CC BY
10
нлты
УКРЛ1НИ
wi/ган
Науковий BicHMK НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270621 Article received 19.09.2017 р. Article accepted 28.09.2017 р.
УДК 630*[181+6(073)]:674.047.3
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
1 ЁЕЗ Correspondence author S. F. Gavenko havenko@point.lviv.ua
С. Ф. Гавенко1, О. I. Дерех2
1 Украшська академiя друкарства, м. Львiв, Украша 2Нацюнальний лкотехтчний утверситет Украши, м. Львiв, Украша
РОЛЬ СОНЯЧНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ У ПРИРОД1 ТА ВИКОРИСТАННЯ ЙОГО
У ВИРОБНИЦТВАХ Л1СОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ
За даними комплексного термогравiметричного та диференцшного термiчного анамв проведено порiвняння теплоаку-муляцшних властивостей сумшей солей-кристалопдралв, визначено тепловi ефекти процеав, якi супроводжують зворотну реакщю, що ввдбуваеться пiд час акумулювання сонячно! енергп в гелiотермiчних колекторах. Останш мають високу прак-тичну цiннiсть для застосування в люопромисловому комплексi. Показано фiзичнi властивоста закордонних аналопв тепло-носпв. Проаналiзовано фiзичнi властивостi солей для використання в гелюсушарках, наведено рiвняння для визначення пло-щi пiкiв ендотермiчного ефекту, а також проведено порiвняння для вибору найактуальшшого компонента для включення у систему сонячних сушильних камер. Зразки аналiзували в умовах зростання температури, тобто реалiзовувалися зворотнi процеси, яю вiдбуваються в теплоакумулятивних пристроях. Показано залежностi коливань температури зовшшнього атмосферного повiтря вiд години дня. Наведено переваги використання пасивних сонячних систем у виробництвах лгсопро-мислового комплексу, i проаналiзовано можливост впровадження на виробництвах. За результатами власних дослщжень, а також шших вчених, визначено, вiд чого залежить прирiст фiтомаси. Зазначено варiанти визначення густини сонячного вип-ромiнювання (прямого i розсiяного). Показано принципову схему гелюсушарки, яку розроблено в НЛТУ Укра!ни.
Ключовi слова: сонячне випромшювання; солькристалопдрати; гелюколектори; термогравiметричний аналiз; фггомаса.
Вступ. Використання властивостей сонячного випромшювання, яш формують свiтловi режими лiсiв, як i дослвдження терморадiацiйних режимiв лiсiв, а також використання сонячно! енергп для рiзних вологих мате-рiалiв рослинного походження, на сьогодш мають важ-ливе значення в iнженернiй практицi. Треба зазначити, що сушшня за допомогою енергп сонячного випромь нювання не е новою концепцieю (Ozarkiv & Derekh, 2016; Ozarkiv et al., 2012, 2014; Ozarkiv, Mysak & Kopy-nets, 2008). Полiтика використання вщновлювано! енергп, тобто т. зв. "зелено! енергетики", постiйно змь нюеться. Наприклад, на сьогоднi Нiмеччина виробляе близько 18 % всiе! "зелено!" електроенергп в £С, 1та-лiя - близько 12 %. До 2020 р. 11 % енергоспоживання буде завдяки вщновлюваним (альтернативним) джере-лам енергп' в Gвропi. До 2050 р. 89 % буде становити сонячна енерпя. В £вросоюзi на сьогоднi 17 % станов-лять ввдновлюваш джерела енергп'.
Свггло (сонячне випромшювання) е основним дже-релом енергп', яка успiшно засвоюеться рослинами у виглядi хiмiчних зв'язшв у цукрах, а тi, своею чергою, разом iз рослинною бюмасою е !жею для тварин. Со-нячну енергiю, яку зеленi рослини поглинають i вико-ристовують у процеа фотосинтезу (Х=0,40...0,71 мкм), називають фiзiологiчно-активною радiацiею (ФАР). Варто зауважити, що в життi рослини поза яшстю свгт-
лових променiв велике значення мае юльшсть свiтла, тобто штенсившсть освiтлення, яка бувае неоднаковою в рiзнi мiсяцi вегетацiйного перюду i залежить вiд ши-роти мюцевосп регiону.
В роботi (Ozarkiv & Derekh, 2016) детально розгля-нуто фактори i властивостi сонячного випромшювання для Укра!ни для умов природно! (вiльно!) та примусо-во! циркуляцi! нагрiтого повiтря. Вiдомо (Ozarkiv & De-rekh, 2016; Ozarkiv et а1., 2012, 2014; Ozarkiv, Mysak & Kopynets, 2008), що дослвдження терморадiацiйного режиму рiзних видiв бiогеоценозiв лiсу мае важливе значення у формуваннi свилових режимiв лiсу.
Це дало змогу встановити, що прирiст фiтомаси залежить вщ величини енергi! сонячного випромшювання, й отримати залежшсть, яка дае змогу спрогнозувати величину приросту фггомаси.
