ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ ДЛЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 662.997:620.9

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПАКЕТОВ ДЛЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ

И.В. Митина, Д.С. Стребков, С.Н. Трушевский

ГНУ Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, г. Москва, Россия, 109456, тел.: (495) 715-03-38, факс: (495) 170-51-01; e-mail: solirina@inbox.ru

В данной статье рассмотрена возможность применения вакуумированных стеклопакетов (ВСП) в качестве прозрачной изоляции солнечных коллекторов (СК) с целью снижения тепловых потерь. Представлена методика расчета необходимых параметров ВСП, в том числе сопротивления теплопередаче при различной степени вакуума в вакуумном зазоре и степени черноты поверхностей стекол. По предложенной методике проведен расчет параметров ВСП в составе СК при степени черноты приемника eab = 0,95 и eab = 0,1. В статье обсуждаются результаты расчета параметров ВСП в сравнении с одинарным и двойным остеклениями. Оценен вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче ВСП. Показано преимущество ВСП перед одинарным и двойным остеклениями с селективным покрытием применительно к прозрачной изоляции СК.

OPTIMIZATION OF EVACUATED GLAZING PARAMETERS FOR SOLAR COLLECTOR APPLICATIONS

I.V. Mitina, D.S. Strebkov, S.N. Trushevskiy

The All-Russia Research Institute for Electrification of Agriculture

This paper reviews the possibility of vacuum glazing usage as transparent insulation of solar collector for the purpose of heat looses reduction. The calculation procedure of required vacuum glazing parameters including overall heat transport resistance for various vacuum levels in a gap and various glass surface emissivities is described. The basic parameters of vacuum glazing were calculated for two emissivity values of absorber (eab = 0,95 and eab = 0,1). The results of the vacuum glazing characteristics obtained from the calculation were compared with those of single- and double-glazing. The contribution of vacuum gap to the overall heat transfer resistance was calculated. The advantages of vacuum glazing over single- an double-glazing in solar collector application are demonstrated.

Ирина Валерьевна Митина

Сведения об авторе: аспирант отдела «Возобновляемые источники энергии» Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Образование: факультет инженерной экологии Московского государственного университета инженерной экологии (МГУИЭ) - 2004 г.

Область научных интересов: солнечная энергетика. Публикации: 2 статьи, 2 патента.

Дмитрий Семенович Стребков

Сведения об авторе: заслуженный деятель науки РФ, доктор техн. наук, профессор, академик РАСХН, директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Образование: факультет электрификации Московского института механизации и электрификации сельского хозяйства (1959 г.), механико-математический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (1967 г.).

Область научных интересов: энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии; резонансный метод передачи электроэнергии.

Публикации: 1000 научных работ, более 300 патентов.

Станислав Николаевич Трушевский

Сведения об авторе: канд. техн. наук, с. н. с., ведущий научный сотрудник отдела «Возобновляемые источники энергии» Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Образование: физико-математический факультет Днепропетровского государственного университета (1959 г.).

Область научных интересов: солнечная энергетика.

Публикации: более 50 статей, 42 патента.

Введение

Применение солнечных коллекторов (СК) для отопления и горячего водоснабжения, а в сельском хозяйстве - для сушки фруктов, зерна, другой продукции, в мире растет с каждым годом. К 2006 г. в мире было установлено 60,3 млн м2 плоских солнечных коллекторов с остеклением [1]. Основные тепловые потери - до 90 % - происходят через прозрачное ограждение СК, поэтому повышение его сопротивления теплопередаче является важной задачей.

В настоящее время одним из самых перспективных видов прозрачной изоляции являются вакууми-рованные стеклопакеты (ВСП), сопротивление теплопередаче которых при вакууме ~ 10-3 мм рт. ст. выше по сравнению с одинарным и двойным остеклением [2]. Однако возможна потеря вакуума из-за различных дефектов конструкции, а также при десорбции воды с внутренних поверхностей стеклопа-кетов, что может привести к снижению сопротивления теплопередаче.

