CC BY
3
УДК 62
Тураева У.Ф., кандидат технических наук
БГУ Тураев А.Ф. учитель БГУ
ПРИМЕНЕНИЯ СЕЛЕКТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКИЕ ВЫСОКО-ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСТАНОВКИ
Аннотация: Солнечные низкотемпературные установки являются в настоящее время наиболее широко используемыми на практике, в основном это водонагреватели (СВ). Имеется достаточно большое их разнообразие по конструкциям и применяемым материалам. В последних конструкциях СВ используются селективные приемники и селективное прозрачное ограждение (обеспечивается высокое пропускание). Все эти разработки направлены на повышение температур нагрева и одновременно повышения КПД и улучшения стоимостных характеристик.
Ключевые слова: установка, температура, практика, селективных покрития.
Turaeva U.F., candidate of technical Sciences
Turaev A.F. teacher
APPLICATIONS OF SELECTIVE COATINGS FOR LOW HIGH-TEMPERATURE INSTALLATIONS
Abstract: solar low-temperature installations are currently the most widely used in practice, mainly water heaters (SV). There is a fairly large variety of designs and materials used. The latest SV designs use selective receivers and selective transparent fencing (high transmittance is provided). All these developments are aimed at increasing heating temperatures and simultaneously increasing efficiency and improving cost characteristics.
Keywords: installation, temperature, practice, selective criticism.
В основном задача повышения КПД СВ связана с необходимостью уменьшения теплопотерь со стороны прозрачного ограждения и корпуса.
В связи с этим рассмотрим состояние работ, направленных на уменьшения теплопотерь СВ, в том числе за счет оптимизации радиационных характеристик приемника и ограждающих конструкций.
В целом здесь имеем две задачи, первая это определение понятия КПД СВ и вторая это влияние селективности приемника не только на КПД приемника, но и на КПД СВ в целом.
Обычно КПД СВ записывают в виде [1, 7-15; 4]
ц = F•Ec•(as•т) - етст (Т4 - TR4) - ак(Т - То) (1)
где, F - площадь СВ, м2; Ec - падающего солнечного излучения, Вт/м2; а^т - приведенная поглощательная способность СВ; Т - температура приемника СВ, К; TR - температура «неба», К; То - температура окружающей среды, К; ак - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К). Т.е. в этом виде в уравнении не учитываются потоки излучения от Земли, окружающих зданий и сооружений и деревьев. В связи с этим рассмотрим уравнение баланса более детально
Ерез = Ес + ЕR + Е7 + Едер + Езд - Еп (2)
где, Ерез - полезный тепловой поток, отводимый от приемника; ЕС, ЕR, Е7, Едер, Езд - потоки излучения падающие на установку - Солнца, «Неба», «Земли», деревьев и зданий; ЕП - тепловые потери приемника. Причем эти потоки падают не только на приемник, но и на ограждающие конструкции СВ (прозрачное ограждение, боковые поверхности, дно), каждая со своими радиационными характеристиками и площадью. Соответственно имеем и различные виды потерь с наружных поверхностей СВ (излучение и конвекция).
И КПД СВ в соответствии с (2) будет равно
ц _ ЕРЕЗ _ Ес _ ЕП _ 1 _ ЕП (3)
Ес Ее Ее
С учетом (3) его можно записать в виде
Е П Ек Е2 Е дер Е ЗД
ц —— 1 —— + + + —— + —— (4)
Ес Ес Ес Ес Ес
Отметим, что обычно, считают, что члены Ек и Еъ малы, и ими можно
пренебречь, однако в ряде работ [5-6] было указанно о возможном существенном влиянии температур «Неба» и «Земли» на КПД солнечных коллекторов.
Рассмотрим составляющие тепловых потерь приемника ЕП. В общем случае они включают теплопотери с прозрачного ограждения Епо, дна Ед и боковой поверхности ЕБ. Причем теплопотерями можно также считать потери происходящие за счет отражения падающих потоков излучения, не только солнечного, но и остальных видов излучения падающих на СВ.