Вiдомо (Ozarkiv & Derekh, 2016), що в ходi свое! життедiяльностi лiси накопичують вуглець у виглядi фiтомаси. Таким чином, люи забезпечують тривале збе-рпання (депозит) вуглецю i виробляють та видiляють кисень в навколишне середовище.
У процеа фотосинтезу паралельно з утворенням фрагментiв молекул целюлози продукуеться однакова к1льк1сть молекул кисню. З iншого боку, кванти (фото-ни) сонячного випромшювання беруть участь у ство-ренш к1нцевих продуктiв фотосинтезу. Це означае, що
1нформащя про aBTopiB:
Гавенко Свiтлана Федорiвна, д-р техн. наук, академт 1нженерно'|' академп наук Украши, професор, завiдувач кафедри
полiграфiчних медiйних технологiй i пакувань. Email: havenko@point.lviv.ua Дерех Ольга IropiBHa, канд. с.-г. наук, асистент кафедри екологп. Email: olga.ozarkiv@gmail.com
Цитування за ДСТУ: Гавенко С. Ф., Дерех О. I. Роль сонячного випромшювання у природi та використання його у виробництвах
лкопромислового комплексу. Науковий вкник НЛТУ Украши. 2017. Вип. 27(6). С. 105-111. Citation APA: Gavenko, S. F., & Derekh, O. I. (2017). The Role of Solar Radiation in Nature and Using it in the Manufacture of the Forest-Industrial Complex. Scientific Bulletin of UNFU, 27(6), 105-111. https://doi.org/10.15421/40270621
маса виробництва кисню лiсом залежить вщ густини потоку енергп сонячного випромшювання.
Розрiзняють пряме (направлене) i розаяне (дифузне) сонячне випромiнювaння. Направлене випромшювання безпосередньо надходить вiд сонячного диску, а розаяне - надходить на земну поверхню, перетерпiвши роз-сiювaння пiд час проходження через земну атмосферу Землг Сшвввдношення мiж прямою i розсiяною компонентами сонячного випромшювання залежить вщ висо-ти Сонця над горизонтом. Потж сонячного випромшю-вання залежить вщ пори року, мюця розташування те-риторп району або регiону, часу доби i погоди (хмарно! чи з чистим небом). Тому е практично манливим перед-бачити заздалепдь величину сонячно! шсоляцп, яка бу-де тривати впродовж повного часового перюду (години, доби, мюяця тощо).
Реальний питомий промисловий потiк сонячного випромшювання, що падае на земну поверхню за кожну годину в рaзi безхмарного неба впродовж дня, визнача-ють за формулою
q = qт.■ татм ■ твтр , (1)
де: - сумарний (прямий i розаяний) свiтловий потiк, що падае на горизонтальну поверхню Землi, Вт/м2; татм - коефiцiент, який враховуе стутнь прозоростi ат-мосфери (татм = 1,0.1,1); твтр - коефщент, який враховуе втрати сонячно! енергп в дiяльному шaрi ( твтр = 0,85.. .0,98).
У рaзi хмарно! погоди частину густини сонячного випромшювання потрiбно визначати за ясного неба, а хмаршсть - через коефщенти сонячного сяяння у, який для середньо! хмaрностi дорiвнюе 0,60.0,80 - взимку i 0,30.0,55 - влтгку.
Щодо сумарно! фотосинтетично-активно! рaдiaцi!, то !! визначають за формулою фапЛик, Kochubei, & Ozarkiv, 2015)
ФАР = 0,43 • q„p + 0,57 • q
де: - густина прямо! сонячно! компоненти; розаяного сонячного випромiнювaння, Вт/м2'
Треба зазначити, що у Прикарпатп розсiяне випромшювання переважае пряме сонячне випромшювання. За результатами наших дослвджень встановлено, що прирют фггомаси залежить ввд величини енергi! сонячного випромшювання.
Формування температурно-волопсних полiв пiд впливом св^лового дня. Сонячне випромiнювaння, проходячи через атмосферу, ослаблюеться внаслвдок ви-бiркового (селективного) поглинання та розсшвання молекулами рiзних гaзiв, накопичення молекул (аерозо-лiв), туманом, дощем тощо.
Головним чином поглинання випромшювання зу-мовлено присутшстю в aтмосферi молекул води, вугле-кислого газу i озону. Гази, що формують атмосферу (кисень, азот, аргон), дають тшьки слабк1 смуги поглинання в шфрачервонш (1Ч) облaстi спектра. На практи-цi, здебiльшого, !х вважають повнiстю прозорими щодо iнфрaчервоних промешв.
Пари води е нaйбiльш поглинальною сумiшшю у склaдi атмосфери i змiнюються в досить широких ш-тервалах залежно вiд температури, тиску, висоти, пори року i геогрaфiчного розташування. Згiдно з дослвджен-нями В.£. Зуева водяна пара мае смуги поглинання над-хiдного сонячного випромшювання в дiaпaзонaх хвиль
1Ч-обласп спектра: 0,926.0,978; 1,095.1,165; 1,319.1,948; 1,762.1,977; 2,52.2,845; 4,24.4,40; 5,25.7,50 мкм.
