Особенности теплообмена в плоских гелиотермических коллекторах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 674.047

И. М. Озарков, профессор доктор технических наук (НЛТУ Украины); М. И. Данчук, аспирант (НЛТУ Украины)

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ПЛОСКИХ ГЕЛИОТЕРМИЧЕСКИХ КОЛЛЕКТОРАХ

Проанализированы современные конструкции гелиотермических коллекторов, описаны составляющие конструкции коллектора, показаны формы теплоприемных элементов коллекторов. Приведены уравнения для определения коэффициента теплоотдачи конвективно-радиационного теплообмена при свободной (естественной) и вынужденной конвекции.

Analyzes contemporary design solar thermal of the collector, and given their description. The equations for determining the heat transfer (natural) and forced convection.

Введение. Проблема низкой эффективности энергетики в Украине связана с устаревшими технологиями, исчерпанием ресурса использования основных источников генерации тепла и электроэнергии. Это требует перехода в стране к энергоэффективным и экологически чистым технологиям, которыми являются возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Несмотря на декларацию относительно осознания этой потребности со стороны разных ветвей власти и ряд принятых нормативно-законодательных актов относительно ВИЭ, реальных шагов относительно их внедрения сделано очень мало.

Основная часть. Теплоносителем в указанных выше коллекторах могут быть воздух, вода, незамерзающая жидкость (например, раствор гликоля и воды в пропорции 1 : 1).

Наиболее экономически выгодным и простыми по конструкции являются плоские коллекторы, то есть поглотители и аккумуляторы солнечной энергии. В частности, плоские воздушные коллекторы обеспечивают температуру воздуха внутри сушилки 20...60°С, а плоские водные - 40...80°С. Следует заметить, что простое одинарное застекление позволяет улавли-ватьтакже и рассеянное солнечное излучение и обеспечивает уровень температуры 50...60°С. Простота конструкции, относительно высокие экономические и технические показатели гелио-термического плоского коллектора и подбор соответствующего материала для смещения спектра излучения в дальнюю его область (6.15 мкм) позволяет использовать успешно такой коллектор в солнечной сушилке.

Плоский коллектор, как правило, представляет собой раму, в которой с одной стороны находятся одинарное или двойное застекления, а с другой стороны поглотитель или аккумулятор солнечной энергии. Основное преимущество плоского коллектора заключается в том, что он поглощает прямое и рассеянное солнечные излучения.

collectors.Describes the components of the structure Displaying form heat perception collectors items. coefficient convective-radiative heat transfer in free

Прозрачное покрытие (стекло, поликарбонат, полиэтиленовая пленка) используется для уменьшения тепловых потерь с лицевой стороны ТПЭ.

Используют в большинстве случаев оконное стекло с низким содержимым оксидов железа. Применение призматического оконного стекла значительно повышает эффективность гелиоколекторов. Одним из наиболее часто употребляемых видов стекла для гелиоколекто-ров является стекло Diamat, CentrosSolarGlas (прозрачность составляет 91.96%).

На рисунке показано продольное сечение щелевого гелиоколектора, в котором теплоносителем является воздух.

E

1 2

5„

а, Q

5„

3 5

Qt

5.

ô„

Q,

Продольное сечение щелевого гелиоколектора и характер распределения температурных полей в нем: 1 - стекло; 2 - воздушный промежуток; 3 - стенка тепловоспринимающего элемента; 4 - теплоноситель; 5 - теплоизоляция

4

t

н.с

t

н.с

В состав коллектора входят такие конструктивные элементы:

- прозрачное покрытие (стекло, пленка), которое защищает абсорбер от тепловых потерь к атмосфере;

- теплоизоляция (защищает абсорбер от тепловых потерь снизу и по бокам);

- металлический или пластиковый корпус;

- прямой и обратной трубопроводы к теплоносителям.