Таблица 1

Сопротивление теплопередаче К, остекления солнечного коллектора при средней температуре приемника солнечного излучения tab = 100 ° С, температуре окружающей среды ta = -20 ° С

и коэффициенте теплопередачи от стекла в окружающую среду a = 20 Вт/(м2-К ) [3]

Table 1

Thermal resistance К, of solar collector glass cover at mean absorber temperature tab= 100 ° С,

ambient temperature ta = -20 ° С and external heat transfer coefficient = 20 W/(m2-К ) [3]

Тип остекления % = 0,95 % = 0,1

Одинарное остекление 0,13 0,25

Двойное остекление 0,24 0,38

тивным покрытием и без него. В табл. 1 представлено сопротивление теплопередаче прозрачного ограждения СК из одного и двух стекол без селективного покрытия (г^ = 0,95) и с селективным покрытием (гЙ, = 0,1).

Методика расчета сопротивления теплопередаче ВСП

Расчет теплового баланса СК для равновесного состояния в предположении бесконечных параллельных пластин производится по следующим уравнениям (без учета теплопотерь через боковую теплоизоляцию СК):

НТ1Т 2«аЪ = Я, + Яш, , (1)

где Н - суммарная солнечная радиация, Вт/м2; т1 и т2 - коэффициенты пропускания солнечного излучения стекол; ааЪ - коэффициент поглощения приемника солнечного излучения (СИ); д, - теплопотери через прозрачную изоляцию (ВСП), Вт/м2; дпт - теп-лопотери через теплоизоляцию:

qins

T - T

1 ab 1 a

я„.

(2)

где ТаЪ, Та - температуры приемника СИ и окружающей среды соответственно; Я,„, - термическое сопротивление теплоизоляции, м2-К/Вт:

1

h + h +

ins-a ins-a

(3)

где - коэффициент теплопроводности тепловой изоляции; Ъгг, - толщина тепловой изоляции (рис. 1);

, ИГш_а - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от теплоизоляции к окружающей среде:

hL . -

В данной работе приводится расчет характеристик ВСП, при которых в условиях работы солнечного коллектора сопротивление теплопередаче будет превышать двойное и тройное остекления с селек-

° (TL + ТЖт + Тa )

(1/Eins ) + (1/е0) -1

(4)

где о - постоянная Стефана-Больцмана; Tins - температура тепловой изоляции, К; tins - степень черноты тепловой изоляции; е0 - степень черноты небосвода.

T1

Рис. 1. Разрез СК с прозрачной изоляцией из ВСП: 1 - ВСП, 2 - фиксаторы, 3 - приемник СИ, 4 - тепловая изоляция Fig. 1. Cross-section of solar collector with evacuated glazing: 1 - evacuated glazing, 2 - pillars, 3 - absorber, 4 - thermal insulation

Тепловые потери через прозрачную изоляцию (ВСП):

q =

т - Т

1 ab 1 a

R

(5)

где Я, - сопротивление теплопередаче прозрачной изоляции (ВСП), м2-К/Вт. Я, складывается из термического сопротивления воздушного промежутка между приемником СИ и первым от приемника стеклом Яаь-1, термического сопротивления стекол термического сопротивления вакуумного зазора между стеклами Я8ар, термического сопротивления теплоотдаче от второго стекла ВСП к окружающей среде В-2-а-

К = К4-1 + 2Яе1 + Ятр + Я2.а . (6)

Теплообмен между приемником СИ и первым стеклом происходит конвекцией и излучением:

Тепловой поток через вакуумный зазор и термическое сопротивление вакуумного зазора:

?1-2 =

R = _

gap~ Х„

Т - Т

1 I 1 2

(11)

(12)

—^ + Л + Иг

5 / 1-2

вар

где q1-2 - тепловой поток между стеклами, Вт/м2; А^

- коэффициент теплопроводности разреженного газа, Вт/(м-К); 5гар - величина вакуумного зазора (рис. 1), м; Л/ - теплопроводность фиксаторов, Вт/(м2-К); Н[-2

- коэффициент теплоотдачи излучением в вакуумном зазоре:

К- 2 =

д(712 + 722)(T; + T2) (1/ем) + (1/zin2) -1:

(13)

где Т2 - температура второго стекла, К; е1и1, еп2 - коэффициенты излучения внутренних поверхностей соответственно первого и второго стекол ВСП. Коэффициент теплопроводности разреженного газа А^ определяется в зависимости от величины отношения длины свободного пробега молекул А0 к расстоянию между стеклами Ъ8ар и для молекулярных условий переноса газом тепловой энергии, соответствующих А0 >> 5гар, рассчитывается по формуле, полученной в [4]:

^е^1 ^ g

а0 1

Y-1J \

-К

(14)

4ab-1 =

Rab-1 =

Т - Т

1 ab 1 I Rab-1 1

hb-1+Kb.1

hr =a (Tab + ТЖь + Т.)

