СОЛНЕЧНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ
Системы сбора солнечного тепла с использованием в качестве теплоносителя воздуха приемлемы для отопления помещений всех типов, особенно в тех случаях, когда не предусматривается или в незначительной степени используется охлаждение или подогрев воды для бытовых нужд.
Воздушные системы выглядят привлекательнее жидкостных, так как требуют меньше трубопроводов и деталей и поэтому менее дороги. Причиной сложностей с жидкостными системами являются:
1) проблемы возможного замерзания жидкости в коллекторе;
2) необходимость учитывать расширение жидкости при ее нагреве в системе, включая возможность мгновенного перехода жидкости в газообразное состояние;
3) возможность протечки системы;
4) коррозия металлических водопроводных труб.
Сравнительная простота воздушных систем притягательна для людей, желающих простроить свою собственную систему, но, как со всеми системами сбора, хранения и использования солнечной энергии, их точный расчет труден, поэтому все системы, за исключением простейших, должны проектироваться человеком, сведущим в вопросах механики и теплообмена. Тем не менее, воздушные коллекторы сравнительно легко содержать и ремонтировать. Вентиляторы, приводы демпферов и органы управления могут отказать, однако крупные узлы, в том числе коллектор, аккумулятор тепла и воздуховоды должны иметь длительный срок службы.
Изготовление воздушных коллекторов и связанных с ними узлов и систем сравнительно просто, если сопоставить со слесарно-водопроводными работами и попытками найти пластину теплоприемника, пригодную для жидкостных систем. За исключением конструкции доктора Гарри Томасона, в которой вода стекает по волнистому металлическому листу, в большинстве конструкций теплоприемника трубы крепятся к ним или составляют с ними одно целое, причем обращаться с этими узлами непросто даже для квалифицированных рабочих. Легче содержать теплоприемник в системе воздушного коллектора; поскольку они не соединены с водопроводной системой, которая должна быть герметичной, и поскольку они не требуют строгого учета расширения и сжатия, нет нужды изготавливать их с большой точностью.
|
|
|
По сути дела, для коллекторов воздушного типа теплоприемник необязательно должен быть металлическим. Так как во многих типах коллекторов воздух соприкасается с поверхностью любого материала, нагреваемого солнцем, тепло необязательно должно передаваться от одного участка поверхности теплоприемника к другому, как в случае жидкостных коллекторов. Почти любая зачерненная поверхность, которая нагревается солнцем, будет передавать тепло воздуху, обтекающему ее. Такой механизм теплообмена открывает множество вариантов выбора поглотителей.
|
|
|
Р. Блисс и М. Донован использовали черный четырехслойный хлопчатобумажный экран для изготовления теплоприемников, а доктор Дж. Леф применил зачерненные стеклянные пластины в своем доме в Колорадо (рис. 7.1); стеклянные пластины (0,45 м) на две трети перекрывают друг друга. Каждая пластина состоит из двух частей: черной и прозрачной. Черное покрытие получают путем нанесения черного стеклошлака на обычное оконное стекло и выдерживания его в отжиговой печи. Пластины закрываются сверху двумя слоями стекла. Четыре секции по 1,2 м располагаются в ряд с наклоном 60 ° от горизонтали. Первоначально из-за неправильного способа закрепления кромок стекло растрескивалось при расширении и сжатии. Способ закрепления был изменен и стекло не разбивалось. Если кромки стекла не защищены, пластина будет трескаться и, в конечном счете, раскалываться.
Рисунок 7.1 Воздушный солнечный коллектор Дж. Лефа:
1 – впуск холодного воздуха; 2 – изолированное днище; 3 – черное покрытие; 4 – выпуск горячего воздуха; 5 – верхнее стеклянное покрытие; 6 – прозрачное стекло; 7 – промежуток в 6,3 мм.
|
|
|
Разумеется, можно применять для теплоприемника и металлические пластины. Понятно, что не только металл является долговечным и эффективным, но он предпочтительнее для тех случаев, когда солнечная радиация поступает не на всю поверхность теплоприемника, соприкасающегося с движущимся воздухом. Металл также способствует устранению «горячих мест», вызванных неравномерным потоком воздуха над поверхностью, распределяя избыточное скопление тепла на другие поверхности, а от них к воздуху. В своих исследованиях Дж. Д. Клоуз определил относительные преимущества размещения воздуховодов по отношению к светонепроницаемым металлическим пластинам теплоприемников. Три основных конфигурации показаны на рис. 7.2:
1) тип I, в котором воздуховод помещен между пластиковым покрытием и поверхностью теплоприемника;
2) тип II, в котором дополнительный воздуховод располагается позади пластины теплоприемника;
3) тип III, в котором отсутствует верхний воздуховод, а используется только воздуховод, расположенный за пластиной теплоприемника.
