Прозрачные теплоотражающие покрытия, заменяющие селективные поглощающие покрытия
В работе [ 8] представлены результаты теоретических расчетов и экспериментальные данные по эффективности плоских коллекторов с двумя слоями стеклянной изоляции для трех типов конструкций: 1) два слоя обычной стеклянной изоляции и черная поглощающая пластина, 2) два слоя обычной стеклянной изоляции и селективная поглощающая пластина, 3) прозрачное теплоотражающее покрытие на внутреннем стекле и черная поглощающая пластина. На рис. 2.5.1 приведена схема распределения потоков энергии и температуры в этих трех коллекторах. В коллекторе А теплоприемная пластина имеет черную поверхность (α= 0,92; ε=0,92). Теплоприемная поверхность коллектора В является селективной (α=0,9, ε=0,10) В коллекторе С такая же, как и в коллекторе А, черная теплоприемная поверхность, но на внешнюю сторону внутренней стеклянной изоляции нанесено теплоотражающее покрытие.
Вследствие потерь при поглощении и отражении в стеклянной изоляции и теплоприемной пластине количество энергии солнечного излучения, поглощенного пластиной, снижается до 76,3%, а из-за потерь (теплопроводностью, конвекцией и излучением) теплоносителю передается примерно половина этого тепла. Если заменить черную поглощающую пластину селективной, то благодаря ее низкой степени черноты в инфракрасной области спектра, потери излучением уменьшатся от 26 до 6,4%, а полученное теплоносителем тепло увеличится от 38,2 до 51,3%, как это показано для коллектора В. При использовании прозрачного теплоотражающего покрытия на внешней стороне внутренней стеклянной изоляции и поглощающей пластины с черной поверхностью радиационные потери уменьшаются вследствие отражения теплового инфракрасного излучения, испускаемого пластиной. Однако теплоотражающее покрытие поглощает около 9% падающего излучения, в результате чего температура стекла повышается. Температура внутреннего стекла в коллекторе С равна 83,9°С, в то время как в коллекторе А она составляет 67,2°С, и 50°С в коллекторе В. Таким образом, разность температур поглощающей пластины и внутреннего стекла уменьшается, вследствие чего снижаются радиационные потери пластины. Так, в коллекторе А потери составляют 26 R + 7,6 С = 33,6 %, а в коллекторе С потери будут 13,4 R + 3,6 С = 17%. В результате снижения потерь поглощающей пластины количество получаемого тепла возрастает от 38,2 до 48,3%. Следовательно, дополнительные количества тепла, получаемые благодаря применению теплоотражающих покрытий и селективных поглощающих покрытий, сопоставимы по величине.
Для нахождения распределения температуры и потоков энергии в плоском коллекторе требуется решить достаточно сложные интегродифференциальные уравнения. Решение можно упростить, если заменить реальную непрерывную систему рядом отдельных изотермических элементов, соединенных между собой (в соответствии с методикой расчета процессов теплопередачи) термическими сопротивлениями. Поскольку поток тепла подобен постоянному току, к процессам теплопередачи в коллекторе можно применить законы теории постоянного тока. Если предположить, что изотермические элементы представляют собой узлы и температура от узла к узлу меняется скачком, то уравнение теплового баланса i-го узла будет иметь вид:
где М -масса теплового элемента, R -термическое сопротивление, I- плотность потока солнечной радиации, Ср -теплоемкость, А — площадь, θ- время, К—коэффициент теплообмена излучением, a — поглощательная способность в области солнечного спектра, Т — абсолютная температура.
Рис. 2.5.2. Мгновенные значения эффективности коллектора в функции температурного напора (разности температуры пластины и воздуха) при температуре теплоносителя 70°С [8].
1 — коллектор с селективным теплоприемником; 2 — коллектор с теплоотражающим покрытием; 3 - коллектор с черной поглощающей пластиной; + экспериментальные данные для коллектора с теплоотражающим покрытием; ● экспериментальные данные для коллектора с черной поглощающей пластиной.
Температура каждого узла зависит от температуры всех остальных узлов системы. Температуру данного узла можно определить только при решении системы N уравнений. Численное решение получают методом конечных разностей [8]. На рис. 2.5.2 представлены построенные по данным работы [8] графики зависимости мгновенных значений эффективности коллекторов трех типов от температурного напора (разности температуры поглощающей пластины и воздуха) при трех уровнях солнечной радиации: 945, 630 и 315 Вт/м2. При температурных напорах от 22 до 55°С коллекторы с прозрачными теплоотражающими и селективными поглощающими покрытиями равноценны и по эффективности превосходят коллекторы с черной поглощающей пластиной.
Рис. 2.5.3. Тепло, поглощенное в течение июльского дня в Санта-Роза, шт. Калифорния, коллекторами трех различных конструкций при температуре теплоносителя 70°С и температуре воздуха 20°С [8].
1 — коллектор с черной поглощающий пластиной; 2 — коллектор с теплоотражающим покрытием на внутренней поверхности прозрачной изоляции; 3 — коллектор с селективным теплоприемником.