Питання iнтегрaльно! прозоросп атмосфери в Укра-!нi дослвджено у роботах М. I. Гойси, Г. Ф. Приходько, Л. З. Проха, Л. I. Сaкaлi та ш.
На вiдмiну вiд пaрiв води, вуглекислий газ (СО2) роз-подiляеться в aтмосферi, локaльнi (мюцевГ) i чaсовi змь ни вмюту вуглекислого газу в aтмосферi не враховують.
Як поглинач сонячного випромшювання вуглекислий газ характеризуеться наявшстю смуг поглинання у спектральних штервалах 1Ч-спектра: 1,38.1,50; 1,52.1,67; 1,92.2,10; 2,64.2,87; 4,63.4,95; 5,05.5,35; 12,5.16,40 мкм.
Озон (О3), на вiдмiну вiд СО2, розподiлений в атмос-ферi рiвномiрно i розташований вiн у верхшх шарах атмосфери. Як поглинач сонячно! ращацп характерний нaявнiстю смуг поглинання в таких спектральних штервалах довжин хвиль: 0.60, 4.63,., 4.95, 6.30,., 10.60, 12.10,., 16.40 мкм ^агкгу & Derekh, 2016; Ozarkiv et а1., 2014).
Змша темперaтурно-вологiсних полiв формуе розпо-дшення променево! сонячно! енергi! пiсля !! перетво-рення в теплову енерпю. Розподiлення температури за постiйного (стацюнарного) теплового режиму залежить певною мiрою вiд вологостi повiтря, хмaрностi, швид-костi вiтру (остaннiй параметр впливае на штенсившсть теплообмiну за вшьно! конвекцi! в безповiтряну погоду i змушено! конвекцi! за вiтряно! погоди).
На рис. 1 показано залежшсть коливань температури зовшшнього атмосферного повиря вiд години дня для липня 2012 р. (01.07.2012 р.) (табл. 1).
(2) густина
Рис. 1. Залежшсть температури повпря впродовж доби
Год\год 2 5 8 11 14 17 20 23
tVC 17,1 17,0 22,1 17,6 29,6 30,2 26,2 20,6
На рис. 2 показано вплив години свилового дня на ввдносну волопсть повпря для 1 липня 2012 р., коли ХМ=0 %, тобто сонячну погоду (табл. 2).
100 ' 90, 80 70 60 50
0 5 8 11 14 17 20 23 Рис. 2. Залежшсть змши вдаосно! вологоста повпря протягом доби
Табл. 2. Показники вздносно! вологосп впродовж доби
Тс, год 2 5 8 11 14 17 20 23
Ф, % 86 77 63 49 35 34 51 71
На рис. 3. показано коливання середньомюячно! температури за перюд квiтень - жовтень 2012 р. (табл. 3).
4 5 6 7 8 9 10
Рис. 3. Коливання середньомгсячно! температури за квiтень -жовтень 2012 р.
Табл. 3. Показники середньомкячно!" температури за мкяцями
t, оС 9.72 15.12 18.03 21.42 18.75 14.88 15.12
Мюяць IV V VI VII VIII IX X
На рис. 4 показано вплив ввдносно! вологосп ф на 1с, коли ХМ=со^1=25 % вiд часу доби (21 квпня 2012 р.) (табл. 4).
0 20 40 160
Рис. 4. Вплив вщносно! вологосп повпря на tc
Година 5 8 11 14 17 20
tc, оС 13,7 17,5 23,0 26,4 26,5 23,5
Ф, % 0,94 0,83 0,60 0,39 0,37 0,48
Використання сонячного випромшювання, як нетра-дицiйного й ввдновлюваного i дешевого джерела енергп, е чистим, досить простим й природним способом отримання всiх форм теплово! енергп. Варто зазначити, що сонячне випромiнювання може бути перетворене в корисну енергiю внаслвдок використання активних i па-сивних сонячних систем. До активних сонячних (гелю-) систем ввдносять сонячнi колектори (поглиначi надхщ-ного сонячного випромiнювання). Пасивш гелюсисте-ми отримують з допомогою проектування будiвлi, зве-дення яких розроблено з максимальним урахуванням мiсцевих ктматичних умов i де використовують вщпо-вiднi технологи (для нашого випадку технологи сушш-ня) та матерiали для огородження сушильних камер, будиншв тощо. Варто зазначити, що пасивш сонячш будинки, як i стацюнарш сонячнi сушарки, е екологiчно чистими примщеннями, коли останнi сприяють ство-ренню енергетично! незалежностi.
Треба зазначити, що в пасивнш сонячнiй системi сама будiвля виконуе роль колектора сонячно! енергп. £ також гелюсистеми, де передбаченi спецiальнi елемен-ти (колектори) для накопичення тепла, як вмонтованi безпосередньо в конструкцш само! будiвлi. Таким чином, пасивш сонячш примщення - це щеальне мiсце, де щораз повшше вiдчуваеться зв'язок iз природою i де багато природного свiтла.
Варто зазначити, що на сьогодш юнуе безлiч варiан-тiв гелiосистем, де теплова енерпя е обмеженою i зале-жить вiд конфцурацп гелюсистеми, и конструктивних особливостей, ступеня ясносп дня, температури навко-лишнього зовшшнього повiтря тощо.
