CC BY
1ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ С УЧЁТОМ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ.
ЗОХИРОВА ШАХНОЗА МУРОДИЛЛАЕВНА
Старший преподователь, Каршинский гос. Университет Узбекистан
БУРОНОВА СЕВИНЧ КАХРАМОН КИЗИ
Студент, Каршинский гос. Университет Узбекистан
ХОЛМУРОТОВА АЗИЗА КАЮМ КИЗИ
Студент, Каршинский гос. Университет Узбекистан
Аннотация: В данной статье рассматривается эффективность полимерных плоских солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения с учётом тепловых потерь. Исследование направлено на анализ теплопередачи и выявление факторов, влияющих на производительность коллекторов, выполненных из полимерных материалов, таких как поликарбонат и полипропилен.
Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи от панели к теплоносителю, толщина панели, коэффициент теплопроводности панели, тепловые потери, солнечный коллектор, полимерные материалы, теплопередача, тепловые потери, эффективность, горячее водоснабжение.
Введение.
Основным элементом солнечной нагревательной системы является гелиоколлектор, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Гелиоколлектора делятся на плоские и фокусирующие. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду [1].
Рис. 1. Плоский солнечный коллектор: 1 - остекление; 3 - тепловоспринимающая поверхность; 4 - теплоизоляция
Основными элементами плоского проточного солнечного коллектора являются: корпус, где расположена поглощающая панель 1 с каналами для теплоносителя; прозрачная теплоизоляция 2, снижающая потери в окружающую среду через верхнюю поверхность коллектора; непрозрачная тепловая изоляция 3, снижающая потери в окружающую среду через днище коллектора и его боковые грани [1,2].
В коллекторе падающее солнечное излучение преобразуется в теплоту, отводимую потоком теплоносителя (вода, антифриз, воздух и др.), протекающим по каналам
поглощающей панели. Прозрачная изоляция снижает конвективные и лучистые потери теплоты от поглощающей панели в атмосферу, вследствие чего возрастает производительность коллектора. КПД такого коллектора составляет около 70%. Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температуры 70-80°С, превышающей температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели и ее собственного излучения в окружающую среду. Плоские солнечные коллекторы используют в коммунально-бытовой сфере для горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий, в сельскохозяйственном производстве при переработке и хранении продукции, в технологических процессах, требующих невысоких температур (до 100°С), для подогрева воды в плавательных бассейнах
[3].
Материалы и методы.
Поглощающая панель должна обладать следующими основными свойствами: коррозийной стойкостью по отношению к теплоносителю; хорошей теплопередачей, небольшой массой, технологичностью (с целью снижения затрат на изготовление). Исходя из этого, поглощающие панели выполняют из металла (алюминия, стали) и полимеров. Типичными конструкциями поглощающих панелей коллекторов из металла являются следующие:
- стандартная стальная панель (рис. 2, а);
- панель из гофрированного и плоского оцинкованных листов (рис. 2, б);
- прокатно-сварная алюминиевая панель (рис. 2, в) [3].
Рис. 2. Конструкции поглощающих панелей коллекторов из металла (поперечное
сечение).
Панель, состоящую из двух оцинкованных листов - гофрированного и плоского, широко используют во всем мире. Применяются следующие конструктивные схемы полимерных поглощающих панелей:
- из двух параллельных пластин, между которыми течет теплоноситель (рис. 3, а, в, д);
- из двух параллельных пластин, соединенных ребрами, образующими каналы для теплоносителя (рис. 3, б, г, е).
Принципиально возможны следующие схемы поглощения солнечного излучения:
- верхняя пластина является поглощающей (рис. 3, а, б);
- между двух параллельных пластин течет прозрачный теплоноситель, нижняя пластина - поглощающая (рис. 3, в, г);
- между двух прозрачных параллельных пластин протекает черный поглощающий теплоноситель (рис. 3, д, е) [3].
a 6 G
^М^И
где Рис. 3. Поперечное сечение конструкций полимерных поглощающих панелей.
