Измерения температуры нагрева абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора

АННОТАЦИЯ

В статье приведены теоретические расчеты определения цветовой температуры поверхностей, которые были применены при определении температуры абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора (СВК) из металлических стружек. Приведены описание конструкции СВК, методика проведения и результаты экспериментальных исследований по определению зависимости температуры металлических стружек от цвета их поверхности. Определены цвета поверхности, имеющие максимальную температуру.

ABSTRACT

The article presents theoretical calculations for determining the color temperature of surfaces that were used to determine the temperature of the absorber of a solar air heating collector (SAH) from metal shavings. A description of the SAH design, a methodology and the results of experimental studies to determine the dependence of the temperature of metal shavings on their surface color are given. Surface colors having a maximum temperature are determined.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, солнечные коллекторы, солнечные воздухонагревательные коллекторы, абсорбер, температура, эффективность.

Keywords: renewable energy sources, solar energy, solar collectors, solar air heating collectors, absorber, temperature, efficiency.

Введение. На сегодняшний день в мире ведутся научные исследования, направленные на создание энергосистем с использованием солнечных низкопотенциальных установок в системах теплоснабжения, учитывающих оптимизацию тепломассообменных процессов, необходимых для разработки режимных, технологических и конструктивных параметров, схем контроля и управления, обеспечивающих непрерывность гидродинамических и тепловых процессов [7]. Повышение эффективности и разработка новых современных конструкций солнечных установок, а также усовершенствование методики их тепловых расчетов являются одной из наиболее важных задач исследований в данной области [3]. Вместе с тем повышение коэффициента полезного действия солнечных воздухонагревательных коллекторов на основе усовершенствованной конструкции абсорберов и интенсификации процессов теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя для систем теплоснабжения является актуальным [9]. До сих пор остается нерешенной проблемой вопросы оптимизации контактной поверхности абсорберов с учетом эффективных тепломассообменных процессов, а также снижения экономических затрат путем использования материала производственных отходов в целях разработки абсорберов и солнечных воздухонагревательных коллекторов с повышенной тепловой эффективностью и их использования в системе теплоснабжения [1].

Основным элементом преобразования солнечной радиации в полезное тепло и отдающим его теплоносителю является абсорбер – теплоприемник [10]. Для интенсификации процесса теплообмена в теплоприемниках используются гофрирование, оребрение, а также насадки из различных металлических проволок [8]. В большинстве конструкций СВК теплоприемник покрашен в черный цвет. В данной работе исследовались естественные цветовые окраски металлических стружек, получаемые при обработке металла, для определения эффективного цвета поверхности, обладающей конечной высокой температурой и поглощающей способности плотности потока солнечного излучения при процессе преобразования солнечного излучения в полезное тепло.

Методика измерения. Измерения и сопоставления результатов температуры металлических стружек можно выполнить тремя способами.

1. Колориметрический метод. Цветовые показатели теплоприемника оказывают важное влияние на эффективность СВК, т.е. их спектр указывает на распределение потока энергии по поверхности. Значение величин, измеренных в разных спектральных диапазонах металлической стружки, зависит от длины волн спектра и температуры. В этом случае вместо отношения потоков или их освещенности можно использовать среднеспектральную плотность или интенсивность в данном промежутке потоков. В этом случае приводим следующую формулу монохроматического излучения:

,                                                      (1)

где E(λ,T) – освещенность;

λ₁ – λ₂ – диапазон длины волн;

I(λ₂,T) – интенсивность.

Если в формулу (1) добавить формулу Погсона:

,             (2)

получим изменение, в данном случае m – длина волны цветов металлической стружки:

,                                                           (3)

если внести обозначение, то тогда С_э – эквивалент цвета.

                                                                        (4)

С – вводим обозначения, получим:

 .                                                                           (5)

Отсюда (4) получим:

 ,                                                                                   (6)

где длина волн измеряется в (см). Длина волн спектра темно-желтых (светло-желтых) цветов – , длина волн спектров кадмия красных цветов – желтый цвет натрия – 

2. Оптический метод определения температуры металлической стружки.