Системи сонячного теплопостачання е одними iз найнадiйнiших i довговiчних, коли !х правильно розра-хувати i використати ефективне та яшсне теплове i цир-куляцшне обладнання. З огляду на це, велико! ваги на-бувае проблема акумулювання теплоти сонячного вип-ромшювання.
Треба зазначити, що для акумулювання сонячно! енергп в гелiоколекторi теплоносiй (тддргга вода або атмосферне повiтря) подають через додатково встанов-лений теплообмшник, що заповнений сшлю-кристало-гiдратом або сумiшшю солей, як1 пiд дiею енергi! сонячного випромiнювання iз порошкоподiбного стану, наприклад, плавляться, сприймаючи при цьому над-лишкову теплоту сонячного випромшювання. Похмуро! погоди або шчно! пори, тобто коли немае сонячного випромшювання, сшь кристалiзуеться, вiддаючи при цьому надлишок теплоти.
У роботах (Ozarkiv & Derekh, 2016; Ozarkiv е1 а1., 2003а, 2003Ь, 2012, 2014; Ozarkiv, Mysak & Kopynets, 2008; Mysak е1 а1., 2013; Ozarkiv, Kozar & Ozarkiv, 2012, 2013) детально i грунтовно розглянуто сучаснi гелюсу-шильнi камери, а також пщбрано солi-кристалогiдрати для акумулювання сонячно! енергп (Ozarkiv е1 а1., 2013; Danchuk, Kochubei & Ozarkiv, 2015; Ozarkiv & Danchuk, 2013).
Концепшя використання солей-кристалогiдратiв у сонячних колекторах сушильних камер для деревних матерiалiв (дощок, чорнових меблевих заготовок, пар-кетно! дошки тощо) розглянуто в робот (Ozarkiv е1 а1., 2015).
Вщомо, що лiси, окрiм цього, що накопичують вуг-лець у виглядi фiтомаси, виробляють i видiляють ки-сень в навколишне середовище. У процеа фотосинтезу паралельно iз утворенням фрагментiв молекул целюло-зи продукуеться вiдповiдно певна к1льк1сть молекул кисню. Це означае, що маса люового "виробництва" кисню, як i фiтомаса, лiнiйно залежить вiд енергп сонячного випромшювання, що падае на земну поверхню.
Рис. 5. Сонячш колектори на даху житлового будинку
Гелiоколектори, як1 встановлюють на дахах будиншв (рис. 5), що "збирають" сонячну енергiю, перетво-рюються в технологiчну новизну. При цьому важливим елементом сонячних обiгрiвачiв будинку або нагрiвачiв в гелюсушарках е теплоносiй (рiдина чи повпря), яш ефективно поглинають теплову енерпю сонячних про-менiв з подальшою передачею !! у вiдповiдну сонячну систему. £дине, що вимагаеться вщ теплоносiя - це
ефективне поглинання теплово! сонячно! енергп i перенесения И до джерела споживача, термiчна стабiльнiсть (нерозкладання) тд час нагрiвання та хiмiчна неагре-сивнiсть.
£ низка рiзних теплоноспв, як1 успiшно використо-вують у промисловосп та побутi. Сюди насамперед треба ввднести теплоносiй на основi пропиленглiколю. У чистому виглядi - це в'язка безкольорова рвдина без запаху, солодкувата на смак i жирнувата на дотик.
Вiн е також харчовою добавкою, яку устшно вико-ристовують у косметичнiй i фармацевтичнiй галузях. Теплоносп на основi пропиленглiколю вважають еколо-гiчно безпечними i бiорозкладними, як1 в сумiшi з водою не замерзають за вiд'емних температур (до - 30 оС).
На украшському ринку iз iмпортних теплоноспв у гелюсистемах найчастiше використовують Tyfocor LS (виробництво Шмеччина) i теплоносiй Тепро-Солар ЗОП (укра!нська компанiя "Строн"), характеристику яких наведено в табл. 5.
Табл. 5. Техшчна характеристика теплоно«1в _Тепро-Солар Зоп i Tyfocor LS_
№ Назва показника Тепро-Солар Зоп Tyfocor LS
1 Густина за 20 оС, г/см3 1,07.. .1,048 1,032.1,035
2 Юнематична в'язюсть за t=20 оС 4,5 4,50.5,50
3 Температура початку кристал1зацп, оС <-30oC -28оС
4 Температура китння за атмосферного тиску, оС >100 102.105
5 Вм1ст води, % 50.52 55.58
6 Корозшний вплив на метали, г/м2 за добу: • м1дь • сталь • чавун • алюмшш 0,080 0,030 0,030 0,030 0,140 0,010 0,010 0,020
Вiдомо, що середньорiчне сонячне випромiнювания змiнюеться в Украiнi залежно вiд регiону в дiапазонi 1070.. .1400 кВт/год за мiсяць.