Рисунок 7.2 – Три конфигурации воздуховодов коллектора:
1 – воздуховод; 2 – пластиковое покрытие; 3 – теплоприемник; 4 – изоляция
|
|
|
Воздухоподогреватель типа II имеет более высокий КПД, чем другие два типа, когда содержащийся в нем воздух и наружный воздух имеют примерно одну и ту же температуру. Однако при увеличении разности между температурой коллектора и температурой наружного воздуха лучшие характеристики будет иметь устройство типа III. Примерная схема воздушного коллектора, примененного в солнечном экспериментальном доме Института экономии энергии при университете шт. Делавэр, показана на рис. 7.3.
Рисунок 7.3 – Поперечный разрез плоского электротеплового коллектора для солнечного дома при университете шт. Делавэр:
1 – стропила; 2 – уплотнения; 3 – плексиглас с абситовым покрытием; 4 – эластичный клей; 5 – бутиловый каучук; 6 – солнечные элементы;
7 – герметичное уплотнение; 8 – воздуховод; 9 – изоляция; 10 – распорки, обеспечивающие равномерный воздушный поток
Дж. Д. Клоуз сделал также вывод, что чем выше рабочая температура коллектора, тем большее значение приобретает коэффициент теплообмена между поверхностью теплоприемника и воздухом. В летний период, когда температура коллектора может быть лишь на 15...20 °С выше температуры наружного воздуха, эффективность одного ровного металлического листа можно сравнить с эффективностью ребристой пластины или поверхности с V-образной волнистостью (рис. 7.4). Однако в районах с прохладным и холодным климатом, где разность температур коллектора и внешней среды может достигать 55 °С, ребристая пластина (рис. 6.21) на 5...10 % эффективнее плоской пластины, а пластина с V-образной волнистостью – на 10...15 %.
Рисунок 7.4 Пластина теплоприемника с V-образными волнами:
1 – угол раскрытия V-образной волнистости 60 °.
Рисунок 7.5 – Ребристая пластина теплоприемника
Задняя сторона пластины теплоприемника должна быть окрашена в черный цвет, если ее обтекает воздух. Поверхность, отделяющая задний воздуховод от изоляции, должна быть покрыта отражающей фольгой; однако, если применяется перфорированная пластина, отделяющая поверхность должна быть черной и служить в качестве еще одной поверхности теплообмена.
Уиллиер показал, что при замене обычной сплошной пластины теплоприемника зачерненной проволочной или пластиковой сеткой, дающей возможность нижележащей поверхности воздуховода поглощать половину излучения, можно удвоить величину h (эффективный коэффициент теплопередачи между теплообменником и воздушным потоком), обеспечив увеличение отвода тепла на 10...15 %. Удовлетворительные значения h находятся в пределах 34...68 Вт/(м2·град). Предпочтительнее более высокие значения h при условии, что затраты на подкачку воздуха не становятся слишком высокими. Другие способы увеличения эффективной площади поверхности теплоприемника, а, следовательно, и повышения коэффициента теплопередачи представлены на рис. 7.6, 7.7, 7.8.
Рисунок 7.6 – Волнистая пластина теплоприемника
Рисунок 7.7 – Металлическая пластина теплоприемника прямоугольного сечения
Рисунок 7.8 – Стальная пластина теплоприемника с усеченными V-образными волнистостями
Поскольку теплоприемник можно изготовить из неметаллических материалов, вполне вероятно значительное снижение стоимости солнечных коллекторов, что стимулирует изготовителей исследовать эту альтернативу жидкостным системам с целью производства изделия, более конкурентоспособного по стоимости. К сожалению, с воздушными коллекторами проводилось сравнительно мало исследований. Это объясняется главным образом традиционной приверженностью к жидкостным системам. Изготовители заваливаются информацией по жидкостным системам и считают их наиболее легко осуществимыми. Из-за обилия такой информации дальнейшие исследования проводятся в основном с жидкостными системами, поэтому дисбаланс только углубляется.
Независимо от того, изготовлены теплоприемники из металла, или нет, важно, чтобы движение воздуха через промежуток над поверхностью теплообмена было турбулентным. Обычно воздушный поток является ламинарным, т.е. воздух, прилегающий к поверхности, сравнительно неподвижен, в то время как воздух над поверхностью движется спокойными ненарушенными слоями. Такой режим течения обеспечивает плохую теплопередачу: неподвижный воздух вблизи поверхности теплоприемника нагревается, а движущийся над неподвижным слоем воздух не соприкасается с поверхностью теплообмена.