Конструкция таких плоских гелиоколекто-ров использует суммарное (прямое и рассеянное) излучение. Плоские коллекторы характеризуются простотой конструкции и относительно низкой ценой.

В гелиоколекторах, где имеет место концентрация солнечной энергии с помощью отражателей (рефлекторов) или специальных линз на тепловом приемном элементе (ТПЭ), теплоносители нагреваются до высоких температур. Заметим, что солнечные коллекторы такого типа дорогие и требуют значительных затрат на изготовление рефлекторов и линз. Кроме того, такие коллекторы нуждаются в использовании специальных следящих систем. Коллекторы используются в основном на солнечных электростанциях или тогда, когда технический результат преобладает над денежными затратами.

Основной конструктивной составной гелио-коллектора является теплоприемный элемент (ТПЭ), то есть абсорбер, который поглощает солнечное излучение и передает энергию теплоносителю, который двигается внутри элемента.

Изоляция уменьшает отдачу тепловой энергии в окружающую среду. Как теплоизолятор чаще всего используются минеральная вата, полиуретан, пеностекло, асбестовый войлок, пенопласт, пенополиуретан и т. п. В современных конструкциях коллекторов преимущество отдают пенополиуретановым изделиямиз-за его пористо-полостной структуры, которая не поглощает атмосферной влаги и надолго сохраняет теплоизолирующие свойства [2].

Для улучшения равномерности затрат теплоносителя по ширине ТСЭ используют распределительные каналы или дополнительно устанавливают медные либо латунные трубки, в которых находят соли кристаллогидрата.

Теоретические исследования. Коэффициент восприятия солнечной энергии раскладывается на составные части, то есть:

Угк = вскл ■ вТСЕ ■ тзаб ' Акл, (1)

где вскл - степень черноты стекла (вскл = = 0,93... 0,94); вТСЕ - степень черноты тепло воспринимающего элемента ( при нанесении на поверхность ТСЭ черной краски или покрытия с

высоким коэффициентом поглощения и низким коэффициентом отбивания (вТСЕ = 0,92.0,96); тзаб - коэффициент загрязнения стекла (при едва заметном загрязнении стекла - тзаб = 0,80.0,90; при значительном опылении тзаб = 0,50.0,70); Оскл - коэффициент пропуска стекла, который зависит от качества стекла, его толщины и угла падения солнечных лучей на поверхность стекла, а также количества прозрачных (стеклянных) преград.

В случае, когда солнечный луч падает четко перпендикулярно на поверхность стекла (0пад = 0), то коэффициент пропуска его определяется по формуле

Акл = ехр( - Ах ■ 5скл ), (2)

где Ах - показатель поглощения стекла солнечного излучения; Ах = 30 м-1.

Допустив, что коэффициент преломления не зависит от длины волны монохроматического излучения, значение монохроматической полусферической степени черноты для «беспредельно толстого» пласта (ОХ ~ 0) стекла с показателем его преломления п = 1,52, можно принять, что 8скл = 0,91.

Количество излучаемой энергии материалом определяется в общем случае формулой [3]:

Евипр в ■ 00 ■ Т4, (3)

где о0 - постоянная Стефана - Больцмана, 00 = 5,67 ■ 10-8 Вт/м2 К4, или 1 / 64,54Вт/м2-К4.

Чем большее соотношение Ах / вХ, тем больше солнечной энергии будет аккумулировать материал. Это указывает на то, что принимающие поверхности гелиоколлектора необходимо делать черного цвета.

При обычных толщинах стекла (в несколько миллиметров), в частности 4 мм, стекло не может быть «беспредельно толстым», и температурная зависимость (вХ ■ 5) будет определяться температурной зависимостью показателя поглощения тХ (см-1). В связи с тем, что при длинах волн Х > 5мкм все кривые вХ сближаются, для низких температур излучаемая способность стекла направляется к границе величины степени черноты для пласта «безграничной толщины», то есть вХскл = 0,91. Это означает, что обычное стекло имеет относительно высокую прозрачность для солнечного излучения, но плохую теплоизоляцию (коэффициент теплового сопротивления равен 1). Поэтому двойное застекление целесообразно использовать в сушильных установках или в помещениях зданий, которые располагаются в регионах с теплым климатом [4].