"ab-1 ='

(1/Eab ) + (1/^1) - 1

(7)

(8)

(9)

где qaъ-1 - тепловой поток от приемника СИ к первому от приемника стеклу, Вт/м2; Т1 - температура первого стекла, К; ЯаЬ-1 - термическое сопротивление воздушного промежутка между приемником СИ и первым

стеклом; h,

соответственно конвекцией и излучением между приемником СИ и первым стеклом, Вт/(м2-К); еаЬ - коэффициент излучения приемника СИ; е1 - коэффициент излучения внешней поверхности первого стекла. Термическое сопротивление стекла:

^ = , (10) Л *

где - толщина стекла, м; - коэффициент теплопроводности стекла, Вт/(м-К).

где а0 - коэффициент аккомодации; у - поправочный коэффициент, представляющий собой отношение молярных теплоемкостей газа при постоянном давлении и объеме у = с/с„.

Давление р в однородном газе связано с длиной свободного пробега молекул А0 и определяется формулой молекулярно-кинетической теории:

Р =

kT

ndl А„л/2

(15)

Kb-\ - коэффициенты теплоотдачи

где к - постоянная Больцмана, Т - средняя температура газа, (Т1 + Т2)/2, К; йт - диаметр молекулы, м.

Теплопроводность фиксаторов, расположенных на 1 м2 ВСП, Л/

Л =-

hi

8„„

(16)

где X/ - коэффициент теплопроводности фиксаторов, Вт/(м-К); - площадь фиксаторов на 1 м2 стекла:

ndf

Sf = IF

(17)

где df - диаметр фиксатора, м; tf - шаг фиксаторов.

3

Ж

63

8

gi

T

2

8

1

T

ab

Тепловой поток и термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности второго стекла к окружающей среде:

?1-а =

Rl-a =-

T - T

2 Jg

R .

I a *

(18)

(19)

где а, кг2_а - коэффициенты теплоотдачи от поверхности второго стекла к окружающей среде конвекцией и излучением:

К-а =

д(Т2 + Тр(Т2 + Та ) (1/£2) + (1/е„) -1 :

(20)

Я = ЯаЬ-Х = ?1-2 = ?2-a = Я, •

(21)

где е2 - степень черноты внешней поверхности второго стекла.

При стационарном режиме тепловые потоки от приемника СИ к первому стеклу, от первого стекла ко второму и от второго стекла в окружающую среду равны между собой:

Неизвестными в системе уравнений (1) - (21) являются: Т1, Т2, кГаЪ-1, Н[_2, Н[_а , Кы,, ЯаЪ-1, Rgap,

Н-2-а, К Яш,, ЯаЪ-1, Я1-2, Я2-а, Я,, и давление разреженного газа в вакуумном зазоре р. Решение системы уравнений производилось методом итераций при

помощи программы Excel; сходимость результатов расчетов и экспериментов оценивалась по соответствию потоков равенству (21).

Результаты расчетов сопротивления теплопередаче ВСП при различных степенях вакуума

Определим, какие характеристики должен иметь ВСП для превышения сопротивления теплопередаче двойного остекления с селективным покрытием, пользуясь описанным выше алгоритмом.

В расчетах были приняты следующие значения: Ti = Т2 = 0,85; aab = 0,9; £0 = 1; SgaP = 0,0002 м; Sgi = 0,004 м; Xgi = 0,74 Вт/(м-К); Xf = 0,74 Вт/(м-К); df = 0,0003 м; tf = 0,025 м; коэффициент теплопроводности тепловой изоляции из пенопласта \ms = 0,024 Вт/(м-К) [3]; 8m = 0,05 м; коэффициент теплопроводности воздуха при 80 °С lair = 0,0302 Вт/(м-К) [3]; a0 = 0,82 [5]; у = 1,4 [6]; dm = 1,7-10-10 м [7].

Температура приемника СИ, температура окружающей среды и коэффициент теплоотдачи конвекцией от стекла в окружающую среду принимались как в [3], чтобы сравнить полученные характеристики ВСП с данными одинарного и двойного остеклений солнечного коллектора, работающего в следующих условиях: tab = 100 °С; ta = -20 оС; hkab_1 = 3,73 Вт/(м2-К); h2_ a = 20 Вт/(м2-К).