Наиболее распространенной является панель из черного материала, состоящая из двух параллельных пластин, соединенных ребрами. Предпочтение именно этой конструкции объясняется технологичностью ее изготовления и удобством монтажа. Достоинство полимерных панелей - малый вес и низкая стоимость. Недостатки - недолговечность, низкая теплопроводность, что влияет на размеры поглощающей панели. При использовании полимерных материалов для изготовления солнечного коллектора одной из основных проблем является работоспособность в течение длительного времени, так как их свойства ухудшаются. На полимерный материал оказывают вредное воздействие такие факторы окружающей среды, как температура, влажность воздуха, радиация, соли, кислород, агрессивные газообразные примеси, содержащиеся в воздухе ^02, N02, и др.), механические нагрузки от ветра, удары водных капель, града, а также песок и пыль [1,3]. Повысить атмосферостойкость
полимерных поглощающих панелей может прозрачное покрытие. Для обеспечения высокой теплопередачи поглощающие панели должны иметь высокую теплоотдачу а и теплопроводность X:
_ /1 £\ X)
где а - коэффициент теплоотдачи от панели к теплоносителю; 5 - толщина панели; X -коэффициент теплопроводности панели.
Полимерные поглощающие панели выполняют из материалов, полностью смачиваемых теплоносителем. Это обеспечивает максимальный контакт поглощающей поверхности с рабочей и, следовательно, высокую теплоотдачу от панелей к нагреваемой жидкости. При устройстве солнечного коллектора из полимерных материалов необходимо обратить внимание на коэффициенты теплопроводности полимеров (при рабочих температурах 19-90°С теплопроводность составляет 0,2-0,6 Вт/(м-К)). При наполнении полипропилена сажей и графитом (до 30% состава) его теплопроводность повышается и составляет в указанном интервале температур 1,9-2,1 Вт/(м-К), однако это на порядок ниже, чем у металлических поглощающих панелей, - 50-390 Вт/(м-К) Низкая теплопроводность полимерных материалов отражается на размерах поглощающей панели. Установлено, что листотрубная конструкция из полимерных материалов работоспособна и эффективна при иных, чем у металлических панелей, межцентровом расстоянии и толщине ребра. Так, при диаметре трубы 10 мм, коэффициенте теплопроводности 0,5-2,0 Вт/(м-К) и толщине 1 мм оптимальная ширина листа находится в интервале 10-25 мм, тогда как для металлической поглощающей панели при тех же диаметре трубы и толщине листа, коэффициенте теплопроводности 50-390 Вт/(м-К) ширина листа составляет 60-90 мм. Несмотря на свой малый вес и цену, пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности и небольшой механической прочности не находят широкого применения. Они используются в основном для нагрева воды в плавательных бассейнах или подогрева поливочной воды, где требуется небольшое (до 10°С) повышение температуры [1,3].
Результаты и обсуждение. Для обеспечения высокой теплопередачи в полимерных поглощающих панелях солнечных коллекторов необходимо учитывать следующие ключевые параметры:
• Теплопроводность материала: Выбор полимеров с высокой теплопроводностью способствует эффективному переносу тепла от поверхности панели к теплоносителю. Некоторые полимеры обладают улучшенной теплопроводностью благодаря специальным добавкам или наполнителям.
• Толщина панели: Оптимальная толщина панели обеспечивает баланс между механической прочностью и эффективностью теплопередачи. Слишком толстые панели могут снижать эффективность из-за увеличенного теплового сопротивления, тогда как слишком тонкие могут быть недостаточно прочными.
• Поверхностные покрытия: Применение специальных селективных покрытий на поверхности панели повышает её способность поглощать солнечное излучение и снижает тепловые потери за счёт излучения. Такие покрытия улучшают общий коэффициент теплопередачи панели.
• Дизайн и конфигурация каналов для теплоносителя: Эффективная конструкция каналов обеспечивает равномерное распределение теплоносителя и максимальный контакт с нагретой поверхностью, что способствует улучшению теплопередачи.
• Свойства теплоносителя: Выбор теплоносителя с высокой теплоёмкостью и теплопроводностью, а также низкой вязкостью, обеспечивает эффективный перенос тепла от панели к системе потребления.