Еп = Епо + Еб +Ед (5)
Распишем составляющие теплопотерь прозрачного ограждения (ПО): Епо = Еи.по + Ек.по + Еотр.по = Fпo • епо • ст • Тпо4 + +Fпo • ак.по • (Тпо - Тв) + Ее • (р+(р^ т2 • (1-р)2)) (6)
где, Еи.по - теплопотери излучением от ПО; Ек.по - теплопотери конвекцией от ПО; ЕОТР.ПО - потери отражением от ПО; БПО - поверхность ПО; Тпо - температура ПО; ак.пО - коэффициент конвекции над ПО; епо -коэффициент излучения ПО; р - коэффициент отражения ПО; ТВ -температура воздуха; а - постоянная Стефана - Больцмана.
Теплопотери для боковой изоляции ЕА равно:
Еб=Еи.б+Ек.б+Еотр.б=Рб- еб • а Тб4+Бб • ак.Б • (Тн.б-Тв) + (Ея+Е7) 8б
(7)
где, Бб - поверхность боковой изоляции; Тн.б - наружная температура боковой изоляции; аКБ - коэффициент конвекции около боковой изоляции; 8Б - коэффициент излучения боковой изоляции.
Теплопотери для дна корпуса £д равны:
Ед = Еи.д+Ек.д+Еотр.д=Бд^ ед- а Тд4+Бд • ак.д^ (Тд - Тв) +Ед7^ ед (8)
где, Бд, Тд - площадь и температура поверхности дна; ак.д -коэффициент теплоотдачи конвекцией; ед - коэффициент излучения поверхности дна.
Как видно, уравнение баланса включает достаточно большое число параметров. Обычно считают, что их влияние несущественно и в целом практически учитывают только теплопотери с дна и потери с прозрачного ограждения. В связи с этим стараются упростить формулы для расчета КПД. В частности предложено характеризовать КПД коллектора двумя обобщенными параметрами F' (фактически характеризует эффективность использования падающего на СВ потока - какая часть этого потока попадает на приемник) и У (средний коэффициент теплоотдачи СВ в целом).
F' = — (9)
Е У 7
где, ЕС - поток, падающий на установку; Е - поток, падающий на приемник. Определение этих параметров проводится экспериментально для заданных температур и параметров окружающей среды. Здесь не учитывается изменение угла падения солнечных лучей (увеличение коэффициента затенения переплетом [7] и увеличение потерь отражением от прозрачного ограждения). При определении обобщенного коэффициента теплоотдачи учитывается только температура окружающего воздуха, температуры неба, зданий, сооружений не учитываются.
В приведенные выражения входят и радиационные характеристики не только приемника, но и радиационные характеристики ПО и ограждающих поверхностей. Влияние их, очевидно, зависит не только от их значений, но и их сомножителей (площадь, температура, угловые коэффициенты окружающих тел и неба). Эти коэффициенты, можно рассматривать как весовые, т.е. радиационные характеристики при отдельном рассмотрении или в составе КПд установки будут иметь различные значения. Отметим, что обычно эффективность селективного приемника оценивается как для
отдельной пластины, в то время как видно из уравнения баланса их эффективность надо оценивать в целом по влиянию на КПД установки.
Только в [8,9,465-475;] было рассмотрено влияние селективности на КПД вакуумированного коллектора в целом по КПД установки. В приведенной методике, вследствие вакуумирования не учитывались внутренние конвективные потоки от приемника к ПО. Использование этой методики для плоских коллекторов требует включения в уравнения эти конвективные потоки, которые оказывают достаточно большое влияние. Как известно, с изменением температуры приемника изменяется и параметр селективности. Оценка эффективности селективных приемников для высокотемпературных солнечных установок с учетом изменения ет от температуры приемника была проведена в [10]. Методы определения эффективности солнечных высокотемпературных установок (ВПУ) не отличаются в принципе от низкотемпературных установок (НПУ). Однако в ВПУ солнечной частью установки является только сам приемник. Поэтому, указанная методика фактически требует определения только КПД приемника. Особенность определения КПД высокотемпературных приемников заключается в том, что, во-первых, основные потери - это потери приемника (много больше теплопотерь с теплоизолирующих ограждений приемника) и во-вторых «открытость» приемника, что усложняет решение задачи повышения их КПД.