Для тдбору ефективних компонентiв акумулювання енергп шляхом розчинення, в межах дослвджень про-аналiзовано термодинамiчнi параметри. На основi да-них комплексного термогравiметричного та диферен-цiйно-термiчного аналiзiв, здiйснено порiвияльний ана-лiзi теплоакумулятивних властивостей сумшей солей-кристалогiдратiв:
• А1К^04)2 12Н20 (50 % мас.) + Na2HPO4•7H2O (50 % мас.) (зразок 1);
• А1К^04)2 12Н20 (75 % мас.) + Na2HPO4•7H2O (25 % мас.) (зразок 2);
• А1К^04)2 12Н20 (50 % мас.) + NaH2PO4•2H2O (50 % мас.) (зразок 3);
• А1К^04)2 12Н20 (75 % мас.) + NaH2PO4•2H2O (25 % мас.) (зразок 4).
У виборi об'ектiв брали до уваги здатшсть кристало-гiдратiв в експлуатацшному iнтервалi температур брати участь у процесах плавлення О крист^защя депдра-тацп О утворення кристалопдрату. Важливими у вибо-рi об'екпв була !хня доступнiсть та еколопчна безпека у використаннi.
Для акумулювання сопячно! енергп в теплових аку-муляторах носiй (нагрiту воду чи повиря) подають без-посередньо в опалювальну систему, а через теплообмш-ник, заповнений легкоплавкою сiллю чи сумiшшю солей, як1 тд дiею сопячноi енергп плавляться, сприйма-
ють надлишкову теплоту. За вщсутносп сонячного тепла сiль кристалiзуеться, вiддаючи надлишок теплоти, що дасть змогу тривалий час зберiгати у системi порiв-няно високу температуру.
Для акумулювання тепла вибирають кристалопдра-ти з температурою плавлення, меншою нiж 100 °С, або сумiшi солей - меншою нiж 150 °С. Для дослiдженпя вибрано так об'екти:
А1К^04)212Н20 (алюмiнiй - калш сульфат додека-гiдрат);
№2В407 10Н20 - (натрш тетраборат декагiдрат);
МаН2Р042Н20 - (натрш депдрофосфат дегiдрат).
В основу робочо! системи закладено тепловий ефект утворення кристалогiдратiв рiзного складу, а саме: AlK(S04)2 + 12Н20~ А1К^04)2- 12Н20 +Q;
№2В407 + 10Н20 ^ №2В4 07 10Н20 +Q;
МаН2Р04 + 2Н20 ~ МаН2Р04 2Н20 +Q.
Речовини для акумулювання сопячноi енергп виби-рали, беручи до уваги, насамперед, !хш температури плавлення та кристалiзацii, можливiсть оборотно! пдра-тацп, а також доступнiсть, екологiчну безпечшсть. Зва-жали також i на !хню вартiсть.
Калiй алюмiнiевi галуни використовують як дубиль-нi речовини тд час оброблення шк1ри, для протравлен-ня тканин перед фарбуванням, для склеювання паперу в паперовiй промисловостi, як кровоспинний зааб у ме-дицинi, як коагулянти пiд час водоочищення та очи-щення стiчних вод.
Натрш дипдрогенфосфат застосовують як компонент мийних засобiв, для пом'якшення води, тд час збагачення руд, як детергент тд час очищення металiв, як ПАР пiд час виробництва цементу та бурiння нафто-вих свердловин.
Буру у величезних обсягах застосовують для виробництва ортоборатно! кислоти, як компонент флюсiв для паяння та зварювання металiв, вона входить до складу шихти для емалей, скла, керамiки, електролiтiв для оса-дження металiв (Ni та ш), для протравлення пiд час фарбування, як антисептик, консервант для оброблення шшри, як апгипiрен для захисту деревини, м^окомпо-нент добрив, реагент для отримання гербiцидiв, iнгiбiто-рiв корозп, анти- фризiв, iзоляцiйних матерiалiв i кле!в.
Кальцiй хлорид, дипдрат, застосовують для отримання кальцш, осушення газiв i рвдин, для пришвид-шення твердiнпя бетону. Водний розчин - холодоагент, антифриз, зааб проти зледешння злiтних смуг та залiз-ничних рейок, засiб проти замерзання вугiлля та руди, лшарський засiб у разi кровотеч та алерпчних захворю-вань.
Калiй бромiд застосовують як седативний зааб у медицин^ як компонент тд час травлення в гравру-вальнiй справi, для виготовлення фотоемульсiй. Монок-ристали використовують для отримання призм 1Ч-спек-троскопп, порошкоподiбний КВг слугуе матрицею для зняття IЧ-спектрiв твердих речовин.
Результати дослвдження. Результати проведених експериментальних дослвджень, як1 опублiковапо детально в наших роботах (Mysak et а1., 2013; 0zarkiv et а1., 2003а), свiдчать, що А1К^04)212Н20 характери-зуеться найбшьшим значенням теплового ефекту, про-цесу видiленпя кристалiзацiйноi води, тому цей зразок рекомендовано для використання у сумшах з метою акумулювання тепла в рiзних сонячних системах (табл. 6).
