки эффективного использования солнечной энергии для Кфск.
Annotations. The paper considers the physical principles of operation of a flat solar collector , in order to study the issue related to increasing the efficiency of solar energy use. The work of flat solar collectors with various topographically located liquid pipes is analyzed. Based on the experimental results obtained, a new type of solar collector is proposed, called the fractal solar collector . Revealing the design and experimenting with the fractal solar collector, a retrospective analysis of the efficiency of the use of solar energy with flat solar collectors from different designs is carried out. The equation of thermal capacities for estimation of effective use of solar energy for fractal solar collector is given.
Ключевые слова: фрактальный солнечный коллектор, абсорбер из полимерных труб, эффективность использование солнечной энергии, тородиальные абсорберы.
Keywords: fractal solar collector, polymer tube absorber, efficient use of solar energy, torodial absorbers.
Введение. Основным элементом систем солнечного теплоснабжения является солнечный тепловой коллектор, улавливающий солнечное излучение и преобразующий его в тепло. Для нагрева теплоносителя в системах солнечного теплоснабжения на 30-40оС выше температуры окружающей среды обычного применяются плоские солнечные коллекторы, работающие без концентрации лучистых потоков.
В коллекторе падающее солнечное излучение преобразуется в теплоту, отводимую потоком жидкого теплоносителя (вода, антифриз и др.), протекающим по каналам поглощающей панели.
Плоские коллекторы для нагрева жидкого теплоносителя, например воды, используют в коммунально-бытовой сфере для горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий, в сельскохозяйственном производстве при переработке и хранении продукции, в промышленности (текстильной, кожевенной, пищевой и др.). За рубежом плоские солнечные коллекторы широко применяют также для подогрева воды в открытых плавательных бассейнах в летнее время. В этом случае необходимо весьма небольшое (всего на несколько градусов) повышение температуры. Поэтому поглощающая панель, как правило, из пластмассы или резины, используется без остекления, теплоизоляции и корпуса. Такие коллекторы, как правило, называются абсорбционными.
Солнечная энергия привлекает многих. Действительно, на каждый квадратный метр поверхности Земли падает около 3 кВт*ч даровой энергии в день.
Как показывают результаты поисковых исследований, выполненных в этой области, для предварительного подогрева подписочной воды до 35^45°С в теплый период года в гелиоприставках в место традиционных плоских солнечных водонагревательных коллекторов с теплоизолированными корпусами и светопрозрачными покрытиями могут быть использованы плоские солнечные водонагревательные абсорберы. с теплоизолированными днами. Благодаря отсутствия светопрозрачного покрытия корпуса тепловые потери плоских солнечных водонагревательных абсорберов с теплоизолированными дном в 2,0-2,5 раза больше, чем у обычных водонагревательных коллекторов среднего качества[1]. С другой стороны, для увеличения эффективности использования солнечной энергии плоским солнечным коллекторам Кпск можно изменяя конструкции расположения нагревательных труб абсорберов(рис.1).
На сегодняшний день эффективность использования солнечной энергии Кпск остается желать лучшего. Как известно, для целей отопления и кондиционирования воздуха в помещениях требуется более высокая температура Кпск. Такая температура - от 60 до 100 °С. Эффективность использования солнечной энергии плоского коллектора Кпск при этом существенно снижается, а при неблагоприятных внешних условиях (низкой температуре окружающего воздуха, малой плотности потока солнечного излучения) такой коллектор вообще не может обеспечить требуемого температурного уровня[2,3,4]. Здесь возникает вопрос: как при таких условиях повышать эффективность использования солнечной энергии на коллекторах.
Целью работы является найти конструкторского решения для Кпск повещающая эффективность использования солнечной энергии.