Большинство средне - и высокопотенциальных теплоэнергетических установок преобразуют солнечную энергию в термодинамических циклах.
КПД приемника с увеличением температуры быстро падает, в то время как эффективность термодинамического цикла растет с увеличением температуры.
Поэтому в целом необходима оптимизация радиационных характеристик селективных приемников с учетом общего КПД теплоэнергетической установки. Идеализация задачи [10] заключалась в следующем - перепад температур между температурой стенки приемника и теплоносителя отсутствует; температура холодного источника в цикле Карно равна температуре окружающей среды. Задача была рассмотрена для случаев «черного», «серого» и «селективного» приемника. Было показано, что для всех этих случаев имеется оптимальная относительная температура приемника (отношение температуры приемника к его равновесной температуре при заданной плотности (концентрации) падающего излучения), при которой обеспечивается максимальный КПД энергоустановки. Авторы отмечают «Необходимо оговорится, что в нашем анализе мы сознательно не затрагивали специфических вопросов, касающихся свойств селективных поверхностей вообще. Среди них, по нашему мнению, пристального внимания заслуживает изучение возможности сохранения стабильности отношения а^ет для реальных селективных поверхностей в широком диапазоне температур. Этот вопрос
не входит в общий аспект нашего рассмотрения, но в то же время он является принципиально важным для гелиотехники и должен быть в будущем самостоятельно разобран». Отметим, что в полученные выражения для КПД не входит в явном виде концентрация (косвенно она входит в относительную температуру приемника t и одновременно в относительную температуру холодного «источника» t 0, что приводит как бы к обобщенным кривым и для цикла Карно, в то время, как известно, при уменьшении температуры горячего источника КПД резко падает. Для разграничения этих случаев на графиках приведены оба параметра t и t 0.
Использованные источники:
1. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. - Т.: Фан, 1988. - 300 с.
2. Авезова Н.Р., Касымов Ф.Ш. Эффективный коэффициент поглощения солнечного излучения в лотковых солнечных водонагревательных коллекторах с открытой поверхностью испарения // Гелиотехника. -Ташкент. 2009. -№4. С.31-35.
3. Байматов Т., Газиев У.Х., Абидов Т.З. Исследование теплоприемника солнечной энергии. // Гелиотехника, 1979.- №3. - С. 37-40.
4. Байматов Т., Дурсунов Н.Ч., Умаров Г.Я., Газиев У.Х. Исследование теплотехнических характеристик солнечного коллектора с селективным покрытием и вакуумной теплоизоляцией. // Гелиотехника, 1981. - №6. -С.25-27.
5. Клычев Ш.И. Моделирование приемно - концентрирующих устройств солнечных теплоэнергетических установок.: Дис. д.т.н- Т.: ФТИ. 2004. -268 с.
6. Клычев Ш.И. и др. Теплотехнические характеристики солнечных установок типа "горячий ящик". // Гелиотехника, 2003. - №2. - С.45-49.
7. Орлов А.Ю., Авезов Р.Р. Пассивные системы солнечного отопления. В кн. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. - М.: Стройиздат. 1990. С.110-143.
8. Тепляков Д.И., Апариси Р.Р. Тепловая оптимизация солнечных энергетических станций: концентрация излучения и температура рабочего тела. // Гелиотехника, 1977. - №4, - С 38-47.
9. Шейндлина А.Е. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. под общ. ред. - М: Энергия, 1974. - 585 с.
10. Duffie J., Beckman W. Solar engineering of thermal processes. New York. Wiley, 1991. - 919 p.
11. Атоева М.Ф. Периодичность обучения физике. Аспирант и соискатель.-Москва, 2010. -№6. - С. 41-43.
12. С.K.Kаxxоров, Атоева М.Ф. Периодичность в качестве педагогической законамерности обучения физики. Педагогические науки. -Москва, 2010. -№ 6. - С. 56-59.
13. Атоева М.Ф. Эффективность обучения электродинамике на основе технологии периодичности. The Way of Science. - Volgograd, 2016. -№ 10 (32). - P.65-66.
