Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора
Исследован теплообмен в плоских воздушных прослойках. Разработан метод расчета «щелевой» антиконвективной структуры солнечного коллектора. Получено аналитическое выражение критического шага «щелевой» антиконвективной структуры в зависимости от ширины ее полос, отношения абсолютных температур поверхн...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут газу НАН України
2010
|
| Назва видання: | Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126863 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора / К.И. Луданов // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-126863 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1268632017-12-05T03:02:54Z Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора Луданов, К.И. Приборы и оборудование Исследован теплообмен в плоских воздушных прослойках. Разработан метод расчета «щелевой» антиконвективной структуры солнечного коллектора. Получено аналитическое выражение критического шага «щелевой» антиконвективной структуры в зависимости от ширины ее полос, отношения абсолютных температур поверхности абсорбера и стекла, а также от угла наклона солнечного коллектора. Досліджено теплообмін у пласких повітряних прошарках. Розроблено метод розрахунку «щілинної» антиконвективної структури сонячного колектора. Отримано аналітичний вираз критичного кроку «щілинної» антиконвективної структури у залежності від ширини її полос, відношення абсолютних температур поверхонь абсорбера та скла, а також від кута нахилу сонячного колектора. Heat exchange in the plane air interlayers is investigated. The computation method of «aperture» anticonvection structure of solar collector is developed. The analytic expression for critical step of the «aperture» anticonvection structure is obtained depending on its bandwidth, absolute temperatures of absorber and glass surfaces ratio and on the solar collector slope angle. 2010 Article Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора / К.И. Луданов // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0235-3482 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126863 532.5 ru Энерготехнологии и ресурсосбережение Інститут газу НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Приборы и оборудование Приборы и оборудование |
| spellingShingle |
Приборы и оборудование Приборы и оборудование Луданов, К.И. Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| description |
Исследован теплообмен в плоских воздушных прослойках. Разработан метод расчета «щелевой» антиконвективной структуры солнечного коллектора. Получено аналитическое выражение критического шага «щелевой» антиконвективной структуры в зависимости от ширины ее полос, отношения абсолютных температур поверхности абсорбера и стекла, а также от угла наклона солнечного коллектора. |
| format |
Article |
| author |
Луданов, К.И. |
| author_facet |
Луданов, К.И. |
| author_sort |
Луданов, К.И. |
| title |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| title_short |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| title_full |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| title_fullStr |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| title_full_unstemmed |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| title_sort |
расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора |
| publisher |
Інститут газу НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Приборы и оборудование |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126863 |
| citation_txt |
Расчет параметров антиконвективной структуры солнечного коллектора / К.И. Луданов // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2010. — № 3. — С. 75-80. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| work_keys_str_mv |
AT ludanovki rasčetparametrovantikonvektivnojstrukturysolnečnogokollektora |
| first_indexed |
2025-07-09T05:51:34Z |
| last_indexed |
2025-07-09T05:51:34Z |
| _version_ |
1837147407819735040 |
| fulltext |
Ñîëíå÷íûé êîëëåêòîð (ÑÊ) ïðåäñòàâëÿåò ñî-
áîé ñïåöèàëüíûé òåïëîîáìåííèê, â êîòîðîì ñîë-
íå÷íîå èçëó÷åíèå, ïðîõîäÿùåå ÷åðåç åãî îñòåêëå-
íèå, íà ïîâåðõíîñòè àáñîðáåðà ïðåîáðàçóåòñÿ â
íèçêîïîòåíöèàëüíîå òåïëî, êîòîðîå çàòåì îòâî-
äèòñÿ îò àáñîðáåðà ÑÊ íàãðåâàåìîé âîäîé. Àá-
ñîðáåð ÑÊ ñ òûëüíîé ñòîðîíû îñíàùåí ñëîåì òå-
ïëîèçîëÿöèè, åãî ïåðèìåòð òàêæå òåïëîèçîëèðî-
âàí. Ëèøü ñ ëèöåâîé ñòîðîíû ÑÊ àáñîðáåð ïî÷òè
íå èìååò òåïëîèçîëÿöèè è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îò-
êðûòóþ ñèñòåìó. Ýòî ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííûì
òåïëîïîòåðÿì îò àáñîðáåðà â îêðóæàþùóþ ñðåäó
÷åðåç ñòåêëî ÑÊ (òî åñòü «ïðîçðà÷íóþ èçîëÿ-
öèþ»), êîòîðûå â îñíîâíîì è îïðåäåëÿþò âåëè-
÷èíó êîýôôèöèåíòà òåïëîïîòåðü ÑÊ.
Òåïëîâîé ïîòîê îò àáñîðáåðà ê ñòåêëó
âêëþ÷àåò äâå ñîñòàâëÿþùèå: ðàäèàöèîííóþ, êî-
òîðóþ ìîæíî çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòü, íàíîñÿ
íà àáñîðáåð ñåëåêòèâíîå ïîêðûòèå; êîíâåêòèâ-
íóþ, êîòîðóþ ìîæíî âîîáùå èñêëþ÷èòü, ïðåä-
âàðèòåëüíî îòâàêóóìèðîâàâ ïðîñòðàíñòâî ìåæ-
äó àáñîðáåðîì è ñòåêëîì. Îäíàêî ñîçäàòü àáñî-
ëþòíî ãåðìåòè÷íûé êîðïóñ ÑÊ äëÿ îáåñïå÷åíèÿ
â íåì âûñîêîãî âàêóóìà çà ñ÷åò îäíîêðàòíîãî
âàêóóìèðîâàíèÿ â ïðîöåññå ïðîèçâîäñòâà î÷åíü
ñëîæíî è äîðîãî. Ïîýòîìó òàêàÿ òåõíîëîãèÿ
ïî÷òè íå èñïîëüçóåòñÿ. ×àñòî âìåñòî ýòîãî äëÿ
ñíèæåíèÿ òåïëîïîòåðü â ÑÊ äîáàâëÿþò âòîðîå
ñòåêëî. Íî ýòî âäâîå ñíèæàåò ïðîïóñêíóþ ñïî-
ñîáíîñòü ïðîçðà÷íîé èçîëÿöèè ÑÊ (è ñîîòâåòñò-
âåííî åãî ýêñåðãåòè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü), à
òàêæå ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåò ìàññó, êîòîðàÿ
îãðàíè÷åíà ÃÎÑÒîì. Ïîýòîìó îáû÷íî ðåêîìåí-
äóåòñÿ ïðîñòî óâåëè÷èòü òîëùèíó âîçäóøíîé
ïðîñëîéêè äî 50–60 ìì. Àëüòåðíàòèâíûé ïóòü â
ýòîì ñëó÷àå — óñòàíîâêà â ïðîñòðàíñòâî ìåæäó
ñòåêëîì è àáñîðáåðîì ÑÊ àíòèêîíâåêòèâíîé
ñòðóêòóðû (ÀÊÑ), êîòîðàÿ áëîêèðóåò ïðîöåññ
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3 75
Ïðèáîðû è îáîðóäîâàíèå
ÓÄÊ 532.5
Ðàñ÷åò ïàðàìåòðîâ àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòóðû
ñîëíå÷íîãî êîëëåêòîðà
Ëóäàíîâ Ê.È.
Èíñòèòóò ïðîáëåì ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ÍÀÍ Óêðàèíû, Êèåâ
Èññëåäîâàí òåïëîîáìåí â ïëîñêèõ âîçäóøíûõ ïðîñëîéêàõ. Ðàçðàáîòàí ìåòîä ðàñ÷åòà
«ùåëåâîé» àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòóðû ñîëíå÷íîãî êîëëåêòîðà. Ïîëó÷åíî àíàëèòè-
÷åñêîå âûðàæåíèå êðèòè÷åñêîãî øàãà «ùåëåâîé» àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòóðû â çà-
âèñèìîñòè îò øèðèíû åå ïîëîñ, îòíîøåíèÿ àáñîëþòíûõ òåìïåðàòóð ïîâåðõíîñòè àá-
ñîðáåðà è ñòåêëà, à òàêæå îò óãëà íàêëîíà ñîëíå÷íîãî êîëëåêòîðà.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ñîëíå÷íûé êîëëåêòîð, êîýôôèöèåíò òåïëîïîòåðü, àíòèêîíâåêòèâíàÿ
ñòðóêòóðà, òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü.