- ВСП с тремя и четырьмя селективными покрытиями -ВСП с двумя селективными покрытиями

-ВСП с одним селективным покрытием ■двойное остекление с селективным покрытием

- ВСП без селективного покрытия

-двойное остекление без селсктвно1"о покрытия или одно стекло с селективным покрытием -одно стекло без селективного покрытия

а -О;

1,4

1,2

5 1,0 5

Ct. V

У 0,8

с

<у

I 0,6

а:

Я

S 0,4 о с. п

<3 0,2 0,0

-5

о Э----- h - _

¥-»

11-1 1-1 1-il -——JVI

-4 -3 -2

Показатель степени, "10"", давление в мм рт, ст.

-I

Рис. 2. Зависимость сопротивления теплопередаче ВСП в зависимости

от давления разреженного газа в вакуумном зазоре и степени черноты поверхностей стекол; степень

черноты приемника £ab = 0,95 Fig. 2. The variations of the overall heat transfer resistance of an evacuated glazing with vacuum level in a gap and glass surface emissivity; £ab = 0,95

1

64

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (64) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

■ÂÉ H

Степень черноты стекол варьировалась (см. рис. 2, 3): были рассчитаны варианты ВСП без селективных покрытий (е1, £,-и1, £п2, е2 = 0,95), с одним селективным покрытием на внутренней поверхности стекла (£1, £п2, £2 = 0,95; £п1 = 0,1), с двумя селективными покрытиями на внутренних поверхностях стекол (£1, £2 =

= 0,95; £п1, £п2 = 0,1), с тремя селективными покрытиями (£1, £2, £п1 = 0,95; £п2 = 0,1), с четырьмя селективными покрытиями на всех поверхностях стекол (£1, £п1, £п2, £2 = 0,1). Перечисленные варианты были рассчитаны для двух случаев: £аЬ = 0,95 и £аЬ = 0,1.

Рис. 3. Зависимость сопротивления теплопередаче ВСП в зависимости от давления разреженного газа в вакуумном зазоре и степени черноты поверхностей стекол; степень черноты приемника гаЬ = 0,1 Fig. 3. The variations of the overall heat transfer resistance of an evacuated glazing with vacuum level in a gap and glass surface emissivity;

Eab = 0,1

Как видно из рис. 2, сопротивление теплопередаче ВСП с одним селективным покрытием и степенью вакуума 10-3 мм рт. ст. больше в 2 раза по сравнению с двойным остеклением с селективным покрытием и составляет 0,77 м2-К/Вт; больше в 3 раза по сравнению с двойным остеклением без селективного покрытия (или одинарного остекления с селективным покрытием) и почти в 6 раз больше по сравнению с одинарным остеклением без селективного покрытия. При этом толщина ВСП равна 6,5 мм, что ненамного превышает толщину одного стекла (4 мм).

Дальнейшее увеличение вакуума (до 10-4-10-5 мм рт. ст.) повышает сопротивление теплопередаче ВСП ~ на 0,1 м2-К/Вт. Нанесение двух селективных покрытий на внутренние поверхности стекол ВСП увеличивает сопротивление теплопередаче на 0,2 м2-К/Вт по сравнению с одним селективным покрытием. Нанесение трех селективных покрытий дает увеличение сопротивления теплопередаче еще на 0,2 м2-К/Вт. ВСП с четырьмя селективными покрытиями имеет сопро-

тивление теплопередаче такое же, как ВСП с тремя селективными покрытиями, поэтому нанесение четвертого селективного покрытия нецелесообразно.

Таким образом, для превышения сопротивления теплопередаче ВСП по сравнению с двойным остеклением с селективным покрытием в 2 раза необходимо вакуумирование до 10-3 мм рт. ст. и нанесение по крайней мере одного селективного покрытия на одну из внутренних поверхностей стекол.