Метод решение. В Кпск солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине. При этом отраженные солнечные лучи повторно не используются в Кпск. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости. Эффективность использования солнечной энергии Кпск зависит от поглощенного солнечного тепла. А поглощения солнечного тепла зависит, как расположены нагревательные трубки. Меняя формы расположения этих трубок можно увеличить или уменьшить эффективность использования плоских коллекторов. Такой подход к увлечению эффективности использования солнечной энергии дает возможность оптимизировать конструкцию плоских солнечных коллекторов. Исходя из этих соображений, сконструировали три типа плоских солнечных коллекторов. Трубки могут располагаться параллельно друг другу(рис.1,с)- Кпск, причем на каждой имеются входное и выпускное отверстия, либо в виде квадратного змеевика(рис.1,б)-Ккпк или эти нагревательные трубки на плоской апертурой площади расположит фрактально на основе число Фибоначчи(рис.1,а) -Кпфк. Несмотря на одинаковость апертурной площади этих плоских солнечных коллекторов эффективность использования солнечной энергии разные. Но проведенные эксперименты показали, когда нагревательные трубы располагается фрактально по закону «золотого сечения» эффективность использования солнечной энергии Кпфк была больше чем Ккпк и Кпск[5].
Рис. 1 Разные конструкции плоского солнечного коллектора
Такой результат подтолкнул нас сконструировать солнечный коллектор, в виде показанный на рис.2. Такого коллектора назвали фрактальным солнечным коллектором -Кфск. Из физической сути фракталов, понятно, что такой солнечный коллектор может падающих солнечных лучей использовать в несколько раз. Если дно апертурной площади проектировать в овальной форме, т.е. наподобие «тарелочных антен», тогда можно дополнительно концентрировать солнечные лучи и отразит на фокусную точки. В свою очередь эта точка может служит дополнительным источником солнечной энергии. Себестоимость полученной тепловой энергии будет в разы дешевле, чем полученной тепловой энергии из плоских солнечных коллекторов.
Если посмотреть на конструкцию Кпфк (рис.1, а), то видно, что нагревательные абсорберные трубы с жидкостью расположенные на плоской апертурной площади фрактально самоподобным образом. На рис.2 видно, что нагревательные абсорберные трубы Кфск расположены на подобие «матрешки» на овальной апертурной площади. При одинаковой апертурной площади, при одинаковых абсорверной площади и при одинаковых внешних условиях эффективность использования солнечной энергии этими солнечными коллекторами различные(рис.З). Это очень интересный фактор для повышения эффективности использования солнечной энергии нагревательными коллекторами. Наше исследования показали, что повышения эффективности использования солнечной энергии нагревательными коллекторами таким методом является дешевым и простым. Если поместить трубы с жидкостью фрактально (в подобие матрешки), то в конструкции плоского коллектора изменится многое и стоимость самого коллектора удешевится. Тогда общие конструкционные принципы Кфск принципиально изменится от плоских солнечных коллекторов Кпск .
параболическая апертурная площадь Рис.2. Общий вид конструкции фрактального солнечного коллектора Кфс,
Этот вид гелиоустановки (рис. 2) представляет собой батарею иерархически расположенных тороидных фракталов на параболической тарелочной апертурной площади, которые фокусируют солнечную энергию на первый фрактальный тороид, расположенный на фокусной точке тарелки.
Конструкция таких установок проектируется при заданной фрактальной размерности Б. Каждый фрактал будет помещаться по закону «золотого сечения»(рис.2):
\ = 1.6 (1)
Преимущества, таким образом, полученных солнечных коллекторов очевидно. Из физических соображений понятно, что каждый нижний расположенный фрактальный абсорбер будет дополнительным излучателем солнечной энергии выше стоящего тороидального фрактала. Так как отраженные солнечные лучи из абсорбера будет дополнительно нагревать верхний фрактальный абсорбер. В этом и заключается физическая сущность работы Кфск от Кпск.
Площадь тора или абсорбера в Кфск находится по формуле
$=4-л2 ^ т (2)
Здесь г- радиус окружности, образующий при вращении, R- расстояние от центра образующей окружности до оси вращения тора, S- площадь поверхности фрактальной трубы по радиусам.