Äîñë³äæåíî òåïëîîáì³í ó ïëàñêèõ ïîâ³òðÿíèõ ïðîøàðêàõ. Ðîçðîáëåíî ìåòîä ðîçðà-
õóíêó «ù³ëèííî¿» àíòèêîíâåêòèâíî¿ ñòðóêòóðè ñîíÿ÷íîãî êîëåêòîðà. Îòðèìàíî àíà-
ë³òè÷íèé âèðàç êðèòè÷íîãî êðîêó «ù³ëèííî¿» àíòèêîíâåêòèâíî¿ ñòðóêòóðè ó çàëåæíî-
ñò³ â³ä øèðèíè ¿¿ ïîëîñ, â³äíîøåííÿ àáñîëþòíèõ òåìïåðàòóð ïîâåðõîíü àáñîðáåðà òà
ñêëà, à òàêîæ â³ä êóòà íàõèëó ñîíÿ÷íîãî êîëåêòîðà.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: ñîíÿ÷íèé êîëåêòîð, êîåô³ö³åíò òåïëîâòðàò, àíòèêîíâåêòèâíà ñòðóêòóðà,
òåðìè÷íà ïðîâîäèì³ñòü.
� Ëóäàíîâ Ê.È., 2010
êîíâåêöèè, ðåçêî ñíèæàÿ ýòó ñîñòàâëÿþùóþ òåï-
ëîïîòåðü, ïîñêîëüêó íåïîäâèæíûé âîçäóõ —
î÷åíü õîðîøèé òåïëîèçîëÿòîð.
Îïòèìèçàöèÿ òîëùèíû âîçäóøíîé
ïðîñëîéêè â ÑÊ. Áîëüøèíñòâî âûïóñêàåìûõ
â íàñòîÿùåå âðåìÿ â ìèðå ÑÊ íå îáîðóäîâàíî
àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòóðîé [1]. Ïî îöåíêàì
çàðóáåæíûõ ñïåöèàëèñòîâ [2], èñïîëüçîâàíèå
àíòèêîíâåêòèâíûõ ñòðóêòóð â ÑÊ íåýôôåêòèâ-
íî. Ïîýòîìó òðàäèöèîííî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî äîñòà-
òî÷íîå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñîçäàåò ñàìà
âîçäóøíàÿ ïðîñëîéêà, òîëùèíà êîòîðîé çà ðó-
áåæîì ïðèíèìàåòñÿ îêîëî äþéìà (
25 ìì), â
áûâøåì ÑÑÑÐ ÷óòü áîëüøå (â ÑÊ1 Áðàòñêîãî
çàâîäà îòîïèòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ (ÁÇÎÎ) —
30 ìì). Ðàáîòà [3] ïî îïòèìèçàöèè òîëùèíû
âîçäóøíîé ïðîñëîéêè ÑÊ ïîäòâåðäèëà ýòîò ðå-
çóëüòàò. Òàê, îïòèìàëüíàÿ òîëùèíà ïðîñëîéêè,
óñòàíîâëåííàÿ â ðåçóëüòàòå ÷èñëåííîãî ìîäåëè-
ðîâàíèÿ, ïî÷òè ñîâïàëà ñ ïðèíÿòîé äëÿ ÑÊ1 —
29 ìì. Äëÿ ÑÊ ñ ñåëåêòèâíûì ïîêðûòèåì àá-
ñîðáåðà îïòèìàëüíàÿ âåëè÷èíà çàçîðà ñîñòàâëÿ-
åò 45–55 ìì. Åñëè ïðè ýòîì èñïîëüçóåòñÿ åùå è
óëó÷øåííàÿ òåïëîèçîëÿöèÿ ñ òûëüíîé ñòîðîíû
ÑÊ, òî îïòèìàëüíàÿ âåëè÷èíà çàçîðà äîñòèãàåò
50–60 ìì, òî åñòü ïî÷òè ïîëîâèíó âñåé òîëùè-
íû ñîëíå÷íîãî êîëëåêòîðà [3].
Àíòèêîíâåêòèâíûå ñòðóêòóðû â
âîçäóøíîé ïðîñëîéêå ÑÊ. ÀÊÑ ÑÊ áûëà
âïåðâûå ïðåäëîæåíà Âåéíáåðãîì [4] è èñïûòàíà
â ÑÊ, óñòàíîâëåííûõ íà îñòðîâå ×åêåëåí, â
1930-å ãã. Ýòà ÀÊÑ ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé ÿ÷åèñòóþ
êîíñòðóêöèþ ñ òðåóãîëüíûìè ÿ÷åéêàìè èç ïîëîñ
ïëîòíîé áóìàãè ñ ãëàäêîé ëîùåíîé ïîâåðõíî-
ñòüþ. Îíà áëîêèðîâàëà êîíâåêöèþ â âîçäóøíîé
ïðîñëîéêå ìåæäó ñòåêëîì è àáñîðáåðîì è ñíèæà-
ëà òàêèì îáðàçîì òåïëîïîòåðè îò ÑÊ.
 Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêîì èíñòèòóòå ñàí-
òåõíèêè (ÍÈÈÑÒ) (Êèåâ) â 1980-å ãã. ïî äîãî-
âîðó ñ ÁÇÎÎ áûëà ðàçðàáîòàíà ÀÊÑ ñ êóáè÷å-
ñêèìè ÿ÷åéêàìè, îáðàçîâàííûìè äâóìÿ ðÿäàìè
âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ ïîëîñ èç ïðîçðà÷-
íîãî ïëàñòèêà. Òîëùèíà âîçäóøíîé ïðîñëîéêè
ìåæäó ñòåêëîì è àáñîðáåðîì áûëà 30 ìì. Ðå-
çóëüòàòû èñïûòàíèé ÑÊ ÁÇÎÎ ñ òàêîé ÀÊÑ íà
èìèòàòîðå ñîëíå÷íîãî èçëó÷åíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî
óñòàíîâêà ÀÊÑ áîëåå ýôôåêòèâíà, ÷åì ñåëåê-
òèâíîå ïîêðûòèå ïîâåðõíîñòè àáñîðáåðà, è äàåò
ìèíèìàëüíîå ñíèæåíèå îïòè÷åñêîé õàðàêòåðè-
ñòèêè ÑÊ, òîãäà êàê ñåëåêòèâíîå ïîêðûòèå
ñèëüíî óõóäøàåò îïòè÷åñêóþ õàðàêòåðèñòèêó.
Îäíàêî çàìêíóòûå ÿ÷åéêè ÀÊÑ, õîðîøî âûïîë-
íÿÿ áëîêèðîâàíèå êîíâåêöèè âîçäóõà, ðåçêî
óõóäøàþò îïòè÷åñêóþ õàðàêòåðèñòèêó ïðè óã-
ëàõ ïàäåíèÿ, îòëè÷íûõ îò íóëÿ, òî åñòü äî è
ïîñëå ïîëóäíÿ [5].