Одинарное застекление используется одновременно с материалом, который хорошо поглощает влагу (чаще всего силикон). В случае

двойного застекления, а также между одинарным стеклом и теплоизолирующим материалом (аккумулятором солнечной энергии) возникает закрытое воздушное пространство, которое содействует увеличению теплового сопротивления (последний Я( = 1,8.2,1 м2-°С/Вт).

Между гелиоколлектором и воздухом, который окружает коллектор, проходит очень сложный теплообмен за счет теплопроводности, конвекции (свободной или принудительной) и теплового излучения. При расчетах такого сложного теплообмена его раскладывают на простые составляющие и каждую из них (теплопроводность, конвекцию, тепловое излучение) рассчитывают отдельно, а потом их значения суммируются.

Поэтому при проведении проектировочных работ задают или выбирают наиболее вероятные условия работы гелиоколектора и считают их постоянными (неизменными во времени), а теплофизические свойства материалов, из которых изготовлены коллекторы, принимают не зависящими от температуры. При этом кондук-тивними (контактными) термическими сопротивлениями (теплопроводностью) с обеих сторон теплоизолированного пласта коллектора пренебрегают.

Лучевой теплообмен между двумя телами, которые принимают участие в теплообмене, выражают через лучевой коэффициент теплообмена, то есть

пр

х =

45 ^опр(Т -T2)

, Вт/м2 К, (4)

где Qпр - лучевой поток , Вт.

Значения Qпр определяют формулой

е = ~• о0 • ^ к-^)4 - А4],

^пр пр 0 опрЮ^ 100

пр

(5)

где вдр - приведенная (интегральная) степень черноты двух тел, которые принимают участие

в лучевом теплообмене: (в^ = 1 / ((— + — -1));

в1 в 2

о0 = 5,67 ■ 10-8 Вт/м2К4 - постоянная Стефана-Больцмана; ^опр - поверхность облучения, м2.

В условиях работы плоских гелиоколлек-

Т 2

торов, то есть когда 0,90 < —2 < 1,10, можно

Т1

пользоваться средним значением температуры, то есть

— T + T т = (т-+т2)

cp V 2 '

(6)

Тогда

1 г, т2 Л . Т

т

[(Т0ТГ)4 -(Т0л)4] = O,O4O(TiCp0)3. (7)

т2-тТ lviooy vioo

100;

Таким образом, величину Хдр можно определить формулой [1] .

Хпр = 0,227 ■ (впр • (ТТТ+Т2)3. (8)

Конвекционную составляющую теплообмена в промежутке между стеклом и теплоприем-ной поверхностью (ТПЭ) аккумулятора солнечной энергии определяют по формуле

Чк

X

_ пов.м

5п

• m • (Т - т ) =

к.пр v пов скл /

= ^___(Тпов Тскл ),

(9)

где хпов м - коэффициент теплопроводности воспринимающей поверхности ТСЕ, Вт/(м-°с); 5пов -толщина воздушной прослойки, м; ткпр - коэффициент, который учитывает увеличение теплопроводности промежутка (прослойки) за счет свободной конвекции в коллекторе.

Коэффициент теплообмена в воздушной прослойке между стеклом и ТПЭ:

Хп 5п

^к пр = тк пр • ^, Вт/м2-К. (10)

В коллекторах произведение критериев Грасгофа (Ог) и Прандтля (Рг) (Ог ■ Рг) > 103. Это значит, что

ткпр = 0,18(Gr Pr)0,25;

(11)

Gr =

g • 53 т - т v

° пр ( пов скл ) Pr _ пов (12)

т

где vпов - коэффициент климатической вязкости воздуха, м 2/с; апов - коэффициент темпера-туропроводимости воздуха при средней температуре, м2/с.