Табл. 6. Результати термогравiметричного анащзу
Сполука Темпера-турний ш-тервал,t oC Експеримен-тальна втрата маси, m % Теоретична втрата маси, m % Молеку-лярна ма-са, г/моль
AlK(SO4)2-12 H2O 20-100 100-123 123-200 3,79 23,21 11,05 3,80 22,80 11,39 474
NaH2PO4+ 2H2O 20 -130 9,50 11,00 156
Na2B4O7 ■10H2O 20-200 18,70 18,90 381
Термограми зразк1в сумшей солей-кристалопдрапв наведено на рис. 1-4. На рис. 5 представлено термограму кристалопдрату Na2HPO4•7H2O, який е одним 1з компо-ненпв дослвджених теплоакумулятивних композицш.
Термограиметричш крив1 (ТG), як1 присутш на рис. 1-4, показують втрату маси зразшв у процеа !хньо-го нагр1вання; диференцшш термограв1метричш крив1 (DTG) ввдповвдають залежносп швидкосп втрати маси зразшв в1д температури; кривим диференцшного тер-м1чного анал1зу (DTA) ввдповщае р1зниця температур м1ж зразком 1 еталоном за ввдповвдно! температури.
Результати терм1чного анал1зу кристалопдрапв AlK(SO4)2•12H2O та NaH2PO4•2H2O, як1 входять до складу зразшв 3 1 4, наведено в робот (Ozarkiv & Derekh, 2016). За даними терм1чного дослщження, сполуку AlK(SO4)2•12H2O було рекомендовано як базовий компонент теплоакумулятивно! субстанцп у сонячних енергетичних системах. Саме цей кристалопдрат при-сутнш у вах дослвджених зразках теплоакумулятивних композицш.
Поява ендотерм1чного ефекту на кривих DTA зраз-к1в 1 1 2 (див. рис. 6 1 7) в обласп температур 20-100 °С, який супроводжуеться незначною втратою маси, в1дпо-ввдае перебпу низки процеав - плавленню кристалопд-рату А1К^04)2-12Н20 та початку депдратацп №2НР04-7Н20 з ввдщепленням одше! молекули води. 1нтенсивна втрата маси зразк1в 1 1 2 в обласп температур 100-125 °С, яка супроводжуеться появою значного ендотерм1чного ефекту на кривих DTA з максимумом за температури 125°С (зразок 1) та 117 °С (зразок 2), вщповвдае повнш депдратацп кристалопдрату Na2HPO4•7H2O з ввдщепленням шести молекул криста-л1зацшно зв'язано! води (див. рис. 6) та глибошй депдратацп кристалопдрату А1К^04)2-12Н20 1з втратою семи молекул води.
О н
100
90-
80-
70-
О
О
Q
^i^DJGX
—__TG_"
-0
-5
-10
-15
-20
-25
-6
25 50 75 100
125 Т.
150 С
175 200 225 250
125 150 Т, °С
Рис. 7. Термограма зразка 2
Появу ендотермiчного ефекту на кривих DTA зразшв 3 i 4 (рис. 8 i 9) в обласп температур 20-100 °С мож-на пов'язати з перебпом низки складних процеав -плавлениям компоненпв, як входять до складу зразшв 3 i 4 (Ozarkiv et al., 2012), та депдратащею кристалопд-рату NaH2PO4-2H2O з ввдщепленням одше! молекули води.
100 125 Т. °С
Рис. 8. Термограма зразка 3
О н
100
90
80
70'
60
О
о $
Q
О'
DTG •
-5
-10
-15
-20
-25
-0
-2
-4
-10
Рис. 6. Термограма зразка 1
25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Т, °С
Рис. 9. Термограма зразка 4
1нтенсивна втрата маси зразшв 3 i 4 в обласп температур 100-125 °С, яка супроводжуеться появою ендо-термiчного ефекту на кривш DTA з максимумом за температури 117 °С, ввдповщае повнш депдратацп кристалопдрату NaH2PO4-2H2O та глибошй депдратацп AlK(SO4)2-12H2O з ввдщепленням семи молекул криста-лiзацiйно зв'язано! води (рис. 10).
Рис. 10. Термограма кристалопдрату Na2HPO4^7H2O
На рис. 11 наведено пор1вняння кривих DTA зразшв теплоакумулящйних композицш. У табл. 7 наведено результата кшьшсного оброблення кривих DTA зразшв сумшей кристалопдратгв 1з знайденими величинами теплових ефекпв, як супроводжують процеси плавлен-ня та депдратацп компоненпв, що входять до !хнього складу.
Рис. 11. Крит DTA зразюв 1-4
Зразок S, К-с АН, Дж/г
Зразок 1 10578 1213
Зразок 2 10139 1163
Зразок 3 8955 1027
Зразок 4 9291 1065
Площ1 птв на кривих DTA розраховували за р1в-нянням
S = ) AT ■ dz, (3)
а
де: т - час; АТ - р1зниця температур м1ж еталоном та зразком у певний момент часу, яку вим1рювали за дов-жиною ординати криво! DTA.