 ìèðå ðàçðàáîòàíû íîâûå êîíñòðóêöèè
ÀÊÑ òàê íàçûâàåìîãî ùåëåâîãî òèïà, ïîëîñû
êîòîðîé èç ïðîçðà÷íîé ïîëèìåðíîé ïëåíêè
óñòàíîâëåíû ñ îïðåäåëåííûì øàãîì ìåæäó
ñòåêëîì è àáñîðáåðîì. Îäíàêî ïîëèìåðíûå
ïëåíêè èìåþò íèçêóþ òåìïåðàòóðíóþ ñòîé-
êîñòü, è ïðè àâàðèéíîì ïîâûøåíèè òåìïåðàòó-
ðû àáñîðáåðà äî òàê íàçûâàåìîé ðàâíîâåñíîé
òåìïåðàòóðû ïðè ïðåêðàùåíèè öèðêóëÿöèè òåï-
ëîíîñèòåëÿ ïîëèìåðíàÿ ïëåíêà äåãðàäèðóåò è
ñèëüíî äåôîðìèðóåòñÿ.
Àâòîðîì áûëî çàïàòåíòîâàíî íîâîå òåõíè-
÷åñêîå ðåøåíèå äëÿ ÀÊÑ [6], âñå ýëåìåíòû êî-
òîðîé ÿâëÿþòñÿ ÷àñòÿìè åäèíîé ïîëîñû èç ìå-
òàëëè÷åñêîé ôîëüãè, íàòÿíóòîé â âèäå çìåéêè
íà äâà ðÿäà íàïðàâëÿþùèõ ðîëèêîâ, óñòàíîâ-
ëåííûõ ðÿäàìè ó âîñòî÷íîé è çàïàäíîé ñòîðîí
àáñîðáåðà ÑÊ.  ýòîì ñëó÷àå ïëîñêîñòè âñåõ
ïîëîñ õîðîøî îòðàæàþùåé è òåðìîñòîéêîé
ôîëüãè ñîâïàäàþò ñ ïëîñêîñòüþ ýêëèïòèêè
(ïëîñêîñòüþ âèäèìîãî äâèæåíèÿ Ñîëíöà ïî íå-
áîñâîäó â òå÷åíèå äíÿ). Òàêèå ýëåìåíòû ÀÊÑ
ïî÷òè íå ñîçäàþò òåíè íà ïîâåðõíîñòè àáñîðáå-
ðà, òî åñòü íå óõóäøàþò îïòè÷åñêóþ õàðàêòåðè-
ñòèêó ÑÊ. ÀÊÑ èç òîíêîé ôîëüãè ïðàêòè÷åñêè
íå ïåðåäàåò òåïëî çà ñ÷åò ñîáñòâåííîé òåïëî-
ïðîâîäíîñòè, à åå ïîëîæåíèå äàæå ïðè íàëè÷èè
òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ ôèêñèðóåòñÿ òîëü-
êî îäíèì óïðóãèì ýëåìåíòîì (ïðóæèíîé). Íî-
âàÿ ÀÊÑ, ëåãêàÿ è äåøåâàÿ, ìîæåò èìåòü êîì-
ìåð÷åñêóþ ïåðñïåêòèâó è óñòàíàâëèâàòüñÿ â ñî-
âðåìåííûõ ÑÊ. Çäåñü èìååò ìåñòî ëèøü îäíà
ïðîáëåìà — îòñóòñòâóåò ìåòîä ðàñ÷åòà ïàðàìåò-
ðîâ òàêîé ÀÊÑ, òî åñòü íåò âîçìîæíîñòè ðàñ-
ñ÷èòàòü êðèòè÷åñêèé øàã ýëåìåíòîâ ÀÊÑ â çà-
âèñèìîñòè îò øèðèíû ïîëîñû, òåìïåðàòóð ïî-
âåðõíîñòè àáñîðáåðà è ñòåêëà, à òàêæå óãëà íà-
êëîíà ÑÊ ê ãîðèçîíòó.
Êîíâåêòèâíàÿ óñòîé÷èâîñòü âîçäó-
õà â ïîëîñòÿõ ñ ãðàäèåíòîì òåìïåðàòó-
ðû. Â ïëîñêîì ãîðèçîíòàëüíîì ñëîå âîçäóõà ìåæ-
äó äâóìÿ òâåðäûìè ïîâåðõíîñòÿìè ïðè óñëîâèè,
÷òî íèæíÿÿ ïîâåðõíîñòü íàãðåòà ñèëüíåå, âîçíè-
êàåò òåïëîâîé ïîòîê ñíèçó ââåðõ ïîñðåäñòâîì
òåïëîìàññîïåðåíîñà ÷åðåç âîçäóõ. Ñíà÷àëà îí
îñóùåñòâëÿåòñÿ òîëüêî çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè
âîçäóõà (ïðè ýòîì Nu � h�
= 1). Íà÷èíàÿ ñ
íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ ïåðåïàäà
òåìïåðàòóð, õàðàêòåðèçóþùåãîñÿ Ra = Raêð=
= 1708 [7], ñòðàòèôèêàöèÿ ðàçðóøàåòñÿ è âîç-
íèêàåò ëàìèíàðíûé ðåæèì ñâîáîäíîé êîíâåê-
öèè â âèäå óïîðÿäî÷åííîé ÿ÷åèñòîé ñòðóêòóðû,
èëè òàê íàçûâàåìûõ ÿ÷ååê Áåíàðà. Çà ñ÷åò êîí-
âåêòèâíîãî äâèæåíèÿ âîçäóõà èíòåíñèâíîñòü
òåïëîïåðåäà÷è ÷åðåç ïëîñêóþ âîçäóøíóþ ïðî-
ñëîéêó ðåçêî óâåëè÷èâàåòñÿ [8] â ñîîòâåòñòâèè
ñ çàâèñèìîñòüþ Nu = 1 + 1,446 (1 – Raêð/Ra).
Çàòåì ïðè Ra � 3 Raêð (Nu � 2) íà÷èíàåòñÿ ðå-
æèì íåóïîðÿäî÷åííîé ëàìèíàðíîé êîíâåêöèè ñ
áîëåå âûñîêîé èíòåíñèâíîñòüþ òåïëîïåðåäà÷è:
76 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3
Nu � 1 + 0,126 (Ra – Raêð)0,25 [8], êîòîðûé
ïðîäîëæàåòñÿ âïëîòü äî Ra � 10 Raêð. Ïðè Ra �
10 Raêð ðåæèì òåïëîïåðåäà÷è â âîçäóøíîé ïðî-
ñëîéêå ñòàíîâèòñÿ òóðáóëåíòíûì è àâòîìîäåëü-
íûì ïî îòíîøåíèþ ê åå õàðàêòåðíîìó ðàçìåðó h
â ñîîòâåòñòâèè ñ òåîðåòè÷åñêè óñòàíîâëåííîé
ôîðìóëîé Nu = 0,13 Ra1/3, âåäü Nu
h, à Ra
h3. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû ïî òåïëîïåðå-
äà÷å â ãîðèçîíòàëüíûõ ïðîñëîéêàõ îáîáùàþòñÿ
èíîé çàâèñèìîñòüþ: Nu � 0,109 Ra0,313 [9].
Êðèòè÷åñêèå çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Ðåëåÿ äëÿ íà-
êëîííîé âîçäóøíîé ïðîñëîéêè (äî � � 80�) óâåëè-
÷èâàþòñÿ ñ ðîñòîì óãëà � åå íàêëîíà ê ãîðèçîíòó â
ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé Raêð = 1708/cos � [9].
Åñëè â ïëîñêîì ãîðèçîíòàëüíîì ñëîå âîçäóõà
óñòàíîâëåíà ÀÊÑ òèïà «ðåøåòêà», îáðàçóþùàÿ
ïðÿìîóãîëüíûå ÿ÷åéêè, âåëè÷èíà êðèòè÷åñêîãî
÷èñëà Ðåëåÿ Raêð = 1708 [1 + 3,083 (h/�)1,63]
[9] çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàåòñÿ è äîñòèãàåò çíà÷å-
íèÿ äëÿ êóáè÷åñêîé ïîëîñòè Raêð � 6974.