Тогда, с учетом значения теплофизических свойств воздуха при средней температуре формула для определения коэффициента теплообмена имеет вид

Хк.пр = 1,94 4 Тп°в > , Вт/(м2 К). (13) V пр •

Конвективный теплообмен между внешней поверхностью коллектора и внешним окружающим атмосферным воздухом (когда коллектор непосредственно контактирует с атмосферой) может осуществляться свободной

пов

(при безветренной погоде) или смешанной (свободной и принудительной) конвекцией, когда есть ветреная погода. Поэтому при расчетах тепловых потерь из коллектора берется средняя скорость движения воздуха в теплую пору года в зависимости от местности региона Украины [5].

Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции определяют формулой

»

Nu = 0,15 ■ (Gr ■ Pr)

0,33

(14)

где № (№ = к пр • ЬГК, ЬГК - длина коллектора) -

^пов

критерий Нуссельта.

Приближенное значение коэффициента конвективно-лучевого теплообмена ^кпр рассчитывается по формуле

^.пр = 1,83#ск~Т:, Вт/м 2^°С, (15)

где Тн с - температура окружающего внешнего

воздуха, К.

В случае вынужденной конвекции воздуха

N11/ = 0,032- Ие/0, (16)

где Ref - критерий Рейнольдса при средней

- t +1 температуре t ( —-—

Таким образом, коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции:

Ан.с = 5,30 • Юпов , Вт/(м2 -°С).

(17)

В случае смешанной конвекции для определения тепловых потерь необходимо рассчитать коэффициенты теплообмена при свободной и вынужденной конвекции и наибольший из них принять за расчетный.

Тепловые потери с тыльной стороны гелио-коллектора определяются термическим сопротивлением изоляционного материала и окружающего воздуха, который окружает коллектор с обратной стороны [6]. В связи с этим термосопротивление изоляции значительно больше внешнего термосопротивления, то есть

Аиз (н.с + Апр )

(18)

Внешним термосопротивлением пренебрегают и считают, что температура на внешней поверхности изоляции (из тыла) равна температуре окружающего среды. Это значит, что коэффициент теплопередачи КТиз можно выразить следующей формулой:

Х„

Кт = ■

Гиз 5„

(19)

Вывод. Таким образом, изменение условий работы гелиоколлектора, то есть контакта с окружающим воздухом, приводит к изменению тепловых потоков из лицевой стороны (со стороны прозрачной поверхности), что будет вызывать определенные изменения тепловых потерь в окружающую среду.

Литература

1. Применение солнечной энергии в жилом хозяйстве и деревообработке: I. М. Озарюв [i шт.]. Львов: НВФ «Украинские технологии», 2012. 338 с.

2. Kolektorysloneczne: energiasloneczna w miesz-kalnictwie, hotelarstwe i drobnymprzemysle. G. Wi-s'niehiski [i in.]. Warszawa: Medium, 2008. 201 s.

3. Альбедо и угловые характеристики отражения подстилающей поверхности и облаков: монография / К. Я. Кондратьев [и др.]. Л.: Гид-рометеоиздат, 1981. 232 л.

4. Жданов Ю. А. Расчет солнечных систем горячего водоснабжения с суточным циклом аккумулирования тепла // Гелиотехника. 1989. № 2. С. 43-47.

5. Кудря С. О., Головко В. М. Основи кон-струювання енергоустановок з вщновлюваними джерелами енергп: курс лекцш. Кжин: Аспект-Полпраф, 2005. 131 с.

6. GeletkaV., Sedlakova A. Impactof Shape of buildings on Energy Consumption // Вюник НУ «Львiвськаполiтехшка», «Теорiя i практика ущвництва». 2012. № 737. С. 252-259.

Поступила 03.03.2014

5

1

из