Теплов1 ефекти, як супроводжують процеси плав-лення та депдратацп компоненпв, як входять до складу сумшей солей-кристалопдрапв, визначали за р1в-нянням
AH = K ■ S / m , (4)
де: m - маса зразка; K - коефщент теплообм1ну дер1ва-тографа (кал1брувальний коефщент).
Температурну залежнють коефщента теплообмшу визначали в попередмх досл1дженнях за теплотами плавлення чистих речовин - б1феншу, гександюво! кис-лоти та ср1бла нгтрату:
K = 0,094 - 3,5 ■Ю-4 ■ T + 5,1 ■ 10-7 ■ T2 . (5)
У табл. 7 наведено величини теплових ефекпв зразюв сумшей солей - кристалопдратгв, в1днесених до температури 373 К, якш в1дпов1дае значення коефь щента теплообм1ну K = 0,0344 Дж/(К-с).
1з наведених даних зразок 1 в1дзначаеться найбшь-шим значенням теплового ефекту i може бути рекомен-дованим як найбшьш ефективна сольова сумш для ви-готовлення теплоакумулятивно! субстанцл в сонячних енергетичних системах.
В НЛТУ Укра!ни було розроблено i впроваджено у виробництво сонячн сушильн камери (рис. 12), на яю було отримано патенти Укра!ни, як i на сонячн колек-тори. Техмчна характеристика, конструкщйна схема, режими сонячного випромшювання подан в роботах.
Висновки. 1з трьох досл1джених сольових сушшей зразок 1 можна рекомендувати як найефектившшу теп-лоакумулящйну композищю для використання в соняч-них сушильних камерах. Тепловий ефект плавлення кристалопдрату AlK(SO4)2-12H2O, який входить до складу цього зразка, ютотно тдсилюеться низькотемпе-ратурним теплоакумулящйним тепловим ефектом гли-боко! депдратацп кристалопдрату Na2HPO4-7H2O, який мютиться в зразку 1.
Рис. 12. Гелюсушарки НЛТУ Укра1ни: 1) передня прозора станка; 2) верхня передня станка (огородження); 3) плосю гелюколекто-ри-акумулятори; 4) задня тепло1зольована станка; 5) електромотор; 6) пригачний канал; 7) витяжний канал; 8) екран; 9) батарея трубних сонячних колектор1в; 10) рефлектори (в1дбивачТ) сонячно! енерги; 11) повггряний канал
osusharka dlia pylomaterialiv. № 25030214; Zaiavl. 7.02.2003; Zatv. 20.08.2003; Opubl. 17.11.2003. Ozarkiv, I. M., Bilei, P. V., Ozarkiv, V. Ya., & Humeniuk, Zh. Ya. (2003b). Dekl. patent №61463 A Ukraina, MPK 7F26B 3/28. Soni-achna sushylna kamera. №20030215; Zaiav. 7.02.2003; Zatv. 15.08.2003; Opubl. 17.11.2003 Ozarkiv, I. M., Danchuk, M. I., Derekh, O. I., & Kobrynovych, M. S. (2015). Kontseptsiia vykorystannia solei-krystalohidrativ v soni-achnykh kolektorakh sushylnykh kamer. Naukovi pratsi lisivnychoi akademii nauk, 13, 231-236. [in Ukrainian]. Ozarkiv, I. M., Kozar, V. S., & Ozarkiv, O. I. (2012). Patent na korysnu model №72819 UA Ukraina, MPK (2012.01) F 26B3/00. Systema akumuliuvannia temperaturnykh poliv v heliosusharkakh teplychnoho typu. № u 2012 02693; Zaiav. 6.03.2012; Zatv. 27.08.2012, Biul. № 16 Ozarkiv, I. M., Kozar, V. S., & Ozarkiv, O. I. (2013). Patent na korysnu model №76882 UA Ukraina, MPK F 26B3/28 (2006/01); F24j2/06 (2006.01). Heliotermichnyi kolektor dlia enerhetychnoi systemy soniachnoi susharky. №U2012 09475; Zaiav. 03.05.2012; Zatv. 25.01.2013; Opubl. 25.01.2013, Biul. №2. Ozarkiv, I. M., Mysak, Y. S., Krynytskyi, H.T., et al. (2012). Zastosu-vannia soniachnoi enerhii u zhytlovomu hospodarstvi ta derevoob-robtsi. Lviv: NVF "Ukrainski tekhnolohii". 338 p. [in Ukrainian]. Ozarkiv, I. M., Mysak, Y.,S., & Kopynets, Z. P. (2008). Vykorystannia soniachnoi enerhii u promyslovosti. Lviv: NVF "Ukrainski tekhnolohii". 276 p. [in Ukrainian]. Ozarkiv, I. M., Sokolovskyi, I. A., Danchuk, M. I., Kozar, V. S., & Derekh, O. I. (2013). Patent Ukrainy na korysnu model №90395 Soniachnyi kolektor. №u2013 14899; Zaiav.19.12.2013. Opubl. 26.05.2014. Biul. №10.