В фрактальном солнечном коллекторе таких абсорбер- площадей будет несколько. Номер таких абсорбер- площадей обозначим буквой Ь. Тогда общая площадь абсорбера Кфск находится по формуле
5Ь = 4-л2 ЯьГЬ (3)
Конструкция солнечного нагревателя жидкости является фрактальным коллектором с абсорбером из полимерных материалов хорошо поглощающих солнечной энергии[6]. Апертурная площадь тарелочной части такого коллектора служит отражателем. Прошедшие через и мимо абсорберов солнечные лучи, фокусируется на первом фрактальном абсорбере. Это позволяет Кфск увеличить эффективность использования солнечной энергии.
С другой стороны этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенных в фокусной точке каждого фрактала.
Как уже отметили, что эффективность использования солнечной энергии на Кпск плоских солнечных коллекторов можно повысит, оптимизируя расположения нагревательных трубок. Например, змеевидное расположение трубок устраняет возможность протекания через соединительные отверстия и обеспечивает равномерный поток жидкости[7,8].
Эффективность использования солнечной энергии - ] фрактальных солнечных коллекторов Кфск определяется как:
]фск = (4)
Здесь ць = (СудС/дпод)ь - масштаб , Ь - номер фрактала, SL-масштабный множитель , Б - фрактальная
размерность Кфск. Где по[1] Ср - удельная теплоемкость теплоносителя; и - соответственно температуры горячего теплоносителя на выходе из коллектора и исходного холодного теплоносителя на входе в коллекторе, дпод - поверхностная плотность потоки суммарного излучения, падающего на фронтальную поверхность коллектора.
При этом очевидно, что как вся абсорберная площадь, так и любой общей площадь Кфск обладают одной и той же фрактальной размерностью.
В работе [9] рассмотрено определение коэффициента тепловых потерь для Кпск абсорвера с пластмассовыми трубками. Для расчёта нормальных и аварийных режимов работы солнечных коллекторов необходимо знать не только вышеуказанную величину, но и такой показатель, как приведенная пропускательно-поглощательная способность О . Эта величина определяет мощность и, соответственно, энергию, поглощаемую абсорбером при его облучении. Для раскрытия возможностей Кфск и путей их усовершенствования целесообразно рассмотреть уравнение баланса энергии для стационарных условий, которое определяет теплопроизводительность коллектора в расчете на единицу площади тепловоспринимающей поверхности как разность поглощенного солнечного излучения и тепловых потерь в окружающую среду. Для стационарного режима работы фрактального солнечного коллектора Кфск уравнение баланса мощностей записывается в следующем виде:
£ь((кБь - ПБ^и^1 - ^5ь+1иьь+2)=(01С^ +02С+1 +.. ,+ОЬ С£+П)(1с-Ю (5)
1о- температура абсорбера с водой в начале интервала нагрева коллектора солнечным излучением, ОС, 1а- температура окружающей среды, ОС, 11 - температура воды на входе солнечного коллектора, ОС, SL - расчётная площадь апертуры Кфск , м2, Оь= Оуд •& - массовый расход
теплоносителя, кг/c, Оуд - удельный (т.е. отнесенный к единице площади фронтальной поверхностифрактального абсорвера) расход нагреваемой воды через данный коллектор; Sl - площадь соответствующего фрактального абсорбера. Эта площадь вычисляется по формуле (1).
Правая часть уравнения (5) является полезной мощностью Кфск , а левая - разностью между мощностью поглощаемой абсорбером солнечной энергии и тепловым потоком от него в окружающую среду. Это и есть уравнение теплового баланса Кфск. Эта уравнение найдена с помощью эксперимента с Кфск в различных погодных условиях.
Из выражения (5) значение Q может быть найдено, если выполняются условия стационарности процесса, и, разумеется, известны все величины, необходимые для решения уравнения (5).
Основной вклад в погрешность здесь обусловлен неточностью определения UL и , где UL - полный коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора, Вт/К, - среднее за интервал времени Дт значение температуры абсорбера, ОС.
Возможный путь повышения точности определения Q - это минимизация при проведении экспериментов разности средней температуры абсорбера и окружающей среды. При условии а -ta=0 будет исключено также влияние погрешности, связанной с определением коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора UL .