Åñëè â ïðîñòðàíñòâå ìåæäó ñòåêëîì è ïî-
âåðõíîñòüþ àáñîðáåðà óñòàíîâëåíà ÀÊÑ ùåëåâîãî
òèïà, âîçäóøíàÿ ïðîñëîéêà äåëèòñÿ íà ðÿä ùåëå-
âûõ êàíàëîâ ìåæäó ñîñåäíèìè ïîëîñàìè ôîëüãè,
êîòîðûå ñâîèì ïðèñóòñòâèåì çàìåòíî çàòðóäíÿþò
âîçíèêíîâåíèå êîíâåêöèè, ðåçêî óâåëè÷èâàÿ çíà-
÷åíèå Raêð. Íàïðèìåð, òåîðåòè÷åñêîå çíà÷åíèå
Raêð äëÿ êàíàëà êâàäðàòíîãî ñå÷åíèÿ ðàâíî 5099,
ïðè÷åì èíòåíñèâíîñòü òåïëîïåðåäà÷è ïðè âîç-
íèêíîâåíèè êîíâåêöèè ðàñòåò ñèëüíåå, ÷åì äëÿ
ïëîñêîãî ñëîÿ: Nu = 1 + 0,0179 (Ra – Raêð)0,5
[7], óâåëè÷èâàÿñü ñ ðîñòîì Ra â îáëàñòè ëàìè-
íàðíîãî ðåæèìà ïî÷òè â 3 ðàçà.
Äëÿ óçêèõ êàíàëîâ ÀÊÑ ùåëåâîãî òèïà èç-
âåñòíû âûðàæåíèÿ êðèòè÷åñêîãî ÷èñëà Ðåëåÿ â
âèäå [9]: Raêð = 1708 [1 + 3 (h/�)2]0,25 ïðè íèç-
êîòåïëîïðîâîäíûõ ãðàíèöàõ (ãäå h — øèðèíà
ïîëîñû ÀÊÑ, ðàâíàÿ ðàññòîÿíèþ ìåæäó ñòåêëîì
è ïîâåðõíîñòüþ àáñîðáåðà; � — ðàññòîÿíèå ìåæ-
äó ñîñåäíèìè ïîëîñàìè, òî åñòü øàã ÀÊÑ). Äëÿ
âûñîêîòåïëîïðîâîäíûõ ãðàíèö âûðàæåíèå äëÿ
Raêð èíîå: Raêð = 1708 [1 + 22 (h/�)2]0,167 (*).
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Àíàëèç îïóáëèêîâàííûõ ðàáîò ïî äàííîé
ïðîáëåìå ïîêàçàë, ÷òî â ëèòåðàòóðå èìåþò ìåñòî
ðàçëè÷íûå è äàæå ïðîòèâîïîëîæíûå òî÷êè çðå-
íèÿ íà òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå âîçäóøíîé
ïðîñëîéêè ìåæäó àáñîðáåðîì è ñòåêëîì â ÑÊ.
Ñàìîå ïðîñòîå ðåøåíèå — ïîâûøàòü åãî çà ñ÷åò
óâåëè÷åíèÿ òîëùèíû çàçîðà [2] — íåöåëåñîîá-
ðàçíî, ïîñêîëüêó ïðè òîëùèíå çàçîðà 50–60 ìì
ðåçêî âîçðàñòàþò ïîòåðè íà çàòåíåíèå ïîâåðõíî-
ñòè àáñîðáåðà ñòåíêàìè êîðïóñà. Êðîìå òîãî, îï-
òèìèçàöèÿ çàçîðà [3] íà îñíîâå ôîðìóëû Nu =
= 0,18 Ra0,25, êîòîðàÿ ïîëó÷åíà, âî-ïåðâûõ, ïðè
îáîáùåíèè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ äëÿ çàìê-
íóòûõ âîçäóøíûõ ïîëîñòåé ðàçëè÷íîé ôîðìû, à
âî-âòîðûõ, îíà ïîëó÷åíà ïðè óñëîâèè Ra �� Raêð.
Îòíîñèòåëüíî óñòðîéñòâ ïîäàâëåíèÿ êîíâåê-
öèè â âîçäóøíîì çàçîðå ÑÊ: ðàçðàáîòàíû íîâûå
òåõíè÷åñêèå ðåøåíèÿ ÀÊÑ äëÿ ñîâðåìåííûõ
ÑÊ, è äåòàëüíî èññëåäîâàíû ôèçè÷åñêèå ìåõà-
íèçìû âîçíèêíîâåíèÿ è ðàçâèòèÿ ñâîáîäíîé êîí-
âåêöèè â èõ ÿ÷åéêàõ. Ïðîáëåìà ñîñòîèò â òîì,
÷òî äëÿ êàæäîé êîíñòðóêöèè ÀÊÑ íåîáõîäèìî
èñïîëüçîâàòü èíäèâèäóàëüíûå çàâèñèìîñòè äëÿ
Raêð, íàïðèìåð, â ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ ÀÊÑ
ùåëåâîãî òèïà íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü, êàêèå
ðàçìåðû øèðèíû ïîëîñû è øàãà ýëåìåíòîâ ÀÊÑ
ÿâëÿþòñÿ îïòèìàëüíûìè äëÿ ÑÊ è ïðè êàêèõ
òåìïåðàòóðàõ âîçäóõà â ïðîñòðàíñòâå ìåæäó
ñòåêëîì è àáñîðáåðîì. Ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è ïî-
çâîëèò îöåíèòü ïåðñïåêòèâíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ
ÀÊÑ è âûáèðàòü îïòèìàëüíûå ðàçìåðû ýëåìåí-
òîâ àíòèêîíâåêòèâíûõ ñòðóêòóð â çàäàííûõ
óñëîâèÿõ ðåæèìîâ ðàáîòû ÑÊ.
Àíàëèç êîíäóêòèâíî-êîíâåêòèâíîãî òåïëîîá-
ìåíà â ïëîñêîé âîçäóøíîé ïðîñëîéêå, èíòåíñèâ-
íîñòü êîòîðîãî òîëüêî çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè,
òî åñòü ïðè Ra � Raêð, îïèñûâàåòñÿ ôîðìóëîé
Nu = 1, à â äèàïàçîíå êîíâåêöèè Ra � Raêð ôîð-
ìóëîé Nu = 1 + 1,446 (1 – Raêð/Ra), ïîêàçàë,
÷òî â äèàïàçîíå Ra � Raêð ãðàôèê ýòîé çàâèñè-
ìîñòè — ïðÿìàÿ, ïàðàëëåëüíàÿ îñè àáñöèññ.
 òî÷êå Ra = Raêð èìååò ìåñòî èçëîì ãðàôèêà
Nu = f(Ra), ïðè÷åì ïðîèçâîäíàÿ dNu/dx (ïåðå-
ìåííàÿ õ = Ra/Raêð) â ýòîé òî÷êå ìàêñèìàëüíà
è ðàâíà dNu/dx = 1,446. Ïðè Ra � Raêð ÷èñëî
Nu = f(Ra) ìîíîòîííî ðàñòåò, àñèìïòîòè÷åñêè
ïðèáëèæàÿñü ê çíà÷åíèþ lim(Nu) = 2,446. Òàêèì
îáðàçîì, ðåçóëüòàòû àíàëèçà òðàäèöèîííîãî
îïèñàíèÿ òåïëîîáìåíà íå äàþò îòâåòà íà âîïðî-
ñû, ñóùåñòâóåò ëè ïðîáëåìà îïòèìèçàöèè äàí-
íîé êîíñòðóêöèè è åñëè äà, òî êàêîâî çíà÷åíèå
îïòèìàëüíûõ ïàðàìåòðîâ è êàêîâû òåïëîïîòåðè
÷åðåç âîçäóøíûé çàçîð â ýòèõ ñëó÷àÿõ.
