УДК 623

А.Ж.Жамалов, М.М. Кунелбаев

Алматинский институт энергетики и связи

Изучение теплового режима плоских гелиоколлекторов

В данной работе приводятся результаты оценки теплового режима установки с единовременном учётом комплекса внешних и внутренних факторов

In work a bring results evolution heat regime establish with unity calculation complexes word and inside factors.

Изучению теплового режима плоских коллекторов посвящено значительное количество работ.. Начатая работами В. Бау-ма, Б. Петухова, Б. Гарффа и других, развитая в дальнейшем Р. Захи-довым, Б. Тарнижевским, А. Вардиашвили и другими, методы расчета теплового режима низко- потенциальных гелиоустановок получили сейчас широкое признание. Однако эти работы посвящены исследованию теплового режима низкопотенциальных установок с учетом отдельных факторов.

Тепловые процессы, происходящие в плоских коллекторах, зависят от многих факторов: толщины воздушного слоя между тепловоспринимающей поверхностью и стеклом, геометрической формы тепловоспринимающей поверхности, длины ячейки рамы, угла наклона установки к горизонту, температуры поверхности и наружного воздуха, качества стекла, степени поверхности, состояния неба, от скорости ветра и т.д.

В данном разделе приводятся результаты оценки теплового режима установки с единовременном учетом комплекса внешних и внутренних факторов.

При стационарном режиме работы плоского коллектора поток тепла предлагается считать непрерывным, постоянным по величине и направлению, а также принимаются постоянным и теплопотери от тепловоспринимающей поверхности и ограждающей конструкции.

Тепловой и радиационный баланс плоских солнечных коллекторов с одинарным перекрытием может быть предоставлены уравнениями:

; (1)

где E — интенсивность прямой солнечной радиации, ккал/м²ч;

D_c - коэффициент пропускания солнечной радиации стеклом;

А_к — коэффициент поглощения солнечной радиации тепловоспринимающей поверхностью;

q_пот — суммарные тепловые потери, ккал/м²ч;

— КПД установки;

Полезное тепло, воспринимаемое теплоносителем в плоском коллекторе

где Т_в - средняя температура воздуха нагревателя, /с;

Т_с — средняя температура свободной части тепловоспринимающей поверхности, к;

(1-) — доля свободной тепловоспринимающей поверхности;

Т_с1 — температура внутренней поверхности стекла, к;

Т_с2 — температура внешней поверхности стекла, к;

- отношение эффективного диаметра теплоотводящих каналов к расстояние между их осями;

К — коэффициент теплопередачи конвекции и теплопроводности через приемную поверхность, ккал/м^ град;

_с — степень черного стекла;

— коэффициент теплоотдачи воздуха внутри объема гелиоустановки (неподвижного воздуха), ккал/м²ч град;

— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности в окружающее пространства, ккал/м²ч град;

A=4,9

ψ=φ(3,26-3,924+2,064²-0,44³) - коэффициент теплообмена двух параллельных плоскостей.

Коэффициент конвекции неподвижного воздуха внутри нагревателя определено как функция критериев Грасгофа, Пращггля и для нашего случая ε_K=(GrPr)^0,25, а коэффициент конвективный теплоотдачи от прозрачной изоляции в окружающую среду (α²) определяется как функции критерия Рейнольдса.

При вычислении коэффициента теплоотдачи за определяющую температуру принимались средняя температура наружного воздуха, а за определяющий размер — ширина, застекленной поверхности. При расчете использовались среднесуточные значения скорости ветра, для расчетного дня эта величина составляла V_B=1,2 м/с; при этой скорости число Рейнольдса Re>4*10². Поэтому для определения мы пользовались критериальным уравнением.

Nu=0,32Re^0,76 (2)

При нормальной работе гелионагревателя Т_к, Т_с, Т_с1 и Т_с2 изменяются практически в интервале 40÷110°С, а температура воздуха — 10÷50°С.

В указанных температурных пределах выражение может быть

с достаточной точностью передано уравнением прямой. Для первых четырех температур справедливо уравнение:

(3)

Для воздуха

(4)

Для приближенных расчетов, дающих вполне удовлетворительные результаты, метод расчета плоских солнечных коллекторов может быть упрощен, если считать, что

; (19)

где С₁ и С₂ - некоторые функции от величин средней температуры воздуха в нагревателе, температуры окружающего воздуха, скорости ветра, расположения теплоотводящих каналов и их геометрической формы, величины термического сопротивления прозрачной защиты зависимость С₁ и С₂ от указанных параметров представлены ниже:

,

,

где α₃ — термическое сопротивление прозрачное защиты, 1/м;

α₃ — коэффициент теплопередачи от прозрачной защиты в окружающее пространство, ккал/м²ч град;

α_1,2 — коэффициент теплопередачи, учитывающий излучение наружной поверхности прозрачной защиты в окружающее пространство, ккал/м²ч град;

λ_с — коэффициент теплопроводности прозрачной защиты, ккал/м²ч

δ_С — толщина прозрачной защиты, м.

Для учета теплопотери через боковую поверхность необходимо значение провой части д„ умножить на величину χ:

где H, l, в - геометрические размеры несущих конструкции.

В соответствии с этим рабочие уравнения, которыми следует пользоваться при определении в упрощенном варианте расчета плоских коллекторов, будут иметь следующий вид:

(19)

(5)
(6)

где u - число поперечных накладок с сечением a₀x(c+в)

а₀ - горизонтальный, с и в - вертикальный размеры бруска, м;

S - число продольных брусков, l - длина гелионагревателя, м;

(22)

где H— высота гелионагревателя, м;

f— расстояние от вертикальных стенок гелоинагревателя до внутренней кромки переплета рамы, м.

Порядок решения уравнений (1), (2), (3) следующий: сначала эти уравнения решаются в предположении, что χ=l это дает возможность определить коэффициент K_c , а следовательно и χ после чего повторное решение этих уравнений дает возможность вычислить близкие к действительности значения q'_nол ,q_пол и термический КПД гелиоустановки' г\. Результаты расчета с .учетом теплопотерь для

q’_нг - 399 ккал, t_вх — 17^оС и V_в=3 м/с в зависимости от φ и d_экв,при t_гв=60, 70 и 80° С приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Зависимость энергетических показателей плоских коллекторов от φ при v=2m/c, v=3 м/с и t_гв=60^oC

φ	0		0,08	0,13	0,18		0,23	0,28	0,33	0^8	0,43
dэф=23мм tгв=60^оС V=3 м/с
		0	105	83		77	77	71	66	61	—
		0	18	37		42	52	52	65	68	—
		0	2,5	4,8		5,5	6,8	7,7	8,5	9,0	—
.-		0	103	207		238	291	333,	364	385	—
dэф=23мм tгв=60^оС V=2 м/с
		1,1		0,55			0,36		0,27		0,22
				55			64		68
				0,82			0,68		0,64
»				10,8			8,9		8,4
				463			381		359

При конструировании солнечного водонагревателя с плоским коллектором следует руководствоваться следующими положениями. При заданном эффективном диаметре теплоотводящих каналов термический КПД установки увеличивается по мере увеличения диаметра канала.

Литература

1. Жамалов А.Ж.Опыт эксплуатации солнечных коллекторов для теплоснабжения.Брошюра. ЦНИИЕЗИ,М., 1988, с.21

2. Жамалов А.Ж. Опыт эксплуатации гелиосистем для теплоснабжения .Материалы коныеренции «Использование солнечной энергии в народном хозяйстве».- Ташкент.-1991.-с.96-99.