Температура излучаемого спектра от металлической стружки в образцах:

;                                                                      (7)

,                                                                           (8)

где  – постоянная Стефана – Больцмана, равен  = 5,6696·10^–8 Вт/м²·град⁴. (7) формула Планка. Здесь постоянная Планка равна h = 6,62·10^–34 Дж·с, представляет собой постоянную линию  .  , с – скорость света находится как  ,  – maх и min функции.

Решение трансцендентного уравнения  и сопоставление с формулой теплового излучения дает экспериментальное значение:

 .                                                                            (9)

3. Определение и расчет температуры цвета металлической стружки с «цветной пирометрией». Способность испускания для серых предметов равна  . Это означает, что максимум способности испускания серым телом при температуре Т совпадает с длиной одной волны максимума  при максимуме способности испускания абсолютно черного тела при той же температуре.

Ввиду этого, если определено , можно определить температуру серого тела с помощью формулы:

 ,                                                                    (10)

здесь  – яркость,  – поглощающая способность излучаемого тела, данные которых можно получить из справочника [11].

Температура, определяемая этим методом, называется цветовой температурой.

Формула цветовой температуры для серых и абсолютно черных тел выражается ниже следующим образом:

 .                                                                   (11)

Метод определения температур, основанный на этих законах, является методом, основанным на законе распределения скорости по длинам волн, что определяется единственным параметром – температурой. Для этого достаточно, например, найти длину волны λ_мах, на которую приходится максимум распределения, тогда формула Вина равна:

 ,                                                                           (12)

где 2886 – определенная константа и обозначается С' (мк · град).

Из формулы (12) находим:

.                                                                                   (13)

Описание конструкции. Проведены экспериментальные исследования зависимости температуры металлической стружки от их поглощающих свойств.

Экспериментально установлены зависимости температуры нагрева металлической стружки от их цвета поверхности абсорбера солнечного воздухонагревательного коллектора. Для проведения эксперимента были изготовлены 3 солнечных воздухонагревательных коллектора, одинаковые по размеру (рис. 1); изготовлены и отобраны сливные металлические стружки толщиной 1,5 мм, с диаметром 10 мм и с поверхностью стружки разного цвета (рис. 2).

Сливные металлические стружки были сгруппированы по цвету поверхности в следующим порядке:

• в первой группе – цвета поверхностей бледно-желтый, светло-желтый и темно-желтый;
• во второй группе – цвета поверхностей светло-серый и белый;
• в третьей группе – цвета поверхностей темно-синий, синевато-серый, фиолетовый.

Сгруппированные сливные металлические стружки были равномерно уложены на металлической сетке солнечного воздухонагревательного коллектора. Сливная металлическая стружка получена из заготовки легированной, нержавеющий стали марки Х18Н10Т (Х – хром, Н – никель). В таблице 1 в приведен химический состав сливных металлических стружек.

Таблица 1.

Химический состав сливных металлических стружек

Методика проведение эксперимента. Опыты проводились в натурных условиях, СВК размещались на гелиостатном участке большой солнечной печи института «Материаловедение» научно-исследовательского производственного объединения «Физика – Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. Экспериментальный стенд состоял из: солнечного коллектора, вентилятора, измерительных приборов. Солнечный воздухонагреватель был оснащен специальной опорой с тыльной стороны с механизмом, изменяющим угол наклона по отношению к горизонту от 0 до 90°.

Во время эксперимента измерялись следующие параметры: суммарная интенсивность солнечного излучения, скорость ветра, температура наружного воздуха, температура сливных металлических стружек, а также температура воздуха на входе и на выходе из СВК. Прямой поток солнечной радиации измерялся с помощью пиргелиометра СНР 1 (производства Нидерланды) [11]. Температуру воздуха и скорость ветра измеряли с помощью датчиков метеостанции MH 4 [4], температура воздуха на входе и на выходе из СВК измерялась термопарой из хромель-алюминия, соединенной с измерительной системой программой ТRES MOD 5, подсоединенной через ТРЕМ 138 [6]. Температурные показатели сливных металлических стружек контрольно измерялись тепловизором FLIR 5 (производства США) [2].