Устранить этот недостаток можно с помощью турбулентного потока, который рассматривается в двух масштабах. В макромасштабе турбулентный поток можно проиллюстрировать завихрениями дыма, вдуваемого в какой-либо объем; эти завихрения легко наблюдать визуально. В микромасштабе тот же эффект должен иметь место непосредственно у поверхности теплоприемника.
Чтобы создать турбулентность в макромасштабе, теплоприемник не должен быть плоским, а должен быть как можно более шероховатым, заставляя воздух двигаться во всех направлениях. Эту функцию хорошо выполняют ребристая пластина и V-образные волнистости.
Чтобы создать турбулентность в микромасштабе, поверхность также должна быть шероховатой с как можно большим количеством острых выступов. Примерами таких грубых поверхностей могут служить:
1) слой, подобный мелкому гравию (рис. 7.9);
2) воздушные фильтры для печей;
3) ткань;
4) сетка;
5) пластина с пробитыми отверстиями (рис. 7.10).
Рисунок 7.9 – Возможная организация потока воздуха через охлаждаемые воздухом коллекторы:
1 – воздушный промежуток в 25...50 мм; 2 – полиэфирная смола, армированная стекловолокном; 3 – светопроницаемая изоляция (или второе стеклянное покрытие); 4 – черный металлический лист; 5 – пластмассовое покрытие; 6 – отражающая поверхность; 7 – стекловолокнистая изоляция толщиной 150...250 мм; 8 – декоративное покрытие
Рисунок 7.10 – Металлическая пластина теплоприемника с пробитыми отверстиями
Если к алюминиевому листу прикрепить тысячи миниатюрных волосков (или прямых шпилек, заделанных в его поверхность), эффективность теплопередачи еще более увеличиться благодаря большей площади поверхности и созданию микротурбулентности самими волосками. Еще больший эффект достигается, если алюминиевая пластина с волосками состоит из ряда отдельных секций, вызывающих макротурбулентность воздушного потока.
При турбулентности возникает перепад давления в коллекторе. Сложная конфигурация поверхности и множество препятствий воздушному потоку требуют установки достаточно мощного вентилятора, а, следовательно, и большего расхода энергии для создания воздушного потока. Необходимая для этого энергия может свести на нет экономию от использования солнечной энергии, особенно, если вентилятор работает на электричестве и, если учитывается количество топлива, сожженное на электростанции для производства этой электроэнергии. Р. Блисс и М. Донован решили эту проблему, продуванием воздуха через четыре слоя черной сетки (рис. 7.11).
Рисунок 7.11 – Солнечный коллектор Р. Блисс и М. Донован с черной сеткой:
1 – черная сетка; 2 – впуск воздуха; 3 – выпуск воздуха
Для воздушных коллекторов факторы, влияющие на выбор краски для теплоприемника, селективных поверхностей и покрытий, аналогичны уже рассмотренным выше жидкостным коллекторам. Однако следует сделать несколько замечаний. Пожалуй, один из основных недостатков неметаллических поглотителей для воздушных коллекторов заключается в относительной трудности нанесения селективных покрытий. Пока не усовершенствуется технология нанесения таких покрытий, будут преобладать металлические теплоприемники.
Клоуз продемонстрировал значение селективных покрытий для воздушных коллекторов. При прочих равных условиях для теплоприемника с селективным покрытием эффективность его работы повышается от 50 до 65 % при низких рабочих температурах и от 15 до 35 % – при повышенных температурах.
Важным соображением при конструировании коллектора является предупреждение утечки воздуха. Поскольку, нагретый солнцем воздух, подается вентилятором под давлением, существует возможность утечки даже через небольшие щели, а также засасывание в эти щели холодного наружного воздуха. Многие конструкторы считают, что предупреждение утечки важно для жидкостных систем, но это имеет не меньшее значение для повышения КПД воздушных коллекторов. Воздухонепроницаемость является важнейшим фактором в конструкции всей системы воздушного потока, включая воздуховоды и демпферы. Особая тщательность должна быть соблюдена при устройстве переплетов остекления во избежание утечки воздуха; использование больших листов пластика значительно уменьшает число стыков при остеклении. Подобно вторым оконным рамам, уменьшающим проникновение воздуха в здание, второе и третье прозрачное покрытие уменьшает утечку воздуха в коллекторах воздушного типа.