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ
1. Òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü ãîðè-
çîíòàëüíûõ âîçäóøíûõ ïðîñëîåê. âîç-
äóøíîé ïðîñëîéêå ìåæäó ñòåêëîì è ïîâåðõíî-
ñòüþ àáñîðáåðà ÑÊ èìååò ìåñòî ñëîæíûé òåïëî-
îáìåí, âêëþ÷àþùèé ðàäèàöèîííóþ è êîíäóê-
òèâíóþ (èëè êîíâåêòèâíóþ) ñîñòàâëÿþùèå. Ïî-
ñêîëüêó îíè ïðàêòè÷åñêè íåçàâèñèìû, òî ñóì-
ìàðíûé òåïëîâîé ïîòîê îò àáñîðáåðà ê ñòåêëó
ìîæíî çàïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:
Q� = �� �o (T1
4 – T2
4) + (T1 – T2),
ãäå �� — ïðèâåäåííàÿ ñòåïåíü ÷åðíîòû ñèñòåìû
ñòåêëî — àáñîðáåð; �o — ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà—
Áîëüöìàíà; — òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü âîç-
äóøíîé ïðîñëîéêè, = Nu (
/h) (â ðåæèìå òåï-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3 77
ëîïåðåäà÷è òåïëîïðîâîäíîñòüþ Nu = 1, à â ðåæè-
ìå êîíâåêöèè Nu � 1);
— òåïëîïðîâîäíîñòü âîç-
äóõà; h — ðàññòîÿíèå ìåæäó ñòåêëîì è àáñîðáå-
ðîì (øèðèíà ïîëîñû); T1, T2 — àáñîëþòíûå òåì-
ïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè àáñîðáåðà è ñòåêëà.
Ýòó ôîðìóëó ìîæíî ïåðåïèñàòü ÷åðåç òåð-
ìè÷åñêèå ïðîâîäèìîñòè:
Q� = 4�� �o �Ò12
3 (T1 – T2) +
+ (T1 – T2) = (4 �� �o �Ò12
3 + ) (T1 – T2).
Çäåñü âûðàæåíèå â ñêîáêàõ — ñóììà äâóõ
òåðìè÷åñêèõ ïðîâîäèìîñòåé: ðàäèàöèîííîé
(T12
3 � [(T1 + T2)/2]3) è êîíâåêòèâíîé.
Àíàëèç ýòîé ôîðìóëû ïîêàçûâàåò, ÷òî äëÿ
ïðîâåäåíèÿ îïòèìèçàöèè ÀÊÑ â ðàìêàõ êîíäóê-
òèâíî-êîíâåêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé ñëåäóåò èñ-
ñëåäîâàòü íå ñàìó çàâèñèìîñòü Nu = f(Ra), à çà-
âèñèìîñòü îò h òåðìè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè âîç-
äóøíîé ïðîñëîéêè = f(h).
Äëÿ òåðìè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè ïëîñêîé ãî-
ðèçîíòàëüíîé âîçäóøíîé ïðîñëîéêè ïîëó÷àåì:
= (
/h) [1 + 1,446 (1 – Raêð/Ra)] =
= (
/h) {1 + 1,446 (1 – (hêð/h)3}.
Î÷åâèäíî, çäåñü íàäî âû÷èñëèòü ïðîèçâîä-
íóþ d /dh â îáëàñòè, ïðèìûêàþùåé ê êðèòè-
÷åñêîé òî÷êå, è ïðîàíàëèçèðîâàòü åå çíàê. Ïðî-
èçâîäíàÿ ìàêñèìàëüíà ïðè h � hêð, òî åñòü äà-
æå ïðè íåáîëüøîì óâåëè÷åíèè Ra ÷èñëî Nu áû-
ñòðî óâåëè÷èâàåòñÿ, íî äàëåå ñ óâåëè÷åíèåì Ra
âåëè÷èíà ïðîèçâîäíîé d /dh óìåíüøàåòñÿ äî
íóëÿ, äëÿ íàõîæäåíèÿ ïîëîæåíèÿ êîòîðîãî íå-
îáõîäèìî èññëåäîâàòü íà ýêñòðåìóì ïîëó÷åí-
íóþ çàâèñèìîñòü â äèàïàçîíå (0–3 Raêð) àíàëè-
çîì òåêóùèõ çíà÷åíèé ïðîèçâîäíîé d /dh (Ra
h3). Çàïèøåì âûðàæåíèå òåðìè÷åñêîé ïðîâî-
äèìîñòè â áåçðàçìåðíîì âèäå:
K = / êð = (hêð/h) {1 + 1,446�[1 –
– (hêð/h)3]} = ����[1 + 1,446 (1 � ��3)].
Äëÿ òîãî, ÷òîáû èññëåäîâàòü ýòî âûðàæå-
íèå íà ýêñòðåìóì, íàäî ïðèðàâíÿòü ê íóëþ åãî
ïðîèçâîäíóþ dK/d� = 0 (ãäå � — áåçðàçìåðíàÿ
òîëùèíà âîçäóøíîé ïðîñëîéêè, � = h/hêð). Â
èòîãå ïîëó÷àåì �îïò = 4/3.
 ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîãî àíàëèçà óñòà-
íîâëåíî, ÷òî â òî÷êå Ra = Raêð = 1708 íàáëþ-
äàåòñÿ ìèíèìóì òåðìè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè
ïðîñëîéêè min = êð = (
/hêð). Òàê, ïðè Ra �
Raêð ïðîèçâîäíàÿ d /dh � �, à ïðè óñëîâèè Ra
� Raêð ïðîèçâîäíàÿ d /dh � �.  îñîáîé òî÷êå,
ïðè Ra = 4040 (�îïò = 4/3), î÷åâèäíî, èìååò
ìåñòî ýêñòðåìóì ôóíêöèè (ìàêñèìóì òåðìè÷å-
ñêîé ïðîâîäèìîñòè), ïîñêîëüêó äëÿ íåå ñîáëþ-
äàåòñÿ óñëîâèå d /dh = 0.  ýòîé òî÷êå Nu =
1,836 è max = 1,377 êð = 1,377 (
/hêð). Ïðè
Ra � 4040 òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü âîçäóøíîé
ïðîñëîéêè ìåäëåííî ñíèæàåòñÿ è ïðè Ra � 3 Raêð
(� = 1,442) äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ = 1,36 êð. Ñ
ïîâûøåíèåì ÷èñëà Ra â ãîðèçîíòàëüíîé ïðî-
ñëîéêå íà÷èíàåòñÿ íåóïîðÿäî÷åííûé ðåæèì ëà-
ìèíàðíîé êîíâåêöèè, êîòîðûé ïðîäîëæàåòñÿ
âïëîòü äî Ra � 13 Raêð, òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäè-
ìîñòü ïðè ýòîì ìîíîòîííî ñíèæàåòñÿ äî =
1,06 êð. Ïðè Ra � 13 Raêð ðàçâèâàåòñÿ òóðáó-
ëåíòíàÿ êîíâåêöèÿ.
Ïðèìåð 1. Îöåíèì êðèòè÷åñêóþ òîëùèíó
ïëîñêîé âîçäóøíîé ïðîñëîéêè â êîëëåêòîðå
ÁÇÎÎ äëÿ ðàçíûõ óãëîâ íàêëîíà ÑÊ1 (0, 30 è
45�). Ïðèìåì òàêèå òåìïåðàòóðû ýëåìåíòîâ ÑÊ,
îãðàíè÷èâàþùèõ âîçäóøíûé çàçîð, �Ñ: òåìïå-
ðàòóðà àáñîðáåðà — 65; òåìïåðàòóðà ñòåêëà —
35. Äëÿ ïëîñêèõ âîçäóøíûõ ïðîñëîåê ìåæäó
ñòåêëîì è àáñîðáåðîì ÑÊ òåïëîôèçè÷åñêèå
ñâîéñòâà â âûðàæåíèè êðèòåðèÿ Ðåëåÿ (� è �)
ïðè íåáîëüøîé ðàçíîñòè òåìïåðàòóð (T1 – T2)
ìîæíî ðàññ÷èòàòü êàê ñðåäíèå àðèôìåòè÷å -
ñêèå:�� = (�1 � �2)/2 è �� = (�1 + �2)/2.  [3]
äëÿ ðàñ÷åòà êîýôôèöèåíòà �� èñïîëüçîâàëè ñà-
ìîå ãðóáîå ïðèáëèæåíèå — ñðåäíåàðèôìåòè÷å-
ñêîå: (��)�1 = (�1 � �2)/2 = (T1 + T2)/2. Â
ýòîì ñëó÷àå �� (T1 – T2) = 2 (T1 – T2)/(T1 + T2).