Результаты экспериментов

Рисунок 3. Фотоснимки зависимости температуры металлической стружки от их цвета

Экспериментальные исследования по определению температурных показателей металлических сливных стружек в зависимости от цвета окраски проводились в следующем порядке: при фиксированном значении угла наклона СВК 45°, при фиксированном расходе воздуха м³/c, с предварительным включением регистрирующих приборов [5].

На рис. 5 приведено изменение интенсивности суммарной солнечной радиации во время проведение эксперементов.

На рис. 3 представлены зависимости температуры сливных металлических стружек от их цвета поверхности, полученные с тепловизиром FLIR 5. Анализ экспериментальных данных по определению температурных показателей сливных металлических стружек в зависимости от цвета их поверхности показал, что металлические стружки бледно-желтого, светло-желтого и темно-желтого цвета имеют более высокую температуру, чем поверхности светло-серой, переходящей в белый цвет. Максимальную температуру имеют стружки с темно-синей, синевато-серой поверхностями сливных металлических стружек.

На рис. 4 приведены зависимости влияния расхода воздуха на температуру стружки для различных типов окраски металлических стружек. Из анализа зависимости влияния расхода воздуха на температуру стружки можно констатировать, что расход теплоносителя одинаково влияет на температуру сливных металлических стружек для всех трех групп и одинаково падает.

Выводы.

1. Экспериментально получены зависимости температурных показателей сливных металлических стружек от их окрасок, а также зависимость влияния расхода теплоносителя на температуру стружки для различных типов окраски металлических стружек.
2. Экспериментально установлена зависимость температуры сливных металлических стружек от их цвета поверхности. Максимальную температуру имеют стружки с темно-синим, синевато-серым цветом поверхности.

Список литературы:
1. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения – Ташкент : Фан, 1988. – 288 с.
2. Кучкаров А.А., Муминов Ш.А. Моделирование и создание плоского френелевского линейного зеркального солнечного концентратора // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. – 2020. – № 3 (72) / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/9136.
3. Теплотехническая эффективность двухканального солнечного воздухонагревателя / Ш.И. Клычев, С.А. Бахрамов, А.И. Исманжанов, Ю.А. Дудко [и др.] // Гелиотехника. – 2008. – № 3. – С. 27–31.
4. Abbasov E.S., Uzbekov M.O., Omunillayev B.I. Theoretical analysis of the characteristics of the air flow when flowing metal shavings in the solar air heaters // European science review. – Vienna, 2018. – № 1–2. – P. 255–259.
5. Abbasov Yo.S., Uzbekov M.O. Studies efficiency solar air collector // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. – Vienna, 2016. – № 7–8. – P. 13–17.
6. Optical Energy Characteristics of the Optimal Module of a Solar Composite Parabolic-Cylindrical Plant / A.A. Kuchkarov, Sh.R. Kholov, A.A. Abdumuminov, A.A. Abdurakhmanov // Applied Solar Energy. – 2018. – Vol. 54. – P. 293–296.
7. Solar Thermal Power Plants in the World: The Experience of Development and Operation / N.R. Avezova, A.E. Khaitmukhamedov, A.Yu. Usmanov and B.B. Boliyev // Applied Solar Energy. – 2017. – Vol. 53. – № 1. – P. 72–77.
8. Uzbekov M.O. Possibilities of increasing the efficiency of the heat receiver of ics from metal shavings // Computational nanotechnology. – 2019. – № 2. – С. 138–140.
9. Uzbekov M.O. Thermal balance of the solar air heater with a heat sink of metal shavings // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2019. – Vol. 6. Issue 5. – P. 9246–9254.
10. Uzbekov M.O., Ismoilov I.K., Sharipov M.S. Research by airflow of metal shavings used in a solar air heater as a heat receiver // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2019. – Vol. 6. Issue 5. – P. 9061–9065.
11. Uzbekov M.O., Sharipov M.S. Methods of discharging the heat from the surface of the heat receiver and improving the efficiency of solar air heater // Научные исследования. – 2019. – № 3 (29). – С. 12–15.