Если коллектор будет изготавливаться и собираться на месте, то в конструктивных элементах, отделяющих отсеки теплоприемника друг от друга, можно сделать перфорации, позволяющие воздуху поступать из одного отсека в другой, выравнивая тем самым давление и воздушный поток через разные панели. По сравнению с жидкостями, предсказание и равномерное распределение потока газов или воздуха представляет собой более трудную задачу. В случае панелей заводского изготовления, которые собираются на площадке, в конструкции должен предусматриваться допуск на изменение и регулирование воздушного потока. Трудность предсказания и контроля над движением воздуха является одной из основных причин предпочтения инженерами жидкостных систем.
Серьезными проблемами при создании воздушного коллектора являются:
1) низкая удельная теплоемкость воздуха;
2) малая плотность.
Ввиду низкой теплоемкости воздуха появляется необходимость создавать габаритные рабочие объемы, где он может циркулировать, даже в самом коллекторе. Воздушные промежутки в коллекторах (например, между пластиной теплоприемника и прозрачным покрытием) составляют 40...150 мм. Вообще, чем больше размер воздуховода, тем меньше перепад давления (сопротивление движению воздуха), но тем хуже теплопередача от теплоприемника к воздуху.
Солнечный пруд
Солнечный пруд – водоем, поглощающий и аккумулирующий тепло солнечной радиации круглый год. Таким образом, он служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами солнечной энергии. Требуемый размер зависит от:
1) климата;
2) типа здания;
3) конструкции системы.
Схема солнечного пруда и график изменения температуры по его глубине даны на рис. 7.12.
а б
Рисунок 7.12 Схема солнечного пруда (а) и изменение температуры (б) жидкости по высоте пруда:
1 – пресная вода; 2 – изолирующий слой с увеличивающейся книзу концентрацией; 3 – слой горячего раствора; 4 – теплообменник
В солнечном пруду происходит одновременно улавливание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 °С. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90...100 °С, в то время, как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.
Обычно глубина пруда составляет 1...3 м. На 1 м2 площади пруда требуется 500...1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.
Вышеописанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т.е. весь объем жидкости как бы разделен на 3 зоны, концентрация соли в которых возрастает от поверхности к дну. Верхний тонкий слой (10...20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости большой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя составляет 2/3 общей глубины водоема. В нижнем конвективном слое концентрация соли максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жидкости максимальна у дна пруда и минимальна у его поверхности в соответствии с распределением концентрации соли. Отвод теплоты из солнечного пруда может осуществляться либо посредством змеевика, размещенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором циркулирует теплоноситель. При первом способе меньше нарушается температурное расслоение жидкости в пруду, а второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.
Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии.
При сопоставлении с проточными коллекторами стоимость систем с плавающими коллекторами и солнечных прудов оказывается в 2 раза ниже.
Плавающий коллектор.Разработан плавающий коллектор, который позволяет использовать даже естественные водоемы в качестве приемника солнечной энергии.
Рисунок 7.13 Схема плавающего коллектора:
1 – вода в водоеме; 2 – плавающий каркас; 3 – труба с щелевым пазом для отсоса нагретой воды; 4 – радиатор; 5 – трубопровод горячей воды
Конструкция включает в себя плавающую раму, на которой на глубине 5...6 см от зеркала воды имеется непрозрачная лучевоспринимающая поверхность - радиатор. Солнечные лучи, проходя через верхний слой воды над радиатором, попадают на него и, трансформируясь в тепловую энергию, нагревают этот верхний слой. Подогретая вода через щелевой слив отводится в систему теплоиспользования. Поскольку подогревается только верхний слой воды, который становится легче основной массы, не происходит конвективного перемешивания. В данном варианте нижележащие слои воды являются теплоизолятором.
Плавающий коллектор может быть без остекления, как это делается у простейших проточных коллекторов, но при этом повышенное испарение подогретой воды снижает его эффективность. Данные об эффективности плавающих коллекторов – 87,9 %, восприятии полезной энергии – 721 кВт·ч/м2 при среднегодовом потоке 866 кВт·ч/м2 – возможно и завышены, но тем не менее, простота конструкции и эксплуатации свидетельствуют о перспективности этого устройства.
При данном варианте коллектора требуется тщательный отбор подогретой воды из тонкого ее слоя, исключающий смешивание подогретой воды с основной ее массой. Но, с другой стороны, на работу такого коллектора не влияют прозрачность воды, глубина бассейна. Именно поэтому он и предложен в сочетании с естественными водоемами. В качестве плавающего каркаса могут применяться достаточно дешевые деревянные конструкции.
При сопоставлении с проточными коллекторами стоимость систем с плавающими коллекторами и солнечных прудов оказывается в 2 раза ниже.
Дата добавления: 2018-05-30; просмотров: 278; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!