Îäíàêî ýòà ôîðìóëà íå ïîçâîëÿåò âûðàçèòü
ðàçíîñòü òåìïåðàòóð T1 è T2 èëè èõ îòíîøåíèå
â ÿâíîì âèäå, ÷òî íåîáõîäèìî äëÿ ðàñ÷åòîâ.
Ðàñ÷åò êðèòè÷åñêîãî çàçîðà äàë ñëåäóþùèå
ðåçóëüòàòû: hêð = 9,5 ìì ( êð = 2,65 Âò/Ê). Ñ
ó÷åòîì óãëà íàêëîíà ÑÊ ïîëó÷àåì: hêð =
9,5/(cos �)1/3. Íàïðèìåð, äëÿ � = 30� èìååì
hêð = 10 ìì, äëÿ � = 45� — hêð = 10,7 ìì.
2. Òåðìè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü çàìê-
íóòûõ âîçäóøíûõ ÿ÷ååê. Ïðè êîíäóêòèâ-
íîé òåïëîïåðåäà÷å â çàìêíóòûõ âîçäóøíûõ
ÿ÷åéêàõ èìååì Nu = 1 è =
/h, ïðè êîíâåê-
òèâíîé — Nu = f(Ra). Äëÿ çàìêíóòûõ âîçäóø-
íûõ ÿ÷ååê çíà÷åíèÿ Raêð âûøå, ÷åì äëÿ ïëî-
ñêîé ïðîñëîéêè, äëÿ íèõ âûøå è âîçìîæíûé
ïåðåïàä òåìïåðàòóð (T1 – T2)êð, ïîýòîìó ñðåä-
íåàðèôìåòè÷åñêàÿ àïïðîêñèìàöèÿ îñðåäíåííûõ
çíà÷åíèé �� è �� çäåñü óæå íå ãîäèòñÿ. Íåîá-
õîäèìî ó÷èòûâàòü âèä ôóíêöèîíàëüíîé çàâèñè-
ìîñòè ýòèõ ñâîéñòâ îò òåìïåðàòóðû. Ïåðâûì íà
ýòî îáðàòèë âíèìàíèå Íóññåëüò [10], êîòîðûé
ïðåäëîæèë ñðåäíèå âåëè÷èíû ôèçè÷åñêèõ
ñâîéñòâ, âõîäÿùèõ â âûðàæåíèÿ êðèòåðèåâ ïî-
äîáèÿ, îïðåäåëÿòü êàê ñðåäíåèíòåãðàëüíûå:
��12 [! � "#$ dT]/(T1 � T2). Ïîñêîëüêó êðèòå-
ðèé Ðåëåÿ ðàâåí ïðîèçâåäåíèþ Gr.Pr, à ÷èñëî
Ïðàíäòëÿ äëÿ âîçäóõà (â ðàáî÷åì äèàïàçîíå
òåìïåðàòóð ÑÊ) î÷åíü ñëàáî èçìåíÿåòñÿ ñ òåì-
ïåðàòóðîé, òî åãî ìîæíî âûíåñòè çà ñêîáêè
78 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3
êðèòåðèÿ Ra è ðàññìîòðåòü îòäåëüíî: â ýòîì ñëó-
÷àå �Pr � 0,71 è Ra � 0,71Gr. Ïîýòîìó ïðîàíà-
ëèçèðóåì òîëüêî âûðàæåíèå êðèòåðèÿ Ãðàñãîôà:
Gr =�� %T h3 (g . cos �)/�2 (ãäå %# = T1 – T2;
� — êèíåìàòè÷åñêàÿ âÿçêîñòü âîçäóõà; � — óãîë
íàêëîíà ÑÊ ê ãîðèçîíòó; �� — èíòåãðàëüíûé
êîýôôèöèåíò òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ âîçäó-
õà â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð T1 – T2. Äëÿ èäåàëü-
íîãî ãàçà (â òîì ÷èñëå âîçäóõà ïðè 1 àòì è 25– 100
�Ñ) äèôôåðåíöèàëüíûé êîýôôèöèåíò òåðìè÷åñêîãî
ðàñøèðåíèÿ � & 1/Ò è��12 = [! � "#$ dT]/(T1 �
T2) = ln(T1/T2)/(Ò1 � Ò2), à ïðîèçâåäåíèå�� %T=
= ln(T1/T2).  ýòîì ñëó÷àå âûðàæåíèÿ êðèòåðèÿ
Ðåëåÿ öåëåñîîáðàçíî âûðàçèòü ÷åðåç êðèòåðèé Ãà-
ëèëåÿ: Ra = Gr.Pr & Ga . cos � . Pr . ln(T1/T2) �
� 0,71 Ga . cos � . ln(T1/T2).
Êèíåìàòè÷åñêóþ âÿçêîñòü âîçäóõà � â äèàïàçî-
íå òåìïåðàòóð îò 0 äî 100 �Ñ ìîæíî àïïðîêñèìèðî-
âàòü çàâèñèìîñòüþ �(t) = �î åõð (k.t), ãäå äëÿ 0 �Ñ
�î = 13,3.106 ì2/ñ, êîýôôèöèåíò k = 5,5.10–3 Ê–1.
Òåïëîïðîâîäíîñòü âîçäóõà ïðè ð = 1 àòì
ëèíåéíî èçìåíÿåòñÿ ñ òåìïåðàòóðîé ïî çàâèñè-
ìîñòè
î (1 + à t), ãäå äëÿ 0 �Ñ
î = 0,0243
Âò/(ì.Ê), êîýôôèöèåíò à = 0,7.10–3 Ê–1 [11].
Ïðèìåð 2. Ðàññìîòðèì ðåçóëüòàòû òåïëî-
âûõ èñïûòàíèé ÑÊ1 ÁÇÎÎ ñ ÀÊÑ òèïà ðåøåòêà
èç ïðîçðà÷íûõ ïîëèìåðíûõ ïîëîñ, óñòàíîâëåííûõ
â ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ñòåêëîì è àáñîðáåðîì ÑÊ è
îáðàçóþùèõ êóáè÷åñêèå ÿ÷åéêè, äëÿ êîòîðûõ çíà-
÷åíèå êðèòåðèÿ Raêð = 6974 (äëÿ ãîðèçîíòàëüíîãî
ÑÊ hêð = 15,2 ìì, êð = 1,66 Âò/Ê).