Был оценен вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче ВСП. Без селективных покрытий на стеклах вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче составляет 17 % при низком вакууме (10-1 мм рт. ст.), 36 % при вакууме 10-2 мм рт. ст. и 40 % при более высоком вакууме (10-3-10-5 мм рт. ст.). При наличии селективных покрытий вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче равен ~ 20 % при вакууме 10-1 мм рт. ст., ~ 60 % при вакууме 10-2 мм рт. ст. и до 77 % при более высоком вакууме (10-3-10-5 мм рт. ст.). Это

объясняется тем, что при низком вакууме теплопередача через вакуумный зазор осуществляется преимущественно за счет теплопроводности разреженного газа, и поэтому вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче невелик; когда при более высоком вакууме теплопроводность разреженного газа значительно уменьшается, вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче возрастает, а теплопередача осуществляется в большей степени излучением. Избежать этого помогает нанесение селективных покрытий. При этом вклад вакуумного зазора в общее сопротивление теплопередаче, как было сказано, возрастает до 77 %.

Было также рассчитано сопротивление теплопередаче ВСП при тех же параметрах (различных степенях вакуума и различном количестве селективных покрытий на стеклах), но при наличии селективного

покрытия на приемнике СИ (£аЬ = 0,1). Результаты расчетов показали, что нанесение селективного покрытия на приемник СИ способствует увеличению сопротивления теплопередаче по сравнению с первым вариантом (£аЬ = 0,95) ~ в 1,5-1,7 раза для ВСП без селективных покрытий. При наличии селективных покрытий - сопротивление теплопередаче возрастает существенно только при низком вакууме (10-1-10-2 мм рт. ст.) ~ в 1,3-1,6 раза; при более высоком вакууме нанесение селективного покрытия на пластину влияет на увеличение сопротивления теплопередаче ВСП незначительно. Результаты расчетов представлены в виде графика на рис. 3.

Результаты расчета сопротивления теплопередаче ВСП при различных степенях вакуума и количестве селективных покрытий сведены в табл. 2.

Общее сопротивление теплопередаче Rt ВСП, м2-К / Вт, при условиях: tab = 100 ° С ; t,

Таблица 2

= -20 ° С,

к^-а = 20 Вт/(м2-К) при различных степенях вакуума и количестве селективных покрытий

Table 2

Thermal resistance Rt, m2-K/W of evacuated glazing at mean absorber temperature tab= 100 ° C, ambient temperature ta = - 20 °C and external heat transfer coefficient h2^_a = 20 W/(m2-K)

Степень излучения пластины Количество селективных покрытий R, при разных давлениях, мм рт. ст.

10-1 10-2 10-3 10-4 10-5

гпр = 0,95 - 0,19 0,27 0,29 0,28 0,28

одно 0,21 0,50 0,77 0,82 0,83

два 0,22 0,55 0,93 1,02 1,03

три 0,34 0,69 1,09 1,17 1,18

£пр = 0,1 - 0,33 0,42 0,45 0,46 0,46

одно 0,34 0,64 0,93 0,98 0,99

два 0,34 0,69 1,09 1,17 1,18

три 0,36 0,71 1,11 1,20 1,21

Выводы

Применение ВСП в качестве прозрачной изоляции солнечных коллекторов позволит уменьшить теплопо-тери по сравнению с прозрачной изоляцией из одного или двух стекол. Для того чтобы сопротивление теплопередаче ВСП превышало сопротивление теплопередаче двойного остекления с селективным покрытием в 2 раза, необходимо нанесение одного селективного покрытия на внутреннюю поверхность стекла и вакуу-мирование до 10-3 мм рт. ст.; сопротивление теплопередаче ВСП составит 0,77 м2-К/Вт. При этом сопротивление теплопередаче ВСП превышает сопротивление теплопередаче двойного остекления без селективного покрытия (или одинарного остекления с селективным покрытием) в 3 раза, одинарного остекления без селективного покрытия - почти в 6 раз.

Список литературы

1. Weiss W., Bergmann I., Fantnger G. Solar heat worldwide. Markets and Contribution to the Energy Supply. 2005. www.iea-shc.org.

2. www.aprok.ru.

3. Duffie J. A., Beckman W.A. Solar engineering of thermal processes. Second edition. A Wiley-Interscience Publication.

4. Трушевский С.Н. Метаморфозы теплопроводности в узких зазорах на примере вакуумированных стеклопакетов // Гелиотехника. 2007. № 3.

5. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. М.-Л.: Изд-во «Энергия», 1964.

6. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Перевод с польского. М.: Мир, 1975.

7. Кучеренко Е.Т. Справочник по физическим основам вакуумной техники. Киев: Издательское объединение «Вища школа», 1981.