В работе [ 8] построен график зависимости количества поглощенного тепла от времени для этих трех коллекторов и подсчитаны разности их суточных эффективностей. Для определения суточной эффективности коллекторов площадь под каждой из трех построенных кривых сравнивалась с площадью под кривой зависимости плотности потока солнечной радиации от времени. Полученные результаты показаны на рис. 2.5.3. Эти эксперименты подтвердили вывод о том, что по эффективности коллектор с прозрачным теплоотражающим покрытием приближается к коллектору с селективной поглощающей поверхностью и оба коллектора безусловно являются более совершенными, чем стандартный коллектор с черной поглощающей пластиной.
Экспериментальные данные для коллекторов с прозрачным теплоотражающим покрытием и с черной поглощающей пластиной были получены [8] на стенде для сравнительных испытаний. Два коллектора включали в систему с тепловым аккумулятором, в которой в качестве теплоносителя использовали воду с общим для обоих коллекторов входом для теплоносителя и раздельными выходами. Сравнительные данные получены при измерениях расхода теплоносителя через каждый коллектор и значений разности температур теплоносителя на входе и выходе. Чтобы измерить разность температур, воду из общей входной и двух выходных линий периодически отбирали и направляли к термопаре, сигнал от которой усиливался и регистрировался. Такая методика позволяла не только определить разности температур, но и следить за колебаниями температуры системы во времени.
Рис. 2.5.4. Сравнение эффективностей селективного и неселективного теплоприемников в концентрирующем параболоцилиндрическом коллекторе при рабочей температуре 315°С и температуре окружающего воздуха 21 °C [8а].
а - стандартный черный теплоприемник, α/ε= 0,95/0,95; б — селективный теплоприемник, α/ε= 0,95/0,06; R — эффективность коллектора; ∆R- изменение эффективности по сравнению с эффективностью коллектора со стандартным черным теплоприемником.
На рис. 2.5.2 экспериментальные точки наложены на теоретические кривые. Крестами отмечены точки, относящиеся к коллектору с прозрачным теплоотражающим покрытием, а кружками - к коллектору с черной поглощающей пластиной. Экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими расчетами [ 8 ].
В работе [ 8а] предложен метод расчета эффективности селективной поглощающей пластины по сравнению с неселективной в концентрирующем параболоцилиндрическом коллекторе при рабочей температуре 315°С и температуре окружающего воздуха 21°С. Полученные результаты представлены на рис. 2.5.4. При повышенных рабочих температурах селективные поверхности особенно эффективны. При использовании селективной поглощающей поверхности эффективность параболоцилиндрического коллектора может возрасти на 12 - 22% и значения эффективности могут достичь 45,6 и 62,5%.
Влияние на эффективность коллектора вида прозрачной изоляции изучалось в работе [89]. Рассматривались следующие случаи: 1) изменение эффективности плоского коллектора с селективной и неселективной поглощающими поверхностями при нанесении на прозрачную пластину пленки окиси металла, 2) влияние на эффективность коллектора вакуумированной полости между поглощающей и прозрачной пластинами, в которой имеются опорные штифты, 3) влияние на эффективность плоского коллектора прозрачной пластины из стекла с малым содержанием железа и просветленного стекла с большим содержанием железа. Установлено, что в плоском коллекторе с черной поглощающей пластиной и двумя прозрачными пластинами применение прозрачного теплоотражающего покрытия приводит к некоторому повышению эффективности, а в коллекторе с селективной поглощающей поверхностью и одним слоем стекла не приводит. Замена обычного силикатного стекла стеклом с малым содержанием железа или просветленным силикатным стеклом дает существенные преимущества. Вакуумированный коллектор с одним слоем стекла и селективной поглощающей поверхностью имеет эффективность 50 % при температуре 220° С. Эффективность такого коллектора заметно снижается из-за наличия опорных штифтов, занимающих 5 % площади его поперечного сечения. В коллекторе с прозрачной изоляцией из стекла с малым содержанием железа и теплоотражающим покрытием в отсутствие нагрузки устанавливается более высокая равновесная температура поглощающей пластины.
Таблица 2.5.1. Экспериментальные и расчетные значения температуры коллектора с черной поглощающей поверхностью при ε = 0,96 и двумя слоями стекла толщиной 2,5 мм. (Обозначения поверхностей № 3 и № 4 взяты из рис. 1 работы [89]; в скобках указаны расчетные значения температуры.
Авторы работы [89] получили экспериментальные значения равновесной температуры неселективной поглощающей пластины для коллекторов без нагрузки с прозрачной изоляцией различного типа. В табл. 2.5.1 представлены результаты, полученные при разных сочетаниях поглощающих и прозрачных пластин, причем экспериментальные значения температуры сравниваются с расчетными, приведенными в скобках. Расчетные значения равновесной температуры оказались выше экспериментальных. В коллекторах, прозрачная изоляция которых выполнена из стекла с низким содержанием железа и имеет теплоотражающее покрытие, достигается более высокая равновесная температура, чем в коллекторах с прозрачной изоляцией из силикатного стекла без покрытия. При использовании прозрачного покрытия со слоевым поверхностным сопротивлением 31 Ом/ква- драт, нанесенного на стеклянную поверхность № 4, получена равновесная температура 114°С, т. е. более низкая, чем при использовании стеклянной пластины без покрытия. Этот результат достаточно неожиданный. Авторы [89] не приводят никаких данных по эффективности коллекторов в рабочих режимах (под нагрузкой) с селективными и неселективными поглощающими поверхностями и с прозрачной изоляцией с покрытиями и без них.
