ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧУ ЧЕРЕЗ СВЕТОПРОЗРАЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

INFLUENCE OF THE INTERNAL SOURCE OF HEAT ON THE TEMPERATURE FIELD AND HEAT TRANSFER THROUGH LIGHT-TRANSPARENT COVERING OF PLANE SOLAR PLANTS

Nizomjon Usmonov

PhD, department of Thermodynamics and Heat Engineering, Tashkent State Technical University,

Uzbekistan, Tashkent

Xazratov Abbos Ganiyevich

assistant department of Thermodynamics and Heat Engineering, Tashkent State Technical University,

Uzbekistan, Tashkent

Abdurasul Zakirov

masters department of Thermodynamics and Heat Engineering, Tashkent State Technical University,

Uzbekistan, Tashkent

Bobir Otakulov

masters department of Thermodynamics and Heat Engineering, Tashkent State Technical University,

Uzbekistan, Tashkent

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследований по расчету температурного поля и потоков тепла через светопрозрачные покрытия плоских солнечных установок и предложение соответствующие выражения по определению их значений.

ABSTRACT

The results of studies on the calculation of the temperature field and heat fluxes through translucent coatings of flat solar installations are presented and the corresponding expressions for determining their values are proposed.

Ключевые слова: солнечное излучение; светопрозрачное покрытие; тепла.

Keywords: solar radiation; translucent coating; heat.

Плоские солнечные установки (солнечные водо- и воздухонагревательные коллекторы) являются наиболее распространенными типичными техническими средствами для преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло, которое может быть использовано для полного или частичного покрытия тепловых нужд потребителей тепла такого же температурного потенциала.

Роль светопрозрачного покрытия заключается в создании и усилении внутри корпуса коллектора парникового эффекта, т.е. как можно меньше препятствовать доступу солнечного излучения к лицевой поверхности зачерненной пластины и минимизировать сквозные лучистые тепловые потери последней. Теплоизолированное дно и боковые стенки корпуса уменьшают кондуктивно-конвективные тепловые потери пластины в окружающую среду.

Физическая картина процессов формирования температурного поля и теплопередачи через светопрозрачные покрытия плоских солнечных установок несколько отличаются, чем у традиционных плоских стенок, которая широко освещена в курсах теплопередачи [1-3]. Так, в результате частичного поглощения и преобразования в тепло солнечного излучения, проходящего через светопрозрачные покрытия в последнем формируется внутренний источник тепла, мощность которого зависит от оптических свойств материала светопрозрачного покрытия и поверхностной плотности потока солнечного излучения, падающего на его лицевую поверхность.

Плоский солнечный тепловой коллектор состоит из зачерненной пластины (приемника солнечного излучения), уложенный в плоский ящик (корпус) с теплоизолированным дном и боковыми стенками, покрытий сверху светопрозрачным материалом (например, оконным стеклом) (рис.1).

Рисунок 1. Принципиальная схема плоского солнечного теплового коллектора: 1 – светопрозрачное покрытие; 2 – зачерненная пластина; 3 – теплоизоляция дна; 4 – дно; 5 – боковые стенки; 6 – корпус.

Рисунок 2. Расчетная тепловая схема для выбора граничных условий к уравнению (1):  и  – соответственно, температуры лицевой поверхности зачерненной пластины и окружающей среды.

В зачерненной пластине происходит поглощение и преобразование в тепло энергии солнечного излучения, прошедшего через светопрозрачное покрытие корпуса коллектора.

Наличие внутреннего источника тепла в светопрозрачных покрытиях корпуса плоских солнечных установок, как правило, приводит к повышению их температуры, которое в определенной степени является препятствием к тепловым потерям зачерненной пластины через рассматриваемое покрытие.

Для определения степени влияния внутреннего источника тепла, формированного в результате частичного поглощения и преобразования в тепло проходящего через светопрозрачные покрытия на температурное поле и теплопередачу через них пользуемся решением одномерного дифференциального уравнения стационарной теплопроводности второго порядка при наличие в них внутреннего источника тепла, мощность которой экспоненциально распределена по их толщине [4]

,                                 (1)

где ,  и  – соответственно, коэффициент отражения солнечного излучения, толщина и коэффициент теплопроводности материала светопрозрачного покрытия;  – коэффициент экстинкции (ослабления) материала светопрозрачного покрытия проходящего солнечного излучения;  – угол преломления солнечного излучения при прохождении через светопрозрачное покрытие;  – поверхностная плотность потока солнечного излучения, падающего на лицевую поверхность светопрозрачного покрытия.

Граничными условиями к уравнению (1), в соответствии с рис.2, является

,                                                            (2)

где  и  – соответственно, температуры внутренней (тыльной) и наружной (лицевой) поверхностей рассматриваемого светопрозрачного покрытия.

На основе решения уравнения (1) при граничных условиях (2) получим выражения для расчета температурного поля светопрозрачного покрытия при наличии в нем внутреннего источника тепла, формированного в результате частичного поглощения и преобразования в тепло проходящего через него солнечного излучения, тепловая мощность которого экспоненциально распределена по его толщине

.                    (3)

Как следует из анализа решения (3), при ,  и при , что полностью удовлетворяет граничных условий и тем самым, подтверждает его достоверность.

Выражение для расчета распределения поверхностной плотности теплового потока по толщине светопрозрачного покрытия корпуса коллектора () при наличии в нем внутреннего источника тепла, установленное на основе решения (3) и закона Фурье [1], т.е.

,                                                                      (4)

имеет вид

.  (5)

Выражение для определения значений поверхностных плотностей тепловых потоков на внутренней () и наружной (), полученные на основе решения (5) при  и , соответственно, имеют вид

,  (6)

и

.  (7)

Как видно из анализа решений (6) и (7), при прочих равных условиях (имеются в виду значения , , , ,  и ) при наличии внутреннего источника тепла в светопрозрачных покрытиях корпуса плоских солнечных установок значения  и не равны между собой.

Их разность, равная

                          (8)

представляет собой поверхностную плотность потока, поглощенного рассматриваемым светопрозрачным покрытием солнечного излучения. Только при условии , которое допустимо для идеально чистого светопрозрачного покрытия, можно пренебречь мощностью внутреннего источника тепла в нем, и как следует из решения (8), можно считать  и .

Выводы:

1. Предложены расчетные выражения для определения температурного поля и теплопередачи через светопрозрачные покрытия плоских солнечных установок при наличии в них внутреннего источника тепла, формированного в результате частичного поглощения и преобразования в тепло проходящего через них солнечного излучения, мощность которого экспоненциально распределена по их толщине.
2. Предложено выражение для расчета поверхностной плотности потока солнечного излучения, поглощенного светопрозрачными покрытиями плоских солнечных установок.

Список литературы:

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: «Энергия». 1975. – 488 с.
2. Михеев М.А. Основы теплопередачи.–Л.: Госэнергоиздат. 1956.–392 с.
3. Cengel Y.A. Heat Transfer. A Practical Approach. Second Edition. McGRAW-HILL. – 932 p.
4. Avezov R.R., Avezova N.R., Samiev K.A. Temperature Field and Heat Flows Through Transparent Covers of Flat-Plate Solar Collector Housings // Applied Solar Energy. – USA. 2008. – Vol.44, №1. – pp. 13-16.