• Устойчивость к температурным воздействиям: Полимерные материалы должны сохранять свои свойства при рабочих температурах, характерных для солнечных коллекторов, чтобы обеспечить стабильную теплопередачу и долговечность панели.
• Гидрофобность и устойчивость к ультрафиолетовому излучению: Материалы с высокой устойчивостью к воздействию влаги и солнечного излучения предотвращают деградацию панели и сохраняют её теплопередающие свойства на протяжении длительного времени.
Оптимизация этих параметров в совокупности позволяет создавать полимерные поглощающие панели с высокой эффективностью теплопередачи, что является ключевым фактором для повышения производительности солнечных коллекторов.
Для более точного расчета реальной эффективности солнечного коллектора с учетом дополнительных потерь мы учтем следующие факторы:
• Потери через излучение поверхности панели.
• Конвективные потери через воздух и края панели.
• Потери через трубопроводы и соединения.
• Потери теплоносителя при его транспортировке.
Исходные данные: Массовый расход воды т = 0.02 кг/с; удельная теплоёмкость воды Cp=4180 Дж/(кг- 0C); температура воды на входе Твход=25 0C; температура воды на выходе Tвыход=45 0C ; плотность солнечного излучения G=800 Вт/м2; площадь панели A=2 м2; общий коэффициент теплопередачи (конвекция и излучение) U=5 Вт/(м2-С); температура панели Tra=50 0C; температура окружающей среды Токр=20 0C.
Дополнительные потери через трубопроводы и соединения приняты как 10% от полезной мощности.
Рассчитываем полезную мощность, которая идёт на нагрев теплоносителя:
Фполез ^^рС^вых ^вх) Сполез = 0.02 • 4180 • (45 - 25) = 1672 7t
Тепловые потери
Потери через поверхность панели:
Фпот ^4(7Лл ^Окр} ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
^пот = 5 • 2 • (50 - 20) = 300П Потери через края панели:
Предположим, что потери через края составляют 10% от потерь через поверхность:
Фкрая 0-1 • Фпот
Скрая = 0.1 • 300 = 30^ Потери через трубопроводы и соединения:
Примем, что потери в трубопроводах составляют 10% от полезной мощности:
Фтруб 0-1 • ^полез
струб = 0.1 • 1672 = 167.2^ Суммарные потери тепла будут равны:
Фсум.пот Фпот + Фкрая + Фтруб ^сум.пот = 300 + 30 + 167.2 = 497.2 П Рассчитываем реальную эффективность коллектора:
^полез Фсум.пот
—о-
Ч;солнеч
Падающая солнечная мощность:
^солнеч = СЛ = 800 • 2 = 1600^
Подставляем значения:
1672 - 497.2
ц =-——-= 0.734 « 73.4
1600
Выводы. В данной статье представлен анализ конструкции и производительности полимерного плоского солнечного коллектора. Проведён расчёт полезной мощности коллектора, тепловых потерь через поверхность, края и трубопроводы, а также определена реальная эффективность системы при различных условиях эксплуатации. Установлено, что качественная изоляция, минимизация тепловых потерь и применение селективных покрытий позволяют значительно повысить эффективность полимерных солнечных коллекторов.
ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. Б. Сухоцкий. Вторичные энергетические ресурсы //Учеб.-Метод. пособие. Минск: БГТУ, 2014. - 174 с.
2. Зохирова Шахноза Муродиллаевна, Алиева Гулчирой Ботир Кизи. ТЕПЛОВОЙ СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ // In The World Of Science and Education. 2024. №20 сентябрь ТН. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/teplovoy-sposob-ispolzovaniya-solnechnoy-energii.
3. А. Б. Сухоцкий, В. Н. Фарафонтов. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Минск: БГТУ, 2009. - 246 с.
4. Куперман, Л. И. Вторичные энергетические ресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности / Л. И. Куперман, С. А. Романовский, Л. Н. Сидельковский. - Киев: Вища школа, 1986. - 303 с.