Èñïûòàíèÿ ÑÊ1 ÁÇÎÎ â ðàìêàõ äîãîâîðà
¹631 «Ñîâåðøåíñòâîâàíèå êîíñòðóêöèé ÑÊ1…»,
ïðîâåäåííûå íà èìèòàòîðå ÍÈÈÑÒ, äàëè ñëå-
äóþùèå ðåçóëüòàòû: F'((. ) = 0,89, à F'.UL =
= 11,2 Âò/(ì2.Ê). Ïðèåìî÷íûå âåäîìñòâåííûå
èñïûòàíèÿ ÑÊ1 â ðàìêàõ äîãîâîðà Ì105/88
«Ñîçäàòü è îñâîèòü ïðîèçâîäñòâî ÑÊ1…» ïîêàçà-
ëè, ÷òî óñòàíîâêà ñîòîâîé ÀÊÑ (òèïà ðåøåòêà èç
ïðîçðà÷íîé ïîëèìåðíîé ïîëîñû) óìåíüøèëà
F'.UL ÑÊ1 ÁÇÎÎ íà 30,5 %, à ñåëåêòèâíîå ïî-
êðûòèå àáñîðáåðà òèïà ÷åðíûé õðîì ñíèçèëî âå-
ëè÷èíó F'.UL ëèøü íà 21 %. Ïðè ýòîì èñïîëüçî-
âàíèå ñåëåêòèâíîãî ïîêðûòèÿ ïðèâåëî ê óâåëè÷å-
íèþ îïòè÷åñêèõ ïîòåðü â 3 ðàçà áîëüøåìó, ÷åì
óñòàíîâêà ÀÊÑ (òî åñòü ê ñíèæåíèþ F'((. ) íà
0,15 ïðîòèâ 0,05 ñ ÀÊÑ) [5].
Ïîâûøåíèå ýêñåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè
[12] ÑÊ1 ÁÇÎÎ ïðè èñïîëüçîâàíèè ñåëåêòèâíîãî
ïîêðûòèÿ òèïà ÷åðíûé õðîì (2) è óñòàíîâêè ÀÊÑ
òèïà ðåøåòêà èç ïîëèìåðíûõ ïîëîñ (3) òàêîå:
1) èñõîäíûé ÑÊ1:
(F'.UL) = 11,2 Âò/(ì2.Ê); F'((. ) = 0,89;
Êåõ = (0,89)2/(11,2) = 0,071 ì2.Ê/Âò;
2) ÑÊ1 ñ ÑÏA:
(F'.UL) = 8,85 Âò/(ì2.Ê); F'((. ) = 0,74;
Êåõ = (0,74)2/(8,85) = 0,62 ì2.Ê/Âò (�13 %);
3) ÑÊ1 ñ ÀÊÑ:
(F'.UL) = 7,78 Âò/(ì2.Ê); F'((. ) = 0,84;
Êåõ = (0,84)2/(7,78) = 0,91 ì2Ê/Âò (+28 %).
Òàêèì îáðàçîì, óñòàíîâêà ÀÊÑ òèïà ðåøåò-
êà â âîçäóøíîé ïðîñëîéêå ÑÊ1 ìåæäó àáñîðáå-
ðîì è ñòåêëîì ïîâûñèëî åãî ýêñåðãåòè÷åñêóþ
ýôôåêòèâíîñòü íà 28 %, à èñïîëüçîâàíèå ñåëåê-
òèâíîãî ïîêðûòèÿ òèïà ÷åðíûé õðîì åãî àáñîð-
áåðà, íàîáîðîò, ñíèçèëî ýêñåðãåòè÷åñêóþ ýô-
ôåêòèâíîñòü ÑÊ1 íà 13 %.
3. Ðàñ÷åò êðèòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ
ÀÊÑ ùåëåâîãî òèïà. Ïðè óñòàíîâêå ÀÊÑ
ïî ïàòåíòó [6] ïîëîñû íåïðåðûâíîé ëåíòû èç
àëþìèíèåâîé ôîëüãè îáðàçóþò ìåæäó àáñîðáå-
ðîì è ñòåêëîì ÑÊ ñèñòåìó êàíàëîâ ïðÿìîóãîëü-
íîãî ñå÷åíèÿ, îñè êîòîðûõ ãîðèçîíòàëüíû. Âû-
ðàæåíèÿ Raêð äëÿ òàêèõ êàíàëîâ ïðèâåäåíû
âûøå. Èç äâóõ âûðàæåíèé âûáèðàåì òî, êîòî-
ðîå ñîîòâåòñòâóåò âûñîêîòåïëîïðîâîäíûì ãðà-
íèöàì, ïîñêîëüêó è ñòåêëî è òåì áîëåå ìàòåðè-
àë àáñîðáåðà èìåþò äîñòàòî÷íî âûñîêóþ òåïëî-
ïðîâîäíîñòü. Èç âçàèìíî îäíîçíà÷íîé çàâèñè-
ìîñòè ()) ÿâíî âûðàçèòü ìîæíî òîëüêî øàã ïî-
ëîñ ÀÊÑ, ïîýòîìó çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ
êðèòè÷åñêîãî øàãà ÀÊÑ �êð ÷åðåç ÷èñëî Ðåëåÿ
â òàêîì âèäå:
�êð = h {[(Ra/1708)6 � 1]/22}–1/2 =
= 4,69 h {[Ga ln(T1/T2) cos �/2400]6 � 1}–1/2 .
Äëÿ óñëîâèé òåïëîïåðåäà÷è â âîçäóøíîé
ïðîñëîéêå ÑÊ, ïðèâåäåííûõ â ïðèìåðå 1, ðàñ-
÷åò ïî ýòîé ôîðìóëå êðèòè÷åñêîãî øàãà �êð äëÿ
çíà÷åíèé øèðèíû ïîëîñ ÀÊÑ h1 = 11 ìì, h2 =
= 12 ìì è h3 = 13 ìì äàåò ñëåäóþùåå: (�êð)1 =
= 14,3 ìì; (�êð)2 = 6,9 ìì; (�êð)3 = 3,6 ìì.
Àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ïîêàçàë, ÷òî
èñïîëüçîâàíèå ÀÊÑ, íàïðèìåð, ñ øèðèíîé ïîëîñ
13 ìì è øàãîì 3,6 ìì ñíèæàåò òåðìè÷åñêóþ
ïðîâîäèìîñòü âîçäóøíîé ïðîñëîéêè ÑÊ ïî÷òè íà
40 % ïî ñðàâíåíèþ ñ åå êðèòè÷åñêîé ïðîâîäè-
ìîñòüþ êð áåç ÀÊÑ.
Àíàëîãè÷íî ìîæíî ðàññ÷èòàòü çàâèñèìîñòü
êðèòè÷åñêîãî îòíîøåíèÿ ãðàíè÷íûõ òåìïåðàòóð
âîçäóøíîé ïðîñëîéêè â ÀÊÑ ïî çàäàííûì çíà-
÷åíèÿì � è h â òàêîì âèäå:
(Ò1/Ò2)êð = åõð {(2400/Gà . cos �)*
*[1 + 22 (h/�)2]1/6}.
Âûâîäû
Îöåíêó òåïëîèçîëÿöèîííûõ ñâîéñòâ âîç-
äóøíûõ ïðîñëîåê è ïîëîñòåé íåêîððåêòíî ïðî-
âîäèòü íà îñíîâå ïðèáëèæåííûõ îáîáùåííûõ
çàâèñèìîñòåé áåç äåòàëüíîãî àíàëèçà ìåõàíèçìà
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3 79
òåïëîîáìåíà íà ãðàíèöå òåïëîïðîâîäíîñòè è
êîíâåêöèè, ïîñêîëüêó ýòî ïðèâîäèò ê îøèáî÷-
íûì ðåçóëüòàòàì. Íåäîñòàòî÷íî ïðîâîäèòü àíà-
ëèç òåïëîîáìåíà â çàçîðå è ïî ðåçóëüòàòàì òî÷-
íûõ àíàëèòè÷åñêèõ ðåøåíèé äëÿ êîíâåêöèè âîç-
äóõà â êðèòåðèàëüíîì âèäå Nu = f(Ra). Íàèáî-
ëåå ïîëíóþ âîçìîæíîñòü îöåíêè èíòåíñèâíîñòè
òåïëîîáìåíà â âîçäóøíîì çàçîðå äàåò íå àíàëèç
áåçðàçìåðíûõ âûðàæåíèé â êðèòåðèàëüíîì âèäå,
à àíàëèç ðàçìåðíîãî ïàðàìåòðà — òåðìè÷åñêîé
ïðîâîäèìîñòè âîçäóøíîé ïðîñëîéêè .