С. Ф. Гавенко1, О. И. Дерех2
1Украинская академия книгопечатания, г. Львов, Украина 2Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина
РОЛЬ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИРОДЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО В ПРОИЗВОДСТВЕ
ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
По данным комплексного термогравиметрического и дифференциального термического анализа проведено сравнение теплоаккумулирующих свойств смесей солей-кристаллогидратов, определены тепловые эффекты процессов, сопровождающих обратную реакцию, которая имеет место при аккумулировании солнечной энергии в гелиотермических коллекторах. Последние имеют высокую практическую ценность для применения в лесопромышленном комплексе. Показаны физические свойства зарубежных аналогов теплоносителей. Проанализированы физические свойства солей для использования в ге-лиосушарках, указано уравнение для определения площади пиков эндотермического эффекта, а также проведено сравнение для выбора актуального компонента для включения в систему солнечных сушильных камер. Образцы анализировали в условиях роста температуры, то есть реализовывались обратные процессы, которые имеют место в теплоаккумулятивных устройствах. Показаны зависимости колебаний температуры наружного атмосферного воздуха от часа дня. Приведены преимущества использования пассивных солнечных систем в производствах лесопромышленного комплекса, и проанализированы возможности внедрения на производствах. По результатам собственных исследований, а также других ученых, определено, от чего зависит прирост фитомассы. Указаны варианты определения плотности солнечного излучения (прямого и рассеянного). Показана принципиальная схема гелиосушарки, разработанной в НЛТУ Украины.
Ключевые слова: солнечное излучение; соли-кристаллогидраты; гелиоколлекторы; термогравиметрический анализ; фи-томасса.
S. F. Gavenko1, O. I. Derekh2
1Ukrainian Academy of Printing, Lviv, Ukraine 2Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine
THE ROLE OF SOLAR RADIATION IN NATURE AND USING IT IN THE MANUFACTURE
OF THE FOREST-INDUSTRIAL COMPLEX
According to the complex thermogravimetric and differential thermal analysis, a comparison was made between the heat-storage properties of mixtures of salts-crystalline hydrates, the thermal effects of processes that accompany the reciprocal reaction that occurs when solar energy is accumulated in gelio-thermal collectors. The latter have a high practical value for use in the forest-industrial complex. Physical properties of foreign analogues of heat carriers are shown. The physical properties of salts for use in gel dryers have been analyzed, the equation for determining the peak area of the endothermic effect is given, and a comparison has been made to select the most relevant component for the inclusion of solar drying cells in the system. The samples were analyzed in conditions of temperature increase, that is, the reverse processes taking place in heat-storage devices were realized. Dependences of the fluctuations of temperature of external atmospheric air from hour of day are shown. The advantages of using passive solar systems in the forest-industry complexes are presented, and the possibilities of introduction on production are analyzed. Due to own research, as well as other scientists, determines what determines the growth of phytomass. The options for determining the density of solar radiation (direct and scattered) are specified. The principal scheme of the solar-dryer developed in the NLTI of Ukraine is shown.
Keywords: solar radiation; salt-crystal hydrates; solar collectors; thermogravimetric analysis; phytomass.
Автори розробили 4 типи гелюсушарок для сушшня пиломатер1ал1в до транспортно! вологосп, тобто 25.30 %. Тривалють сушшня, пор1вняно з хвойними породами, для берези - в 1,4 раза бшьша, дуба - у 3.3,5 раза.
Перелш використаних джерел
Danchuk, M. I., Kochubei, V. V., & Ozarkiv, I. M. (2015). Patent na korysnu model №100676. Kompozytsiia solei-krystalohidrativ dlia akumuliuvannia tepla. - №u 2014 13727. Zaiavl. 22.12.2014; Za-reiestr. v Derzhreiestri patentiv Ukrainy 10.08.2015. Biul.№15. Mysak, Y. S., Ozarkiv, I. M., Adamovskyi, M. H. et al. (2013). Net-radytsiini dzherela enerhii: teoriia i praktyka. Lviv: NVF "Ukrainski tekhnolohii". 356 p. [in Ukrainian]. Ozarkiv, I. M., & Danchuk, M. I. (2013). Issledovanie teploakumuliat-cionnykh svoistv solei-kristalogidratov v geliosushilnykh ustanov-kakh. Materaly XIIIMezhdunarod. nauch.-tekhn. konf. "Aktualnie problemy lesnogo kompleksa. Les-2013", vol. 36, (pp. 84-86). Bri-ansk, 1 may - 1 june 2013. [in Russian]. Ozarkiv, I. M., & Derekh, O.I. (2016). Naukovi zasady promene-kon-vektyvnoho teploobminu v protsesi svitlovoho rezhymu lisu. Nau-kovi pratsi lisivnychoi akademii nauk Ukrainy, 14, 72-78. [in Ukrainian].
Ozarkiv, I. M., Adamovskyi, M. H., Maksymiv, V. M., et al. (2014). Lisovyrobnychyi kompleks: ekolohichni aspekty. Lviv: Zukc. 264 p. [in Ukrainian].
Ozarkiv, I. M., Bilei, P. V., Ozarkiv, S. I., & Humeniuk, Zh. Ya. (2003a). Dekl. patent №61462 A Ukraina, MPK 7F26B19A». Heli-