Чтобы произвести ретроспективный анализ мы провели эксперимент с четырьмя коллекторами Кпфк , Ккпк, Кпск и Кфск . Эксперимент проводился в марте месяца. Солнечно нагревательные коллекторы ставились в одинаковое условие. Абсорберная площадь у всех выбраны одинаковыми. Из графиков показанный на рис.3 видно, что эффективного использования солнечной энергии у Кфск самое высокое.
Рис. 3. Скорость нагревания солнечных коллекторов
На рис.4 показан пропускательно-поглотительную способность Кфск с Ь= 4, Ь= 2 фракталом и плоского солнечного коллектора Кпск одинаковыми абсорверными площадями & Эксперимент проводился в феврале месяц в г. Туркестане.
Рис.4 Оценки пропускательно-поглотительной способности Кфск и Кпс
Из рисунка видно, что пропускательно-поглотительная способность Кфск выше чем пропускательно-поглотительной способности Кпск.
В связи с изложенным выше более простым представляется определять пропускательно-поглотительную способность солнечного коллектора по результатам экспериментов, выполненных при условии 0=0, т.е. в нестационарном тепловом режиме(рис.4). Здесь, в отличие от методики определения коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора иь, основанной на использовании свободного переходного теплового процесса должен быть применён вынужденный переходный тепловой процесс при нулевом расходе воды.
Выводы. Эксперименты с уравнением теплопроводности показало, что фрактальная размерность Кфск прямую определяет ее эффективное использование солнечной энергии. Проводившие испытания при подходящих внешних условиях при стабильности солнечного излучения и температуре окружающей среды показало объективность этой концепции. Важным является также то, что с целью уменьшения влияния неточности оценки коэффициента тепловых потерь коллектора абсорбер заполняется водой с температурой более низкой, чем температура окружающей среды, в момент проведение эксперимента. При этом начальное значение температуры воды определяется из условия /^=4.
Основными величинами, влияющими, на точность определения О являются: данные о теплофизических свойствах материала труб абсорбера, продолжительность интервала нагрева, стабильность внешних условий (интенсивность облучения коллектора, направление и сила ветра, температура окружающей среды). Поэтому при планировании эксперимента важно иметь достаточно точный прогноз погоды и правильно его использовать.
Литература
1. Avezova N.R., Avezov R.R, Rustamov N.T, Vakhidov A., Suleymanov Sh.I. Resource indexes of flat solar water-heating collectors in hot-water supply systems: 4. Specific collector thermal yield and efficiency. Journal Applied Solar Energy, 2013, Volume 49, Issue 4 , pp 202-210.
2. Авезова Н.Р. Исследование абсорбционных солнечных коллекторов с емкими преемниками полуцилиндрической формы. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Ташкент, 2003, -172с.
3. Авезов P.P., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Ташкент , Фан, 1988, -288с.
4. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы и использованием солнечной энегии. М: Мир, 1977. 420 с.
5. Рустамов Н.Т., Амирова А.Н. Потребность использованию низко потенциальных коллекторов. Труд. Межд. научно-практической конференции <<100- конкретных шагов -новая эпоха укрепления системы науки и образования Казахстана», Жетысай ,2015г., с. 323-329.
6.Рустамов Н.Т., Мейрбеков А.Т., Корганбаев Б.Н. Фрактальный солнечный коллектор. Патент № 2639 на полезную модель от 22.01.2018.
7.Рустамов Н.Т., Мустафаев К. Использование альтернативных источников энергии в системе горячего водоснабжения в теплый период года. Вестник МКТУ им. А. Ясауи, № 1, 2014, с. 91-96.
8. Рустамов Н.Т., Мейрбеков А.Т., Мейрбеков Б.К. Уравнение баланса мощностей фрактального солнечного коллектора. ГЕЛИОТЕХНИКА. №4, 2017, с. 38-42.
9.Ермуратский В.В. Определение коэффициента тепловых потерь коллектора солнечной энергии с абсорбером из полимерных труб. Проблемы региональной энергетики. 2009, №3, http ://ieasm.webart.md/data/m71 _2_ 120.doc.
Сведение об авторах:
Рустамов Насим Тулегенович -д.т.н.,проф., МКТУ им.Х.А.Яссауи Суханов Мердан..- магистр МКТУ им.Х.А.Яссауи