Ïðîâåäåííûé àíàëèç ïîêàçàë, ÷òî íàèëó÷-
øèìè òåïëîèçîëÿöèîííûìè êà÷åñòâàìè, òî åñòü
ìèíèìàëüíîé òåðìè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòüþ, îá-
ëàäàþò âîçäóøíûå ïðîñëîéêè è ïîëîñòè â ñëó-
÷àå, êîãäà èõ õàðàêòåðíûé ðàçìåð ïðèáëèæàåò-
ñÿ ê êðèòè÷åñêîìó ðàçìåðó ñíèçó, òî åñòü ïðè
Ra � Raêð. Íàïðîòèâ, ìàêñèìàëüíàÿ òåðìè÷å-
ñêàÿ ïðîâîäèìîñòü äëÿ ãîðèçîíòàëüíûõ âîçäóø-
íûõ ïðîñëîåê ïðè ëàìèíàðíîì ðåæèìå êîíâåê-
öèè (Raêð � Ra � 13 Raêð) èìååò ìåñòî ïðè
Ra = 4040. Îíà îêàçàëàñü ïî÷òè íà 38 % âûøå,
÷åì ìèíèìàëüíàÿ êð, äëÿ êðèòè÷åñêîãî çàçîðà.
Ðàçðàáîòàí ìåòîä ðàñ÷åòà ïàðàìåòðîâ ùåëå-
âîé àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòóðû ÑÊ [6]. Ïîëó-
÷åíû àíàëèòè÷åñêèå âûðàæåíèÿ â ÿâíîì âèäå
äëÿ êðèòè÷åñêîé âåëè÷èíû øàãà ÀÊÑ (�êð) è
äëÿ êðèòè÷åñêîé âåëè÷èíû îòíîøåíèÿ àáñîëþò-
íûõ òåìïåðàòóð (Ò1/Ò2)êð ãðàíèö âîçäóøíîé
ïðîñëîéêè ìåæäó ñòåêëîì è àáñîðáåðîì. Ïðîâå-
äåí ðàñ÷åò íåñêîëüêèõ âàðèàíòîâ ùåëåâîé ÀÊÑ,
êîòîðûé ïîêàçàë, ÷òî óñòàíîâêà â âîçäóøíóþ
ïðîñëîéêó ÑÊ òàêîé ñòðóêòóðû ìîæåò ñóùåñò-
âåííî óâåëè÷èòü åå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå.
Îñîáåííî ïåðñïåêòèâíûì ïðåäñòàâëÿåòñÿ
ñî÷åòàíèå óñòàíîâêè àíòèêîíâåêòèâíîé ñòðóêòó-
ðû ñ ñåëåêòèâíûì ïîêðûòèåì ïîâåðõíîñòè àá-
ñîðáåðà ÑÊ, ïîñêîëüêó â ýòîì ñëó÷àå ñíèæàþò-
ñÿ îáå ñîñòàâëÿþùèå òåïëîïîòåðü îò àáñîðáåðà
ÑÊ ÷åðåç ñòåêëî â îêðóæàþùóþ ñðåäó (è ðà-
äèàöèîííàÿ, è êîíâåêòèâíàÿ). Îäíàêî ñåëåê-
òèâíîå ïîêðûòèå ïðè ýòîì íå äîëæíî ïîíèæàòü
ýêñåðãåòè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü ÑÊ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Óêðàèí-
ñêîãî íàó÷íî-òåõíîëîãè÷åñêîãî öåíòðà (ïðîåêò
ÓÍÒÖ 3984).
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Äàôôè Äæ.À., Áåêìàí Ó.À. Òåïëîâûå ïðîöåññû ñ
èñïîëüçîâàíèåì ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. — Ì. : Ìèð,
1977. — 420 ñ.
2. Àãíèõîòðè Î., Ãóïòà Á. Ñåëåêòèâíûå ïîâåðõíîñòè
ñîëíå÷íûõ óñòàíîâîê. — Ì. : Ìèð, 1984. — 277 ñ.
3. Ìûøêî Þ.Ë., Ìîéñååíêî Â.Â., Ñìèðíîâ Ñ.È.,
Ñìèðíîâ Ñ.Â. Îïòèìèçàöèÿ òîëùèí âîçäóøíîãî
çàçîðà è òûëüíîé òåïëîâîé èçîëÿöèè ïëîñêîãî
ñîëíå÷íîãî êîëëåêòîðà // Ãåëèîòåõíèêà. —
1991. — ¹ 1. — Ñ. 15–18.
4. Âåéíáåðã Â.Á. Îïòèêà â óñòàíîâêàõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ
ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. — Ì. : Îáîðîíãèç, 1959. — 253 ñ.
5. Ëóäàíîâ Ê.È. Àíòèêîíâåêòèâíàÿ ñòðóêòóðà ñîëíå÷íîãî
êîëëåêòîðà // Òåç. äîêë. VI êîíô. Ìèíýíåðãî
«ÍÂÈÝ-97», ïãò Íèêîëàåâêà, ÀÐ Êðûì, 1–6 ñåíò.
1997 ã. — Ñ. 25.
6. Ïàò. 13183 Óêð., Ìʲ6 F 24 J 2/24. Ñîíÿ÷íèé
êîëåêòîð ç àíòèêîíâåêòèâíîþ ñòðóêòóðîþ / Ê.².Ëó-
äàíîâ. — Îïóáë. 1997, Áþë. ¹ 1.
7. Ãåðøóíè Ã.Ç., Æóõîâèöêèé Å.Ì. Êîíâåêòèâíàÿ óñòîé-
÷èâîñòü íåñæèìàåìîé æèäêîñòè. — Ì. : Íàóêà, 1972.
8. Ãîëèöûí Ã.Ñ. Èññëåäîâàíèå êîíâåêöèè ñ ãåîôèçè÷åñêè-
ìè ïðèëîæåíèÿìè è àíàëîãèÿìè. — Ë. : Ãèäðîìåòåî-
èçäàò, 1980.
9. Ñïðàâî÷íèê ïî òåïëîîáìåííèêàì / Ïåð. ïîä ðåä.
Á.Ñ.Ïåòóõîâà è Â.Ê.Øèêîâà. — Ì. : Ýíåðãîàòîìèç-
äàò, 1987.
10. Ñîêîâèøèí Þ.À., Ìàðòûíåíêî Î.Ã. Ââåäåíèå â òåî-
ðèþ ñâîáîäíîêîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà. — Ë. :
Èçä-âî Ëåíèíãð. óí-òà, 1982.
11. Êîâàëåâñêèé Â.È., Áîéêîâ Ã.Ï. Ìåòîäû òåïëîâîãî ðàñ-
÷åòà ýêðàííîé èçîëÿöèè. — Ì. : Ýíåðãèÿ, 1974. – 200 ñ.
12. Ëóäàíîâ Ê.È. Ýêñåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü
ñîëíå÷íûõ êîëëåêòîðîâ // Ýêîòåõíîëîãèè è ðå-
ñóðñîñáåðåæåíèå. — 2006. — ¹ 5. — Ñ. 68–71.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 22.04.09
80 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2010. ¹ 3
The Parameters Calculation of Solar Collector
Anticonvection Structure
Ludanov K.I.
Institute for Problems of Material Science of NASU, Kiev
Heat exchange in the plane air interlayers is investigated. The computation method of
«aperture» anticonvection structure of solar collector is developed. The analytic expres-
sion for critical step of the «aperture» anticonvection structure is obtained depending on
its bandwidth, absolute temperatures of absorber and glass surfaces ratio and on the solar
collector slope angle.
Key words: solar collector, heat loss coefficient, anticonvection structure, thermal
conductivity.
Received April 22, 2009
|